煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統及特征參數測定方法
【專利摘要】煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，包括底部構件、連接在底部構件上的一個或多個串聯的土柱實驗標準構件以及土柱實驗標準構件頂部的煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置；模擬系統裝土構件為多個標準構件且由計算機自動化控制，并且基于該系統實現四種形態的由煤矸石淋濾液制備的待融源消融入滲特征參數和水動力彌散系數的測定，測定時采用大直徑的原狀土柱進行室內實驗，并給出了測試步驟及計算方法；煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置通過調溫元件和冷熱一體金屬元件實現煤矸石淋濾液消融低溫入滲模擬過程；具有實用性強，使用效果好，便于推廣使用的特點。
【專利說明】
煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統及特征參數測定方法
技術領域
[0001] 本發明屬于礦區環境保護領域，特別涉及一種煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系 統及特征參數測定方法。
【背景技術】
[0002] 降水主要是指降雨和降雪，水分以各種形式從大氣到達地面，其它形式的降水還 包括露、霜、雹等。降水是水文循環的重要環節，也是人類用水的基本來源。降水資料是分析 合理洪枯水情、流域旱情的基礎，也是水資源的開發利用如防洪、發電、灌溉等的規劃設計 與管理運用的基礎。降水入滲補給地下水的過程是大氣水到土壤水到地下水"三水"相互轉 換關系中最基本的環節之一，降水入滲對地下水的補給量即為降水補給量，它是地下水的 主要補給方式，同時，也是區域水均衡計算中的一個重要均衡要素。
[0003] 煤矸石是一種混合物，一般將采煤過程和選煤廠生產過程中排出的碳質巖、泥質 巖、砂質巖、粉砂巖和少量石灰石稱為煤矸石，它是煤炭開采和加工過程中排放的廢棄物。 目前我國煤矸石的處理方式主要是露天堆放，積存量已達41億噸以上，并且每年仍以億噸 以上的速度遞增。煤矸石在雨水淋濾作用下形成酸性水，使大量的懸浮物、有機物對周圍水 環境造成嚴重污染，是礦區環境污染的主要問題之一。淋濾液中的重金屬元素毒性很強、 污染嚴重，對生物和人類健康均會造成危害，進入土壤后可向淺層地下水迀移。煤矸石淋濾 液入滲運移過程是一個多種組分和多相滲流的問題。
[0004] 土柱實驗被廣泛應用于農業、林業、地質、土木和環境等研究領域。應用土柱實驗 可以在實驗室內模擬土壤水分和污染物迀移規律。土柱通常分為原狀土柱和擾動土柱兩 種。原狀土柱能夠用來測試土體本身的結構及其物理性質；當前土柱實驗一般采用擾動土 柱，擾動土柱是經過篩分形成，或者按照一定比例混合填裝所形成的，其不能用來測試土體 本身的結構特性。不管采用哪種土柱進行試驗，都存在以下問題:①土柱實驗裝土構件單節 長度大，便捷性差，以至于土柱安裝困難，對儀器的清洗造成不便;②監測設備安裝繁瑣，需 要對土柱進行鉆孔，破壞其結構性;③監測設備一般為人工觀測，使得實驗精度低、人為性 強。
[0005] 非飽和滲透系數與水動力彌散系數是描述非飽和土壤中水分運移和溶質輸送的 重要函數關系，是分析降水條件下土坡穩定性、固體廢物填埋場、地下污水的迀移和填土工 程等問題的重要參數。由于在非飽和土中有基質吸力的存在，確定煤矸石淋濾液入滲條件 下的特征參數具有較大的難度。非飽和滲透系數和水動力彌散系數的測定既可在實驗室， 也可在現場進行。室內實驗的優點是可在設定的水力邊界條件下測試原狀試樣和重塑試樣 的特征參數，同時與原位實測相比，室內實驗周期短、經濟且更成熟。但通常由于非飽和土 的成分、結構以及賦存環境的差異，導致了室內實驗所用小試件難以代表真正土體的實際 情況。
[0006] CN103344538A公開了 一種非飽和土多功能滲透儀及其測試方法，其補水裝置為馬 氏瓶，所述馬氏瓶包括上下部均密封的補水瓶和由上至下豎向插入補水瓶內的導管，所述 補水瓶的上部側壁上開有進水口，補水瓶的底部側壁上開有排氣口和供水口，本專利只能 進行簡單的降水滲透模擬，對于更為復雜的煤矸石淋濾液消融入滲模擬該專利不能實現也 沒有給出這樣的啟示。
[0007] CN105181531A公開了一種黃土水分迀移規律室內模擬系統及特征參數測定方法， 其降雨模擬系統包括嵌入安裝在室內模擬系統箱體頂部的降雨槽和設置在降雨槽底部的 圓形降雨孔，所述降雨槽的頂部設置有降雨槽內壓力控制管和與外部水源連接的進水管， 所述進水管上設置有進水電磁閥、進水水栗和用于對降雨量進行實時檢測的第一流量傳感 器，所述降雨槽內壓力控制管上設置有壓力控制電磁閥和壓力傳感器，所述降雨槽內壓力 控制管的端部連接有空氣壓縮機，所述降雨槽的頂部內壁上設置有用于對降雨槽的水位進 行實時檢測的水位傳感器，所述降雨孔的直徑為〇.5_~1mm;本專利也只能進行降水滲透 模擬，對于煤矸石淋濾液消融入滲的模擬本專利也無法實現。
[0008] CN103604734A公開了一種雨強可控的非飽和土雨水入滲模擬系統，其雨強可控實 現的設備是這樣的：所述的供水水箱中設置有供水水栗，供水水栗用供水水管連接溢流水 箱，所述的溢流水箱用溢流水管連接供水水箱，在溢流水箱底部還連接有一個雨滴發生器， 所述的雨滴發生器包括若干個與溢流水箱底部連通的導管，所述的導管上設置有調節閥， 導管的頂端設置有針頭，針頭固定在固定板上，固定板的下表面還設置有一個漏斗，所述的 漏斗的出料口位于模型箱頂部的開口上方，本專利也只能實現降雨時的雨強可控滲透模 擬，對于煤矸石淋濾液消融入滲的模擬本專利也無法實現。
【發明內容】
[0009] 為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種煤矸石淋濾液消融入 滲土柱模擬系統及特征參數測定方法，基于大直徑的原狀土柱進行室內實驗，采用煤矸石 淋濾液消融入滲補給模擬系統，能夠實現由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源、粒徑為 5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組合而 成的混合型待融源的消融入滲模擬過程;模擬系統裝土構件為多個標準構件且由計算機自 動化控制，并且基于該系統實現了特征參數測定，并給出了測試步驟及計算方法，具有實用 性強，使用效果好，便于推廣使用的特點。
[0010] 為了達到上述目的，本發明的技術方案為：
[0011] 煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，包括底部構件（1 )、連接在底部構件（1)上 的一個或多個串聯的土柱實驗標準構件(4)以及土柱實驗標準構件(4)頂部的煤矸石淋濾 液消融入滲補給模擬裝置(8);
[0012] 所述的底部構件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水點通過塑 料軟管(2)接入出滲量量杯(3 )，塑料軟管(2)上設置有第三流量傳感器(3-1 )，第三流量傳 感器(3-1)接入計算機(7);底座（1-1)的上方設置有承力柱（1-2)，承力柱（1-2)的上部設 置有高進氣值陶土板(1-3)，高進氣值陶土板(1-3)的四周邊沿均與底部構件（1)管件（1-7) 的內壁水平緊貼，高進氣值陶土板（1-3)的頂部設置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上表面與原 狀土樣(12)接觸;管件（1-7)的頂端設置有外螺紋連接段(1-6)，外螺紋連接段(1-6)通過法 蘭(6)與土柱實驗標準構件(4)連接；
[0013] 所述土柱實驗標準構件(4)由兩個相同的半圓柱體經卡箍(4-30)通過土柱實驗標 準構件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)處連接成一個圓柱體，土柱實驗標準構件(4)的管壁 (4-1)上設置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞(5-7)配合使用；多個土柱實驗標 準構件(4)通過法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進行連接;插入件(5)通過橡膠塞(5-7)插入原狀土樣（12)內，插入件(5)內傳感器所采集的數據都實時傳輸給計算機(7);土壤 熱傳導吸力探頭(4-7)經圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內，土壤熱傳導吸力探頭(4-7) 內傳感器所采集的數據都實時傳輸給計算機(7) ;X射線熒光光譜探頭(4-8)經圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內，X射線熒光光譜探頭(4-8)所采集的數據都實時傳輸給計算機(7); 土柱實驗標準構件(4)上固定有多個測壓管(4-9)，多個測壓管(4-9)的每個入水口經圓形 小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內；所述的插入件（5)在土柱上按照同一列布置，土壤熱傳導 吸力探頭(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射線熒光光譜探頭(4-8)在土柱上按照同一列 布置，測壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0014]所述的煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)包括設置在土柱外側的溫度控制 器(8-1)以及通過導線（9)與其所連接的調溫元件(8-3)，所述調溫元件(8-3)位于頂蓋(8-2)下方，頂蓋(8-2)的頂部設置有超聲波測距傳感器(8-4)，頂蓋(8-2)位于土柱實驗標準構 件(4)上部的圓柱構件（10)的上方且緊密接觸，圓柱構件（10)內的原狀土樣（12)上表面外 側開有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通過塑料軟管(2)接入徑流量量杯（13)，塑料軟管 (2)上設置有第二流量傳感器(13-1)，所述第二流量傳感器(13-1)通過導線(9)接入計算機 (7)，原狀土樣(12)上設置有由煤矸石淋濾液制備的待融源(11);
[0015]所述的承力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力柱主體（1-21)，所述承力柱支座（1-22)與底座（1-1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在土柱豎向投影 按照"一個圓心+以底座（1-1)半徑1/2為半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱主體（1-21)長度不同使得底座(1 -1)呈現坡度；
[0016]所述的土柱底部構件（1)、土柱實驗標準構件(4)及圓柱構件（10)均由耐高溫玻璃 鋼制成；
[0017] 所述的插入件(5)的最前端設置有插入針頭(5-6)，插入件(5)內部管道的轉角處 設置有橡膠墊片(5-1)，內部管道中設置有彈出件(5-2)，彈出件(5-2)包括溫濕度傳感器探 頭(4-5)或冷熱一體金屬元件(4-6)，彈出件(5-2)后端與導線(9)進行連接，彈出件(5-2)的 尾部套設有輕質彈簧(5-4)，輕質彈簧(5-4)的末端設置有探針控制器(5-5)，插入件(5)的 外側中段設置有擋板(5-3);
[0018] 所述圓形小孔(4-4)形狀大小與橡膠塞(5-7)相一致且結合緊密，排布方式為:縱 向上相隔排列且遵循上密下疏原則，橫向上繞土柱實驗標準構件(4)外圓周長8等分排布；
[0019] 所述的卡箍(4-30)由兩半圓環鋼圈（4-34)組成并通過一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡 箍(4-30)的另一端接頭(4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調節卡箍(4-30)的松緊 程度，使標準圓柱構件緊密結合；
[0020] 所述的法蘭(6)內側設有法蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設置有轉動把手(6-2); [0021]所述的計算機(7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設置 有溫度探測輸入端(7-1)、溫濕度探測輸出端(7-2)、基質吸力探測輸出端(7-3)和重金屬離 子濃度監測值輸出端(7-4);溫度探測輸入端(7-1)經導線（9)連接冷熱一體金屬元件(4-6)，溫濕度探測輸出端(7-2)經導線(9)連接溫濕度傳感器探頭(4-5)，基質吸力探測輸出端 (7-3)經導線(9)連接土壤熱傳導吸力探頭(4-7)，重金屬離子濃度監測值輸出端(7-4)經導 線(9)連接X射線熒光光譜探頭(4-8);
[0022]所述的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)包括四種形態，整冰塊型待融源、粒徑 為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組合 而成的混合型待融源;在圓柱構件（10)與由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)上表面所處的 水平面相交的圓柱構件（10)外壁上周向六等分設置有六個紅外對射報警找平裝置(J);煤 矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)的一側設置有攪碎機(H)，攪碎機(H)的出口連通伸 縮式傳送裝置(Q)，伸縮式傳送裝置(Q)的輸送段連通至圓柱構件（10)內，在圓柱構件（10) 內且伸縮式傳送裝置(Q)下方設置有振動篩(R)，振動篩(R)的下方通過風扇固定結構B安裝 有由軟質塑料制成的三葉風扇(C)，振動篩(R)為可活動的百葉窗形式。
[0023]基于煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統的特征參數測定方法，包括以下步驟：
[0024] 步驟一、組裝土柱實驗標準構件
[0025]分別對土柱實驗標準構件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進行拼接，對土柱實驗標 準構件(4)的接縫進行密封及防水處理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通過 扳手上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3) 上，然后將多個土柱實驗標準構件(4)通過法蘭(6)串聯實現縱向拼接；
[0026]步驟二、安裝原狀土樣
[0027]選取預先準備好的原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)豎立在地面上，將已經連接好 的多個土柱實驗標準構件(4)套住原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)與土柱實驗標準構件(4) 之間密封及防水處理保證后續實驗時煤矸石淋濾液不從縫隙直接流下；
[0028]步驟三、組裝土柱實驗儀器設備
[0029]先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對應的承力 柱支座（1-22)上，將高進氣值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主體(1-21)上方，所述高進氣 值陶土板（1-3)上表面鋪設有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進氣值陶土板（1-3)、 濾紙（1-4)均位于管件（1-7)內部;在集水處最低位置設置一個出液孔外接塑料軟管(2)，將 所述塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第三流量傳 感器(3-1)，所述第三流量傳感器(3-1)通過導線(9)接入計算機(7)，然后將法蘭(6)的法蘭 螺紋(6-1)對準外螺紋連接段(1-6)，通過轉動把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構件 (1)上方，然后將拼接組裝而成的土柱實驗標準構件連同其套住的原狀土樣（12)通過土柱 實驗標準構件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺紋 (6-1)進行組裝，使拼接組裝而成的土柱實驗標準構件連同其套住的原狀土樣（12)位于底 部構件（1)濾紙（1-4)的正上方，最后通過法蘭(6)將圓柱構件（10)進行連接；
[0030] 步驟四、測定原狀土樣的初始狀態
[0031] 原狀土樣（12)的初始含水率：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12) 的濕度進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號 通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣 (12)的濕度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點處原狀 土樣(12)的初始含水率0。；
[0032]原狀土樣（12)的初始溫度：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12)的 溫度進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通 過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12) 的溫度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的溫度信號記錄為各個測試點處原狀土樣 (12)的初始溫度T c;
[0033]原狀土樣（12)的基質吸力：多個土壤熱傳導吸力探頭(4-7)分別對原狀土樣（12) 的基質吸力進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測 信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土 樣（12)的基質吸力信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質吸力信號記錄為各個測試 點處原狀土樣（12)的初始基質吸力?％;
[0034]原狀土樣（12)的重金屬離子濃度本底值:多個X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對初 始狀態的原狀土樣（12)重金屬離子濃度進行監測，將監測到的重金屬離子濃度信號傳給微 控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機 (7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個測試點處原 狀土樣(12)的重金屬離子濃度信號記錄為各個測試點重金屬離子濃度本底值c;
[0035]原狀土樣（12)的水頭高度：多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進 行監測得到各個測試點初始階段對應的水頭高度h。；
[0036]原狀土樣（12)的飽和含水率:將原狀土樣（12)的取樣地點帶回的其它土樣進行飽 和含水率測定，作為原狀土樣(12)的飽和含水率;取土樣放入稱量盒內，為其注水直至水面 浸沒土樣，浸沒10分鐘之后將多余的水清除，稱質量為m，之后將土樣和稱量盒放入烘箱內，
進行烘干，之后將其置于天平上進行稱重得質量為ms，之后利用公式 計 算求得原狀土樣(12)的飽和含水率0sat;
[0037] 步驟五、模擬煤矸石淋濾液消融入滲
[0038] (1 )、當需要模擬由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源的消融入滲模擬過程時， 只需要將整冰塊型待融源（11)放在原狀土樣（12)上；當需要模擬由煤矸石淋濾液制備的粒 徑為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組 合而成的混合型待融源的消融入滲模擬過程時，啟動攪碎機(H)，由煤矸石淋濾液制備的待 融源（11)在攪碎機(H)中攪碎后通過伸縮式傳送裝置(Q)輸送到振動篩(R)上，伸縮式傳送 裝置(Q)在圓柱構件（10)內來回伸縮運動，伴隨著振動篩自轉，從而實現將攪碎的由煤矸石 淋濾液制備的待融源（11)均勻地灑落在振動篩(R)的上表面，保證攪碎后的由煤矸石淋濾 液制備的待融源（11)不成堆聚集在振動篩(R);振動篩(R)設置為可活動的百葉窗形式，能 夠隨著由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)的粒徑大小進行自動調節，當進行消融時，百葉 窗的開口設置為最大，以便調溫元件(8-3)更好地進行消融加熱;三葉風扇(C)扇葉轉速較 慢，從而使降下的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)平整;六個紅外對射報警找平裝置(J) 兩兩成對構成一組實現對射找平，可全面掃描監測原狀土樣（12)上的由煤矸石淋濾液制備 的待融源（11)上表面是否水平；
[0039] (2)、計算機(7)發出信號接通溫度控制器(8-1)的供電回路，從而控制調溫元件 (8-3)加熱到預設實驗溫度h，溫度控制器(8-1)對調溫元件(8-3)進行實時監測并將監測 到的信號實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的監測值與調溫元件(8-3)預設實 驗溫度Ti相比對，當監測值達到調溫元件(8-3)預設實驗溫度^時，計算機(7)向溫度控制器 (8-1)發出信號斷開調溫元件(8-3)的供電回路，調溫元件(8-3)停止加熱，當監測值低于調 溫元件(8-3)預設實驗溫度^時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度控制器(8-1)發出信號 接通調溫元件(8-3)的供電回路，調溫元件(8-3)開始加熱，從而使調溫元件(8-3)保持為預 設實驗溫度Ti;預設實驗溫度1\的范圍為0°C~80°C ;
[0040] (3)、計算機(7)發出信號經微控制器(7-0)從溫度探測輸入端(7-1)經導線(9)到 達冷熱一體金屬元件(4-6)，控制冷熱一體金屬元件(4-6)開始工作，使原狀土樣（12)達到 預設實驗溫度T2;煤矸石淋濾液消融入滲模擬過程中，埋置于原狀土樣（12)的溫濕度傳感 器探頭(4-5)對附近土壤的溫度進行實時監測并將監測到的信號經導線（9)通過微控制器 (7-0)的溫濕度輸出端(7-2)實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的溫度監測值與 冷熱一體金屬元件(4-6)預設實驗溫度T 2相比對，當溫度監測值高于冷熱一體金屬元件(4-6)預設實驗溫度^時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度探測輸入端(7-1)發出信號控制 冷熱一體金屬元件(4-6)開始制冷，當溫度監測值低于冷熱一體金屬元件(4-6)預設實驗溫 度!^時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度探測輸入端(7-1)發出信號控制冷熱一體金屬 元件(4-6)開始加熱，從而使冷熱一體金屬元件(4-6)的溫度保持為預設實驗溫度T 2，模擬 出了煤矸石淋濾液消融低溫入滲條件;預設實驗溫度12的范圍為-20°C~20°C;
[0041 ] (4)、在模擬煤矸石淋濾液消融入滲的過程中，未滲入原狀土樣（12)內的煤矸石淋 濾液從所述出液口（10-1)內流出并經過塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀土樣 (12)內的煤矸石淋濾液從所述通液孔（1-5)內流出并經過塑料軟管(2)流入出滲量測量量 杯(3);在煤矸石淋濾液消融入滲過程中，當相鄰的兩個采樣時刻的未滲入原狀土樣（12)內 的煤矸石淋濾液的量的差值小于等于lcm 3時，說明達到了煤矸石淋濾液消融入滲穩定，停 止實驗;此時，查看徑流量測量量杯（13)內未滲入原狀土樣(12)內的煤矸石淋濾液的量，并 將該讀數記錄為煤矸石淋濾液消融徑流量查看出滲量測量量杯（3)內滲出原狀土樣 (12)的煤矸石淋濾液的量，并將該讀數記錄為煤矸石淋濾液消融出滲量Q。;根據原狀土樣 (12)入滲穩定時上表層處的含水率0，結合原狀土樣（12)上表層處的初始含水率0。，從而換 算出煤矸石淋濾液消融入滲量Q r;煤矸石淋濾液消融入滲量Qr與煤矸石淋濾液消融徑流量 Qj的和即為煤矸石淋濾液總消融量Qz;對于由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源總量Q 、，可將其換算為對應的4°C下煤矸石淋濾液的體積求得;對于由攪碎機(H)產生的待融源 總量Q'z，可由投入攪碎機(H)的煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應的4°C下煤矸石淋濾液的 體積乂:與攪碎機(H)內所有的剩余由煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應的4°C下煤矸石淋濾 液的體積V 2之差來確定，所述的冰塊是邊長為lcm的立方體冰塊；
[0042]步驟六、模擬過程中的各參數監測
[0043]多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的溫濕度進行監 測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通過串口通信電路 實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的溫度、濕度信 號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應的 溫度h、含水率0 1;多個土壤熱傳導吸力探頭(4-7)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的基 質吸力進行監測，將監測到的基質吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信 號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣 (12)的基質吸力信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質吸力信號記錄為各個測試點 記錄時刻對應的基質吸力Fa;多個X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對模擬過程中的原狀土樣 (12)的重金屬離子濃度進行監測，將監測到的重金屬離子濃度信號傳給微控制器(7-0)，微 控制器(7-0)將監測信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄 多個測試點處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的重 金屬離子濃度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應的重金屬離子濃度c 1;多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣(12)的水頭高度進行監測得到各個測試點記錄時刻對應的水頭高度h1;
[0044] 上述所有的監測，其監測時間頻率設置如下:煤矸石淋濾液入滲5分鐘內，記錄時 間間隔為5秒，煤矸石淋濾液入滲5-15分鐘內，記錄時間間隔為10秒，煤矸石淋濾液入滲15-30分鐘內，記錄時間間隔為15秒，煤矸石淋濾液入滲30-60分鐘內，記錄時間間隔為20秒，煤 矸石淋濾液入滲60分鐘以后記錄時間間隔為60秒，直到實驗達到穩定后2-4小時以上；
[0045] 步驟七、模擬過程中監測結果分析
[0046] 對所記錄的某一時刻的溫度h、基質吸力Fa和重金屬離子濃度(^監測數據做插值 處理，得到某一時刻原狀土樣（12)所對應的溫度云圖、基質吸力云圖和重金屬離子濃度云 圖；同時對所記錄的某一時刻原狀土樣（12)所對應的含水率0:監測數據做插值處理，得到 某一時刻原狀土樣(12)對應的含水率云圖；
[0047] 依據含水率云圖的變化規律，找出每個時刻所對應的濕潤前鋒的位置，所述濕潤 前鋒的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位 置連線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時間t的變化規律;根據含水率云圖，依 據含水率的大小，找出每個時刻所對應的飽和含水率0 sat的等值線，從而確定完全飽和帶， 所述完全飽和帶定義是土柱上表面以下一定深度內出現水分完全飽和的部分；當濕潤前鋒 與完全飽和帶在同一監測時刻出現時，所述濕潤前鋒線與飽和含水率9 sat等值線之間的區 域被定義為煤矸石淋濾液入滲過渡帶；
[0048]繪制基質吸力F4P含水率0:的關系圖，從而分別得到各土層的土-水特征曲線；
[0049] 步驟八、煤矸石淋濾液消融入滲系數及消融率計算
[0050] 根據公式Qr = Qz_Qj，計算得到煤矸石淋濾液入滲量Qr，單位為cm3;其中Q z為煤矸石 淋濾液總消融量，單位為cm3; Qj為煤矸石淋濾液徑流量，單位為cm3;
[0051 ]根據公式AS = Qr-Qc，計算得到煤矸石淋濾液入滲的虧損量AS，單位為cm3;其中 Qi?為煤矸石淋濾液入滲量，單位為cm3; Qc為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3;
[0052]根據公式Vr = Qr/t計算得到煤矸石淋濾液入滲率Vr，單位為cm3/s;其中Qr為煤矸石 淋濾液入滲量，單位為cm3; t為實驗測試時間，單位為S;
[0053]根據公式Vc = Qc/t計算得到煤矸石淋濾液出滲率V。，單位為cm3/s;其中Qc為煤矸石 淋濾液出滲量，單位為cm3; t為實驗測試時間，單位為s;
[0054] 根據公式a = Qc/Qz計算得到煤矸石淋濾液消融入滲系數a，單位為無量綱；其中Qc 為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3; Qz為煤矸石淋濾液總消融量；
[0055] 根據公式a' =QZ/Q、計算得到由煤矸石淋濾液制備的待融源消融率a'，單位為無 量綱;其中Qz為由煤矸石淋濾液制備的待融源總消融量，單位為cn^Q、為由煤矸石淋濾液 制備的待融源總量，單位為cm 3;
[0056]步驟九、非飽和滲透系數計算
[0057]基于土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數學模型如下
(1)
[0059] 將Darcy定律代入以上方程（1)得
(2)
[0061]對于非飽和土，滲透系數k與含水率存在函數關系，所以方程(2)可化為下式
(3)
[0063] 根據Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應力（o-Ua)和基質吸 力值的變化將會引起體積含水率^的變化，BP
[0064] dBw = j (2^ - (4):
[0065] 式中：〇--總應力；
[0066] miw一一與法向應力(〇_ua)變化有關的水的體積變化系數；
[0067] <--與基質吸力(ua_uw)變化有關的水的體積變化系數；
[0068] 將方程(4)對時間微分，同時，在非穩定滲流過程中土體單元上并沒有外荷載作 用，假定在非飽和區氣相連續不變，得
[0071]由（3)、（5)式可得 (5) 即土-水特征曲線的斜率；
(6)
[0073]其中：k為非飽和滲透系數，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為cm;y為土柱測 點高度，單位為cm; y w為水的重度，單位為N/m3; 為土-水特征曲線的斜率，單位為無量 綱;t為時間，單位為s;
[0074]依據方程(6)求得任意時刻土柱任意高度處的非飽和滲透系數k，利用插值法繪制 其分布圖；
[0075]步驟十、水動力彌散系數計算
[0076]由水量均衡原理，土柱上任意截面y處的水分通量qy，可表示為
(7) (8)
[0079]式中：qy為任意截面y處的水分通量，cm/d; qo為土柱頂部的進水量，cm/d; 9為體積 含水率，cm3/cm3; A t為時段，A t = t2-ti，d;k為時段數；
[0080] 土柱上任意截面y處的溶質通量Jy由質量守恒原理得 (9； (10)
[0083]式中：Jy為任意截面y處的溶質通量，gAcm2 ? d) ; Jo為土柱頂部的溶質通量，g/ (〇112.(1);(^為土壤溶液濃度，8/〇1113;9為體積含水率，〇111 3/〇1113;八1：為時段，八七=七2-1：1，(1;1^ 為時段數；
[0084]根據水動力彌散原理，溶質通量等于水動力彌散通量與對流通量之和，即
[0087]式中:Dsh為水動力彌散系數，cm2/d;其余符號同前。 (11) 02)
(13)
[0089] 將前面計算出的和jfK代入上式即可計算水動力彌散系數Dsh，若取一系列y 斷面則可計算出一系列Dsh，從而將Dsh和對應的非飽和滲透系數k或孔隙流速v擬合成經驗 公式。
[0090] 本發明的優點：
[0091] 1.本發明的土柱實驗標準構件(4)由兩個相同的半圓柱體連接成一個圓柱體，可 以方便地進行原狀樣和重塑樣的實驗，同時方便實驗儀器的清洗工作，克服目前土柱實驗 難以采用原狀樣進行實驗以及后期清洗工作復雜的缺陷。
[0092] 2.橡膠塞(5-7)與插入件(5)的配合使用，克服現有土柱實驗測試元件插入時溢水 及水分虧損的缺陷，具有測試結果精確、可靠性高、可重復使用的優點。
[0093] 3. 土柱實驗標準構件(4)可根據實驗要求多個串聯，克服了現有技術中土柱實驗 中裝土部件單節長度大、操作不便的缺陷;且整個系統的各部件采用標準構件，使得實驗標 準化，實驗效率大大提尚。
[0094] 4.將模擬系統與計算機連接，實現自動化控制，具有精確性、標準性高的特點，克 服了現階段大部分的儀器設備人工操作容易出現誤差的缺陷。
[0095] 5.本發明的煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)通過調溫元件(8-3)和冷熱 一體金屬元件(4-6)實現煤矸石淋濾液消融低溫入滲模擬過程。
[0096] 6、基于煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統實現特征參數的測定，并給出了測試步驟 及計算方法，具有實用性強，使用效果好，便于推廣使用的特點。
[0097] 7、本發明基于大直徑(不小于50cm)的原狀土柱進行室內實驗，與傳統的室內實驗 小試件相比，能夠更好地代表真正土體的實際情況;與原位實測相比，本發明的大直徑原狀 土柱實驗也具備周期短、花費少、技術手段成熟的特點。
[0098] 8、本發明首次提出由煤矸石淋濾液制備的四種形態下的待融源，即整冰塊型待融 源、粒徑為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同 粒徑組合而成的混合型待融源，為合理研究煤矸石淋濾液消融入滲提供了可行的途徑。
[0099] 9、本發明首次提出多種形式下的煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統及特征參數的 測定，本發明結構新穎合理，能夠有效模擬煤矸石淋濾液入滲的多種工況，具有準確度高、 可靠性強。
【附圖說明】
[0100] 圖1A是本發明的系統總圖。
[0101] 圖1B是本發明中煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)的示意圖。
[0102] 圖1C是紅外對射報警找平裝置(J)示意圖。
[0103] 圖2是土柱實驗標準構件(4)與底部構件(1)的裝配圖。
[0104]圖3是土柱實驗標準構件(4)中管壁(4-1)示意圖，其中圖3A是主視圖，圖3B是后視 圖。
[0105] 圖4是圖2中A處的放大圖。
[0106] 圖5是底座(1-1)的俯視圖。
[0107]圖6是插入件(5)的示意圖。
[0108]圖7是插入件(5)中橡膠塞(5-7)的示意圖。
[0109 ]圖8是本發明的卡箍(4-30)的拆分示意圖。
[0110]圖9是法蘭(6)的示意圖。
【具體實施方式】
[0111] 下面參照附圖對本發明做詳細敘述。
[0112] 參照圖1A，煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，包括底部構件（1 )、連接在底部 構件（1)上的一個或多個串聯的土柱實驗標準構件(4)以及土柱實驗標準構件(4)頂部的煤 矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8);
[0113] 參照圖2,所述的底部構件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水 點通過塑料軟管（2)接入出滲量量杯(3)，塑料軟管(2)上設置有第三流量傳感器(3-1)，第 三流量傳感器(3-1)接入計算機(7);底座（1-1)的上方設置有承力柱（1-2)，承力柱(1-2)的 上部設置有高進氣值陶土板（1-3)，高進氣值陶土板（1-3)的四周邊沿均與底部構件（1)管 件（1-7)的內壁水平緊貼，高進氣值陶土板（1-3)的頂部設置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上 表面與原狀土樣(12)接觸;管件（1-7)的頂端設置有外螺紋連接段(1-6)，外螺紋連接段(1- 6)通過法蘭(6)與土柱實驗標準構件(4)連接；
[0114] 參照圖3,所述土柱實驗標準構件(4)由兩個相同的半圓柱體經卡箍(4-30)通過 土柱實驗標準構件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)處連接成一個圓柱體，土柱實驗標準構 件(4)的管壁(4-1)上設置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞(5-7)配合使用；多個 土柱實驗標準構件(4)通過法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進行連接;插入件(5)通過 橡膠塞(5-7)插入原狀土樣(12)內，插入件(5)內傳感器所采集的數據都實時傳輸給計算機 (7);土壤熱傳導吸力探頭(4-7)經圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內，土壤熱傳導吸力探 頭(4-7)內傳感器所采集的數據都實時傳輸給計算機(7) ;X射線熒光光譜探頭(4-8)經圓形 小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內，X射線熒光光譜探頭(4-8)所采集的數據都實時傳輸給計 算機(7); 土柱實驗標準構件(4)上固定有多個測壓管(4-9)，多個測壓管(4-9)的每個入水 口經圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內；所述的插入件（5)在土柱上按照同一列布置，土 壤熱傳導吸力探頭(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射線熒光光譜探頭(4-8)在土柱上按 照同一列布置，測壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置；
[0115] 參照圖1B，所述的煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)包括設置在土柱外側 的溫度控制器(8-1)以及通過導線(9)與其所連接的調溫元件(8-3)，所述調溫元件(8-3)位 于頂蓋(8-2)下方，頂蓋(8-2)的頂部設置有超聲波測距傳感器(8-4)，頂蓋(8-2)位于土柱 實驗標準構件（4)上部的圓柱構件（10)的上方且緊密接觸，圓柱構件（10)內的原狀土樣 (12) 上表面外側開有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通過塑料軟管(2)接入徑流量量杯 (13) ，塑料軟管(2)上設置有第二流量傳感器（13-1)，所述第二流量傳感器（13-1)通過導 線(9)接入計算機(7)，原狀土樣(12)上設置有由煤矸石淋濾液制備的待融源(11);
[0116] 參照圖4、圖5,所述的承力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力 柱主體(1-21)，所述承力柱支座（1-22)與底座（1-1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在土柱 豎向投影按照"一個圓心+以底座（1-1)半徑1/2為半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱 主體(1-21)長度不同使得底座(1-1)呈現坡度；
[0117]所述的土柱底部構件（1)、土柱實驗標準構件(4)及圓柱構件（10)均由耐高溫玻璃 鋼制成；
[0118] 參照圖6、圖7,所述的插入件(5)的最前端設置有插入針頭(5-6)，插入件(5)內部 管道的轉角處設置有橡膠墊片(5-1)，內部管道中設置有彈出件(5-2)，彈出件(5-2)包括溫 濕度傳感器探頭(4-5)或冷熱一體金屬元件(4-6)，彈出件(5-2)后端與導線(9)進行連接， 彈出件(5-2)的尾部套設有輕質彈簧(5-4)，輕質彈簧(5-4)的末端設置有探針控制器(5- 5) ，插入件(5)的外側中段設置有擋板(5-3);
[0119] 所述圓形小孔(4-4)形狀大小與橡膠塞(5-7)相一致且結合緊密，排布方式為:縱 向上相隔排列且遵循上密下疏原則，橫向上繞土柱實驗標準構件(4)外圓周長8等分排布；
[0120] 參照圖8,所述的卡箍（4-30)由兩半圓環鋼圈（4-34)組成并通過一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡箍(4-30)的另一端接頭(4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調節卡箍 (4-30)的松緊程度，使標準圓柱構件緊密結合；
[0121] 參照圖9,所述的法蘭(6)內側設有法蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設置有轉動把 手(6-2);
[0122] 所述的計算機(7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設置 有溫度探測輸入端(7-1)、溫濕度探測輸出端(7-2)、基質吸力探測輸出端(7-3)和重金屬離 子濃度監測值輸出端(7-4);溫度探測輸入端(7-1)經導線（9)連接冷熱一體金屬元件(4- 6) ，溫濕度探測輸出端(7-2)經導線(9)連接溫濕度傳感器探頭(4-5)，基質吸力探測輸出端 (7-3)經導線(9)連接土壤熱傳導吸力探頭(4-7)，重金屬離子濃度監測值輸出端(7-4)經導 線(9)連接X射線熒光光譜探頭(4-8);
[0123] 參照圖1B、圖1C，所述的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)設定為四種形態，整冰 塊型待融源、粒徑為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以 及由不同粒徑組合而成的混合型待融源;在圓柱構件（10)與由煤矸石淋濾液制備的待融源 (11)上表面所處的水平面相交的圓柱構件（10)外壁上周向六等分設置有六個紅外對射報 警找平裝置(J);煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)的一側設置有攪碎機(H)，攪碎機 (H)的出口連通伸縮式傳送裝置(Q)，伸縮式傳送裝置(Q)的輸送段連通至圓柱構件（10)內， 在圓柱構件（10)內且伸縮式傳送裝置(Q)下方設置有振動篩(R)，振動篩(R)的下方通過風 扇固定結構B安裝有由軟質塑料制成的三葉風扇(C)，振動篩(R)為可活動的百葉窗形式。
[0124] 基于煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統的特征參數測定方法，包括以下步驟：
[0125] 步驟一、組裝土柱實驗標準構件
[0126] 分別對土柱實驗標準構件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進行拼接，對土柱實驗標 準構件(4)的接縫進行密封及防水處理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通過 扳手上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3) 上，然后將多個土柱實驗標準構件(4)通過法蘭(6)串聯實現縱向拼接；
[0127] 步驟二、安裝原狀土樣
[0128] 選取預先準備好的原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)豎立在地面上，將已經連接好 的多個土柱實驗標準構件(4)套住原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)與土柱實驗標準構件(4) 之間密封及防水處理保證后續實驗時煤矸石淋濾液不從縫隙直接流下；
[0129] 步驟三、組裝土柱實驗儀器設備
[0130]先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對應的承力 柱支座（1-22)上，將高進氣值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主體(1-21)上方，所述高進氣 值陶土板（1-3)上表面鋪設有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進氣值陶土板（1-3)、 濾紙（1-4)均位于管件（1-7)內部;在集水處最低位置設置一個出液孔外接塑料軟管(2)，將 所述塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第三流量傳 感器(3-1)，所述第三流量傳感器(3-1)通過導線(9)接入計算機(7)，然后將法蘭(6)的法蘭 螺紋(6-1)對準外螺紋連接段(1-6)，通過轉動把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構件 (1)上方，然后將拼接組裝而成的土柱實驗標準構件連同其套住的原狀土樣（12)通過土柱 實驗標準構件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺紋 (6-1)進行組裝，使拼接組裝而成的土柱實驗標準構件連同其套住的原狀土樣（12)位于底 部構件（1)濾紙（1-4)的正上方，最后通過法蘭(6)將圓柱構件（10)進行連接；
[0131]步驟四、測定原狀土樣的初始狀態
[0132] 原狀土樣（12)的初始含水率:多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12) 的濕度進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號 通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣 (12)的濕度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點處原狀土 樣(12)的初始含水率0。；
[0133] 原狀土樣（12)的初始溫度：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12)的 溫度進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通 過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12) 的溫度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的溫度信號記錄為各個測試點處原狀土樣 (12)的初始溫度Tc;
[0134] 原狀土樣（12)的基質吸力：多個土壤熱傳導吸力探頭(4-7)分別對原狀土樣（12) 的基質吸力進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測 信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土 樣（12)的基質吸力信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質吸力信號記錄為各個測試 點處原狀土樣（12)的初始基質吸力?％;
[0135] 原狀土樣（12)的重金屬離子濃度本底值:多個X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對初 始狀態的原狀土樣（12)重金屬離子濃度進行監測，將監測到的重金屬離子濃度信號傳給微 控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機 (7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個測試點處原 狀土樣(12)的重金屬離子濃度信號記錄為各個測試點重金屬離子濃度本底值c;
[0136] 原狀土樣（12)的水頭高度：多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進 行監測得到各個測試點初始階段對應的水頭高度h。；
[0137] 原狀土樣（12)的飽和含水率:將原狀土樣（12)的取樣地點帶回的其它土樣進行飽 和含水率測定，作為原狀土樣(12)的飽和含水率;取土樣放入稱量盒內，為其注水直至水面 浸沒土樣，浸沒10分鐘之后將多余的水清除，稱質量為m，之后將土樣和稱量盒放入烘箱內， 進行烘干，之后將其置于天平上進行稱重得質量為ms，之后利用公式
計 算求得原狀土樣(12)的飽和含水率0sat;
[0138] 步驟五、模擬煤矸石淋濾液消融入滲
[0139] (1)、當需要模擬由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源的消融入滲模擬過程時， 只需要將整冰塊型待融源（11)放在原狀土樣（12)上；當需要模擬由煤矸石淋濾液制備的粒 徑為5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組 合而成的混合型待融源的消融入滲模擬過程時，啟動攪碎機(H)，由煤矸石淋濾液制備的待 融源（11)在攪碎機(H)中攪碎后通過伸縮式傳送裝置(Q)輸送到振動篩(R)上，伸縮式傳送 裝置(Q)在圓柱構件（10)內來回伸縮運動，伴隨著振動篩自轉，從而實現將攪碎的由煤矸石 淋濾液制備的待融源（11)均勻地灑落在振動篩(R)的上表面，保證攪碎后的由煤矸石淋濾 液制備的待融源（11)不成堆聚集在振動篩(R);振動篩(R)設置為可活動的百葉窗形式，能 夠隨著由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)的粒徑大小進行自動調節，當進行消融時，百葉 窗的開口設置為最大，以便調溫元件(8-3)更好地進行消融加熱;三葉風扇(C)扇葉轉速較 慢，從而使降下的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)平整;六個紅外對射報警找平裝置(J) 兩兩成對構成一組實現對射找平，可全面掃描監測原狀土樣（12)上的由煤矸石淋濾液制備 的待融源（11)上表面是否水平；
[0140] (2)、計算機(7)發出信號接通溫度控制器(8-1)的供電回路，從而控制調溫元件 (8-3)加熱到預設實驗溫度h，溫度控制器(8-1)對調溫元件(8-3)進行實時監測并將監測 到的信號實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的監測值與調溫元件(8-3)預設實 驗溫度Ti相比對，當監測值達到調溫元件(8-3)預設實驗溫度^時，計算機(7)向溫度控制器 (8-1)發出信號斷開調溫元件(8-3)的供電回路，調溫元件(8-3)停止加熱，當監測值低于調 溫元件(8-3)預設實驗溫度^時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度控制器(8-1)發出信號 接通調溫元件(8-3)的供電回路，調溫元件(8-3)開始加熱，從而使調溫元件(8-3)保持為預 設實驗溫度Ti;預設實驗溫度1\的范圍為0°C~80°C ;
[0141] (3)、計算機(7)發出信號經微控制器(7-0)從溫度探測輸入端(7-1)經導線(9)到 達冷熱一體金屬元件(4-6)，控制冷熱一體金屬元件(4-6)開始工作，使原狀土樣（12)達到 預設實驗溫度T 2;煤矸石淋濾液消融入滲模擬過程中，埋置于原狀土樣（12)的溫濕度傳感 器探頭(4-5)對附近土壤的溫度進行實時監測并將監測到的信號經導線（9)通過微控制器 (7-0)的溫濕度輸出端(7-2)實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的溫度監測值與 冷熱一體金屬元件(4-6)預設實驗溫度T2相比對，當溫度監測值高于冷熱一體金屬元件(4-6)預設實驗溫度^時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度探測輸入端(7-1)發出信號控制 冷熱一體金屬元件(4-6)開始制冷，當溫度監測值低于冷熱一體金屬元件(4-6)預設實驗溫 度!^時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度探測輸入端(7-1)發出信號控制冷熱一體金屬 元件(4-6)開始加熱，從而使冷熱一體金屬元件(4-6)的溫度保持為預設實驗溫度T 2，模擬 出了煤矸石淋濾液消融低溫入滲條件;預設實驗溫度12的范圍為-20°C~20°C ;
[0142] (4)、在模擬煤矸石淋濾液消融入滲的過程中，未滲入原狀土樣（12)內的煤矸石淋 濾液從所述出液口（10-1)內流出并經過塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀土樣 (12)內的煤矸石淋濾液從所述通液孔（1-5)內流出并經過塑料軟管(2)流入出滲量測量量 杯(3);在煤矸石淋濾液消融入滲過程中，當相鄰的兩個采樣時刻的未滲入原狀土樣（12)內 的煤矸石淋濾液的量的差值小于等于lcm 3時，說明達到了煤矸石淋濾液消融入滲穩定，停 止實驗;此時，查看徑流量測量量杯（13)內未滲入原狀土樣(12)內的煤矸石淋濾液的量，并 將該讀數記錄為煤矸石淋濾液消融徑流量查看出滲量測量量杯（3)內滲出原狀土樣 (12)的煤矸石淋濾液的量，并將該讀數記錄為煤矸石淋濾液消融出滲量Q。;根據原狀土樣 (12)入滲穩定時上表層處的含水率0，結合原狀土樣（12)上表層處的初始含水率0。，從而換 算出煤矸石淋濾液消融入滲量Qr;煤矸石淋濾液消融入滲量Qr與煤矸石淋濾液消融徑流量 Qj的和即為煤矸石淋濾液總消融量Qz;對于由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源總量Q 可將其換算為對應的4°C下煤矸石淋濾液的體積求得;對于由攪碎機(H)產生的待融源 總量Q'z，可由投入攪碎機(H)的煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應的4°C下煤矸石淋濾液的 體積乂:與攪碎機(H)內所有的剩余由煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應的4°C下煤矸石淋濾 液的體積V 2之差來確定，所述的冰塊是邊長為lcm的立方體冰塊；
[0143] 步驟六、模擬過程中的各參數監測
[0144] 多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的溫濕度進行監 測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通過串口通信電路 實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的溫度、濕度信 號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應的 溫度h、含水率0 1;多個土壤熱傳導吸力探頭(4-7)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的基 質吸力進行監測，將監測到的基質吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信 號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣 (12)的基質吸力信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質吸力信號記錄為各個測試點 記錄時刻對應的基質吸力Fa;多個X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對模擬過程中的原狀土樣 (12)的重金屬離子濃度進行監測，將監測到的重金屬離子濃度信號傳給微控制器(7-0)，微 控制器(7-0)將監測信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄 多個測試點處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的重 金屬離子濃度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應的重金屬離子濃度c 1;多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣(12)的水頭高度進行監測得到各個測試點記錄時刻對應的水頭高度h1;
[0145] 上述所有的監測，其監測時間頻率設置如下:煤矸石淋濾液入滲5分鐘內，記錄時 間間隔為5秒，煤矸石淋濾液入滲5-15分鐘內，記錄時間間隔為10秒，煤矸石淋濾液入滲15- 30分鐘內，記錄時間間隔為15秒，煤矸石淋濾液入滲30-60分鐘內，記錄時間間隔為20秒， 煤矸石淋濾液入滲60分鐘以后記錄時間間隔為60秒，直到實驗達到穩定后2-4小時以上；
[0146] 步驟七、模擬過程中監測結果分析
[0147] 對所記錄的某一時刻的溫度h、基質吸力Fa和重金屬離子濃度(^監測數據做插值 處理，得到某一時刻原狀土樣（12)所對應的溫度云圖、基質吸力云圖和重金屬離子濃度云 圖；同時對所記錄的某一時刻原狀土樣（12)所對應的含水率0:監測數據做插值處理，得到 某一時刻原狀土樣(12)對應的含水率云圖；
[0148] 依據含水率云圖的變化規律，找出每個時刻所對應的濕潤前鋒的位置，所述濕潤 前鋒的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位 置連線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時間t的變化規律;根據含水率云圖，依 據含水率的大小，找出每個時刻所對應的飽和含水率0 sat的等值線，從而確定完全飽和帶， 所述完全飽和帶定義是土柱上表面以下一定深度內出現水分完全飽和的部分；當濕潤前鋒 與完全飽和帶在同一監測時刻出現時，所述濕潤前鋒線與飽和含水率9 sat等值線之間的區 域被定義為煤矸石淋濾液入滲過渡帶；
[0149] 繪制基質吸力F4P含水率0:的關系圖，從而分別得到各土層的土-水特征曲線；
[0150] 步驟八、煤矸石淋濾液消融入滲系數及消融率計算
[0151]根據公式Qr = Qz-Qj，計算得到煤矸石淋濾液入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為煤矸 石淋濾液總消融量，單位為cm3; Qj為煤矸石淋濾液徑流量，單位為cm3;
[0152] 根據公式AS = Qr-Qc，計算得到煤矸石淋濾液入滲的虧損量AS，單位為cm3;其中 Qi?為煤矸石淋濾液入滲量，單位為cm3; Qc為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3;
[0153] 根據公式Vr = Qr/t計算得到煤矸石淋濾液入滲率Vr，單位為cm3/s;其中Qr為煤矸石 淋濾液入滲量，單位為cm 3; t為實驗測試時間，單位為S;
[0154]根據公式Vc = Qc/t計算得到煤矸石淋濾液出滲率V。，單位為cm3/s;其中Qc為煤矸石 淋濾液出滲量，單位為cm3; t為實驗測試時間，單位為s;
[0155] 根據公式a = (k/Qz計算得到煤矸石淋濾液消融入滲系數a，單位為無量綱；其中Q。 為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm 3; Qz為煤矸石淋濾液總消融量；
[0156] 根據公式V =QZ/Q、計算得到由煤矸石淋濾液制備的待融源消融率V，單位為無 量綱;其中Qz為由煤矸石淋濾液制備的待融源總消融量，單位為cn^Q、為由煤矸石淋濾液 制備的待融源總量，單位為cm 3;
[0157] 步驟九、非飽和滲透系數計算
[0158] 基于土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數學模型如下
(1)
[0160]將Darcy定律代入以上方程（1)得
(2)
[0162]對于非飽和土，滲透系數k與含水率存在函數關系，所以方程(2)可化為下式
⑶
[0164] 根據Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應力（o-Ua)和基質吸 力值的變化將會引起體積含水率^的變化，BP
[0165] = -m,''d(a-ua)- ni) (ua - uu ) (4)
[0166] 式中：〇--總應力；
[0167] miw一一與法向應力(〇_ua)變化有關的水的體積變化系數；
[0168] 蜱--與基質吸力(ua_uw)變化有關的水的體積變化系數；
[0169] 將方程(4)對時間微分，同時，在非穩定滲流過程中土體單元上并沒有外荷載作 用，假定在非飽和區氣相連續不變，得
(5) 丨即土 -水特征曲線的斜率；
[0172]由（3)、（5)式可得
(6)
[0174] 其中：k為非飽和滲透系數，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為cm; y為土柱測 點高度，單位為cm; yw為水的重度，單位為N/m3;?r為土-水特征曲線的斜率，單位為無量 綱;t為時間，單位為s;
[0175] 依據方程(6)求得任意時刻土柱任意高度處的非飽和滲透系數k，利用插值法繪 制其分布圖；
[0176]步驟十、水動力彌散系數計算
[0177]由水量均衡原理，土柱上任意截面y處的水分通量qy，可表示為
(7) (8)
[0180]式中：qy為任意截面y處的水分通量，cm/d; qo為土柱頂部的進水量，cm/d; 9為體積 含水率，cm3/cm3; A t為時段，A t = t2-ti，d;k為時段數；
[0181] 土柱上任意截面y處的溶質通量Jy由質量守恒原理得
(10)
[0184] 式中：Jy為任意截面y處的溶質通量，gAcm2 ? d) ; Jo為土柱頂部的溶質通量，g/ (〇112.(1);(^為土壤溶液濃度，8/〇111 3;9為體積含水率，〇1113/〇1113;八1：為時段，八七=七2-1：1，(1 ;1^ 為時段數；
[0185] 根據水動力彌散原理，溶質通量等于水動力彌散通量與對流通量之和，即 (11) (13) 02)
[0188]式中:Dsh為水動力彌散系數，cm2/d;其余符號同前。
[0190]將前面計算出的和代入上式即可計算水動力彌散系數Dsh，若取一系列y 斷面則可計算出一系列Dsh，從而將Dsh和對應的非飽和滲透系數k或孔隙流速v擬合成經驗 公式。
【主權項】
1. 煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，包括底部構件（1)、連接在底部 構件（1)上的一個或多個串聯的土柱實驗標準構件(4)以及土柱實驗標準構件(4)頂部的煤 矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8); 所述的底部構件（1)包括位于最下方的底座（1-1)，底座（1-1)上的集水點通過塑料軟 管（2)接入出滲量量杯（3 )，塑料軟管（2)上設置有第三流量傳感器(3-1 )，第三流量傳感器 (3-1)接入計算機(7);底座（1-1)的上方設置有承力柱（1-2)，承力柱（1-2)的上部設置有高 進氣值陶土板(1-3)，高進氣值陶土板(1-3)的四周邊沿均與底部構件（1)管件（1-7)的內壁 水平緊貼，高進氣值陶土板(1-3)的頂部設置有濾紙（1-4)，濾紙（1-4)的上表面與原狀土樣 (12)接觸;管件（1-7)的頂端設置有外螺紋連接段（1-6)，外螺紋連接段（1-6)通過法蘭(6) 與土柱實驗標準構件(4)連接； 所述土柱實驗標準構件(4)由兩個相同的半圓柱體經卡箍(4-30)通過土柱實驗標準構 件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)處連接成一個圓柱體，土柱實驗標準構件(4)的管壁(4-1)上設置有圓形小孔(4-4)，圓形小孔(4-4)與橡膠塞(5-7)配合使用；多個土柱實驗標準構 件(4)通過法蘭(6)將上下端的螺紋連接段(4-2)進行連接;插入件(5)通過橡膠塞(5-7)插 入原狀土樣（12)內，插入件(5)內傳感器所采集的數據都實時傳輸給計算機(7);土壤熱傳 導吸力探頭(4-7)經圓形小孔(4-4)插入原狀土樣（12)內，土壤熱傳導吸力探頭(4-7)內傳 感器所采集的數據都實時傳輸給計算機(7) ;X射線熒光光譜探頭(4-8)經圓形小孔(4-4)插 入原狀土樣（12)內，X射線熒光光譜探頭(4-8)所采集的數據都實時傳輸給計算機(7);土柱 實驗標準構件(4)上固定有多個測壓管(4-9)，多個測壓管(4-9)的每個入水口經圓形小孔 (4-4)插入原狀土樣（12)內；所述的插入件（5)在土柱上按照同一列布置，土壤熱傳導吸力 探頭(4-7)在土柱上按照同一列布置，X射線熒光光譜探頭(4-8)在土柱上按照同一列布置， 測壓管(4-9)在土柱上按照同一列布置； 所述的煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)包括設置在土柱外側的溫度控制器 (8-1)以及通過導線(9)與其所連接的調溫元件(8-3)，所述調溫元件(8-3)位于頂蓋(8-2) 下方，頂蓋(8-2)的頂部設置有超聲波測距傳感器(8-4)，頂蓋(8-2)位于土柱實驗標準構件 (4)上部的圓柱構件（10)的上方且緊密接觸，圓柱構件（10)內的原狀土樣（12)上表面外側 開有出液口（10-1)，所述出液口（10-1)通過塑料軟管（2)接入徑流量量杯（13)，塑料軟管 (2)上設置有第二流量傳感器(13-1)，所述第二流量傳感器(13-1)通過導線(9)接入計算機 (7)，原狀土樣(12)上設置有由煤矸石淋濾液制備的待融源(11)。2. 根據權利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，所述的承 力柱（1-2)包括承力柱支座（1-22)以及固定在其上的承力柱主體（1-21)，所述承力柱支座 (1-22)與底座（1-1)為一體成型，承力柱支座（1-22)在土柱豎向投影按照"一個圓心+以底 座（1-1)半徑1/2為半徑的圓周向五等份"方式布置;承力柱主體（1-21)長度不同使得底座 (1-1)呈現坡度。3. 根據權利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，所述的土 柱底部構件(1)、土柱實驗標準構件(4)及圓柱構件(10)均由耐高溫玻璃鋼制成。4. 根據權利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，所述的插 入件(5)的最前端設置有插入針頭(5-6)，插入件(5)內部管道的轉角處設置有橡膠墊片(5-1)，內部管道中設置有彈出件(5-2)，彈出件(5-2)包括溫濕度傳感器探頭(4-5)或冷熱一體 金屬元件(4-6)，彈出件(5-2)后端與導線(9)進行連接，彈出件(5-2)的尾部套設有輕質彈 簧(5-4)，輕質彈簧(5-4)的末端設置有探針控制器(5-5)，插入件(5)的外側中段設置有擋 板(5-3)。5. 根據權利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，所述圓形 小孔(4-4)形狀大小與橡膠塞(5-7)相一致且結合緊密，排布方式為:縱向上相隔排列且遵 循上密下疏原則，橫向上繞土柱實驗標準構件(4)外圓周長8等分排布。6. 根據權利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，所述的卡 箍(4-30)由兩半圓環鋼圈(4-34)組成并通過一端的鉚釘(4-35)鉚接，卡箍(4-30)的另一端 接頭(4-33)通過螺絲桿(4-31)和螺母(4-32)來調節卡箍(4-30)的松緊程度，使標準圓柱構 件緊密結合。7. 根據權利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，所述的法 蘭(6)內側設有法蘭螺紋(6-1)，法蘭(6)的兩端設置有轉動把手(6-2)。8. 根據權利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，所述的計 算機(7)的信號端與微控制器(7-0)的信號端相連，微控制器(7-0)設置有溫度探測輸入端 (7-1)、溫濕度探測輸出端(7-2)、基質吸力探測輸出端(7-3)和重金屬離子濃度監測值輸出 端(7-4);溫度探測輸入端(7-1)經導線(9)連接冷熱一體金屬元件(4-6)，溫濕度探測輸出 端(7-2)經導線（9)連接溫濕度傳感器探頭(4-5)，基質吸力探測輸出端(7-3)經導線(9)連 接土壤熱傳導吸力探頭(4-7)，重金屬離子濃度監測值輸出端(7-4)經導線(9)連接X射線熒 光光譜探頭(4-8)。9. 根據權利要求1所述的煤矸石淋濾液消融入滲土柱模擬系統，其特征在于，所述的由 煤矸石淋濾液制備的待融源（11)包括四種形態，整冰塊型待融源、粒徑為5cm-10cm的中等 冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組合而成的混合型待融 源;在圓柱構件（10)與由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)上表面所處的水平面相交的圓柱 構件（10)外壁上周向六等分設置有六個紅外對射報警找平裝置(J);煤矸石淋濾液消融入 滲補給模擬裝置(8)的一側設置有攪碎機(H)，攪碎機(H)的出口連通伸縮式傳送裝置(Q)， 伸縮式傳送裝置(Q)的輸送段連通至圓柱構件（10)內，在圓柱構件（10)內且伸縮式傳送裝 置(Q)下方設置有振動篩(R)，振動篩(R)的下方通過風扇固定結構B安裝有由軟質塑料制成 的三葉風扇(C)，振動篩(R)為可活動的百葉窗形式。10. 基于上述任一權利要求書所述的煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統的特征參數測定 方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、組裝土柱實驗標準構件 分別對土柱實驗標準構件(4)的兩塊半圓柱體管壁(4-1)進行拼接，對土柱實驗標準構 件(4)的接縫進行密封及防水處理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通過扳手 上緊套在螺絲桿件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然 后將多個土柱實驗標準構件(4)通過法蘭(6)串聯實現縱向拼接； 步驟二、安裝原狀土樣 選取預先準備好的原狀土樣（12)，將原狀土樣（12)豎立在地面上，將已經連接好的多 個土柱實驗標準構件(4)套住原狀土樣(12)，將原狀土樣（12)與土柱實驗標準構件(4)之間 密封及防水處理保證后續實驗時煤矸石淋濾液不從縫隙直接流下； 步驟三、組裝土柱實驗儀器設備 先將底座（1-1)放置于水平地面上，然后將承力柱主體（1-21)套放在對應的承力柱支 座（1-22)上，將高進氣值陶土板（1-3)水平放置于承力柱主體（1-21)上方，所述高進氣值陶 土板（1-3)上表面鋪設有濾紙（1-4)，所述承力柱主體（1-21)、高進氣值陶土板（1-3)、濾紙 (1-4)均位于管件（1-7)內部;在集水處最低位置設置一個出液孔外接塑料軟管(2)，將所述 塑料軟管(2)的另一端接入出滲量量杯(3 )，其中所述塑料軟管(2)上安裝第三流量傳感器 (3-1)，所述第三流量傳感器(3-1)通過導線(9)接入計算機(7)，然后將法蘭(6)的法蘭螺紋 (6-1)對準外螺紋連接段（1-6)，通過轉動把手(6-2)將法蘭(6)緊密地安裝在底部構件（1) 上方，然后將拼接組裝而成的土柱實驗標準構件連同其套住的原狀土樣（12)通過土柱實驗 標準構件(4)的底部螺紋連接段(4-2)與所述底部構件（1)上端的法蘭(6)的法蘭螺紋(6-1) 進行組裝，使拼接組裝而成的土柱實驗標準構件連同其套住的原狀土樣（12)位于底部構件 (1)濾紙（1-4)的正上方，最后通過法蘭(6)將圓柱構件（10)進行連接； 步驟四、測定原狀土樣的初始狀態 原狀土樣（12)的初始含水率：多個溫濕度傳感器探頭(4-5)分別對原狀土樣（12)的濕 度進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通過 串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的 濕度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的濕度信號記錄為各個測試點處原狀土樣（12) 的初始含水率Θ。； 原狀土樣（12)的初始溫度：多個溫濕度傳感器探頭（4-5)分別對原狀土樣（12)的溫度 進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通過串 口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的溫 度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的溫度信號記錄為各個測試點處原狀土樣（12)的 初始溫度T。； 原狀土樣（12)的基質吸力：多個土壤熱傳導吸力探頭(4-7)分別對原狀土樣（12)的基 質吸力進行一次監測，并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號 通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣 (12)的基質吸力信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質吸力信號記錄為各個測試點 處原狀土樣（12)的初始基質吸力?％; 原狀土樣（12)的重金屬離子濃度本底值:多個X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對初始狀 態的原狀土樣(12)重金屬離子濃度進行監測，將監測到的重金屬離子濃度信號傳給微控制 器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7) 接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個測試點處原狀土 樣(12)的重金屬離子濃度信號記錄為各個測試點重金屬離子濃度本底值c; 原狀土樣（12)的水頭高度：多個測壓管(4-9)分別對原狀土樣（12)的水頭高度進行監 測得到各個測試點初始階段對應的水頭高度h。； 原狀土樣（12)的飽和含水率:將原狀土樣（12)的取樣地點帶回的其它土樣進行飽和含 水率測定，作為原狀土樣（12)的飽和含水率;取土樣放入稱量盒內，為其注水直至水面浸沒 土樣，浸沒10分鐘之后將多余的水清除，稱質量為m，之后將土樣和稱量盒放入烘箱內，進行 烘干，之后將其置于天平上進行稱重得質量為ms，之后利用公式計算求 得原狀土樣(12)的飽和含水率0sat; 步驟五、模擬煤矸石淋濾液消融入滲 (1 )、當需要模擬由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源的消融入滲模擬過程時，只需 要將整冰塊型待融源（11)放在原狀土樣（12)上；當需要模擬由煤矸石淋濾液制備的粒徑為 5cm-10cm的中等冰塊型待融源、粒徑為小于5cm的小冰塊型待融源、以及由不同粒徑組合而 成的混合型待融源的消融入滲模擬過程時，啟動攪碎機(H)，由煤矸石淋濾液制備的待融源 (11)在攪碎機(H)中攪碎后通過伸縮式傳送裝置(Q)輸送到振動篩(R)上，伸縮式傳送裝置 (Q)在圓柱構件（10)內來回伸縮運動，伴隨著振動篩自轉，從而實現將攪碎的由煤矸石淋濾 液制備的待融源（11)均勻地灑落在振動篩(R)的上表面，保證攪碎后的由煤矸石淋濾液制 備的待融源（11)不成堆聚集在振動篩(R);振動篩(R)設置為可活動的百葉窗形式，能夠隨 著由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)的粒徑大小進行自動調節，當進行消融時，百葉窗的 開口設置為最大，以便調溫元件(8-3)更好地進行消融加熱;三葉風扇(C)扇葉轉速較慢，從 而使降下的由煤矸石淋濾液制備的待融源（11)平整;六個紅外對射報警找平裝置(J)兩兩 成對構成一組實現對射找平，可全面掃描監測原狀土樣（12)上的由煤矸石淋濾液制備的待 融源（11)上表面是否水平； (2) 、計算機(7)發出信號接通溫度控制器(8-1)的供電回路，從而控制調溫元件(8-3) 加熱到預設實驗溫度h，溫度控制器(8-1)對調溫元件(8-3)進行實時監測并將監測到的信 號實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的監測值與調溫元件(8-3)預設實驗溫度 h相比對，當監測值達到調溫元件(8-3)預設實驗溫度1^時，計算機(7)向溫度控制器(8-1) 發出信號斷開調溫元件(8-3)的供電回路，調溫元件(8-3)停止加熱，當監測值低于調溫元 件(8-3)預設實驗溫度^時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度控制器(8-1)發出信號接通 調溫元件(8-3)的供電回路，調溫元件(8-3)開始加熱，從而使調溫元件(8-3)保持為預設實 驗溫度T!;預設實驗溫度1\的范圍為0°C~80°C ; (3) 、計算機(7)發出信號經微控制器(7-0)從溫度探測輸入端(7-1)經導線（9)到達冷 熱一體金屬元件(4-6)，控制冷熱一體金屬元件(4-6)開始工作，使原狀土樣（12)達到預設 實驗溫度T 2;煤矸石淋濾液消融入滲模擬過程中，埋置于原狀土樣（12)的溫濕度傳感器探 頭(4-5)對附近土壤的溫度進行實時監測并將監測到的信號經導線(9)通過微控制器(7-0) 的溫濕度輸出端(7-2)實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的溫度監測值與冷熱 一體金屬元件(4-6)預設實驗溫度Τ 2相比對，當溫度監測值高于冷熱一體金屬元件(4-6)預 設實驗溫度Τ2時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度探測輸入端(7-1)發出信號控制冷熱 一體金屬元件(4-6)開始制冷，當溫度監測值低于冷熱一體金屬元件(4-6)預設實驗溫度Τ 2 時，計算機(7)經微控制器(7-0)向溫度探測輸入端(7-1)發出信號控制冷熱一體金屬元件 (4-6)開始加熱，從而使冷熱一體金屬元件(4-6)的溫度保持為預設實驗溫度Τ 2,模擬出了 煤矸石淋濾液消融低溫入滲條件;預設實驗溫度^的范圍為-20Γ~20°C ; (4) 、在模擬煤矸石淋濾液消融入滲的過程中，未滲入原狀土樣（12)內的煤矸石淋濾液 從所述出液口（10-1)內流出并經過塑料軟管(2)流入徑流量量杯（13);滲出原狀土樣（12) 內的煤矸石淋濾液從所述通液孔（1 -5)內流出并經過塑料軟管（2)流入出滲量測量量杯 (3);在煤矸石淋濾液消融入滲過程中，當相鄰的兩個采樣時刻的未滲入原狀土樣（12)內的 煤矸石淋濾液的量的差值小于等于lcm3時，說明達到了煤矸石淋濾液消融入滲穩定，停止 實驗;此時，查看徑流量測量量杯（13)內未滲入原狀土樣（12)內的煤矸石淋濾液的量，并將 該讀數記錄為煤矸石淋濾液消融徑流量查看出滲量測量量杯(3)內滲出原狀土樣（12) 的煤矸石淋濾液的量，并將該讀數記錄為煤矸石淋濾液消融出滲量Q。;根據原狀土樣（12) 入滲穩定時上表層處的含水率Θ，結合原狀土樣（12)上表層處的初始含水率Θ。，從而換算出 煤矸石淋濾液消融入滲量Q r;煤矸石淋濾液消融入滲量Qr與煤矸石淋濾液消融徑流量(^的 和即為煤矸石淋濾液總消融量Q z;對于由煤矸石淋濾液制備的整冰塊型待融源總量V z，可 將其換算為對應的4°C下煤矸石淋濾液的體積求得;對于由攪碎機(H)產生的待融源總量 Q、，可由投入攪碎機(H)的煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應的4°C下煤矸石淋濾液的體積％ 與攪碎機(H)內所有的剩余由煤矸石淋濾液制備的冰塊所對應的4°C下煤矸石淋濾液的體 積V 2之差來確定，所述的冰塊是邊長為lcm的立方體冰塊； 步驟六、模擬過程中的各參數監測 多個溫濕度傳感器探頭（4-5)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的溫濕度進行監測， 并將監測到的信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通過串口通信電路實時 傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號，并 將各個測試點處原狀土樣（12)的溫度、濕度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應的溫度 、含水率θ 1;多個土壤熱傳導吸力探頭(4-7)分別對模擬過程中的原狀土樣（12)的基質吸 力進行監測，將監測到的基質吸力信號傳給微控制器(7-0)，微控制器(7-0)將監測信號通 過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個測試點處原狀土樣（12) 的基質吸力信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的基質吸力信號記錄為各個測試點記錄 時刻對應的基質吸力F a;多個X射線熒光光譜探頭(4-8)分別對模擬過程中的原狀土樣（12) 的重金屬離子濃度進行監測，將監測到的重金屬離子濃度信號傳給微控制器(7-0)，微控制 器(7-0)將監測信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機(7)，計算機(7)接收并記錄多個 測試點處原狀土樣（12)的重金屬離子濃度信號，并將各個測試點處原狀土樣（12)的重金屬 離子濃度信號記錄為各個測試點記錄時刻對應的重金屬離子濃度c 1;多個測壓管(4-9)分 別對原狀土樣(12)的水頭高度進行監測得到各個測試點記錄時刻對應的水頭高度lu; 上述所有的監測，其監測時間頻率設置如下：煤矸石淋濾液入滲5分鐘內，記錄時間間 隔為5秒，煤矸石淋濾液入滲5-15分鐘內，記錄時間間隔為10秒，煤矸石淋濾液入滲15-30分 鐘內，記錄時間間隔為15秒，煤矸石淋濾液入滲30-60分鐘內，記錄時間間隔為20秒，煤矸石 淋濾液入滲60分鐘以后記錄時間間隔為60秒，直到實驗達到穩定后2-4小時以上； 步驟七、模擬過程中監測結果分析 對所記錄的某一時刻的溫度、基質吸力Fa和重金屬離子濃度(^監測數據做插值處理， 得到某一時刻原狀土樣（12)所對應的溫度云圖、基質吸力云圖和重金屬離子濃度云圖；同 時對所記錄的某一時刻原狀土樣（12)所對應的含水率0 1監測數據做插值處理，得到某一時 刻原狀土樣（12)對應的含水率云圖； 依據含水率云圖的變化規律，找出每個時刻所對應的濕潤前鋒的位置，所述濕潤前鋒 的位置指的是濕潤帶的邊緣，與下部未濕潤帶之間含水率存在明顯突變的部分，各位置連 線形成濕潤前鋒線，從而觀察濕潤前鋒位置隨時間t的變化規律;根據含水率云圖，依據含 水率的大小，找出每個時刻所對應的飽和含水率0sat的等值線，從而確定完全飽和帶，所述 完全飽和帶定義是土柱上表面以下一定深度內出現水分完全飽和的部分；當濕潤前鋒與完 全飽和帶在同一監測時刻出現時，所述濕潤前鋒線與飽和含水率0 sat等值線之間的區域被 定義為煤矸石淋濾液入滲過渡帶； 繪制基質吸力F4P含水率0,的關系圖，從而分別得到各土層的土-水特征曲線； 步驟八、煤矸石淋濾液消融入滲系數及消融率計算 根據公式Qr = Qz-Qj，計算得到煤矸石淋濾液入滲量Qr，單位為cm3;其中Qz為煤矸石淋濾 液總消融量，單位為cm3; Qj為煤矸石淋濾液徑流量，單位為cm3; 根據公式AS = Qr-Qc，計算得到煤矸石淋濾液入滲的虧損量AS，單位為cm3;其中Q r為煤 矸石淋濾液入滲量，單位為cm3; Qc為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3; 根據公式Vr = Qr/t計算得到煤矸石淋濾液入滲率Vr，單位為Cm3/S;其中Qr為煤矸石淋濾 液入滲量，單位為cm3; t為實驗測試時間，單位為s; 根據公式Vc = Qc/t計算得到煤矸石淋濾液出滲率V。，單位為cm3/s;其中Qc為煤矸石淋濾 液出滲量，單位為cm3; t為實驗測試時間，單位為s; 根據公式a = (k/Qz計算得到煤矸石淋濾液消融入滲系數α，單位為無量綱；其中Q。為煤 矸石淋濾液出滲量，單位為cm3; Qz為煤矸石淋濾液總消融量； 根據公式V =QZ/Q、計算得到由煤矸石淋濾液制備的待融源消融率Y，單位為無量綱； 其中Qz為由煤矸石淋濾液制備的待融源總消融量，單位為cn^Q、為由煤矸石淋濾液制備的 待融源總量，單位為cm 3; 步驟九、非飽和滲透系數計算 基于土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲，可以概化為一維垂向入滲，其數學模型如下將Darcy定律代入以上方程(1)得對于非飽和土，滲透系數k與含水率存在函數關系，所以方程(2)可化為下式根據Fredlund&Morgenstern所提出的理論，試樣所受的法向應力（〇-ua)和基質吸力值 的變化將會引起體積含水率的變化，BP d(K.d(a-uJ-m';[ua-i、、 (4) 式中：σ--總應力； miw--與法向應力(〇_ua)變化有關的水的體積變化系數； 川--與基質吸力(ua_uw)變化有關的水的體積變化系數； 將方程(4)對時間微分，同時，在非穩定滲流過程中土體單元上并沒有外荷載作用，假 定在非飽和區氣相連續不變，得由（3)、（5)式可得其中：k為非飽和滲透系數，單位為無量綱;h為總水頭高度，單位為cm; y為土柱測點高 度，單位為cm; γ w為水的重度，單位為N/m3; <為土-水特征曲線的斜率，單位為無量綱;t為 時間，單位為s; 依據方程(6)求得任意時刻土柱任意高度處的非飽和滲透系數k，利用插值法繪制其分 布圖； 步驟十、水動力彌散系數計算 由水量均衡原理，土柱上任意截面y處的水分通量qy，可表示為式中：qy為任意截面y處的水分通量，cm/d; qo為土柱頂部的進水量，cm/d; Θ為體積含水 率，cm3/cm3; Δ t為時段，Δ t = t2_ti，d;k為時段數； 土柱上任意截面y處的溶質通量Jy由質量守恒原理得式中：Jy為任意截面y處的溶質通量，g/(cm2 · d);J〇為土柱頂部的溶質通量，g/(cm2 · d) ;ci為土壤溶液濃度，g/cm3;9為體積含水率，cm3/ cm3; Δ t為時段，Δ t = t2_ti，d;k為時段 數； 根據水動力彌散原理，溶質通量等于水動力彌散通量與對流通量之和，即式中:Dsh為水動力彌散系數，cm2/d;其余符號同前；將前面計算出的和乂#代入上式即可計算水動力彌散系數Dsh，若取一系列y斷面則 可計算出一系列Dsh，從而將Dsh和對應的非飽和滲透系數k或孔隙流速v擬合成經驗公式。
【文檔編號】G01N15/08GK105929138SQ201610474363
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月25日
【發明人】毛正君
【申請人】西安科技大學