基于室內土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲模擬裝置的制作方法
本實用新型屬于礦區環境保護領域，特別涉及一種基于室內土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲模擬裝置。
背景技術：
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。
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遷移。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。
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遷移規律。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。
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、地下污水的遷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。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種基于室內土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲模擬裝置，基于大直徑的原狀土柱進行室內實驗，采用多種形式的煤矸石淋濾液補給模擬裝置，模擬裝置裝土構件為多個標準構件且由計算機自動化控制，基于該裝置能夠實現特征參數的測定，具有實用性強，使 用效果好，便于推廣使用的特點。
為了達到上述目的，本實用新型的技術方案為：
基于室內土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲模擬裝置，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)頂部的多種形式煤矸石淋濾液補給模擬裝置(C)；
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；
所述的底部構件(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；
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)；
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；
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；
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)；
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)；
所述的多種形式煤矸石淋濾液補給模擬裝置(C)包括低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)、中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置(17)和高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給模擬裝置(14)、煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)；
所述的低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)包括外側刻有刻度的煤矸石淋濾液桶(16-1)，煤矸石淋濾液桶(16-1)的下方通過輸液管(16-12)與煤矸石淋濾液噴頭(16-9)連通，煤矸石淋濾液噴頭(16-9)設置于土柱實驗標準構件(4)上部的圓柱構件(10)頂部，圓柱構件(10)內高出原狀土樣(12)上表面2-5厘米處設置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設置有篩孔；U型水頭控制管(10-2)內的液面上設置有輕質塑料片(16-8)，所述輕質塑料片(16-8)形式為薄圓片，所述輕質塑料片(16-8)上方的圓形凹槽內設置有永久磁鐵(16-7)，永久磁鐵(16-7)的正上方設置有拉線(16-3)吊掛的電線圈(16-6)，電線圈(16-6)外接有導線(9)，拉線(16-3)的上端纏于轉輪(16-2)上，轉輪(16-2)上設置有把手(16-4)，轉輪(16-2)上端用拉線(16-3)通過著力構件(16-11)的小孔與止水閥(16-5)下部相連接，止水閥(16-5)下端設置有輕質彈簧(16-10)，所述圓柱構件(10)與U型水頭控制管(10-2)相連接，輕質塑料片(16-8)、永久磁鐵(16-7)和電線圈(16-6)都在U型水頭控制管(10-2)的滑槽(16-13)內運動；所述滑槽(16-13)嵌于U型水頭控制管(10-2)內壁，所述電線圈(16-6)按照邊沿處三等分設置有滑軌(16-14)，所述滑軌(16-14)可在滑槽(16-13)內自由上下運動；所述的低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)控制原狀土樣(12)表面液體的液面高度低于1mm；
所述的中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置(17)包括設置在圓柱構件(10)內的煤矸石淋濾液容器(17-9)和設置在煤矸石淋濾液容器(17-9)底部的圓形小孔(17-10)，圓柱構件(10)內高出原狀土樣(12)上表面2-5厘米處設置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設置有篩孔；所述煤矸石淋濾液容器(17-9)的頂部設置有壓力控制管(17-8)和與外部煤矸石淋濾液連接的進液管(17-7)；所述進液管(17-7)上設置有進液電磁閥(17-2)、進液泵(17-1)和用于對煤矸石淋濾液的量進行實時監測的第一流量傳感器(17-3)；所述煤矸石淋濾液容器內壓力控制管(17-8)上設置有壓力控制電磁閥(17-5)和壓力傳感器(17-6)，所述煤矸石淋濾液容器內壓力控制管(17-8)的尾部連接有空氣壓縮機(17-4)；所述煤矸石淋濾液容器(17-9)的頂部內壁上設置有用于對煤矸石淋濾液容器(17-9)內液體的液面高度進行實時監測的水位傳感器(17-11)；所述圓柱構件(10)內的原狀土樣(12)上表面外側開有出液口(10-1)，出液口(10-1)通過塑料軟管(2)接入徑流量量杯(13)，所述塑料軟管(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)；
所述的高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給模擬裝置(14)包括外側刻有刻度的煤矸石淋濾液桶(14-1)，煤矸石淋濾液桶(14-1)的下方通過輸液管(14-12)與煤矸石淋濾液噴頭(14-9)連通，煤矸石淋濾液噴頭(14-9)設置于土柱實驗標準構件(4)上部的圓柱構件(10)頂部，圓柱構件(10)內高出原狀土樣(12)上表面2-5厘米處設置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設置有篩孔；U型水頭控制管(10-2)內的液面上設置有輕質塑料片(14-8)，所述輕質塑料片(14-8)形式為薄圓片，所述輕質塑料片(14-8)上方的圓形凹槽內設置有永久磁鐵(14-7)，永久磁鐵(14-7)的正上方設置有拉線(14-3)吊掛的電線圈(14-6)，電線圈(14-6)外接有導線(9)，拉線(14-3)的上端纏于轉輪(14-2)上，轉輪(14-2)上設置有把手(14-4)，轉輪(14-2)上端用拉線(14-3)通過著力構件(14-11)的小孔與止水閥(14-5)下部相連接，止水閥(14-5)下端設置有輕質彈簧(14-10)，所述圓柱構件(10)與U型水頭控制管(10-2)相連接，輕質塑料片(14-8)、永久磁鐵(14-7)和電線圈(14-6)都在U型水頭控制管(10-2)的滑槽(14-13)內運動；所述滑槽(14-13)嵌于U型水頭控制管(10-2)內壁，所述電線圈(14-6)按照邊沿處三等分設置有滑軌(14-14)，所述滑軌(14-14)可在滑槽(14-13)內自由上下運動，所述的高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給模擬裝置(14)控制原狀土樣(12)表面液體的液面高度高于1cm以上；
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)上設置有用煤矸石淋濾液制備的碎冰(11)。
本實用新型的優點
1.本實用新型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。
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。
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，實驗效率大大提高。
4.將模擬裝置與計算機連接，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。
5.本實用新型提出了多種形式煤矸石淋濾液入滲補給模擬裝置(C)，涉及多種強度煤矸石淋濾液入滲補給模擬裝置和煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置；多種強度煤矸石淋濾液入滲補給模擬裝置包括低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)、中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置(17)和高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給裝置(14)；低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝 置(16)和高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給裝置(14)利用永久磁鐵和電線圈磁性相斥的原理，從而控制煤矸石淋濾液的補給速度；中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置(17)通過空壓機實現了煤矸石淋濾液的補給速度的控制；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。
6、基于室內土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲模擬裝置實現特征參數的測定，具有實用性強，使用效果好，便于推廣使用的特點。
7、本實用新型基于大直徑(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，本實用新型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。
8、本實用新型首次提出多種形式下的基于室內土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲模擬裝置，本實用新型結構新穎合理，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
圖1A是基于低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置的系統總圖。
圖1B是低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)的示意圖。
圖1C是圖1B中B處放大圖。
圖2A是基于中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置的系統總圖。
圖2B是中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置(17)的示意圖。
圖3A是基于高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給裝置的系統總圖。
圖3B是高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給裝置(14)的示意圖。
圖3C是圖3B中B處放大圖。
圖4A是基于煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置的系統總圖。
圖4B是煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)的示意圖。
圖5是土柱實驗標準構件(4)與底部構件(1)的裝配圖。
圖6是土柱實驗標準構件(4)中管壁(4-1)示意圖，其中圖6A是主視圖，
圖6B是后視圖。
圖7是圖5中A處的放大圖。
圖8是底座(1-1)的俯視圖。
圖9是插入件(5)的示意圖。
圖10是插入件(5)中橡膠塞(5-7)的示意圖。
圖11是本發明的卡箍(4-30)的拆分示意圖。
圖12是法蘭(6)的示意圖。
圖13是本發明煤矸石淋濾液入滲土柱模擬系統總的示意圖。
具體實施方式
下面參照附圖對本實用新型做詳細敘述。
參照圖13，基于室內土柱實驗的煤矸石淋濾液入滲模擬裝置，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)頂部的多種形式煤矸石淋濾液補給模擬裝置(C)；所述的多種形式煤矸石淋濾液補給模擬裝置(C)包括低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)、中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置(17)和高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給模擬裝置(14)、煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)；
參照圖5，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；
參照圖6，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；
參照圖7、圖8，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；
所述的底部構件(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；
參照圖9、圖10，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)；
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；
參照圖11，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；
參照圖12，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)；
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)。
實施例一
本實施例中與本實用新型配套使用的多種形式煤矸石淋濾液補給模擬裝置(C)是低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)；
參照圖1，所述的低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)包括外側刻有刻度的煤矸石淋濾液桶(16-1)，煤矸石淋濾液桶(16-1)的下方通過輸液管(16-12)與煤矸石淋濾液噴頭(16-9)連通，煤矸石淋濾液噴頭(16-9)設置于土柱實驗標準構件(4)上部的圓柱構件(10)頂部，圓柱構件(10)內高出原狀土樣(12)上表面2-5厘米處設置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設置有篩孔；U型水頭控制管(10-2)內的液面上設置有輕質塑料片(16-8)，所述輕質塑料片(16-8)形式為薄圓片，所述輕質塑料片(16-8)上方的圓形凹槽內設置有永久磁鐵(16-7)，永久磁鐵(16-7)的正上方設置有拉線(16-3)吊掛的電線圈(16-6)，電線圈(16-6)外接有導線(9)，拉線(16-3)的上端纏于轉輪(16-2)上，轉輪(16-2)上設置有把手(16-4)，轉輪(16-2)上端用拉線(16-3)通過著力構件(16-11)的小孔與止水閥(16-5)下部相連接，止水閥(16-5)下端設置有輕質彈簧(16-10)，所述圓柱構件(10)與U型水頭控制管(10-2)相連接，輕質塑料片(16-8)、永久磁鐵(16-7)和電線圈(16-6)都在U型水頭控制管(10-2)的滑槽(16-13)內運動；所述滑槽(16-13)嵌于U型水頭控制管(10-2)內壁，所述電線圈(16-6)按照邊沿處三等分設置有滑軌(16-14)，所述滑軌(16-14)可在滑槽(16-13)內自由上下運動；所述的低強度煤矸石淋濾液全入滲補給模擬裝置(16)控制原狀土樣(12)表面液體的液面高度低于1mm。
本實施例的工作原理包括以下步驟：
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θc；
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；
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Fac；
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hc；
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θsat；
步驟五、模擬低強度煤矸石淋濾液全入滲
(1)、向煤矸石淋濾液桶(16-1)內加煤矸石淋濾液(15)，此時使止水閥 (16-5)處于關閉狀態，然后打開止水閥(16-5)，煤矸石淋濾液(15)經輸液管(16-12)從煤矸石淋濾液噴頭(16-9)流至圓柱構件(10)內的抗水壓沖擊板(A)上，再到達原狀土樣(12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀土樣(12)不受煤矸石淋濾液沖擊侵蝕的作用；位于U型水頭控制管(10-2)內的輕質塑料片(16-8)與其上方的永久磁鐵(16-7)在煤矸石淋濾液(15)的浮力作用下上升，達到與圓柱構件(10)內液體的液面高度相同，當上部的圓柱構件(10)內液體的液面高度上升到高出原狀土樣(12)1mm時，通過導線(9)給電線圈(16-6)供電形成電磁鐵，同時通過把手(16-4)帶動轉輪(16-2)轉動，所述轉輪(16-2)上纏有拉線(16-3)，所述電線圈(16-6)隨著拉線(16-3)在滑槽(16-13)內垂直運動，轉動把手(16-4)調整拉線(16-3)長度使止水閥(16-5)在輕質彈簧(16-10)的作用下接近于關閉狀態來進行粗調，然后改變電線圈(16-6)的外部導線(9)所接電源電壓的大小來進行精調，使此時止水閥(16-5)剛好處于關閉狀態；當U型水頭控制管(10-2)內的液體的液面高度隨著上部的圓柱構件(10)內的液體的液面高度下降時，所述輕質塑料片(16-8)和永久磁鐵(16-7)也隨之下降，永久磁鐵(16-7)與電線圈(16-6)之間的磁力減小，所述輕質彈簧(16-10)受到的荷載增加產生壓縮形變，位于輕質彈簧(16-10)上的止水閥(16-5)打開，煤矸石淋濾液(15)繼續經輸液管(16-12)從煤矸石淋濾液噴頭(16-9)流入圓柱構件(10)內進行補給；當補給到圓柱構件(10)內液體的液面高度再次上升到高出原狀土樣(12)1mm時，止水閥(16-5)就會處于關閉狀態，反之則止水閥(16-5)打開繼續補給，模擬出了低強度煤矸石淋濾液全入滲邊界條件；
(2)、在模擬低強度煤矸石淋濾液全入滲過程中，滲出原狀土樣(12)內的煤矸石淋濾液從通水孔(1-5)內流出并經過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3)內；在低強度降雨全入滲過程中，觀測到煤矸石淋濾液桶(16-1)的補水間隔為2小時以上時，說明達到入滲穩定，關閉煤矸石淋濾液補給系統，停止實驗；此時，煤矸石淋濾液桶(16-1)內煤矸石淋濾液(15)的損失量與圓柱構件(10)內淋濾液未滲入量之差記錄為煤矸石淋濾液總降入量Qz，在低強度煤矸石淋濾液全入滲條件下，煤矸石淋濾液總降入量Qz數值上等于煤矸石淋濾液入滲量Qr；此時，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出滲量Qc；
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Ti、含水率θi；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ci；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hi；
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Ti、基質吸力Fa和重金屬離子濃度ci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θi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θsat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θsat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Fa和含水率θi的關系圖，從而分別得到各土層的土-水特征曲線；
步驟八、煤矸石淋濾液入滲系數計算
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為煤矸石淋濾液總量，單位為cm3；Qj為煤矸石淋濾液徑流量，單位為cm3；
根據公式△S＝Qr-Qc，計算得到煤矸石淋濾液入滲的虧損量△S，單位為cm3；其中Qr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Vc，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α＝Qc/Qz計算得到煤矸石淋濾液入滲系數α，單位為無量綱；其中Qc為煤矸石淋濾液出滲量，單位為cm3；Qz為煤矸石淋濾液總量；
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(σ-ua)和基質吸力值的變化將會引起體積含水率θw的變化，即
式中：σ——總應力；
m1w——與法向應力(σ-ua)變化有關的水的體積變化系數；
——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
其中：即土-水特征曲線的斜率；
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；γw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；q0為土柱頂部的進水量，cm/d；θ為體積含水率，cm3/cm3；Δt為時段，Δt＝t2-t1，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)；J0為土柱頂部的溶質通量，g/(cm2·d)；ci為土壤溶液濃度，g/cm3；θ為體積含水率，cm3/cm3；Δt為時段，Δt＝t2-t1，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。
實施例二
本實施例中與本實用新型配套使用的多種形式煤矸石淋濾液補給模擬裝置(C)是中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置(17)；
參照圖2，所述的中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲補給模擬裝置(17)包括設置在圓柱構件(10)內的煤矸石淋濾液容器(17-9)和設置在煤矸石淋濾液容器(17-9)底部的圓形小孔(17-10)，圓柱構件(10)內高出原狀土樣(12)上表面2-5厘米處設置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設置有篩孔；所述煤矸石淋濾液容器(17-9)的頂部設置有壓力控制管(17-8)和與外部煤矸石淋濾液連接的進液管(17-7)；所述進液管(17-7)上設置有進液電磁閥(17-2)、進液泵(17-1)和用于對煤矸石淋濾液的量進行實時監測的第一流量傳感器 (17-3)；所述煤矸石淋濾液容器內壓力控制管(17-8)上設置有壓力控制電磁閥(17-5)和壓力傳感器(17-6)，所述煤矸石淋濾液容器內壓力控制管(17-8)的尾部連接有空氣壓縮機(17-4)；所述煤矸石淋濾液容器(17-9)的頂部內壁上設置有用于對煤矸石淋濾液容器(17-9)內液體的液面高度進行實時監測的水位傳感器(17-11)；所述圓柱構件(10)內的原狀土樣(12)上表面外側開有出液口(10-1)，出液口(10-1)通過塑料軟管(2)接入徑流量量杯(13)，所述塑料軟管(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)。
本實施例的工作原理包括以下步驟：
步驟一、組裝土柱實驗標準構件
具體步驟同實施例一；
步驟二、安裝原狀土樣
具體步驟同實施例一；
步驟三、組裝土柱實驗儀器設備
具體步驟同實施例一；
步驟四、測定原狀土樣的初始狀態
具體步驟同實施例一；
步驟五、模擬中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲
(1)、計算機(7)發出信號接通空氣壓縮機(17-4)的供電回路，然后驅動壓力控制電磁閥(17-5)打開，空氣壓縮機(17-4)啟動，產生的壓縮空氣經過壓力控制電磁閥(17-5)調節壓力后通過煤矸石淋濾液容器內壓力控制管(17-8)進入煤矸石淋濾液容器(17-9)內，將煤矸石淋濾液容器(17-9)內的煤矸石淋濾液從圓形小孔(17-10)中噴出，之后到達圓柱構件(10)內的抗水壓沖擊板(A)上，再到原狀土樣(12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀土樣(12)不受煤矸石淋濾液沖擊侵蝕的作用，模擬出了中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲邊界條件；中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲模擬過程中，壓力傳感器(17-6)對經過煤矸石淋濾液容器(17-9)內壓力控制管(17-8)的壓縮空氣壓力進行實時監測并將監測到的信號輸出給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的壓力監測值與實驗設定的壓力閾值進行比對，當壓力監測值小于壓力閾值時，計算機(7)驅動壓力控制電磁閥(17-5)打開的開度增大，當壓力監測值大于壓力閾值時，計算機(7)驅動壓力控制電磁閥(17-5)打開的開度減小，從而使經過煤矸石淋濾液容器(17-9)內壓力控制管(17-8)的壓縮空氣壓力維持在壓力閾值范圍內；同時，所述水位傳感器(17-11)對煤矸石淋濾液容器(17-9)內液體的液面高度進行實時監測并將監測到的信號輸出給計算機(7)，計算機(7)將其接收到的液體的液面高度監測值與實驗設定的液體的液面高度設定值進行比對，當液體的液面高度監測值小于液體的液面高度設定值時，計算機(7)控制接通進液泵(17-1)的供電回路，并驅動進液電磁閥(17-2)打開，外部煤矸石淋濾液通過進液管(17-7)流入煤矸石淋濾液容器(17-9)內，當液體的液面高度監測值大于液體的液面高度設定值時，計算機(7)控制斷開進液泵(17-1)的供電回路，并驅動進液電磁閥(17-2)關閉，停止往煤矸石淋濾液容器(17-9)內注入煤矸石淋濾液，從而使煤矸石淋濾液容器(17-9)內液體的液面高度維持穩定，保證了煤矸石淋濾液入滲過程的持續進行；
(2)、在模擬中強度煤矸石淋濾液有徑流入滲過程中，未滲入原狀土樣(12)內的煤矸石淋濾液從出液口(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通水孔(1-5)內流出并經過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3)，模擬中強度煤矸石淋濾液入滲過程中，徑流量量杯(13)對未滲入原狀土樣(12)內的煤矸石淋濾液的量進行監測并記錄，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1cm3時，說明達到了入滲穩定，關閉煤矸石淋濾液補給系統，停止實驗；此時，第一流量傳感器(17-3)對煤矸石淋濾液入滲量進行實時監測并將監測到的信號實時輸出給計算機(7)，計算機(7)記錄為煤矸石淋濾液總降入量Qz；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徑流量Qj；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出滲量Qc；
步驟六、模擬過程中的各參數監測
具體步驟同實施例一；
步驟七、模擬過程中監測結果分析
具體步驟同實施例一；
步驟八、入滲系數計算
具體步驟同實施例一；
步驟九、非飽和滲透系數計算
具體步驟同實施例一；
步驟十、水動力彌散系數計算
具體步驟同實施例一。
實施例三
本實施例中與本實用新型配套使用的多種形式煤矸石淋濾液補給模擬裝置(C)是高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給模擬裝置(14)；
參照圖3，所述的高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給模擬裝置(14)包括外側刻有刻度的煤矸石淋濾液桶(14-1)，煤矸石淋濾液桶(14-1)的下方通過輸液管(14-12)與煤矸石淋濾液噴頭(14-9)連通，煤矸石淋濾液噴頭(14-9)設置于土柱實驗標準構件(4)上部的圓柱構件(10)頂部，圓柱構件(10)內高出原狀土樣(12)上表面2-5厘米處設置有抗水壓沖擊板(A)，抗水壓沖擊板(A)上設置有篩孔；U型水頭控制管(10-2)內的液面上設置有輕質塑料片(14-8)，所述輕質塑料片(14-8)形式為薄圓片，所述輕質塑料片(14-8)上方的圓形凹槽內設置有永久磁鐵(14-7)，永久磁鐵(14-7)的正上方設置有拉線(14-3)吊掛的電線圈(14-6)，電線圈(14-6)外接有導線(9)，拉線(14-3)的上端纏于轉輪(14-2)上，轉輪(14-2)上設置有把手(14-4)，轉輪(14-2)上端用拉線(14-3)通過著力構件(14-11)的小孔與止水閥(14-5)下部相連接，止水閥(14-5)下端設置有輕質彈簧(14-10)，所述圓柱構件(10)與U型水頭控制管(10-2)相連接，輕質塑料片(14-8)、永久磁鐵(14-7)和電線圈(14-6)都在U型水頭控制管(10-2)的滑槽(14-13)內運動；所述滑槽(14-13)嵌于U型水頭控制管(10-2)內壁，所述電線圈(14-6)按照邊沿處三等分設置有滑軌(14-14)，所述滑軌(14-14)可在滑槽(14-13)內自由上下運動，所述 的高強度煤矸石淋濾液穩定入滲補給模擬裝置(14)控制原狀土樣(12)表面液體的液面高度高于1cm以上。
本實施例的工作原理包括以下步驟：
步驟一、組裝土柱實驗標準構件
具體步驟同實施例一；
步驟二、安裝原狀土樣
具體步驟同實施例一；
步驟三、組裝土柱實驗儀器設備
具體步驟同實施例一；
步驟四、測定原狀土樣的初始狀態
具體步驟同實施例一；
步驟五、模擬高強度煤矸石淋濾液穩定入滲
(1)、向煤矸石淋濾液桶(14-1)內加煤矸石淋濾液(15)，此時使止水閥(14-5)處于關閉狀態，然后打開止水閥(14-5)，所述煤矸石淋濾液(15)經輸液管(14-12)從煤矸石淋濾液噴頭(14-9)流至圓柱構件(10)內的抗水壓沖擊板(A)上，再到達原狀土樣(12)的上表面，所述抗水壓沖擊板(A)起到保護原狀土樣(12)不受煤矸石淋濾液沖擊侵蝕的作用；位于U型水頭控制管(10-2)內的輕質塑料片(14-8)與其上方的永久磁鐵(14-7)在煤矸石淋濾液(15)的浮力作用下上升，達到與圓柱構件(10)內液體的液面高度相同，當上部的圓柱構件(10)內液體的液面高度上升到實驗預設高度時，通過導線(9)給電線圈(14-6)供電形成電磁鐵，同時通過把手(14-4)帶動轉輪(14-2)轉動，所述轉輪(14-2)上纏有拉線(14-3)，所述電線圈(14-6)隨著拉線(14-3)在滑槽(14-13)內垂直運動，轉動把手(14-4)調整拉線(14-3)長度使止水閥(14-5)在輕質彈簧(14-10)的作用下接近于關閉狀態來進行粗調，然后改變電線圈(14-6)的外部導線(9)所接電源電壓的大小來進行精調，使此時止水閥(14-5)剛好處于關閉狀態；當U型水頭控制管(10-2)內液體的液面高度隨著上部的圓柱構件(10)內液體的液面高度下降時，所述輕質塑料片(14-8)和永久磁鐵(14-7)也隨之下降，永久磁鐵(14-7)與電線圈(14-6)之間的磁力減小，所述輕質彈簧(14-10)受到的荷載增加產生壓縮形變，位于輕質彈簧(14-10)上的止水閥(14-5)打開，煤矸石淋濾液(15)繼續經輸液管(14-12)從煤矸石淋濾液噴頭(14-9)流入圓柱構件(10)內進行補給；當補給到圓柱構件(10)內液體的液面高度再次上升到高出原狀土樣(12)預設實驗高度時，止水閥(14-5)就會處于關閉狀態，反之則止水閥(14-5)打開繼續補給，模擬出了高強度煤矸石淋濾液穩定入滲邊界條件；
(2)、在模擬高強度煤矸石淋濾液穩定入滲過程中，滲出原狀土樣(12)內的煤矸石淋濾液從通水孔(1-5)內流出并經過塑料軟管(2)流入出滲量測量量杯(3)；在高強度煤矸石淋濾液穩定入滲過程中，觀測到煤矸石淋濾液桶(14-1)的補水間隔為2小時以上時，說明達到入滲穩定，關閉煤矸石淋濾液補給系統，停止實驗；此時，煤矸石淋濾液桶(14-1)內煤矸石淋濾液(15)的損失量記錄為煤矸石淋濾液總降入量Qz，同時，將煤矸石淋濾液桶(14-1)內煤矸石淋濾液(15)的損失量與圓柱構件(10)內未滲入的煤矸石淋濾液的量之差記錄為煤矸石淋濾液入滲量Qr，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出滲量Qc；
步驟六、模擬過程中的各參數監測
具體步驟同實施例一；
步驟七、模擬過程中監測結果分析
具體步驟同實施例一；
步驟八、入滲系數計算
具體步驟同實施例一；
步驟九、非飽和滲透系數計算
具體步驟同實施例一；
步驟十、水動力彌散系數計算
具體步驟同實施例一。
實施例四
本實施例中與本實用新型配套使用的多種形式煤矸石淋濾液補給模擬裝置(C)是煤矸石淋濾液消融入滲補給模擬裝置(8)；
參照圖4，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)上設置有用煤矸石淋濾液制備的碎冰(11)。
本實施例的工作原理包括以下步驟：
步驟一、組裝土柱實驗標準構件
具體步驟同實施例一；
步驟二、安裝原狀土樣
具體步驟同實施例一；
步驟三、組裝土柱實驗儀器設備
具體步驟同實施例一；
步驟四、測定原狀土樣的初始狀態
具體步驟同實施例一；
步驟五、模擬煤矸石淋濾液消融入滲
(1)、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T1，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T1相比對，當監測值達到調溫元件(8-3)預設實驗溫度T1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T1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T1；預設實驗溫度T1的范圍為0℃～80℃。
(2)、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T2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T2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T2，模擬出了煤矸石淋濾液消融低溫入滲條件；預設實驗溫度T2的范圍為-20℃～20℃。
(3)、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1cm3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Qj；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Qc；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θc，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；
步驟六、模擬過程中的各參數監測
具體步驟同實施例一；
步驟七、模擬過程中監測結果分析
具體步驟同實施例一；
步驟八、入滲系數計算
具體步驟同實施例一；
步驟九、非飽和滲透系數計算
具體步驟同實施例一；
步驟十、水動力彌散系數計算
具體步驟同實施例一。
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