CN100576286C

CN100576286C - 渗流-坡面流耦合侵蚀过程的实验方法及渗流装置

Info

Publication number: CN100576286C
Application number: CN200810039256A
Authority: CN
Inventors: 谢立全
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Shanghai Tongji Urban Planning & Design Institute
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: CN101299306A

Abstract

一种水土保持实验技术的渗流—坡面流耦合侵蚀过程的实验方法及渗流装置，在传统的坡面流侵蚀实验技术基础上，根据渗流控制理论，应用分级定水头和分段式供水方法，增加可提供和控制渗流的装置，使得放水进行坡面流侵蚀试验的同时，在坡面上存在坡面流补给土中水(入渗)或者土中水补给坡面流(反渗)的稳定渗流。在坡面流侵蚀试验过程中，渗流在坡面上处处相同，渗流稳定、均匀且可根据观测数据定量描述，实现了对渗流—坡面流耦合侵蚀过程的有效模拟，并定量研究渗流对坡面流侵蚀过程的影响规律和作用机理，实验结果与存在渗流的坡面流侵蚀真实情况符合较好。本发明可以广泛应用于存在渗流的各类坡面流侵蚀实验。本发明实施简单，操作方便。

Description

渗流-坡面流耦合侵蚀过程的实验方法及渗流装置

技术领域

本发明属于水土保持研究领域，涉及土壤侵蚀实验方法以及用于提供稳定渗流的实验装置。

背景技术

坡面流侵蚀，是指坡面水流对坡面土体的冲刷侵蚀力大于土体抗侵蚀力的时候将土体剥离带走的现象。坡面流侵蚀是土壤侵蚀中最为普遍的形式之一。无论是坡耕地、海滩、河岸，还是各种工程中的土质边坡，坡面上的降水或者潮汐水位落差在形成大面积坡面流时，都会造成对坡面的侵蚀。据估计，目前全世界范围内的表土资源正以每年0.7％的速度减少，我国有70％以上的砂质海岸因海滩坡面遭受侵蚀而处于后退状态，66％的耕地分布在山地、丘陵、高原地区，坡面土壤侵蚀造成严重的土壤退化，耕地质量下降，粮食减产，生态环境恶化，甚至难以恢复。此外，坡面流侵蚀还普遍存在于渠化工程、公路、矿场、铁路、水库等工程及其附近区域留下的大量裸露土质边坡、弃土场等。因此，开展坡面流侵蚀过程和侵蚀机理研究对于控制水土流失、改善人类的生存环境，是非常重要而迫切的。

由于坡面流侵蚀受到降雨、坡面流入渗进入土壤和土中水的向外渗出等方面的影响，这使得坡面流侵蚀十分复杂。目前，坡面流侵蚀过程的室内实验技术不断提高，对土壤侵蚀追踪、坡面流水动力、侵蚀形态等方面均得到了实质性的进展，但是，对土中渗流的实验模拟及其对坡面流侵蚀的影响研究，一直进展缓慢。然而，对我国西部的黄土坡面侵蚀产沙沿顺坡方向的演变过程研究表明，坡面的下1/3区域为侵蚀活跃带，其土中水的外渗不可忽视；降雨、风暴潮以及增减水运动时，在广阔的海滩面上形成大面积坡面流，同时在岸线附近产生向外的渗流，强化了坡面水流对泥沙的冲刷运移作用，常常导致岸滩严重侵蚀，如杭州湾的老盐仓附近因岸坡较陡，加上涌潮速度快，曾有一昼夜岸体坍塌254m的记录。所以，必须解决如何有效地模拟土中渗流情况，以定量研究土中渗流对坡面流侵蚀的影响过程和作用机理。

目前的坡面流侵蚀实验设备，能反映坡面流的自然入渗情况，但还不能定量研究渗流对坡面流侵蚀的作用机理，尤其是土中水的外渗。曾有学者直接向实验土体内部供水，以观察土中水外渗对坡面流侵蚀的影响，其结论是渗流影响显著。但是，由于该类实验难以对渗流进行定量描述(如反映渗流影响土体应力状态的渗透比降)，其实验结果无法揭示渗流对坡面流侵蚀的作用机理，所以，也不能服务于坡地侵蚀的预测预报。针对渗流的影响研究，试验段坡面必须提供大小、方向均相同的渗流，使其渗流数据可定量描述，那么对坡面流侵蚀的作用过程和机理可望得到认识和揭示。为此，本发明提出一种渗流-坡面流耦合侵蚀实验方法及其装置，能够模拟坡面流入渗和土中水外渗两类渗流工况下的坡面流土壤侵蚀过程，并能向侵蚀试验段坡面提供均匀、稳定的渗流环境，结合土力学和泥沙运动力学理论可定量揭示渗流对坡面流温沙起动、坡面流侵蚀的作用机理和影响规律。

发明内容

本发明的目的是提供一种能很好地模拟渗流-坡面流耦合侵蚀过程的实验方法及装置，解决水土保持科学研究中急需的多功能坡面流侵蚀实验设备难题，能充分反映渗流对坡面流土壤侵蚀的控制作用，并实现土中渗流在坡面上的均匀化，准确控制渗流强度大小，以定量研究渗流条件对坡面流侵蚀的影响，实施容易，操作简单。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种渗流-坡面流耦合侵蚀过程的实验方法，应用分级定水头和分段式供水方法，提出可提供和控制渗流的渗流装置，在坡面流侵蚀试验过程中，使得渗流在坡面上处处相同，渗流稳定、均匀且可根据观测数据定量描述，实现对渗流-坡面流耦合侵蚀过程的有效模拟，可定量研究渗流对坡面流侵蚀过程的影响规律和作用机理。

所述的渗流装置，其包括分级定水头供水装置：渗流水位控制槽中设置与渗流供水管路对应数量的溢流隔板，各隔板拦水形成分级供水，其水位即为侵蚀试验土体底部边界的总水头，同时，为减小其边界水头的脉动，在试验土体底部设置强透水的砂砾石垫层，并采用透水多孔管向砂砾石垫层进行分布式供水。

还包括：分段式供水方法及装置：应用渗流舱板，将试验土体、砂砾石垫层在土槽纵轴线方向分为若干段，每一段内的供水独立，其渗流底边界的总水头完全相同。

该砂砾石垫层的顶面以粗砂找平，顶部与坡体试验土层之间布设一层网，防止上部土体填料的细沙下漏进入垫层。

该透水多孔管固定在每个渗流舱的土槽底部上，并在土槽相应侧壁位置开孔向后伸出，便于连接软管；透水多孔管侧壁周围开有孔，并外包滤网，防止泥沙进入。

该渗流水位控制槽：以连接软管与透水多孔管相连，以方便调节水位控制槽的位置，获得不同的渗流工况；渗流水位控制槽平行于土槽布置，可在垂直于土槽方向上移动。

该溢流隔板，以等间距布置于渗流水位控制槽，且位于各软管相连孔位下游，板顶高度略低于槽顶。

该渗流舱板高度取0.3～0.5倍土槽内总填筑厚度(包括砂砾石垫层厚度)，同时伸入试验土层至少5cm，舱板布置间距取0.7～1.0倍试验土层厚度。

进一步，该砂砾石垫层的砂砾石粒径为2～10mm，其顶面以粗砂找平，顶部与坡体试验土层之间布设一层不锈钢丝网，筛孔尺寸0.025～0.05mm，防止上部土体填料的细沙下漏进入垫层；

该透水多孔管的直径取2～3.5cm，固定在每个渗流舱的土槽底部上，并在土槽相应侧壁位置开孔后伸出3～10cm，便于连接软管；透水多孔管侧壁周围开有孔，孔径1～3mm，孔间距3～6cm，并外包滤网，防止泥沙进入；该渗流水位控制槽以内径为1.5～2.5cm的连接软管与透水多孔管相连，以方便调节水位控制槽的位置，获得不同的渗流工况；渗流水位控制槽平行于土槽布置，可在垂直于土槽方向上移动，其截面积大于0.03m²；

该溢流隔板以等间距布置于渗流水位控制槽，且位于各软管相连孔位下游3～5cm，板顶高度低于槽顶2～3cm。

该渗流水位控制槽的截面形状包括圆弧形、矩形、梯形。

本发明一种模拟渗流-坡面流耦合侵蚀过程的实验方法，是在传统的坡面流侵蚀实验方法基础上，对矩形截面实验土槽进行改造，增加能提供和控制渗流的装置，使得放水进行坡面流侵蚀试验的同时，在坡面上存在坡面流补给土中水(入渗)或者土中水补给坡面流(反渗)的稳定渗流，该稳定渗流的渗透比降在坡面上处处相同。坡面上处处相同的稳定渗流可以测定或间接测定，所以坡面上一点的渗透比降即可描述整个坡面，总的渗流水量除以试验坡面面积即可获得单位面积的渗流水量。因此，改变渗透比降工况进行对比试验，观测坡面侵蚀过程，即可获得渗流对坡面流侵蚀的影响规律。

本发明所述的渗流装置，以分级定水头供水而保证渗流稳定，以分段式供水而保证渗流在坡面上处处相同，其中：渗流水位控制槽中设置与供水管路对应数量的溢流隔板，各隔板拦水形成分级定水头供水，其水位即为试验土体底部边界的总水头，同时，为减小其边界水头的脉动，在试验土体底部设置强透水的砂砾石垫层，并采用透水多孔管向砂砾石垫层进行横向分布式供水，这可以实现渗流的稳定；分段式供水是指，将试验土体在土槽纵轴线方向分为很多段，每一段内的供水独立，其渗流底边界的总水头完全相同，而其坡面上则越靠近土槽出口其总水头越低，所以其坡面处的渗透比降方向倾向下游，分段越密则其方向越接近坡面法线方向，反之则越偏离坡面法线方向。分段过密，不但不经济，而且其实施困难，但分段过于稀疏则会导致坡面处的渗透比降不均匀(方向发散、大小不同)，因此，分段式供水需确定一个比较经济的分段距离。

本发明所述的渗流装置，其渗流情况可以调整：渗流水位控制槽与土槽平行设置，且水槽可以在土槽垂直方向移动，从而调节试验土体底部边界的总水头。当渗流水位控制槽的水位高于土槽中坡面流水面线时，实验土体中的水向坡面流补给(反渗)，相反则坡面流向土体内渗流(入渗)。

本发明所述的砂砾石垫层，起着蓄积渗流用水、缓冲渗流供水过程中的脉动水压力，使得试验土层渗流底边界的水头稳定，其中：在土槽底部等间距布置舱板，将土槽分隔为多个舱，使得渗流过程中，每一个舱的砂砾石垫层供水独立；在渗流舱砂砾石垫层底部中间位置固定包裹滤网的透水多孔管，将渗流水位控制槽流入的水沿土槽宽度方向进行分布式供水，以使砂砾石垫层内的孔隙水压力均衡、稳定。

本发明所述的渗流水位控制槽被溢流隔板分隔为多段，其中：溢流隔板起着拦水作用，所拦蓄的水位即为相应软管连接的渗流舱砂砾石垫层中的供水水头，其布置间距与舱板间距相同，各溢流隔板的顶部在一条线上。

本发明所述的水头和渗水量测试装置，分别测定渗流水头和渗透进入坡面流的总水量，其中：水头可采用测压管或孔隙水压力计进行测定，渗水量可通过量测进入和流出渗流水位控制槽的水量差获取。依据各渗流舱的水头数据和坡面流水面线，采用有限元渗流程序可计算发生在试验土体中的渗流分布情况，从而取得坡面土体的渗透受力状态，可进一步分析渗流对坡面流侵蚀的影响和作用机理。利用实测渗水总量，可反算试验土体的渗流性能。

与现有坡面流侵蚀实验方法及实验土槽相比，本发明应用分级定水头供水和分段式供水两种方法，在坡面流侵蚀试验过程中，使得渗流在坡面上处处相同，渗流稳定、均匀，实现了对渗流-坡面流耦合侵蚀过程的有效模拟，更符合实际工程，为进一步认识和揭示渗流对坡面流侵蚀的作用机理、影响规律提供实验基础，可望为水土保持工程中的预测预报提供更符合实际的实验理论支持。本发明实施容易，操作简单、有效。

附图说明

图1为本发明实施例的渗流装置布置示意图。

图2为本发明实施例的渗流控制示意图(图1所示实施例中A-A剖面)。

图3为本发明实施例的渗透比降分布图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明是在传统的坡面流侵蚀实验方法及实验土槽基础上，结合渗流控制理论，形成一种渗流-坡面流共同作用下的土壤侵蚀实验方法及实验装置。该装置可实现土中渗流在坡面上的均匀化和稳定性，可定量研究渗流对坡面流侵蚀的作用过程和影响机理。实验装置如图1～2所示，其中有：1.渗流水位控制槽；2.连接软管；3.透水多孔管；4.砂砾石垫层；5.渗流舱板；6.试验填土；7.溢流隔板；8.土槽；9.不锈钢丝网；10.测压管；11.渗流供水阀。

本发明中的渗流装置主要包括渗流舱和渗流供水。渗流舱为试验土层提供稳定的渗流底部边界水头，包括透水多孔管3、砂砾石垫层4、不锈钢丝网9和渗流舱板5；渗流供水为各渗流舱提供相同的渗透水压力，包括渗流水位控制槽1、溢流隔板7和连接软管2。

如图1所示，渗流舱板5将土槽8分隔为多段，舱板高度可取0.3～0.5倍土槽内总填筑厚度(包括砂砾石垫层厚度)，同时伸入试验土层至少5cm，舱板布置间距可取0.7～1.0倍试验土层厚度，舱板厚度无限制，以保证实验中的刚度要求即可。透水多孔管3直径可取2～3.5cm，固定在每个渗流舱的土槽底部上，并在土槽相应侧壁位置开孔后伸出3～10cm，便于连接软管。透水多孔管侧壁周围开有孔，孔径1～3mm，孔间距3～6cm，并外包滤网，防止泥沙进入。砂砾石垫层4的砂砾石粒径为2～10mm，其顶部与坡体试验土层之间布设一层不锈钢丝网9，筛孔尺寸0.025～0.05mm，目的是防止上部土体填料的细沙下漏进入垫层；对于粒径很小的粘土颗粒，由于具有较强的粘结力，可忽略粘土颗粒的下漏影响。砂砾石垫层顶面可用粗砂找平，利于不锈钢丝网的铺设和上部土体装填。

渗流舱与渗流水位控制槽1之间，以连接软管2相连，可方便调节水位控制槽的位置，获得不同的渗流工况。连接软管2内径可取1.5～2.5cm。渗流水位控制槽平行于土槽8布置，可在垂直于土槽方向上移动，截面积大于0.03m²，其截面形状不受限制(如圆弧形、矩形、梯形)。溢流隔板7以等间距布置于渗流水位控制槽1，且位于各软管相连孔位下游3～5cm，板顶高度略低于槽顶2～3cm。每根软管只对一个渗流舱供水，而软管两端连接孔位的连线垂直于土槽内的填土坡面。

图2示意了渗流装置的工作原理。进行土壤侵蚀试验之前，根据试验要求调整渗流水位控制槽1的位置，获得要求的渗流水头。在渗流水位控制槽内水流稳定后，向砂砾石垫层供水，待试验土体含水量达到试验要求饱和度时，即可对坡面放水进行侵蚀试验。实验中以测压管或孔隙水压力计跟踪量测试验土层底部边界水头，观测其数值和水头的稳定性。由此可见，与传统的坡面流侵蚀实验不同的地方，仅仅在于需要调整渗流水位控制槽1的位置以获取满足要求的渗流水头，所以实施容易，操作简单。试验中，由于渗流在均质的试验土层中发生，所以水头差ΔH(见图1)可定性反映渗透比降的相对大小，再结合有限元渗流程序可定量计算出坡面上渗透比降的大小和方向。

结合本发明的内容提供如下实施例：

1).土槽深度为80cm，槽内砂砾石垫层填筑厚度为15cm，试验段土壤填筑厚度为45cm，试验段填土长度480cm；

2).舱板设置：渗流舱板间距40cm，舱板高度25cm，舱板厚度2cm；

3).调整土槽坡度为25°，调整渗流水位控制槽位置，使得渗流水头差ΔH＝20cm；

4).打开渗流供水阀，待坡面大面积渗水时，开始坡面流放水，进行坡面流侵蚀试验。

实施效果：实验中，操作方便，可再现渗流-坡面流共同作用下的土壤侵蚀过程，向外渗流使得土壤侵蚀强烈，更符合存在向外渗流的坡面流侵蚀实际。由于砂砾石垫层的渗透系数一般在1×10^-1cm/s级，且厚度较小，而坡面土体的渗透系数一般小于1×10^-3cm/s，所以渗流的水头损失可认为完全由试验土层产生。以试验土层为渗流介质，采用渗流有限元程序计算，可获取其稳定渗流结果。图3为该实例在稳定渗流过程中的渗透比降分布图。由图可见，中部坡面的渗透比降大小几乎相同，且方向一致，仅坡面两端15cm范围的渗透比降与平均值有所偏离，不作为试验段即可。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种渗流一坡面流耦合侵蚀过程的实验方法，其特征在于：应用分级定水头和分段式供水方法，提出可提供和控制渗流的渗流装置；进行土壤侵蚀试验之前，根据试验要求调整渗流水位控制槽的位置，获得要求的渗流水头；在渗流水位控制槽内水流稳定后，向砂砾石垫层供水，待试验土体含水量达到试验要求饱和度时，即可对坡面放水进行侵蚀试验；所述分级定水头供水是指，渗流水位控制槽中设置与渗流供水管路对应数量的溢流隔板，由各隔板拦水形成；所述分段式供水是指，将试验土体在土槽纵轴线方向分为很多段，每一段内的供水独立。

2、权利要求1中所述的渗流装置，其特征在于：其包括分级定水头供水装置：渗流水位控制槽中设置与渗流供水管路对应数量的溢流隔板，各隔板拦水形成分级供水，其水位即为侵蚀试验土体底部边界的总水头；分段式供水装置：应用渗流舱板，将试验土体层在土槽纵轴线方向分为若干段，形成若干个渗流舱，每一段内的供水独立，其渗流底边界的总水头完全相同，同时，为减小其边界水头的脉动，在试验土体底部设置强透水的砂砾石垫层，并采用透水多孔管向砂砾石垫层进行分布式供水。

3、如权利要求2所述的渗流装置，其特征在于：该砂砾石垫层的顶面以粗砂找平，顶部与坡体试验土层之间布设一层网，防止上部土体填料的细沙下漏进入垫层。

4、如权利要求2所述的渗流装置，其特征在于：该透水多孔管固定在每个渗流舱的土槽底部上，并在土槽相应侧壁位置开孔向后伸出，便于连接软管；透水多孔管侧壁周围开有孔，并外包滤网，防止泥沙进入。

5、如权利要求2所述的渗流装置，其特征在于：该渗流水位控制槽：以连接软管与透水多孔管相连，以方便调节水位控制槽的位置，获得不同的渗流工况；渗流水位控制槽平行于土槽布置，可在垂直于土槽方向上移动。

6、如权利要求2所述的渗流装置，其特征在于：该溢流隔板，以等间距布置于渗流水位控制槽，且位于各软管相连孔位下游3～5cm，板顶高度略低于槽顶2～3cm。

7、如权利要求2所述的渗流装置，其特征在于：该渗流舱板高度取0.3～0.5倍土槽内总填筑厚度，同时伸入试验土层至少5cm，舱板布置间距取0.7～1.0倍试验土层厚度，所述“土槽内总填筑厚度”包括砂砾石垫层厚度。

8、如权利要求2所述的渗流装置，其特征在于：该砂砾石垫层的砂砾石粒径为2～10mm，其顶面以粗砂找平，顶部与坡体试验土层之间布设一层不锈钢丝网，筛孔尺寸0.025～0.05mm，防止上部土体填料的细沙下漏进入垫层；

该透水多孔管的直径取2～3.5cm，固定在每个渗流舱的土槽底部上，并在土槽相应侧壁位置开孔后伸出3～10cm，便于连接软管；透水多孔管侧壁周围开有孔，孔径1～3mm，孔间距3～6cm，并外包滤网，防止泥沙进入；该渗流水位控制槽以内径为1.5～2.5cm的连接软管与透水多孔管相连，以方便调节水位控制槽的位置，获得不同的渗流工况；渗流水位控制槽平行于土槽布置，可在垂直于土槽方向上移动，其截面积大于0.03m2。

9、如权利要求2所述的渗流装置，其特征在于：该渗流水位控制槽的截面形状包括圆弧形、矩形、梯形。