CN103969129A - 土壤侵蚀临界剪切应力与侵蚀常数的测试设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水利工程、港口工程、农业领域中土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数的测试设备与测试方法。利用管道中流量随直径的变换规律，测试土壤的冲孔随着水头的变化而变化的规律，求出土壤的侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数。测试设备由水压提供系统、土样测试系统、和压力与流量压力数据采集系统组成。水压提供系统由恒压供水箱、管路、水泵、支架组成；土样测试系统由稳流桶、测试桶、排水桶、管路、阀门组成；数据采集系统由两个压力传感器和一个流量传感器和计算机组成。本发明可以快速测定粘性土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数，所需的土样少，方便快捷，可以降低测试成本。

Description

土壤侵蚀临界剪切应力与侵蚀常数的测试设备与方法

技术领域

本发明涉及的是一种在水利工程、港口航道工程、农业中的土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数的测试设备和方法，具体是一套测试土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数的设备，与计算方法。

背景技术

土壤的侵蚀作为自然界中广泛发生的现象，在水利、港口、以及农业、交通设施中有着广泛的影响。在预测河道冲刷、水土流失以及海岸线演变时，都需要临界侵蚀应力和侵蚀常数两个参数，在以往一般都是通过经验公式间接获取，或者通过水槽实验。经过对现有的技术检索发现，中国专利号 99248672.6，利用斜坡流动来测定土壤的临界剪切应力，需要较大的测试装置，而且只能够测试侵蚀临界剪应力，不能测试侵蚀常数，需要土样多测试费用高。因此迫切需要一种能方便测试土壤侵蚀常数的方法和设备。

发明内容

本发明针对现有的土壤侵蚀测试技术的不足，提出了一种新的土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数的测试方法和设备，该测试设备利用管道侵蚀的原理，通过测量流量Q的变化间接测试管道侵蚀中的直径D变化（间接换算出侵蚀速度），通过测量侵蚀管道两端的水头差h来计算侵蚀管道内的剪力 ，再通过土壤侵蚀速度与剪切应力关系，（和分别为t时刻的土壤侵蚀速度和剪力），从而求出土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数M。其中流量变化通过电磁流量计，压力变化通过压力传感器测量，并实时显示在计算机屏幕上。

本发明中的测试设备包括三个部分：

(1)水压提供系统，主要由恒压供水箱4，恒压排水箱20，水泵14，管路5，支架19，水源13组成。其中供水箱4和恒压排水箱20都安装有隔水板3，为水箱提供恒压。

进一步的，水头差h是通过调整供水箱4在支架19上的高度来实现的，供水箱4固定在链条3上；

进一步的，支架19上除支架本身外还有齿轮1，链条2，手轮18，刹车卡板17；工作时，通过摇动手轮18来调整供水箱4的高度，当达到要求高度时，用卡板17来固定手轮18，从而固定恒压供水箱4的高度；

进一步的，恒压供水箱4中的水是通过水泵14提供的，水泵14的供水流量始终大于测试时流过测试桶9的流量，使得恒压供水箱4的水头能保持稳定；

(2)土样测试系统，其特征在于是由稳流筒15，测试桶9和排水桶12组成，各个部件通过螺栓链接。稳流筒15中装有卵石，使得流入稳流筒的水不会产生二次流；

进一步的（如图2所示），测试桶9是由测试桶外壳9-1，取样器9-2,密封圈9-3，固定螺钉9-4组成，取样器9-2通过固定螺钉9-4固定在测试桶外壳9-1上，并保持水密。

进一步的（如图3所示），取样桶9-2是由外缘9-2-1，桶体9-2-2和刃角9-2-3组成，它可以直接将刃角压入土体中取样。

(3)数据采集系统其特征在于，是由压力传感器（1）8，压力传感器（2）11，电磁流量计6，数据线7，计算机10组成。

进一步的，压力传感器和流量传感器均可以将所采集数据实时传送到计算机上存储并显示，采样频率可以人为的设定。

本发明还提供根据上述实验装置测试土样，计算原理如图3所示，土样的长度为L,内部孔的直径为D,土样两端的水头差为H。本设备的测试原理是根据管状侵蚀过程中管道直径（土样中孔的直径）D(t)变化与侵蚀速度E(t)的关系，，t为时间，被测试土壤的干密度，上式的意义是管径对时间的导数就是管道（土样）的侵蚀速度。管径D、管道两端水头差H与流过管道的流量Q的关系 (流动为层流时)； （流动为湍流时），和分别为t时刻管道的层流摩擦系数和湍流摩擦系数，在测试开始和结束时均可以通过传感器读数计算出。管道流壁面剪切力与管径D、管道长度L、水头差H的关系，。在根据粘性土壤侵蚀公式，土壤的侵蚀速度E与所受到的剪力成正比，与土壤侵蚀临界剪切应力成反比，即。根据上述四个公式和实验中测试的各个时间点的流量值Q(t)水头差H(t)，即可求出任意时刻的土壤侵蚀临界剪力和侵蚀常数M。

附图说明

图1总体结构图；

图2测试桶剖面图（A-A’剖面）

图3参数计算说明图

具体实施方式

实施例1 土样临界侵蚀剪切应力与侵蚀常数测试方法

本实施例测试操作步骤如下：

(1)用取样器9-2割取原状土样，割取时取样器垂直向下，将刃口端压入土体，保持土样未收到扰动和破坏，并且完全充满取样器，没有空隙；

(2)在土样的中心钻取直径为D的孔，孔的中心在圆柱土样的中心，上下畅通；

(3)将取样器9-2固定在测试桶外壳9-1上，拧紧固定螺钉9-4，保持水密，并将稳流筒15、测试桶9、排水桶12以及管路和传感器按图1链接；

(4)摇动手轮18，使得恒压供水箱4达到预定高度；

(5)关闭阀门16，开启水泵14，为测试设备供水，同时排出测试设备中的空气；

(6)当水压达到要求值后，开启数据采集程序，计算机10开始采集各个传感器的数据，开启阀门16，测试开始；

(7)测试开始后，流量传感器读数会不断增大，达到稳定后，关闭数据采集程序，数据采集结束；

(8)依次关闭阀门16、水泵14，实验结束。

实施例2 土壤临界侵蚀剪切应力与侵蚀常数数据处理方法

本实施例的操作方法和步骤如下：

(1)根据测试数据，包括流量随时间的变换函数Q(t),和水头随时间变换的函数H(t)，以及土样的干密度，求出任意时刻t的侵蚀速度E(t)和作用在土样上的剪切力；

(2)以作用在土样上的剪切力为横轴，以侵蚀速度E(t)为纵轴，将所得数据点绘制在坐标平面上；

(3)利用最小二乘法拟合出一条直线，这条直线与横轴的交点坐标即为土壤侵蚀临界剪切应力，直线的斜率即为侵蚀常数M。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数测试设备，其测试原理是利用：(1)圆管流动中流量与管径的关系;(2)壁面剪力与压力降、管径、管道的长度关系;(3)土壤侵蚀方程，求出所要测试的土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数。

2.一种土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数测试设备，其特征在于包括以下三个部分：(1) 水压提供系统，由活动支架、恒压供水箱、恒压排水箱、水泵、管路组成；(2)土样测试系统，由稳流桶、测试桶、排水桶、管路组成；(3)数据采集系统，由压力传感器、流量传感器、计算机组成。

3.根据权利要求2所述水压提供系统其特征在于，由水源、水泵、恒压供水箱、恒压排水箱、管路、活动支架构成，其中供水箱和排水箱中间都安置隔板，以确保水头在实验中不变化；通过调节恒压供水箱与恒压排水箱的高度差，来调节作用在土样上的水力梯度。

4.根据权利要求2中所述活动支架，是由支架、滑轮、链条、手轮、刹车卡板组成，通过摇动手轮，在调节供水箱的高度，刹车卡板用来固定恒压供水箱高度。

5.根据权利要求2所述土样测试设备其特征在于，由稳流筒、测试桶、排水桶组成，土样放置在测试桶内，其中稳流桶由桶体和内部稳流卵石组成，使得流入测试桶的水流稳定。

6.根据权利要求5所述测试桶其特征在于，是由测试桶壳、取样桶、密封圈和固定螺钉组成，取样桶通过螺栓固定在测试桶壳上，中间有密封圈。

7.根据权利要求6所述的取样桶其特征在于，是由固定端、桶体、刃口组成，土样取样桶可以直接从土样中割取原状土样，进行测试，测试结束可以通过更换取样桶，很快进行下一次测试。

8.根据权利要求2所述压力、流量数据采集系统其特征在于，由两个压力传感器和一个流量传感器和计算机组成，压力传感器分别安装在土样测试桶的入口和出口处，以测试土样两侧的压力差，流量传感器安装在土样测试桶的入口一段，以测试流入测试桶的水流量，压力传感器和流量传感器可以根据计算机指令以一定的频率采样，并存贮在计算机中。

9.根据权利要求1~8所述测试设备的测试与计算方法，其特征在于包括如下步骤：

第一，用取样桶采取要测试的土样，并在其中心钻取直径为D的小孔，并连同取样桶安装在测试桶中，仪器连接完毕后，关闭阀门；

第二，摇动手轮将水箱调整到需要的高度；

第二，打开水泵，为土样供给高度h的水头，并将测试桶内空气排出；

第三，打开阀门，同时计算机开始按一定频率读取压力传感器和流量传感的数据，并存储在计算机中，土样在水流作用下不断侵蚀，中间孔径不断扩大，表现为流量不断增大；

第四，根据测试数据，当流量不再增大时，停止试验；

第五，根据测试数据，流量随时间的变换函数Q(t),和水头随时间变换的函数H(t)，以及土样的干密度 ，求出任意时刻t的侵蚀速度E(t)和作用在土样上的剪切力；

第六，以作用在土样上的剪切力为横轴，以侵蚀速度E(t)为纵轴，将所得数据点绘制在坐标平面上；

第七，利用最小二乘法拟合出一条直线，这条直线与横轴的交点坐标值即为土壤侵蚀临界剪切应力，直线的斜率即为侵蚀常数M。