CN105181533B - 基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，包括测定系统箱体、降雪入渗参数测量系统和试验数据采集及控制器，以及冷热一体机、降雪模拟系统、地质模型系统和太阳辐射热模拟系统；降雪模拟系统包括降雪槽、固定支架和多个降雪点模拟机构；地质模型系统包括底座、地质模型槽、经纬格栅板和陶土板；太阳辐射热模拟系统包括电热管、电热管前后运动机构和电热管左右运动机构；降雪入渗参数测量系统包括降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统；本发明还公开了一种基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定方法。本发明使用操作方便，功能完备，为进一步研究降雪入渗规律提供了途径，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统及方法。
背景技术
降水主要是指降雨和降雪，其它形式的降水还有露、霜、雹等。水分以各种形式从大气到达地面统称为降水。降水是水文循环的重要环节，也是人类用水的基本来源。降水资料是分析合理洪枯水情、流域旱情的基础，也是水资源的开发利用如防洪、发电、灌溉等的规划设计与管理运用的基础。降水入渗补给地下水的过程是大气水到土壤水到地下水“三水”相互转换关系中最基本的环节之一，降水入渗对地下水的补给量即为降水补给量，它是该研究区地下水的主要补给方式，同时，也是区域水均衡计算中的一个重要均衡要素。降水入渗系数则是浅层地下水资源评价的一个基本参数，对降水入渗补给系数的确定有多种方法，主要包括实验场模拟、室内实验和动态观测数据分析等，其中，实验场模拟方法一方面可以最大限度地反映实际状态，另一方面还可以有针对性地对具体的因素进行规律性分析；室内实验方法概念明确，各项参量容易控制，比较能反映基本的变化规律；动态观测数据分析方法则最符合实际条件，但其反映的是综合结果。
目前，人们开展了大量的有关于降雨入渗的课题研究，而对于降雪入渗的研究很少涉及。由于降雨入渗与降雪入渗存在较大差别，具体表现在以下几个方面：①入渗时间不同，降雪入渗主要发生在降雪完成后的消融阶段，而降雨入渗则表现为降雨与入渗处于伴随状态；②入渗的土体温度和环境温度不同，降雪入渗表现为低温入渗，而降雨入渗表现为常温入渗。相比于降雨入渗，降雪入渗的研究具有一定的复杂性和难度，而现有技术中还没有针对降雪入渗参数室内测定的试验装置，用于对降雪入渗规律的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、设计新颖合理、实现方便、使用操作方便、为进一步研究降雪入渗规律提供了途径的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，其特征在于：包括测定系统箱体、降雪入渗参数测量系统和试验数据采集及控制器，以及设置在测定系统箱体内部的冷热一体机、降雪模拟系统、地质模型系统和太阳辐射热模拟系统；
所述降雪模拟系统包括嵌入安装在测定系统箱体顶部的降雪槽、设置在降雪槽内的固定支架和嵌入安装在固定支架上的多个降雪点模拟机构，每个所述降雪点模拟机构均包括顶部和底部均敞口设置的储冰筒以及设置在储冰筒顶部的启封盖，所述储冰筒的底部设置有十字支撑杆，所述十字支撑杆的中心安装有降雪电机，所述降雪电机的输出轴上固定连接有旋转切冰刀，所述启封盖的内底面上连接有冰块防转杆，所述冰块防转杆上套装有用于将冰块压紧在旋转切冰刀上的压力弹簧，所述冰块防转杆横截面的形状为矩形，所述冰块上开有供冰块防转杆穿入且与冰块防转杆紧密配合的柱状孔；所述降雪槽的底部安装有用于振动降落旋转切冰刀切落的雪花的振动筛；多个储冰筒中的任意一个储冰筒的顶部安装有超声波测距传感器；
所述地质模型系统包括底座和通过多个千斤顶支撑安装在底座上的地质模型槽，所述地质模型槽的底部设置有用于在地质模型槽内底部形成储水空间的经纬格栅板，所述经纬格栅板上设置有多个出水孔洞，所述经纬格栅板的顶部设置有陶土板，所述陶土板的四周边沿均与地质模型槽内壁粘接，所述陶土板的顶部用于放置试验土样；
所述太阳辐射热模拟系统包括用于模拟太阳光照的电热管、用于带动电热管在测定系统箱体内前后运动的电热管前后运动机构和用于带动电热管在测定系统箱体内左右运动的电热管左右运动机构，所述电热管设置在所述地质模型系统与所述降雪模拟系统之间，所述电热管的旁侧设置有用于对电热管的加热温度进行实时检测的电热管温度传感器；
所述降雪入渗参数测量系统包括降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统，所述降雪径流量测量系统包括降雪径流量测量量杯和设置在地质模型槽侧面的多个降雪径流量测量孔，以及连接在所述降雪径流量测量孔上的降雪径流量测量分管和与降雪径流量测量分管连接并接入降雪径流量测量量杯内的降雪径流量测量总管；所述降雪出渗量测量系统包括降雪出渗量测量量杯和设置在地质模型槽底面上的多个降雪出渗量测量孔，以及连接在所述降雪出渗量测量孔上的降雪出渗量测量分管和与降雪出渗量测量分管连接并接入降雪出渗量测量量杯内的降雪出渗量测量总管，所述降雪出渗量测量总管上设置有用于对渗出试验土样的消融水的流量进行实时检测的流量传感器；
所述试验数据采集及控制器包括微控制器和与微控制器相接且用于与计算机连接的串口通信电路，所述微控制器的输出端接有液晶显示器和用于驱动降雪电机的第一电机驱动器，所述超声波测距传感器、流量传感器和电热管温度传感器均与微控制器的输入端连接。
上述的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，其特征在于：所述旋转切冰刀包括圆盘形的切冰刀体和均匀设置在切冰刀体上的多排从切冰刀体的中心向外发散的切冰孔，每个所述切冰孔内均设置有金刚石刀刃。
上述的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，其特征在于：所述旋转切冰刀的底端距离储冰筒的底端的距离为2cm～5cm。
上述的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，其特征在于：所述电热管前后运动机构包括电热管前后运动小车和沿测定系统箱体的前后方向设置在测定系统箱体内的门字型框架，所述电热管悬挂在电热管前后运动小车的底部，所述门字型框架的顶部设置有供电热管前后运动小车行走的电热管前后运动导轨，所述门字型框架的顶部一侧设置有电热管前后运动电机，所述门字型框架的顶部另一侧设置有第一电热管前后运动带轮，所述电热管前后运动电机的输出轴上连接有第二电热管前后运动带轮，所述第一电热管前后运动带轮和所述第二电热管前后运动带轮上连接有电热管前后运动皮带，所述电热管前后运动小车的底部与电热管前后运动皮带固定连接；所述电热管左右运动机构包括沿测定系统箱体的左右方向设置在测定系统箱体底部的两条电热管左右运动导轨，所述门字型框架的一侧底部设置有沿其中一条电热管左右运动导轨运动的电热管左右主动运动导轮和与电热管左右主动运动导轮同轴连接的第一电热管左右运动链轮，所述门字型框架的另一侧底部设置有沿另一条电热管左右运动导轨运动的电热管左右从动运动导轮，与电热管左右主动运动导轮相配合的电热管左右运动导轨的两侧分别设置有电热管左右运动电机和第二电热管左右运动链轮，所述电热管左右运动电机的输出轴上连接有第三电热管左右运动链轮，所述第一电热管左右运动链轮、第二电热管左右运动链轮和所述第三电热管左右运动链轮上连接有电热管左右运动链条；所述微控制器的输入端接有电热管左右运动按钮和电热管前后运动按钮，所述微控制器的输出端接有用于驱动电热管左右运动电机的第二电机驱动器、用于驱动电热管前后运动电机的第三电机驱动器和用于控制电热管通断电的继电器，所述继电器的线圈串联在电热管的供电回路中。
上述的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，其特征在于：所述电热管前后运动导轨的前后两端分别设置有电热管前限位开关和电热管后限位开关，与电热管左右从动运动导轮相配合的电热管左右运动导轨的左右两端分别设置有电热管左限位开关和电热管右限位开关，所述电热管前限位开关、电热管后限位开关、电热管左限位开关和电热管右限位开关均与微控制器的输入端连接。
本发明还公开了一种方法步骤简单、功能完备、实用性强、使用效果好的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、构建地质模型：操作多个千斤顶，使地质模型槽处于水平放置后，将试验土样分层填装到地质模型槽内陶土板的顶部，并进行土样夯击填筑；然后，再操作多个千斤顶，调整地质模型槽的坡度为试验坡度；
步骤二、装配降雪点模拟机构：将冰块放入储冰筒内，将冰块防转杆插入柱状孔内，并将启封盖连接在储冰筒顶部；所述冰块为圆柱形冰块；
步骤三、参数设置：在计算机上输入总降雪量Qz和电热管加热温度T3，计算机根据公式计算得到单个冰块的下降高度限值h0，并通过串口通信电路将单个冰块的下降高度限值h0和电热管加热温度T3传输给微控制器；其中，S为单个冰块的横截面积，n为冰块的数量；
步骤四、进行降雪模拟：调节冷热一体机的温度为降雪温度T1后，操作计算机，启动降雪模式，计算机通过串口通信电路发送降雪模式启动的信号给微控制器，微控制器通过第一电机驱动器驱动降雪电机转动，降雪电机带动旋转切冰刀转动，切割冰块产生降雪，降雪过程中，超声波测距传感器对其中一个所述储冰筒冰块的下降高度进行实时检测并将检测到的冰块的下降高度实时传输给微控制器，微控制器将其接收到的冰块的下降高度与单个冰块的下降高度限值h0进行比对，当冰块的下降高度达到单个冰块的下降高度限值h0时，微控制器通过第一电机驱动器驱动降雪电机停止转动，此时的总降雪量达到了Qz；
步骤五、进行太阳辐射热模拟：调节冷热一体机的温度为降雪入渗温度T2后，操作计算机，启动降雪入渗模式，计算机通过串口通信电路发送降雪入渗模式启动的信号给微控制器，微控制器控制继电器接通电热管的供电回路，电热管开始加热，电热管加热过程中，电热管温度传感器对电热管的加热温度进行实时检测并将检测到的信号实时传输给微控制器，微控制器将其接收到的加热温度检测值与电热管加热温度T3相比对，当加热温度检测值达到电热管加热温度T3时，微控制器控制继电器断开电热管的供电回路，电热管停止加热，当加热温度检测值低于电热管加热温度T3时，微控制器控制继电器接通电热管的供电回路，电热管开始加热，从而使电热管的加热温度保持为T3；电热管加热过程中，按下电热管左右运动按钮或电热管前后运动按钮后，微控制器控制电热管在测定系统箱体内左右运动或前后运动，进行太阳辐射热模拟；
步骤六、进行降雪入渗观测：步骤五中的电热管加热使步骤四中的降雪消融过程中，未渗入试验土样内的消融水从多个所述降雪径流量测量孔内流出并经过多根降雪径流量测量分管和降雪径流量测量总管流入降雪径流量测量量杯内；渗出试验土样内的消融水从多个所述降雪出渗量测量孔内流出并经过多根降雪出渗量测量分管和降雪出渗量测量总管流入降雪出渗量测量量杯内；同时，流量传感器对渗出试验土样的消融水流量进行实时检测并将检测到的信号输出给微控制器，微控制器将其接收到的渗出试验土样的消融水流量通过串口通信电路传输给计算机，计算机调用流量曲线绘制模块绘制出渗出试验土样的消融水流量随时间t变化的曲线；查看显示在计算机上的渗出试验土样的消融水流量随时间t变化的曲线，当渗出试验土样的消融水流量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明降雪入渗已稳定，此时，查看降雪径流量测量量杯内未渗入试验土样内的消融水的量，并将该读数记录为降雪径流量Qj；查看降雪出渗量测量量杯内渗出试验土样内的消融水的量，并将该读数记录为降雪出渗量Qc；
步骤七：降雪入渗参数计算，具体过程为：
步骤701、根据公式Qr＝Qz-Qj，计算得到降雪入渗量Qr；
步骤702、根据公式ΔS＝Qr-Qc计算得到水分亏损量ΔS；
步骤703、根据公式计算得到降雪入渗率Vr；
步骤704、根据公式计算得到降雪出渗率Vc；
步骤705、根据公式计算得到降雪入渗系数α；
步骤703和步骤704中，t为时间。
上述的方法，其特征在于：步骤五中，按下电热管左右运动按钮或电热管前后运动按钮，使电热管在测定系统箱体内左右运动或前后运动，进行太阳辐射热模拟的具体过程为：当按下电热管左右运动按钮时，微控制器通过第二电机驱动器驱动电热管左右运动电机转动，电热管左右运动电机带动所述第三电热管左右运动链轮转动，所述第三电热管左右运动链轮通过电热管左右运动链条带动第一电热管左右运动链轮转动，第一电热管左右运动链轮带动电热管左右主动运动导轮转动，电热管左右主动运动导轮带动门字型框架的一侧沿其中一条电热管左右运动导轨运动，同时，电热管左右从动运动导轮带动门字型框架的另一侧沿另一条电热管左右运动导轨从动，门字型框架带动电热管前后运动小车在测定系统箱体内左右运动，电热管前后运动小车带动电热管在测定系统箱体内左右运动；当按下电热管前后运动按钮时，微控制器通过第三电机驱动器驱动电热管前后运动电机转动，电热管前后运动电机带动所述第二电热管前后运动带轮转动，所述第二电热管前后运动带轮带动所述电热管前后运动皮带绕所述第二电热管前后运动带轮和第一电热管前后运动带轮转动，所述电热管前后运动皮带带动电热管前后运动小车在测定系统箱体内前后运动，电热管前后运动小车带动电热管在测定系统箱体内前后运动。
上述的方法，其特征在于：步骤三中电热管加热温度T3的取值为20℃～80℃，步骤四中降雪温度T1的取值为-25℃～0℃，步骤五中降雪入渗温度T2的取值为-20℃～20℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明降雪入渗参数测定系统结构紧凑，设计新颖合理，实现方便。
2、采用本发明进行降雪入渗系数测定的使用操作方便，方法步骤简单。
3、本发明是专门针对测定降雪入渗参数的室内模拟的试验仪器及方法，能够研究不同坡度、不同降雪强度、不同温度下不同土质内降雪入渗过程中各物理量(降雪径流量、降雪出渗量、降雪入渗量、水分亏损量、降雪入渗率、降雪出渗率和降雪入渗系数)的变化规律，功能完备，为进一步研究降雪入渗规律提供了途径。
4、本发明的降雪模拟系统能够控制降雪量，通过控制降雪电机的转速，还能够控制降雪速度。
5、本发明的地质模型系统，能够通过调节多个千斤顶的高度，能够实现不同坡度的工况模拟，与实际试验工况的一致性较好。
6、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明使用操作方便，功能完备，为进一步研究降雪入渗规律提供了途径，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明降雪入渗参数测定系统的结构示意图(图中未示出太阳辐射热模拟系统)。
图2为本发明冷热一体机、降雪模拟系统和地质模型系统在测定系统箱体内的布设位置示意图。
图3为本发明设置有超声波测距传感器的降雪点模拟机构的主视图。
图4为图3的仰视图。
图5为本发明地质模型系统的结构示意图。
图6为本发明太阳辐射热模拟系统的结构示意图。
图7为本发明试验数据采集及控制器的电路原理框图。
图8为本发明降雪入渗参数测定方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—测定系统箱体；2-1—固定支架；2-2—振动筛；
2-3—降雪槽；3—降雪点模拟机构；3-1—启封盖；
3-2—压力弹簧；3-3—储冰筒；3-4—旋转切冰刀；
3-41—切冰刀体；3-42—切冰孔；3-43—金刚石刀刃；
3-5—降雪电机；3-6—十字支撑杆；3-7—冰块；
3-8—冰块防转杆；3-9—柱状孔；3-10—超声波测距传感器；
4—地质模型槽；4-1—试验土样；4-2—经纬格栅板；
4-3—陶土板；5—千斤顶；6—底座；
7—冷热一体机；8—计算机；9—流量传感器；
10-1—降雪径流量测量分管；10-2—降雪径流量测量总管；
10-3—降雪出渗量测量分管；10-4—降雪出渗量测量总管；
11—降雪径流量测量量杯；12—降雪出渗量测量量杯；
13—控制器；13-1—微控制器；
13-2—串口通信电路；13-3—电热管左右运动按钮；
13-4—电热管前后运动按钮；13-5—液晶显示器；
13-6—第一电机驱动器；13-7—第二电机驱动器；
13-8—第三电机驱动器；13-9—继电器；
14—电热管；15—电热管前后运动小车；
16—门字型框架；17—电热管前后运动导轨；
18—电热管左右运动导轨；19—电热管左右运动电机；
20—电热管左右运动链条；21—第二电热管左右运动链轮；
22—电热管前后运动电机；23—电热管前后运动皮带；
24—第一电热管前后运动带轮；25—第一电热管左右运动链轮；
26—电热管左右主动运动导轮；27—电热管右限位开关；
28—电热管左限位开关；29—电热管温度传感器；
30—电热管后限位开关；31—电热管前限位开关；
32—电热管左右从动运动导轮。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，包括测定系统箱体1、降雪入渗参数测量系统和试验数据采集及控制器13，以及设置在测定系统箱体1内部的冷热一体机7、降雪模拟系统、地质模型系统和太阳辐射热模拟系统；
如图1和图2所示，所述降雪模拟系统包括嵌入安装在测定系统箱体1顶部的降雪槽2-3、设置在降雪槽2-3内的固定支架2-1和嵌入安装在固定支架2-1上的多个降雪点模拟机构3，如图3和图4所示，每个所述降雪点模拟机构3均包括顶部和底部均敞口设置的储冰筒3-3以及设置在储冰筒3-3顶部的启封盖3-1，所述储冰筒3-3的底部设置有十字支撑杆3-6，所述十字支撑杆3-6的中心安装有降雪电机3-5，所述降雪电机3-5的输出轴上固定连接有旋转切冰刀3-4，旋转切冰刀3-4用于支撑并切割放置到储冰筒3-3内的冰块3-7，所述启封盖3-1的内底面上连接有冰块防转杆3-8，冰块防转杆3-8用于防止冰块3-7随旋转切冰刀3-4转动，所述冰块防转杆3-8上套装有用于将冰块3-7压紧在旋转切冰刀3-4上的压力弹簧3-2，所述冰块防转杆3-8横截面的形状为矩形，所述冰块3-7上开有供冰块防转杆3-8穿入且与冰块防转杆3-8紧密配合的柱状孔3-9；所述降雪槽2-3的底部安装有用于振动降落旋转切冰刀3-4切落的雪花的振动筛2-2；多个储冰筒3-3中的任意一个储冰筒的顶部安装有超声波测距传感器3-10；
如图1、图2和图5所示，所述地质模型系统包括底座6和通过多个千斤顶5支撑安装在底座6上的地质模型槽4，所述地质模型槽4的底部设置有用于在地质模型槽4内底部形成储水空间的经纬格栅板4-2，所述经纬格栅板4-2上设置有多个出水孔洞，所述经纬格栅板4-2的顶部设置有陶土板4-3，所述陶土板4-3的四周边沿均与地质模型槽4内壁粘接，所述陶土板4-3的顶部用于放置试验土样4-1；具体实施时，所述千斤顶5的数量为三个。使用时，通过调节多个千斤顶5的高度，能够实现不同坡度的工况模拟。
如图6所示，所述太阳辐射热模拟系统包括用于模拟太阳光照的电热管14、用于带动电热管14在测定系统箱体1内前后运动的电热管前后运动机构和用于带动电热管14在测定系统箱体1内左右运动的电热管左右运动机构，所述电热管14设置在所述地质模型系统与所述降雪模拟系统之间，所述电热管14的旁侧设置有用于对电热管14的加热温度进行实时检测的电热管温度传感器29；
如图1所示，所述降雪入渗参数测量系统包括降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统，所述降雪径流量测量系统包括降雪径流量测量量杯11和设置在地质模型槽4侧面的多个降雪径流量测量孔，以及连接在所述降雪径流量测量孔上的降雪径流量测量分管10-1和与降雪径流量测量分管10-1连接并接入降雪径流量测量量杯11内的降雪径流量测量总管10-2；所述降雪出渗量测量系统包括降雪出渗量测量量杯12和设置在地质模型槽4底面上的多个降雪出渗量测量孔，以及连接在所述降雪出渗量测量孔上的降雪出渗量测量分管10-3和与降雪出渗量测量分管10-3连接并接入降雪出渗量测量量杯12内的降雪出渗量测量总管10-4，所述降雪出渗量测量总管10-4上设置有用于对渗出试验土样4-1的消融水的流量进行实时检测的流量传感器9；
如图1和图7所示，所述试验数据采集及控制器13包括微控制器13-1和与微控制器13-1相接且用于与计算机8连接的串口通信电路13-2，所述微控制器13-1的输出端接有液晶显示器13-5和用于驱动降雪电机3-5的第一电机驱动器13-6，所述超声波测距传感器3-10、流量传感器9和电热管温度传感器29均与微控制器13-1的输入端连接。
如图4所示，本实施例中，所述旋转切冰刀3-4包括圆盘形的切冰刀体3-41和均匀设置在切冰刀体3-41上的多排从切冰刀体3-41的中心向外发散的切冰孔3-42，每个所述切冰孔3-42内均设置有金刚石刀刃3-43。
本实施例中，所述旋转切冰刀3-4的底端距离储冰筒3-3的底端的距离为2cm～5cm。这样位于旋转切冰刀3-4的底端下部的储冰筒3-3的侧壁可以用于挡雪，可以保证切雪过程中不发生雪花离心现象。
如图6所示，本实施例中，所述电热管前后运动机构包括电热管前后运动小车15和沿测定系统箱体1的前后方向设置在测定系统箱体1内的门字型框架16，所述电热管14悬挂在电热管前后运动小车15的底部，所述门字型框架16的顶部设置有供电热管前后运动小车15行走的电热管前后运动导轨17，所述门字型框架16的顶部一侧设置有电热管前后运动电机22，所述门字型框架16的顶部另一侧设置有第一电热管前后运动带轮24，所述电热管前后运动电机22的输出轴上连接有第二电热管前后运动带轮，所述第一电热管前后运动带轮24和所述第二电热管前后运动带轮上连接有电热管前后运动皮带23，所述电热管前后运动小车15的底部与电热管前后运动皮带23固定连接；所述电热管左右运动机构包括沿测定系统箱体1的左右方向设置在测定系统箱体1底部的两条电热管左右运动导轨18，所述门字型框架16的一侧底部设置有沿其中一条电热管左右运动导轨18运动的电热管左右主动运动导轮26和与电热管左右主动运动导轮26同轴连接的第一电热管左右运动链轮25，所述门字型框架16的另一侧底部设置有沿另一条电热管左右运动导轨18运动的电热管左右从动运动导轮32，与电热管左右主动运动导轮26相配合的电热管左右运动导轨18的两侧分别设置有电热管左右运动电机19和第二电热管左右运动链轮21，所述电热管左右运动电机19的输出轴上连接有第三电热管左右运动链轮，所述第一电热管左右运动链轮25、第二电热管左右运动链轮21和所述第三电热管左右运动链轮上连接有电热管左右运动链条20；所述微控制器13-1的输入端接有电热管左右运动按钮13-3和电热管前后运动按钮13-4，所述微控制器13-1的输出端接有用于驱动电热管左右运动电机19的第二电机驱动器13-7、用于驱动电热管前后运动电机22的第三电机驱动器13-8和用于控制电热管14通断电的继电器13-9，所述继电器13-9的线圈串联在电热管14的供电回路中。
如图6所示，本实施例中，所述电热管前后运动导轨17的前后两端分别设置有电热管前限位开关31和电热管后限位开关30，与电热管左右从动运动导轮25相配合的电热管左右运动导轨18的左右两端分别设置有电热管左限位开关28和电热管右限位开关27，所述电热管前限位开关31、电热管后限位开关30、电热管左限位开关28和电热管右限位开关27均与微控制器13-1的输入端连接。电热管14在测定系统箱体1内左右运动的过程中，电热管左限位开关28对门字型框架16运动到电热管左右运动导轨18的左端极限位置进行检测并将检测到的信号实时输出给微控制器13-1，电热管右限位开关27对门字型框架16运动到电热管左右运动导轨18的右端极限位置进行检测并将检测到的信号实时输出给微控制器13-1，当电热管左限位开关28或电热管右限位开关27检测到信号，即输出为高电平时，微控制器13-1控制电热管左右运动电机13-3停止转动，避免了门字型框架16运动到电热管左右运动导轨18的外部，造成系统故障。电热管14在测定系统箱体1内前后运动的过程中，电热管前限位开关31对门字型框架16运动到电热管前后运动导轨17的前端极限位置进行检测并将检测到的信号实时输出给微控制器13-1，电热管后限位开关30对门字型框架16运动到电热管前后运动导轨17的后端极限位置进行检测并将检测到的信号实时输出给微控制器13-1，当电热管前限位开关31或电热管后限位开关30检测到信号，即输出为高电平时，微控制器13-1控制电热管前后运动电机13-4停止转动，避免了电热管前后运动小车15运动到电热管前后运动导轨17的外部，造成系统故障。
如图8所示，本发明的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定方法，包括以下步骤：
步骤一、构建地质模型：操作多个千斤顶5，使地质模型槽4处于水平放置后，将试验土样4-1分层填装到地质模型槽4内陶土板4-3的顶部，并进行土样夯击填筑；然后，再操作多个千斤顶5，调整地质模型槽4的坡度为试验坡度；
步骤二、装配降雪点模拟机构：将冰块3-7放入储冰筒3-3内，将冰块防转杆3-8插入柱状孔3-9内，并将启封盖3-1连接在储冰筒3-3顶部；所述冰块3-7为圆柱形冰块；
步骤三、参数设置：在计算机8上输入总降雪量Qz和电热管加热温度T3，计算机8根据公式计算得到单个冰块3-7的下降高度限值h0，并通过串口通信电路13-2将单个冰块3-7的下降高度限值h0和电热管加热温度T3传输给微控制器13-1；其中，S为单个冰块3-7的横截面积，单位为cm2；n为冰块3-7的数量；总降雪量Qz的单位为cm3，单个冰块3-7的下降高度限值h0的单位为cm；
步骤四、进行降雪模拟：调节冷热一体机7的温度为降雪温度T1后，操作计算机8，启动降雪模式，计算机8通过串口通信电路13-2发送降雪模式启动的信号给微控制器13-1，微控制器13-1通过第一电机驱动器13-6驱动降雪电机3-5转动，降雪电机3-5带动旋转切冰刀3-4转动，切割冰块3-7产生降雪，降雪过程中，超声波测距传感器3-10对其中一个所述储冰筒3-3冰块3-7的下降高度进行实时检测并将检测到的冰块3-7的下降高度实时传输给微控制器13-1，微控制器13-1将其接收到的冰块3-7的下降高度与单个冰块3-7的下降高度限值h0进行比对，当冰块3-7的下降高度达到单个冰块3-7的下降高度限值h0时，微控制器13-1通过第一电机驱动器13-6驱动降雪电机3-5停止转动，此时的总降雪量达到了Qz；具体实施时，通过调节降雪电机3-5的转速，还能够实现对降雪速度的控制。
步骤五、进行太阳辐射热模拟：调节冷热一体机7的温度为降雪入渗温度T2后，操作计算机8，启动降雪入渗模式，计算机8通过串口通信电路13-2发送降雪入渗模式启动的信号给微控制器13-1，微控制器13-1控制继电器13-9接通电热管14的供电回路，电热管14开始加热，电热管14加热过程中，电热管温度传感器29对电热管14的加热温度进行实时检测并将检测到的信号实时传输给微控制器13-1，微控制器13-1将其接收到的加热温度检测值与电热管加热温度T3相比对，当加热温度检测值达到电热管加热温度T3时，微控制器13-1控制继电器13-9断开电热管14的供电回路，电热管14停止加热，当加热温度检测值低于电热管加热温度T3时，微控制器13-1控制继电器13-9接通电热管14的供电回路，电热管14开始加热，从而使电热管14的加热温度保持为T3；电热管14加热过程中，按下电热管左右运动按钮13-3或电热管前后运动按钮13-4后，微控制器13-1控制电热管14在测定系统箱体1内左右运动或前后运动，进行太阳辐射热模拟；
步骤六、进行降雪入渗观测：步骤五中的电热管14加热使步骤四中的降雪消融过程中，未渗入试验土样4-1内的消融水从多个所述降雪径流量测量孔内流出并经过多根降雪径流量测量分管10-1和降雪径流量测量总管10-2流入降雪径流量测量量杯11内；渗出试验土样4-1内的消融水从多个所述降雪出渗量测量孔内流出并经过多根降雪出渗量测量分管10-3和降雪出渗量测量总管10-4流入降雪出渗量测量量杯12内；同时，流量传感器9对渗出试验土样4-1的消融水流量进行实时检测并将检测到的信号输出给微控制器13-1，微控制器13-1将其接收到的渗出试验土样4-1的消融水流量通过串口通信电路13-2传输给计算机8，计算机8调用流量曲线绘制模块绘制出渗出试验土样4-1的消融水流量随时间t变化的曲线；查看显示在计算机8上的渗出试验土样4-1的消融水流量随时间t变化的曲线，当渗出试验土样4-1的消融水流量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明降雪入渗已稳定，此时，查看降雪径流量测量量杯11内未渗入试验土样4-1内的消融水的量，并将该读数记录为降雪径流量Qj；查看降雪出渗量测量量杯12内渗出试验土样4-1内的消融水的量，并将该读数记录为降雪出渗量Qc；其中，降雪径流量Qj的单位为cm3，降雪出渗量Qc的单位为cm3；
步骤七：降雪入渗参数计算，具体过程为：
步骤701、根据公式Qr＝Qz-Qj，计算得到降雪入渗量Qr；降雪入渗量Qr的单位为cm3；
步骤702、根据公式ΔS＝Qr-Qc计算得到水分亏损量ΔS；水分亏损量ΔS的单位为cm3；
步骤703、根据公式计算得到降雪入渗率Vr；降雪入渗率Vr的单位为cm3/s；
步骤704、根据公式计算得到降雪出渗率Vc；降雪出渗率Vc的单位为cm3/s；
步骤705、根据公式计算得到降雪入渗系数α；
步骤703和步骤704中，t为时间，单位为s。
本实施例中，步骤五中，按下电热管左右运动按钮13-3或电热管前后运动按钮13-4，使电热管14在测定系统箱体1内左右运动或前后运动，进行太阳辐射热模拟的具体过程为：当按下电热管左右运动按钮13-3时，微控制器13-1通过第二电机驱动器13-7驱动电热管左右运动电机13-3转动，电热管左右运动电机13-3带动所述第三电热管左右运动链轮转动，所述第三电热管左右运动链轮通过电热管左右运动链条20带动第一电热管左右运动链轮25转动，第一电热管左右运动链轮25带动电热管左右主动运动导轮26转动，电热管左右主动运动导轮26带动门字型框架16的一侧沿其中一条电热管左右运动导轨18运动，同时，电热管左右从动运动导轮25带动门字型框架16的另一侧沿另一条电热管左右运动导轨18从动，门字型框架16带动电热管前后运动小车15在测定系统箱体1内左右运动，电热管前后运动小车15带动电热管14在测定系统箱体1内左右运动；当按下电热管前后运动按钮13-4时，微控制器13-1通过第三电机驱动器13-8驱动电热管前后运动电机13-4转动，电热管前后运动电机22带动所述第二电热管前后运动带轮转动，所述第二电热管前后运动带轮带动所述电热管前后运动皮带23绕所述第二电热管前后运动带轮和第一电热管前后运动带轮24转动，所述电热管前后运动皮带23带动电热管前后运动小车15在测定系统箱体1内前后运动，电热管前后运动小车15带动电热管14在测定系统箱体1内前后运动。
本实施例中，步骤三中电热管加热温度T3的取值为20℃～80℃，步骤四中降雪温度T1的取值为-25℃～0℃，步骤五中降雪入渗温度T2的取值为-20℃～20℃。
综上所述，本发明能够研究不同坡度、不同降雪强度、不同温度下不同土质内降雪入渗过程中各物理量(降雪径流量、降雪出渗量、降雪入渗量、水分亏损量、降雪入渗率、降雪出渗率和降雪入渗系数)的变化规律，为进一步研究降雪入渗规律提供了途径。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，其特征在于：包括测定系统箱体(1)、降雪入渗参数测量系统和试验数据采集及控制器(13)，以及设置在测定系统箱体(1)内部的冷热一体机(7)、降雪模拟系统、地质模型系统和太阳辐射热模拟系统；
所述降雪模拟系统包括嵌入安装在测定系统箱体(1)顶部的降雪槽(2-3)、设置在降雪槽(2-3)内的固定支架(2-1)和嵌入安装在固定支架(2-1)上的多个降雪点模拟机构(3)，每个所述降雪点模拟机构(3)均包括顶部和底部均敞口设置的储冰筒(3-3)以及设置在储冰筒(3-3)顶部的启封盖(3-1)，所述储冰筒(3-3)的底部设置有十字支撑杆(3-6)，所述十字支撑杆(3-6)的中心安装有降雪电机(3-5)，所述降雪电机(3-5)的输出轴上固定连接有旋转切冰刀(3-4)，所述启封盖(3-1)的内底面上连接有冰块防转杆(3-8)，所述冰块防转杆(3-8)上套装有用于将冰块(3-7)压紧在旋转切冰刀(3-4)上的压力弹簧(3-2)，所述冰块防转杆(3-8)横截面的形状为矩形，所述冰块(3-7)上开有供冰块防转杆(3-8)穿入且与冰块防转杆(3-8)紧密配合的柱状孔(3-9)；所述降雪槽(2-3)的底部安装有用于振动降落旋转切冰刀(3-4)切落的雪花的振动筛(2-2)；多个储冰筒(3-3)中的任意一个储冰筒的顶部安装有超声波测距传感器(3-10)；
所述地质模型系统包括底座(6)和通过多个千斤顶(5)支撑安装在底座(6)上的地质模型槽(4)，所述地质模型槽(4)的底部设置有用于在地质模型槽(4)内底部形成储水空间的经纬格栅板(4-2)，所述经纬格栅板(4-2)上设置有多个出水孔洞，所述经纬格栅板(4-2)的顶部设置有陶土板(4-3)，所述陶土板(4-3)的四周边沿均与地质模型槽(4)内壁粘接，所述陶土板(4-3)的顶部用于放置试验土样(4-1)；
所述太阳辐射热模拟系统包括用于模拟太阳光照的电热管(14)、用于带动电热管(14)在测定系统箱体(1)内前后运动的电热管前后运动机构和用于带动电热管(14)在测定系统箱体(1)内左右运动的电热管左右运动机构，所述电热管(14)设置在所述地质模型系统与所述降雪模拟系统之间，所述电热管(14)的旁侧设置有用于对电热管(14)的加热温度进行实时检测的电热管温度传感器(29)；
所述降雪入渗参数测量系统包括降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统，所述降雪径流量测量系统包括降雪径流量测量量杯(11)和设置在地质模型槽(4)侧面的多个降雪径流量测量孔，以及连接在所述降雪径流量测量孔上的降雪径流量测量分管(10-1)和与降雪径流量测量分管(10-1)连接并接入降雪径流量测量量杯(11)内的降雪径流量测量总管(10-2)；所述降雪出渗量测量系统包括降雪出渗量测量量杯(12)和设置在地质模型槽(4)底面上的多个降雪出渗量测量孔，以及连接在所述降雪出渗量测量孔上的多根降雪出渗量测量分管(10-3)和与降雪出渗量测量分管(10-3)连接并接入降雪出渗量测量量杯(12)内的降雪出渗量测量总管(10-4)，所述降雪出渗量测量总管(10-4)上设置有用于对渗出试验土样(4-1)的消融水的流量进行实时检测的流量传感器(9)；
所述试验数据采集及控制器(13)包括微控制器(13-1)和与微控制器(13-1)相接且用于与计算机(8)连接的串口通信电路(13-2)，所述微控制器(13-1)的输出端接有液晶显示器(13-5)和用于驱动降雪电机(3-5)的第一电机驱动器(13-6)，所述超声波测距传感器(3-10)、流量传感器(9)和电热管温度传感器(29)均与微控制器(13-1)的输入端连接；
所述旋转切冰刀(3-4)包括圆盘形的切冰刀体(3-41)和均匀设置在切冰刀体(3-41)上的多排从切冰刀体(3-41)的中心向外发散的切冰孔(3-42)，每个所述切冰孔(3-42)内均设置有金刚石刀刃(3-43)；
所述旋转切冰刀(3-4)的底端距离储冰筒(3-3)的底端的距离为2cm～5cm。
2.按照权利要求1所述的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，其特征在于：所述电热管前后运动机构包括电热管前后运动小车(15)和沿测定系统箱体(1)的前后方向设置在测定系统箱体(1)内的门字型框架(16)，所述电热管(14)悬挂在电热管前后运动小车(15)的底部，所述门字型框架(16)的顶部设置有供电热管前后运动小车(15)行走的电热管前后运动导轨(17)，所述门字型框架(16)的顶部一侧设置有电热管前后运动电机(22)，所述门字型框架(16)的顶部另一侧设置有第一电热管前后运动带轮(24)，所述电热管前后运动电机(22)的输出轴上连接有第二电热管前后运动带轮，所述第一电热管前后运动带轮(24)和所述第二电热管前后运动带轮上连接有电热管前后运动皮带(23)，所述电热管前后运动小车(15)的底部与电热管前后运动皮带(23)固定连接；所述电热管左右运动机构包括沿测定系统箱体(1)的左右方向设置在测定系统箱体(1)底部的两条电热管左右运动导轨(18)，所述门字型框架(16)的一侧底部设置有沿其中一条电热管左右运动导轨(18)运动的电热管左右主动运动导轮(26)和与电热管左右主动运动导轮(26)同轴连接的第一电热管左右运动链轮(25)，所述门字型框架(16)的另一侧底部设置有沿另一条电热管左右运动导轨(18)运动的电热管左右从动运动导轮(32)，与电热管左右主动运动导轮(26)相配合的电热管左右运动导轨(18)的两侧分别设置有电热管左右运动电机(19)和第二电热管左右运动链轮(21)，所述电热管左右运动电机(19)的输出轴上连接有第三电热管左右运动链轮，所述第一电热管左右运动链轮(25)、第二电热管左右运动链轮(21)和所述第三电热管左右运动链轮上连接有电热管左右运动链条(20)；所述微控制器(13-1)的输入端接有电热管左右运动按钮(13-3)和电热管前后运动按钮(13-4)，所述微控制器(13-1)的输出端接有用于驱动电热管左右运动电机(19)的第二电机驱动器(13-7)、用于驱动电热管前后运动电机(22)的第三电机驱动器(13-8)和用于控制电热管(14)通断电的继电器(13-9)，所述继电器(13-9)的线圈串联在电热管(14)的供电回路中。
3.按照权利要求2所述的基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，其特征在于：所述电热管前后运动导轨(17)的前后两端分别设置有电热管前限位开关(31)和电热管后限位开关(30)，与电热管左右从动运动导轮(25)相配合的电热管左右运动导轨(18)的左右两端分别设置有电热管左限位开关(28)和电热管右限位开关(27)，所述电热管前限位开关(31)、电热管后限位开关(30)、电热管左限位开关(28)和电热管右限位开关(27)均与微控制器(13-1)的输入端连接。
4.一种利用如权利要求2所述的降雪入渗参数测定系统进行基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、构建地质模型：操作多个千斤顶(5)，使地质模型槽(4)处于水平放置后，将试验土样(4-1)分层填装到地质模型槽(4)内陶土板(4-3)的顶部，并进行土样夯击填筑；然后，再操作多个千斤顶(5)，调整地质模型槽(4)的坡度为试验坡度；
步骤二、装配降雪点模拟机构：将冰块(3-7)放入储冰筒(3-3)内，将冰块防转杆(3-8)插入柱状孔(3-9)内，并将启封盖(3-1)连接在储冰筒(3-3)顶部；所述冰块(3-7)为圆柱形冰块；
步骤三、参数设置：在计算机(8)上输入总降雪量Qz和电热管加热温度T3，计算机(8)根据公式计算得到单个冰块(3-7)的下降高度限值h0，并通过串口通信电路(13-2)将单个冰块(3-7)的下降高度限值h0和电热管加热温度T3传输给微控制器(13-1)；其中，S为单个冰块(3-7)的横截面积，n为冰块(3-7)的数量；
步骤四、进行降雪模拟：调节冷热一体机(7)的温度为降雪温度T1后，操作计算机(8)，启动降雪模式，计算机(8)通过串口通信电路(13-2)发送降雪模式启动的信号给微控制器(13-1)，微控制器(13-1)通过第一电机驱动器(13-6)驱动降雪电机(3-5)转动，降雪电机(3-5)带动旋转切冰刀(3-4)转动，切割冰块(3-7)产生降雪，降雪过程中，超声波测距传感器(3-10)对其中一个所述储冰筒(3-3)冰块(3-7)的下降高度进行实时检测并将检测到的冰块(3-7)的下降高度实时传输给微控制器(13-1)，微控制器(13-1)将其接收到的冰块(3-7)的下降高度与单个冰块(3-7)的下降高度限值h0进行比对，当冰块(3-7)的下降高度达到单个冰块(3-7)的下降高度限值h0时，微控制器(13-1)通过第一电机驱动器(13-6)驱动降雪电机(3-5)停止转动，此时的总降雪量达到了Qz；
步骤五、进行太阳辐射热模拟：调节冷热一体机(7)的温度为降雪入渗温度T2后，操作计算机(8)，启动降雪入渗模式，计算机(8)通过串口通信电路(13-2)发送降雪入渗模式启动的信号给微控制器(13-1)，微控制器(13-1)控制继电器(13-9)接通电热管(14)的供电回路，电热管(14)开始加热，电热管(14)加热过程中，电热管温度传感器(29)对电热管(14)的加热温度进行实时检测并将检测到的信号实时传输给微控制器(13-1)，微控制器(13-1)将其接收到的加热温度检测值与电热管加热温度T3相比对，当加热温度检测值达到电热管加热温度T3时，微控制器(13-1)控制继电器(13-9)断开电热管(14)的供电回路，电热管(14)停止加热，当加热温度检测值低于电热管加热温度T3时，微控制器(13-1)控制继电器(13-9)接通电热管(14)的供电回路，电热管(14)开始加热，从而使电热管(14)的加热温度保持为T3；电热管(14)加热过程中，按下电热管左右运动按钮(13-3)或电热管前后运动按钮(13-4)后，微控制器(13-1)控制电热管(14)在测定系统箱体(1)内左右运动或前后运动，进行太阳辐射热模拟；
步骤六、进行降雪入渗观测：步骤五中的电热管(14)加热使步骤四中的降雪消融过程中，未渗入试验土样(4-1)内的消融水从多个所述降雪径流量测量孔内流出并经过多根降雪径流量测量分管(10-1)和降雪径流量测量总管(10-2)流入降雪径流量测量量杯(11)内；渗出试验土样(4-1)内的消融水从多个所述降雪出渗量测量孔内流出并经过多根降雪出渗量测量分管(10-3)和降雪出渗量测量总管(10-4)流入降雪出渗量测量量杯(12)内；同时，流量传感器(9)对渗出试验土样(4-1)的消融水流量进行实时检测并将检测到的信号输出给微控制器(13-1)，微控制器(13-1)将其接收到的渗出试验土样(4-1)的消融水流量通过串口通信电路(13-2)传输给计算机(8)，计算机(8)调用流量曲线绘制模块绘制出渗出试验土样(4-1)的消融水流量随时间t变化的曲线；查看显示在计算机(8)上的渗出试验土样(4-1)的消融水流量随时间t变化的曲线，当渗出试验土样(4-1)的消融水流量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明降雪入渗已稳定，此时，查看降雪径流量测量量杯(11)内未渗入试验土样(4-1)内的消融水的量，并将读数记录为降雪径流量Qj；查看降雪出渗量测量量杯(12)内渗出试验土样(4-1)内的消融水的量，并将读数记录为降雪出渗量Qc；
步骤七：降雪入渗参数计算，具体过程为：
步骤701、根据公式Qr＝Qz-Qj，计算得到降雪入渗量Qr；
步骤702、根据公式ΔS＝Qr-Qc计算得到水分亏损量ΔS；
步骤703、根据公式计算得到降雪入渗率Vr；
步骤704、根据公式计算得到降雪出渗率Vc；
步骤705、根据公式计算得到降雪入渗系数α；
步骤703和步骤704中，t为时间。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤五中，按下电热管左右运动按钮(13-3)或电热管前后运动按钮(13-4)，使电热管(14)在测定系统箱体(1)内左右运动或前后运动，进行太阳辐射热模拟的具体过程为：当按下电热管左右运动按钮(13-3)时，微控制器(13-1)通过第二电机驱动器(13-7)驱动电热管左右运动电机(13-3)转动，电热管左右运动电机(13-3)带动所述第三电热管左右运动链轮转动，所述第三电热管左右运动链轮通过电热管左右运动链条(20)带动第一电热管左右运动链轮(25)转动，第一电热管左右运动链轮(25)带动电热管左右主动运动导轮(26)转动，电热管左右主动运动导轮(26)带动门字型框架(16)的一侧沿其中一条电热管左右运动导轨(18)运动，同时，电热管左右从动运动导轮(25)带动门字型框架(16)的另一侧沿另一条电热管左右运动导轨(18)从动，门字型框架(16)带动电热管前后运动小车(15)在测定系统箱体(1)内左右运动，电热管前后运动小车(15)带动电热管(14)在测定系统箱体(1)内左右运动；当按下电热管前后运动按钮(13-4)时，微控制器(13-1)通过第三电机驱动器(13-8)驱动电热管前后运动电机(13-4)转动，电热管前后运动电机(22)带动所述第二电热管前后运动带轮转动，所述第二电热管前后运动带轮带动所述电热管前后运动皮带(23)绕所述第二电热管前后运动带轮和第一电热管前后运动带轮(24)转动，所述电热管前后运动皮带(23)带动电热管前后运动小车(15)在测定系统箱体(1)内前后运动，电热管前后运动小车(15)带动电热管(14)在测定系统箱体(1)内前后运动。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤三中电热管加热温度T3的取值为20℃～80℃，步骤四中降雪温度T1的取值为-25℃～0℃，步骤五中降雪入渗温度T2的取值为-20℃～20℃。
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