CN107167578B - 一种野外模拟工程堆积体水土流失试验装置 - Google Patents

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Abstract

一种野外模拟工程堆积体水土流失试验装置，本发明包括堆积台和支撑架，堆积台为圆锥状，表面有棱状凸起，堆积台划分为2～4个堆积区，在相邻的两个堆积区之间设有至锥顶的台阶过道，每个堆积区设有渗流集水系统和径流集水系统，支撑架位于堆积台下方，用于支撑堆积台，堆积台下方与支撑架之间的空间构成试验工作室；在支撑架侧面开有出入口。本发明结构坚固，可同时开展多个相同或不同堆积物质的堆积体水土流失试验，能够模拟野外工程堆积体现场环境，满足野外的长期观测要求，所得到的试验数据更为真实，为工程堆积体造成的人为水土流失、滑坡、塌方等灾害的科学防治提供基础数据，从而消除工程堆积体对生态环境的破坏。

Description

一种野外模拟工程堆积体水土流失试验装置
技术领域
本发明属于工程堆积体试验技术领域，具体涉及一种野外模拟工程堆积体水土流失试验装置。
背景技术
随着我国经济的高速发展，生产建设项目逐渐增多，在生产建设过程中产生的工程堆积体作为人为水土流失最为严重的地貌单元，已引起人们的广泛关注(史东梅等，不同土石比的工程堆积体边坡径流侵蚀过程[J]《农业工程学报》2015(17):152-161.)。由于土壤类型和结构的不同，在生产建设过程中形成的大型工程堆积体还存在着滑坡、塌方等严重的安全隐患。现有水土流失试验技术中，主要采用传统的二维坡面径流小区来对野外的工程堆积体进行模拟观测。传统的径流小区通常为人工修筑的具有一定坡度和深度的长方体小区，其表层的承雨面为平坦的二维矩形坡面，而由于特殊的形成过程，工程堆积体的表层承雨面多为有一定弧度和曲率的锥状坡面，有着特定的三维立体形态，形态的差异必然会对坡面径流产沙规律产生影响(赵暄等，生产建设项目弃土堆置体的类型与特征[J]《中国水土保持科学》2013(01):88-94.)。因此利用传统坡面径流小区不能准确地模拟真实的工程堆积体，无法真实地反映出工程堆积体的径流产沙特征；且传统径流小区形成的堆积体无法模拟野外真实工程堆积体发生滑坡、塌方等地质灾害的过程，致使无法准确的确定工程堆积体发生滑坡、塌方的临界条件和有效防治措施。
综上所述，现有的水土流失试验技术不能准确模拟真实工程堆积体立体形态，无法精确观测野外降雨条件下工程堆积体水土流失过程，更无法提出科学有效的防治水土流失、滑坡、塌方等灾害的方法和措施，致使工程堆积体的人为水土流失易造成生态环境的破坏，存在滑坡、塌方等灾害隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种野外模拟工程堆积体水土流失试验装置，解决现有技术中水土流失试验不能准确模拟真实工程堆积体立体形态，无法观测野外降雨条件下工程堆积体水土流失过程的问题，从而提出科学有效的防治水土流失、滑坡、塌方等灾害的方法和措施。
本发明提出的一种野外模拟工程堆积体水土流失试验装置，其特征在于，包括堆积台和支撑架；
所述堆积台为圆锥状，用于放置堆积物，表面有棱状凸起，用于增大堆积台表面的摩擦力；堆积台的圆锥面与地面夹角α为15～35°，优选30～33°；堆积台按正投影划分为2～4个堆积区呈扇形，每个堆积区自上而下划分为上坡位、中坡位和下坡位；每个堆积区的顶端位于堆积台的锥顶处，在相邻的两个堆积区之间设有至锥顶的台阶过道；在堆积台表面设有若干渗流孔呈同心圆状均匀分布，渗流孔贯穿堆积台，堆积台上的渗流孔设有滤网，能避免固体物进入渗流管；每个堆积区设有渗流集水系统和径流集水系统；
所述的支撑架位于堆积台下方，用于支撑堆积台，支撑架由钢架及贴附其外围的挡板搭建而成，或由建筑材料堆砌而成，使堆积台下方的空间构成试验工作室，用于放置相关仪器设备及附属物品；在支撑架侧面开有出入口，便于试验过程中的数据采集和试验样品的处理。
所述渗流集水系统按照堆积区的上坡位、中坡位和下坡位分为三个集流单元，使不同坡位的下渗水流分别收集，集流单元包括渗流管、导流管和集流管；所述的渗流管有若干，固定贴附于堆积台下方侧呈径向布置，渗流管上的渗流孔与堆积台上的渗流孔对应连通，用于收集堆积物的下渗水流，若干渗流管的出水端与导流管连通；所述的导流管固定贴附于堆积台下方侧，导流管的出水端与集流管连通；集流管竖直向下通向收集容器；使得渗流管将下渗水流通过导流管输导至集流管，再由收集容器收集。
所述的径流集水系统包括集流槽和蓄水池，集流槽沿堆积区的下边缘设置，集流槽通过出水口与蓄水池连通，集流槽和出水口表面光滑、不拦挂泥沙；使得堆积区坡面的径流及泥沙通过集流槽能够全部输至蓄水池。
本发明的特征还在于：所述堆积台的划分优化为4个堆积区；所述出水口两侧的集流槽向出水口处倾斜，倾斜角度不小于5度。
本发明的特征还有：在所述的蓄水池底部设有排泄口，以便观测结束后径流泥沙的排出；为防止径流流量超出蓄水池容积，在蓄水池外侧设有分流池，用于收集溢出的径流，蓄水池通过池壁上的分流孔与分流池连通；在蓄水池和分流池上设有盖板，能避免外部雨水进入，影响试验结果。
本发明野外模拟工程堆积体水土流失试验装置的使用方法：按土壤的类型和结构及坡度要求，分别在各堆积区上进行堆积物(土壤)的堆积，达到试验设计要求；降雨开始后，雨水一部分渗入土壤通过渗流集水系统被收集容器收集，另一部分在坡面形成径流携带泥沙通过径流集水系统收集在蓄水池；雨后，通过对渗流和径流的流量与速度及泥沙量等相关数据的测量处理，得到的相关参数能够更加准确的反映堆积体的径流、产沙特征。使得本发明能够真实模拟野外工程堆积体的三维立体形态。
本发明的优点：由于本发明装置设有多个堆积区，可同时开展多个相同或不同堆积物质的堆积体水土流失试验，不仅便于同步进行重复试验和对比试验，也便于试验人员通过过道对堆积体径流的流速、流深、细沟形态等坡面侵蚀参数的近距离观测；而试验工作室更便于试验人员就地及时的进行数据采集和分析处理。本发明装置并具有结构坚固、测定方便、重复使用的优点，能够模拟野外工程堆积体现场环境，满足野外的长期观测要求，所得到的试验数据更为真实，为工程堆积体造成的人为水土流失、滑坡、塌方等灾害的科学防治提供基础数据，从而消除工程堆积体对生态环境的破坏。
附图说明
图1为本发明装置的结构俯视图，图2为图1中A-A向剖视图。图中，1-堆积台，2-过道，3-集流槽，4-出水口，5-蓄水池，6-分流池，7-渗流孔，8-渗流管，9-导流管，10-集流管，11-试验工作室，12-棱状凸起，13-盖板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行详细描述。
参见附图，本发明所设计的野外模拟工程堆积体水土流失试验装置中，支撑架由钢架及挡板搭建和/或由建筑材料堆砌形成；在支撑架上架设4块扇形钢筋水泥预制板(也可采用钢板结构)组合筑成堆积台，在两预制板之间搭设台阶过道(可以采用木结构、或钢板结构、或钢筋水泥预制板)；堆积台上面为4个堆积区，下方形成试验工作室。各预制板上设置渗流孔，每个堆积区按上坡位、中坡位和下坡位分为三个单元，将渗流管和导流管按三个单元固定贴附于预制板下方一侧，并使渗流管上的渗流孔与预制板上的渗流孔对应连通；将渗流管的出水端与导流管连通，在两个导流管的交点处(出水端)连通集流管，并在集流管下方设置收集容器，形成渗流集水系统。在堆积区下缘设置集流槽(可采用铁皮或水泥)，在集流槽中部向外开设出水口与蓄水池连通，蓄水池和分流池采用水泥预制板制作，形成径流集水系统。
如图1所示，堆积台分为4个堆积区，按试验设计的坡度和厚度将堆积物质堆置于堆积区之上，由于棱状凸起使堆积物能稳定的堆置，形成工程堆积体；台阶过道把4个堆积区隔离，可同时堆置4个不同的工程堆积体。
参见图1和图2，降雨开始后，坡面形成径流携泥沙流入集流槽，通过出水口将径流和泥沙输导至蓄水池，超出蓄水池容积的径流由分流孔输导至分流池；同时，坡面入渗的水流通过渗流孔到渗流管，再通过导流管将渗流输导至集流管，由收集容器收集。在试验过程中，试验人员可以在台阶过道上对水土流失过程进行近距离观察，并对相关参数进行测量；同时，试验人员可以在试验工作室采集渗流数据，并对径流和泥沙样品进行处理。
需要说明的是，堆积物的堆置可采用人工或机械的方式进行，一次堆置作业后可用于长期观测；4个堆积区可同时模拟四种不同的工程堆积体，便于进行重复试验和对比试验。另外，由于降雨量的不同，并非每次降雨都有渗水水流的收集，也并非每次降雨都有径流和泥沙的收集。

Claims (5)

1.一种野外模拟工程堆积体水土流失试验装置，其特征在于，包括堆积台和支撑架；
所述堆积台为圆锥状，表面有棱状凸起，堆积台的圆锥面与地面的夹角α为15～35°；堆积台按正投影划分为2～4个堆积区呈扇形，每个堆积区自上而下划分为上坡位、中坡位和下坡位；每个堆积区的顶端位于堆积台的锥顶处，在相邻的两个堆积区之间设有至锥顶的台阶过道；在堆积台表面设有若干渗流孔呈同心圆状均匀分布，渗流孔贯穿堆积台，渗流孔设有滤网；每个堆积区设有渗流集水系统和径流集水系统；
所述的支撑架位于堆积台下方，用于支撑堆积台，堆积台下方与支撑架之间的空间构成试验工作室；在支撑架侧面开有出入口；
所述渗流集水系统按照堆积区的上坡位、中坡位和下坡位分为三个集流单元，集流单元包括渗流管、导流管和集流管；所述的渗流管有若干，固定贴附于堆积台下方侧呈径向布置，渗流管上的渗流孔与堆积台上的渗流孔对应连通，若干渗流管的出水端与导流管连通；所述的导流管固定贴附于堆积台下方侧，导流管的出水端与集流管连通；集流管竖直向下通向收集容器；
所述的径流集水系统包括集流槽和蓄水池，集流槽沿堆积区的下边缘处设置，集流槽通过出水口与蓄水池连通。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述夹角α为30～33°。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述堆积台的划分为4个堆积区。
4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述出水口两侧的集流槽向出水口处倾斜，倾斜角度不小于5度。
5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，在所述的蓄水池底部设有排泄口。
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赣北地区工程堆积体侵蚀水动力机理研究;王雪松等;《水力发电学报》;20151125(第11期);全文 *

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