CN108519476A - 喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法及装置，所述方法包括以下步骤：1)制作一个用于模拟喀斯特基岩裂隙的几何形状的空腔，空腔的下口用于模拟裂隙出口；2)向空腔中填装试验土壤，用于模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤；3)在填装土体的上表面施加静水压，模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤上部的积水压力；当填装土体在上部积水压力和自身重力的驱动下向下运动时，将克服土体与空腔侧壁的摩擦力和出口局部阻力由空腔下口排出；上述步骤1)～3)可模拟喀斯特基岩裂隙中，沉积土壤在上部积水压力驱动下沿裂隙侧壁蠕动并由裂隙出口排出漏失到地下的过程。

Description

喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法及装置，属于水土保持土壤侵蚀技术领域。

背景技术

我国西南喀斯特地区有着丰富的生物、矿产、水能、旅游资源，在全国占有重要地位。喀斯特地区的水土保持对该地区可持续发展，保护人们的生产、生活和生存环境，促进长江、珠江中下游的持续繁荣具有重大的战略意义。喀斯特地区地质环境脆弱，贫困人口集中，加之人类对自然资源不合理的利用，土壤侵蚀日趋严重，水土漏失问题加剧，严重影响该地区的生产、生活以及自然生态。

目前，针对喀斯特地区地表-地下二元水土流失的特征，国内外研究人员通过对坡面尺度的观测，只能得到地表的水土流失，对坡面水土向地下漏失的机理则知之甚少。另外，尽管研究人员逐渐关注喀斯特地区水土向下漏失的现象，但现有的研究大多数属于定性研究。定量观测及相关研究缺乏，不能定量实时监测、评估和计算喀斯特地区水土地下漏失。因此，针对该地区水土漏失的多种影响因素和多种水土运移途径的特点，研究该地区坡面水土漏失的室内模拟方法并构建室内模拟装置成为喀斯特地区水土保持研究重要的关键环节。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法，包括以下步骤：1)制作一个用于模拟喀斯特基岩裂隙的几何形状的空腔，空腔的下口用于模拟裂隙出口；2)向空腔中填装试验土壤，用于模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤；3)在填装土体的上表面施加静水压，模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤上部的积水压力；当填装土体在上部积水压力和自身重力的驱动下向下运动时，将克服土体与空腔侧壁的摩擦力和出口局部阻力由空腔下口排出；上述步骤1)～3)可模拟喀斯特基岩裂隙中，沉积土壤在上部积水压力驱动下沿裂隙侧壁蠕动并由裂隙出口排出漏失到地下的过程。

所述步骤1)中所制作的空腔，其形状为四棱柱结构且截面为等腰梯形，其中等腰梯形的上底B大于下底b。

一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：包括设置有空腔的盒体，所述空腔用于填装试验土壤，所述盒体的底部设置有连通所述空腔与外部空间的下口，用于模拟喀斯特基岩裂隙出口；还包括用于向填装在所述空腔中的试验土壤注水的供水系统。

所述空腔的形状为四棱柱结构且截面为等腰梯形，其中，所述等腰梯形的上底B大于下底b。

所述盒体包括两侧板、两端板、两石板和一盖板，其中，所述侧板为矩形板，所述端板为呈等腰梯形的有机玻璃板，所述石板贴合在所述侧板的内侧，所述石板由所研究区域的石材加工而成，以模拟水土漏失的自然环境。

所述端板的两腰线卡在开设在所述侧板边缘的槽中，两所述侧板之间通过布置于所述端板外侧的第一螺栓连接；所述侧板的上边缘设置有与侧板的板面呈夹角布置的第一边条，在所述第一边条上设置有多个第一U型孔；在所述盖板相对的两边缘设置有第二边条，在所述第二边条上设置有多个第二U型孔，所述第二U型孔与第一U型孔之间通过第二螺栓连接。

所述供水系统包括升降机构和水箱，所述水箱安装在所述升降机构上，在所述水箱的一侧靠近底部的位置设置出水口，所述出水口连接输水管的一端，所述输水管的另一端连接设置在所述盖板上的进水口。

所述盖板的中部设置有观察窗，所述观察窗上安装有透明的有机玻璃。

在所述盖板上设置有把手。

在所述侧板与所述端板的连接处、所述端板与所述盖板的连接处以及所述侧板与所述盖板的连接处均设置有密封垫。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明所提出的方法及装置能够准确地模拟特定要求的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程，并且模拟装置具有结构简单，价格低廉、方便实用、工作可靠等特点。

附图说明

图1是本发明模拟方法中所制作的用于模拟喀斯特基岩裂隙的空腔的示意图；

图2是本发明模拟装置的整体结构示意图；

图3是本发明盒体去除盖板后的结构示意图；

图4是本发明盖板的结构示意图；

图5是本发明盖板的主视结构示意图；

图6是本发明侧板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，制作一个用于模拟喀斯特基岩裂隙的几何形状的空腔，空腔的下口用于模拟裂隙出口。

2)向空腔中填装试验土壤，用于模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤。

3)在填装土体的上表面施加静水压，模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤上部的积水压力；当填装土体在上部积水压力和自身重力的驱动下向下运动时，将克服土体与空腔侧壁的摩擦力和出口局部阻力由空腔下口排出。

上述步骤1)～3)可较为精确地模拟喀斯特基岩裂隙中，沉积土壤在上部积水压力驱动下沿裂隙侧壁蠕动并由裂隙出口排出漏失到地下的过程。

进一步地，步骤1)中所制作的空腔，其形状为四棱柱结构且截面为等腰梯形，该梯形的几何形状可用上底B、下底b和腰倾斜角α描述，其中，上底B大于下底b。截面为等腰梯形的四棱柱状的空腔可以较好地模拟喀斯特基岩裂隙的几何形状。并且，通过改变腰倾斜角α可以形成并模拟各种规格的裂隙形状，改变下底b可以形成并模拟各种大小的裂隙出口，改变静水压的大小可以模拟裂隙中土壤由静止到开始蠕动并漏出裂隙，直至裂隙中土体被完成击穿的过程。

如图2～6所示，本发明还提出了一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，包括设置有空腔的盒体1，空腔用于填装试验土壤，盒体1的底部设置有连通空腔与外部空间的下口，用于模拟喀斯特基岩裂隙出口。模拟装置还包括用于向填装在空腔中的试验土壤注水的供水系统2。

进一步地，空腔的形状为四棱柱结构且截面为等腰梯形，其中，等腰梯形的上底B大于下底b。

进一步地，盒体1包括两侧板11、两端板12、两石板13和一盖板14。其中，侧板11为矩形板，端板12为呈等腰梯形的有机玻璃板。石板13贴合在侧板11的内侧，石板13由所研究区域的特定石材加工而成，以模拟水土漏失的自然环境。端板12采用有机玻璃板，有利于在试验过程中观察水土漏失的全过程。

进一步地，端板12的两腰线卡在开设在侧板11边缘的槽114中，两侧板11之间通过布置于端板12外侧的第一螺栓15连接。槽114的设置一方面可以使端板12的固定更为稳固，另一方面便于与密封垫配合，增强端板12与侧板11连接位置的密封性。侧板11的上边缘设置有与侧板11的板面呈夹角布置的第一边条111，在第一边条111上设置有多个第一U型孔112。在盖板14相对的两边缘设置有第二边条141，在第二边条141上设置有多个第二U型孔142，第二U型孔142与第一U型孔112之间通过第二螺栓(图中未示出)连接。当试验需要裂隙角度增大，裂隙出口宽度不变时，不需要更换侧板11，只需调节连接两侧板11的第一螺栓15，使裂隙上端口增大，裂隙下端口不变，并更换所需规格的端板12和盖板14。同理，当试验需要裂隙角度不变、漏失出口宽度增大时，也不需要更换侧板11，只需调节连接两侧板11的第一螺栓15，使裂隙上下端口增大，并更换所需规格的端板12和盖板14。

进一步地，供水系统2包括升降机构21和水箱22，水箱22安装在升降机构21上，在水箱22的一侧靠近底部的位置设置出水口，出水口连接输水管23的一端，输水管23的另一端连接设置在盖板14上的进水口145。

进一步地，盖板14的中部设置有观察窗143，观察窗143上安装有透明的有机玻璃，有利于观察模拟装置内部试验现象。

进一步地，在盖板上设置有把手144。

进一步地，在侧板与端板的连接处、端板与盖板的连接处以及侧板与盖板的连接处均设置有密封垫(图中未示出)。

下面以一具体实施例来说明本发明的技术效果：

首先，根据试验需求生产不同规格的侧板11、呈等腰梯形的端板12和与之配套的石板13及盖板14。以角度60°的裂隙研究对象为具体实例，试验装置需要两个长350cm，宽度20cm的同规格侧板11，侧板11上两个槽114的内边缘距离为270cm；两块长270cm，宽20cm，厚0.5cm的石板13，将石板13分别粘贴在两侧板11的两个槽之间；三套端板12，每套做2个，上底、下底和腰分别为：(1)22cm、2cm和20cm，(2)23cm、3cm和20cm，(3)26cm、6cm和20cm。

然后，将所需其中一套端板12、石板13和侧板11装配，用密封垫和第一螺栓15密封固定。

第三步，先用塑料板将漏失出口(盒体1的下口)堵住，防止试验前填土时土壤掉落，再将试验用土平铺到装配好的盒体1(先不装盖板14)内，之后间断性地向盒体1内注水使土壤自然沉降，直至土壤达到饱和；静置一定的时间，让盒体1内已饱和的土壤在自然状态下排水。

第四步，当盒体1内土壤达到一定的含水率后，将盒体1内土壤注满水，将相应盖板14放在盒体1上口处，并用第二螺栓和密封垫固定密封，用注射器继续向盒体1内注水，直至盒体1内的空气被完全排出。

第五步，将水箱22升到试验设定高度，产生试验所需水压，打开水箱22上的出水开关，将输水管23内的空气完全排出，然后将输水管23安装在盖板14上的进水口145上，开始计时并在裂隙出口处接样品，记录数据，直到试验结束。

最后，统计时间和样品数据，分析试验结果。

如果在同规格裂隙的试验条件下，需要不同水压时，调节升降机构21，达到所需水压力即可。如果在同一裂隙角度和相同水压的试验条件下，需要不同的水土漏失出口时，只需调节第一螺栓15，更换相对应的端板12和配套盖板14即可。同理，如果在同一水土漏失出口和相同水压的试验条件下，需要模拟不同裂隙角度时，直接调节第一螺栓15，更换相对应的端板12和盖板14即可。

当需要做其他任何裂隙角度、任何裂隙尺寸等相关的试验时，配套相应规格的侧板11、端板12和和盖板14即可。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法，包括以下步骤：

1)制作一个用于模拟喀斯特基岩裂隙的几何形状的空腔，空腔的下口用于模拟裂隙出口；

2)向空腔中填装试验土壤，用于模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤；

3)在填装土体的上表面施加静水压，模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤上部的积水压力；当填装土体在上部积水压力和自身重力的驱动下向下运动时，将克服土体与空腔侧壁的摩擦力和出口局部阻力由空腔下口排出；

上述步骤1)～3)可模拟喀斯特基岩裂隙中，沉积土壤在上部积水压力驱动下沿裂隙侧壁蠕动并由裂隙出口排出漏失到地下的过程。

2.如权利要求1所述的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法，其特征在于：所述步骤1)中所制作的空腔，其形状为四棱柱结构且截面为等腰梯形，其中等腰梯形的上底B大于下底b。

3.一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：包括设置有空腔的盒体，所述空腔用于填装试验土壤，所述盒体的底部设置有连通所述空腔与外部空间的下口，用于模拟喀斯特基岩裂隙出口；

还包括用于向填装在所述空腔中的试验土壤注水的供水系统。

4.如权利要求3所述的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：所述空腔的形状为四棱柱结构且截面为等腰梯形，其中，所述等腰梯形的上底B大于下底b。

5.如权利要求4所述的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：所述盒体包括两侧板、两端板、两石板和一盖板，其中，所述侧板为矩形板，所述端板为呈等腰梯形的有机玻璃板，所述石板贴合在所述侧板的内侧，所述石板由所研究区域的石材加工而成，以模拟水土漏失的自然环境。

6.如权利要求5所述的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：所述端板的两腰线卡在开设在所述侧板边缘的槽中，两所述侧板之间通过布置于所述端板外侧的第一螺栓连接；所述侧板的上边缘设置有与侧板的板面呈夹角布置的第一边条，在所述第一边条上设置有多个第一U型孔；在所述盖板相对的两边缘设置有第二边条，在所述第二边条上设置有多个第二U型孔，所述第二U型孔与第一U型孔之间通过第二螺栓连接。

7.如权利要求5所述的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：所述供水系统包括升降机构和水箱，所述水箱安装在所述升降机构上，在所述水箱的一侧靠近底部的位置设置出水口，所述出水口连接输水管的一端，所述输水管的另一端连接设置在所述盖板上的进水口。

8.如权利要求5所述的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：所述盖板的中部设置有观察窗，所述观察窗上安装有透明的有机玻璃。

9.如权利要求5所述的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：在所述盖板上设置有把手。

10.如权利了要求5所述的喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟装置，其特征在于：在所述侧板与所述端板的连接处、所述端板与所述盖板的连接处以及所述侧板与所述盖板的连接处均设置有密封垫。