CN108918383B - 一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量方法及装置,所述方法包括以下步骤:1)制作一个用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙的矩形空腔,矩形空腔的下口用于模拟裂隙出口;2)在矩形空腔中填装试验土壤,用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙中的沉积土壤;3)用薄木板将土壤表面刮平打毛,使土壤表面的粗糙程度与自然状态下的土壤粗糙度一致;4)将填装有试验土壤的矩形空腔放置在水中且水面低于试验土壤的填装高度,使水由下而上对试验土壤进行入渗,直至试验土壤饱和;5)在试验土壤的上表面施加静态压力,开始计时并在矩形空腔的下口处接样,并统计时间及样品数据,直至试验结束;6)根据试验测得的数据计算用于表征土壤蠕动特性的参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量方法及装置,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。石漠化已成为制约喀斯特地区社会、经济可持续发展的核心问题之一,喀斯特地区地质环境脆弱,贫困人口集中,人地矛盾尖锐,这使得该地区土壤侵蚀日趋严重,水土漏失问题加剧,严重威胁着人们的生产、生活和生存环境。
目前,岩溶裂隙水土漏失是喀斯特石漠化地区常见的水土流失现象,国内外学者通过对坡面尺度的观测只能得到地表的水土流失,而对水土向地下漏失的过程及机理则知之甚少。由于水土是向地下漏失,影响因素复杂,在野外对漏失现象直接监测难以实现,国内外对水土漏失的室内模拟及测量研究更是少之又少,相关监测资料比较匮乏。另外,尽管学者们开始逐渐关注喀斯特地区水土漏失的现象,但其研究大多数都属于定性研究,定量研究缺乏,并不能监测水土漏失随时间的变化过程及累积漏失量随时间的变化规律。因此,针对该地区的多种影响因素和多种水土运移途径特点,研究其监测方法对科学研究与生产实际均具有重要意义。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量方法及装置。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量方法,包括以下步骤:1)制作一个用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙的矩形空腔,矩形空腔的下口用于模拟裂隙出口,其中,矩形空腔的长为L、宽为B、高为H;2)在矩形空腔中填装试验土壤,用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙中的沉积土壤;3)填装完毕后,用薄木板将土壤表面刮平打毛,使土壤表面的粗糙程度与自然状态下的土壤粗糙度一致;4)将填装有试验土壤的矩形空腔放置在水中,且使水面低于试验土壤的填装高度,使水由下而上对试验土壤进行入渗,直至试验土壤饱和;5)在试验土壤的上表面施加静态压力,同时开始计时并在矩形空腔的下口处接样,并统计时间及样品数据,直至试验结束;6)根据试验测得的数据计算用于表征土壤蠕动特性的参数。
所述步骤6)中,用于表征土壤蠕动特性的参数包括土壤向下漏失的速度、加速度以及土壤漏失过程中单位面积上受到的摩擦力。
土壤向下漏失的速度、加速度以及土壤漏失过程中单位面积上受到的摩擦力的计算方法如下:
①通过试验直接测量出漏失质量M(t),并利用多项式拟合得到漏失质量的公式M(t)=a t3+b t2+c t,其中,a、b、c是拟合系数,t是时间;
②根据下式得到漏失土壤高度H(t)随时间t变化的结果:
式中,γ为土壤的容重;
③根据下式得到岩溶裂隙中沉积土壤向下漏失的运动速度V(t)、运动加速度a(t):
根据下式得到土壤漏失过程中,土壤单位面积上受到的摩擦力:
式中,g为重力加速度,ω为土壤质量含水率。
所述步骤2)中,在往矩形空腔填装试验土壤之前,在矩形空腔的下口处铺设橡胶皮垫,以防止填装过程中试验土壤发生脱落。
一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量装置,其特征在于:包括盖板和侧壁,所述侧壁为两个且间隔设置在所述盖板的底部,所述侧壁为框架结构,在每一所述侧壁的内侧设置有石板,所述石板采用喀斯特地区的基岩加工而成,以模拟喀斯特地区岩溶裂隙环境,在两个所述石板之间设置两个有机玻璃条,所述盖板、两个所述石板和两个有机玻璃条合围成用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙的矩形空腔;在所述盖板的底部固定有用于对试验土壤施加压力的软体水囊,所述软体水囊的注水口设置在所述盖板的顶部。
所述侧壁包括上角钢、支撑钢板和下角钢,所述支撑钢板为两个且间隔布置,所述上角钢固定在所述支撑板的上端,所述下角钢固定在所述支撑板的下端,所述上角钢与所述盖板固定连接。
在盖板及上角钢上设置有便于通过螺栓快速连接的U型连接孔。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明所提出的方法及装置能够准确地模拟喀斯特地区岩溶裂隙的水土漏失过程,并且可以定量地获得用于表征土壤蠕动特性的参数,从而精确地描述水土漏失过程。2、本发明测量装置结构简单,价格低廉、方便实用、工作可靠。
附图说明
图1是本发明所述方法中所制作的用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙的矩形空腔的示意图;
图2是本发明测量装置的整体结构示意图;
图3是本发明测量装置的侧视结构示意图;
图4是本发明软体水囊与盖板的连接示意图;
图5是本发明上角钢的结构示意图。
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地区岩溶裂隙土壤蠕动测量方法,包括以下步骤:
1)制作一个用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙的矩形空腔,矩形空腔的下口用于模拟裂隙出口,其中,矩形空腔的长为L、宽为B、高为H;
2)在矩形空腔中填装试验土壤,用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙中的沉积土壤;
3)填装完毕后,用薄木板将土壤表面刮平打毛,使土壤表面的粗糙程度与自然状态下的土壤粗糙度一致;
4)将填装有试验土壤的矩形空腔放置在水中,且使水面低于试验土壤的填装高度,使水由下而上对试验土壤进行入渗,直至试验土壤饱和;
5)在试验土壤的上表面施加静态压力,同时开始计时并在矩形空腔的下口处接样,并统计时间及样品数据,直至试验结束;
6)根据试验测得的数据计算用于表征土壤蠕动特性的参数。
进一步地,所述步骤6)中,用于表征土壤蠕动特性的参数包括土壤向下漏失的速度、加速度以及土壤漏失过程中单位面积上受到的摩擦力。土壤向下漏失的速度、加速度以及土壤漏失过程中单位面积上受到的摩擦力的计算方法如下:
①通过试验直接测量出漏失质量M(t),并利用多项式拟合得到漏失质量的公式M(t)=a t3+b t2+c t,其中,a、b、c是拟合系数,t是时间;
②根据下式得到漏失土壤高度H(t)随时间t变化的结果:
式中,γ为土壤的容重;
③根据下式得到岩溶裂隙中沉积土壤向下漏失的运动速度V(t)、运动加速度a(t):
根据下式得到土壤漏失过程中,土壤单位面积上受到的摩擦力:
式中,g为重力加速度,ω为土壤质量含水率。
进一步地,所述步骤2)中,在往矩形空腔填装试验土壤之前,在矩形空腔的下口处铺设橡胶皮垫,以防止填装过程中试验土壤发生脱落。
基于上述测量方法,本发明还提出了一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量装置。如图1所示,该测量装置包括盖板1和侧壁2,侧壁2为两个且间隔设置在盖板1的底部,侧壁2为框架结构,在每一侧壁2的内侧设置有石板3,石板3采用喀斯特地区的基岩加工而成,以模拟喀斯特地区岩溶裂隙环境,在两个石板3之间设置两个有机玻璃条4。盖板1、两个石板3和两个有机玻璃条4合围成用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙的矩形空腔。在盖板1的底部固定有用于对试验土壤施加压力的软体水囊5,软体水囊5的注水口6设置在盖板的顶部。当需要对试验土壤施加静态压力时,需要通过注水口6对软体水囊5输水,软体水囊5随着输入水量的增加,将均匀分布在试验土壤的表面,当软体水囊5具有一定强度的静态水压力时,沉积土壤就会受到相应压强的积水压力。软体水囊5的设计,一方面能够实现试验过程中沉积土壤表面受到均匀的积水压力,进而更为精确地模拟出野外岩溶裂隙在降雨条件下的水土漏失环境,另一方面使得测量装置无需另行密封。此外,有机玻璃条4具有高透明性,便于直接观察水土运移过程,更换或移动有机玻璃条4,可改变裂隙大小,从而模拟出不同大小的溶液裂隙。
进一步地,侧壁2包括上角钢21、支撑钢板22和下角钢23,支撑钢板22为两个且间隔布置,上角钢21固定在支撑板的上端,下角钢23固定在支撑板22的下端,上角钢21与盖板1固定连接。
进一步地,在盖板1及上角钢21上设置有便于通过螺栓快速7连接的U型连接孔8。
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 (5)
1.一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量方法,包括以下步骤:
1)制作一个用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙的矩形空腔,矩形空腔的下口用于模拟裂隙出口,其中,矩形空腔的长为L、宽为B、高为H;
2)在矩形空腔中填装试验土壤,用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙中的沉积土壤;
3)填装完毕后,用薄木板将土壤表面刮平打毛,使土壤表面的粗糙程度与自然状态下的土壤粗糙度一致;
4)将填装有试验土壤的矩形空腔放置在水中,且使水面低于试验土壤的填装高度,使水由下而上对试验土壤进行入渗,直至试验土壤饱和;
5)在试验土壤的上表面施加静态压力,同时开始计时并在矩形空腔的下口处接样,并统计时间及样品数据,直至试验结束;
6)根据试验测得的数据计算用于表征土壤蠕动特性的参数;
所述步骤6)中,用于表征土壤蠕动特性的参数包括土壤向下漏失的速度、加速度以及土壤漏失过程中单位面积上受到的摩擦力;
土壤向下漏失的速度、加速度以及土壤漏失过程中单位面积上受到的摩擦力的计算方法如下:
①通过试验直接测量出漏失质量M(t),并利用多项式拟合得到漏失质量的公式M(t)=at3+bt2+ct,其中,a、b、c是拟合系数,t是时间;
②根据下式得到漏失土壤高度H(t)随时间t变化的结果:
式中,γ为土壤的容重;
③根据下式得到岩溶裂隙中沉积土壤向下漏失的运动速度V(t)、运动加速度a(t):
根据下式得到土壤漏失过程中,土壤单位面积上受到的摩擦力:
式中,g为重力加速度,ω为土壤质量含水率,P为在试验土壤的上表面施加的静态压力。
2.如权利要求1所述的一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量方法,其特征在于:所述步骤2)中,在往矩形空腔填装试验土壤之前,在矩形空腔的下口处铺设橡胶皮垫,以防止填装过程中试验土壤发生脱落。
3.一种用于实现如权利要求1或2所述方法的喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量装置,其特征在于:包括盖板和侧壁,所述侧壁为两个且间隔设置在所述盖板的底部,所述侧壁为框架结构,在每一所述侧壁的内侧设置有石板,所述石板采用喀斯特地区的基岩加工而成,以模拟喀斯特地区岩溶裂隙环境,在两个所述石板之间设置两个有机玻璃条,所述盖板、两个所述石板和两个有机玻璃条合围成用于模拟喀斯特地区岩溶裂隙的矩形空腔;在所述盖板的底部固定有用于对试验土壤施加压力的软体水囊,所述软体水囊的注水口设置在所述盖板的顶部。
4.如权利要求3所述的一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量装置,其特征在于:所述侧壁包括上角钢、支撑钢板和下角钢,所述支撑钢板为两个且间隔布置,所述上角钢固定在所述支撑钢板的上端,所述下角钢固定在所述支撑钢板的下端,所述上角钢与所述盖板固定连接。
5.如权利要求3或4所述的一种喀斯特地区岩溶裂隙土壤蠕动测量装置,其特征在于:在盖板及上角钢上设置有便于通过螺栓快速连接的U型连接孔。
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