CN109100300A - 一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置及方法，包括可升降边坡模拟装置、供水装置和雨水喷淋装置，可升降边坡模拟装置包括试验水槽、第一支架、顶升装置、径流收集装置和渗流收集装置，试验水槽中部通过铰接轴安装在第一支架上，顶升装置与试验水槽底部铰接，用于调节试验水槽的倾斜角度，供水装置包括水箱，水箱中部设有与溢流堰连通的给水管，雨水喷淋装置用于模拟自然状态下的降雨。通过调整供水装置和雨水喷淋装置的水流大小、试验水槽的倾斜角度以模拟各种自然条件，满足风化泥岩边坡侵蚀试验的各项要求。本发明具有结构简单和设计合理，试验方法简便，能大幅降低试验的成本，为风化泥岩边坡的侵蚀机理研究提供基础。

Description

一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及土壤侵蚀技术领域，具体涉及一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置及方法。

背景技术

随着社会的发展与技术的进步，人类改造自然的能力越来越强，对环境的破坏也越来越严重，自然植被破坏、土地荒漠化、水土流失愈演愈烈。我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，水土流失面广大。据第一次全国水利普查成果，我国现有水土流失面积294.91万平方公里。严重的水土流失，是我国生态恶化的集中反映，威胁国家生态安全、饮水安全、防洪安全和粮食安全。而风化泥岩边坡由于其特殊的地质条件，水土流失尤为严重。

目前，边坡失稳、垮塌等地质灾害已经成为公路、铁路和房建等领域不可忽视的问题，由边坡滑动尤其是覆盖层边坡上覆土体的滑动引起的各种事故时有发生。在降雨与地下水变化过程中的渗流状态、变形与稳定性分析十分复杂。我国地质条件复杂，有大量的泥岩分布，对建筑施工提出了不小的挑战。风化泥岩边坡指的是在干燥气候条件下形成的多孔性具有柱状节理的黄色粉性土，风化泥岩边坡主要分布于世界大陆比较干燥的中纬度地带。我国的风化泥岩边坡分布广泛，面积达54万平方公里，占全国土地面积的百分之六。遇到暴雨时，雨滴会冲击破面，降雨强度超过边坡入渗强度，产生地表(超渗)径流，由于没有植被的保护，地表径流对地表产生冲刷侵蚀。为有效抑制水土流失，国家对风化泥岩边坡先后实施了许多保护工程，其中植被作为生态修复工程中的重要手段，可有效抑制坡面水土流失。但是，风化泥岩边坡在地表径流作用下侵蚀机制十分复杂，目前有部分学者提出了部分理论探究不同植被覆盖、坡降条件下的侵蚀特性，但依然有很多不够完善的部分。

例如专利CN201510893249.4公开了一种考虑降雨入渗的覆盖层边坡渗流特征及稳定性试验模型，其特点在于设计一种能够真实地模拟覆盖层边坡基岩角度以及土-岩接触面的，并且便于使用、便于观察的覆盖层边坡室内试验模型，可以模拟不同基岩角度、不同基岩摩擦系数的覆盖层边坡室内试验模型。但该装置侧重于模拟覆盖层对边坡的保护，不能研究自然边坡在降雨径流作用下侵蚀特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置及方法，有效解决目前风化泥岩边坡在地表径流和强降雨作用下侵蚀规律不便于探究的难题，能为风化泥岩边坡的侵蚀机理研究提供理论基础，便于对流失土壤和滑坡灾害进行分析和评估。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，包括可升降边坡模拟装置、供水装置和雨水喷淋装置，可升降边坡模拟装置包括试验水槽、第一支架、顶升装置、径流收集装置和渗流收集装置，试验水槽中部通过铰接轴安装在第一支架上，试验水槽能绕铰接轴旋转，顶升装置与试验水槽底部铰接，用于调节试验水槽的倾斜角度，试验水槽一端设有溢流堰，用于均匀分布水流，试验水槽另一端面上下依次设有径流出水口和渗流出水管，径流收集装置和渗流收集装置分别用于收集径流出水口和渗流出水管的出水；

供水装置包括水箱，水箱底部设有进水管，水箱上部设有溢流槽和溢流管，溢流管通过溢流槽与水箱连通，水箱中部设有与溢流堰连通的给水管，给水管设有第一调节阀；

雨水喷淋装置包括第二支架和喷头，喷头通过第二支架安装在试验水槽的正上方，喷头通过第二调节阀与水泵或自来水管连通，用于模拟自然状态下的降雨。

优选的方案中，所述试验水槽为钢化玻璃或不锈钢材料制成的薄壁结构，用于盛放待测试样。

优选的方案中，所述试验水槽底部设有多个第一温度传感器，用于检测试验水槽底部各段的温度。

优选的方案中，所述第一支架为三角钢架，用于支撑试验水槽的大部分重量，三角钢架通过铰接轴与试验水槽可拆卸连接。

优选的方案中，所述顶升装置为液压油缸，能将液压能转变为机械能做直线往复运动。

优选的方案中，所述径流收集装置和渗流收集装置均设有刻度线，用于测量所收集液体的体积。

优选的方案中，所述供水装置还包括半导体制冷片和第二温度传感器，半导体制冷片安装在水箱外表面，第二温度传感器用于检测水箱内的水温。

优选的方案中，所述径流出水口设有钢丝滤网和铝合金插板，钢丝滤网焊接在径流出水口上，用于过滤径流水中的风化泥岩，铝合金插板通过插槽可拆卸安装在径流出水口上，用于封闭径流出水口。

优选的方案中，还包括控制系统，所述控制系统包括微电脑控制器、第一流量计和第二流量计，微电脑控制器通过信号线分别与第一调节阀、第二调节阀、第一温度传感器、半导体制冷片、第二温度传感器、第一流量计和第二流量计连接，第一流量计和第二流量计分别安装在第一调节阀和第二调节阀的管路上，用于检测给水管和雨水喷淋装置的水流量。

为解决上述技术问题，本发明还提供所述模拟装置的试验方法，包含如下步骤：

1)依据所需模拟的流域坡面的实际，采用风化泥岩配置试样，试样的种类、密实度、含水率等指标各不相同；试样表面若覆盖有植被，则应提前在试样盛放槽内种植植被，植被的种类、密度、生长期各不相同；试样盛放槽底板为植被培养底板，打开冷却装置对试验用水冷却至低于环境温度10摄氏度备用；

2)将待测试样放入试验水槽中并固定，将试样盛放槽下部的铝合金挡板换为钢丝网挡板，试样盛放槽底部的植被培养底板换为渗流监测底板。打开水泵向水箱中注水，使水流始终能漫出溢流槽，以保持水箱中水位的恒定，在开启出水管上调节阀的同时；

3)按照试验要求保持调节阀一定的开度，阀门调节到一定开度，然后保持不变，待溢流堰开始溢流后开始计时；

4)根据试验的要求调整试验水槽、供水装置和雨水喷淋装置的相关参数，并利用相应的测流设备检测水流在试验水槽的流动状况，采用文丘里流量计测量表面径流流速，用刻度尺测量水深、水流在水槽中的流程、水流在水槽中的竖向下降高度、水槽过水断面面积、湿周长度，在试验开始后渗流监测底板与记录装置连接，渗流监测底板上的温度变化，判断发生渗流的时间和位置；

5)将径流收集装置和渗流收集装置内的泥水混合物静置沉淀24小时，分离出上层清水和底层的沉淀物，将沉积物在105摄氏度下烘干三小时，并称量沉积物的干质量；

6)根据上述测量数据分别计算水力半径R、力坡度J、坡面糙率n和径流总量W_t：

上式中：A为过水断面面积，X为湿周长度，h为水头损失，s为流程距离，W_f为地表径流量，W_i为渗流量。

本发明提供一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置及方法，采用上述结构和方法具有以下有益效果：

1)可选用三种不同的试验状态，a.只考虑雨水喷淋，b.只考虑坡顶来水，c.同时考虑雨水喷淋与坡顶来水，同时调整水的流量大小和试验水槽的倾斜角度以模拟各种自然条件，能满足风化泥岩边坡侵蚀试验的各项要求，进行不同坡度下地表的流失土壤对比试验，进行不同种类、密实度、含水率的风化泥岩边坡在地表径流作用下的流失土壤对比试验，进行不同植被配置模式下地表径流的流失土壤对比试验，为风化泥岩边坡在地表径流作用下侵蚀机理研究提供基础；

2)可根据试验的需要设定不同强度的降雨模式，分别为预备降雨(0.25mm/min)、中雨(0.5mm/min)、大雨(1mm/min)和暴雨(2mm/min)，由于植物对土壤养分的吸收以及每次降雨会对后续降雨养分流失产生影响，每次降雨试验前24h对每个径流区域进行预备降雨，时间为60min，然后依照不同试验的要求设定不同强度的降雨顺序和时间，不仅试验方法简便，大幅降低试验的成本，还能为边坡侵蚀的机理研究提供各种试验数据，便于理论模型的建立和验证；

3)利用降温装置降低实验用水的温度，同时采用半导体制冷片确保水箱中水温低于试样的温度，通过第一温度传感器检测试验水槽底板的温度变化，实现判断发生渗流的时间和位置，通过渗流发生的时间长短，评价土壤的疏松程度，由渗流发生的位置可大致推断试样中水的渗流区域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明中供水装置的立体结构示意图；

图3为本发明中试验水槽的立体结构示意图；

图4为本发明中试验水槽的局部结构示意图；

图5为本发明的控制结构示意图。

图中：试验水槽1，第一支架2，顶升装置3，径流收集装置4，渗流收集装置5，溢流堰6，径流出水口7，渗流出水管8，水箱9，进水管10，溢流槽11，溢流管12，给水管13，第一调节阀14，第二支架15，喷头16，第二调节阀17，第一温度传感器18，半导体制冷片19，第二温度传感器20，钢丝滤网21，铝合金插板22，微电脑控制器23，第一流量计24，第二流量计25，待测试样26，植被27。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1-5中，一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，包括可升降边坡模拟装置、供水装置和雨水喷淋装置，可升降边坡模拟装置包括试验水槽1、第一支架2、顶升装置3、径流收集装置4和渗流收集装置5，试验水槽1中部通过铰接轴安装在第一支架2上，试验水槽1能绕铰接轴旋转，顶升装置3与试验水槽1底部铰接，用于调节试验水槽1的倾斜角度，模拟不同角度的边坡，试验水槽1一端设有溢流堰6，用于均匀分布水流，试验水槽1另一端面上下依次设有径流出水口7和渗流出水管8，径流收集装置4和渗流收集装置5分别用于收集径流出水口7和渗流出水管8的出水；供水装置包括水箱9，水箱9底部设有进水管10，水箱9上部设有溢流槽11和溢流管12，溢流管12通过溢流槽11与水箱9连通，水箱9中部设有与溢流堰6连通的给水管13，给水管13为聚碳酸酯制成的透明塑料管，给水管13设有第一调节阀14，用于调节水流的流量；雨水喷淋装置包括第二支架15和喷头16，喷头16通过第二支架15安装在试验水槽1的正上方，喷头16通过第二调节阀17与水泵或自来水管连通，喷头16的型号为南京南林电子科技有限公司生产的NLJY-10-01型便携式人工模拟降雨系统，降雨高度为4米，降雨均匀度在86％以上，用于模拟自然状态下的降雨。根据试验中不同种类、密实度、含水率等指标要求，采用风化泥岩配置待测试样26，待测试样26表面若覆盖有植被27，还需要根据模型中植被27的种类、密度和生长期提前准备好。通过调整供水装置和雨水喷淋装置的水流大小、试验水槽的倾斜角度以模拟各种自然条件，满足风化泥岩边坡侵蚀试验的各项要求，进行不同坡度下地表的流失土壤对比试验，进行不同种类、密实度、含水率的风化泥岩边坡在地表径流作用下的流失土壤对比试验，进行不同植被配置模式下地表径流的流失土壤对比试验，为风化泥岩边坡在地表径流作用下侵蚀机理研究提供基础。

优选的方案中，所述试验水槽1为钢化玻璃或不锈钢材料制成的薄壁结构，具有较轻的重量和一定的结构强度，用于盛放待测试样。

优选的方案中，所述试验水槽1底部设有多个第一温度传感器18，用于检测试验水槽1底部各段的温度。通过第一温度传感器18检测试验水槽1底板的温度变化，实现判断发生渗流的时间和位置，通过渗流发生的时间长短，评价土壤的疏松程度，由渗流发生的位置可大致推断试样中水的渗流区域。

优选的方案中，所述第一支架2为三角钢架，用于支撑试验水槽1的大部分重量，三角钢架通过铰接轴与试验水槽1可拆卸连接，可根据不同试验需求更换不同规格的水槽，不仅通用性高，并且利用多个试验水槽1可同时培养和设置不同的待测试样。

优选的方案中，所述顶升装置3为液压油缸，能将液压能转变为机械能做直线往复运动，具有结构更紧凑和控制精确的优点，液压油缸的活塞杆在升降时能带动试验水槽1绕铰接轴旋转，实现模拟不同角度的边坡。

优选的方案中，所述径流收集装置4和渗流收集装置5均设有刻度线，用于测量所收集液体的体积。

优选的方案中，所述供水装置还包括半导体制冷片19和第二温度传感器20，半导体制冷片19安装在水箱9外表面，第二温度传感器20用于检测水箱9内的水温。采用半导体制冷片19降低水箱9的水温，并通过第二温度传感器20确保水温低于试样的温度10摄氏度，便于判断发生渗流的时间和位置，有利于提高试验的准确度。

优选的方案中，所述径流出水口7设有钢丝滤网21和铝合金插板22，钢丝滤网21焊接在径流出水口7上，用于过滤径流水中的风化泥岩，铝合金插板22通过插槽可拆卸安装在径流出水口7上，用于封闭径流出水口7。

优选的方案中，还包括控制系统，所述控制系统包括微电脑控制器23、第一流量计24和第二流量计25，微电脑控制器23通过信号线分别与第一调节阀14、第二调节阀17、第一温度传感器18、半导体制冷片19、第二温度传感器20、第一流量计24和第二流量计25连接，第一流量计24和第二流量计25分别安装在第一调节阀14和第二调节阀17的管路上，用于检测给水管13和雨水喷淋装置的水流量。在实验开始前，通过微电脑控制器23对试验的相关参数进行预设，微电脑控制器23根据预设的运行参数自动控制第一调节阀14、第二调节阀17和半导体制冷片19，并实时显示和记录相应传感器所检测的温度、流量。

为解决上述技术问题，本发明还提供所述模拟装置的试验方法，包含如下步骤：

1)依据所需模拟的流域坡面的实际，采用风化泥岩配置试样，试样的种类、密实度、含水率等指标各不相同；试样表面若覆盖有植被，则应提前在试样盛放槽内种植植被，植被的种类、密度、生长期各不相同；试样盛放槽底板为植被培养底板，打开冷却装置对试验用水冷却至低于环境温度10摄氏度备用；

2)将待测试样放入试验水槽中并固定，将试样盛放槽下部的铝合金挡板换为钢丝网挡板，试样盛放槽底部的植被培养底板换为渗流监测底板。打开水泵向水箱中注水，使水流始终能漫出溢流槽，以保持水箱中水位的恒定，在开启出水管上调节阀的同时；

3)按照试验要求保持调节阀一定的开度，阀门调节到一定开度，然后保持不变，待溢流堰开始溢流后开始计时；

4)根据试验的要求调整试验水槽、供水装置和雨水喷淋装置的相关参数，并利用相应的测流设备检测水流在试验水槽的流动状况，采用文丘里流量计测量表面径流流速，用刻度尺测量水深、水流在水槽中的流程、水流在水槽中的竖向下降高度、水槽过水断面面积、湿周长度，在试验开始后渗流监测底板与记录装置连接，渗流监测底板上的温度变化，判断发生渗流的时间和位置；

5)将径流收集装置和渗流收集装置内的泥水混合物静置沉淀24小时，分离出上层清水和底层的沉淀物，将沉积物在105摄氏度下烘干三小时，并称量沉积物的干质量；

6)根据上述测量数据分别计算水力半径R、力坡度J、坡面糙率n和径流总量W_t：

上式中：A为过水断面面积，X为湿周长度，h为水头损失，s为流程距离，W_f为地表径流量，W_i为渗流量。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，不是全部的实施例，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：包括可升降边坡模拟装置、供水装置和雨水喷淋装置，可升降边坡模拟装置包括试验水槽(1)、第一支架(2)、顶升装置(3)、径流收集装置(4)和渗流收集装置(5)，试验水槽(1)中部通过铰接轴安装在第一支架(2)上，试验水槽(1)能绕铰接轴旋转，顶升装置(3)与试验水槽(1)底部铰接，用于调节试验水槽(1)的倾斜角度，试验水槽(1)一端设有溢流堰(6)，用于均匀分布水流，试验水槽(1)另一端面上下依次设有径流出水口(7)和渗流出水管(8)，径流收集装置(4)和渗流收集装置(5)分别用于收集径流出水口(7)和渗流出水管(8)的出水；

供水装置包括水箱(9)，水箱(9)底部设有进水管(10)，水箱(9)上部设有溢流槽(11)和溢流管(12)，溢流管(12)通过溢流槽(11)与水箱(9)连通，水箱(9)中部设有与溢流堰(6)连通的给水管(13)，给水管(13)设有第一调节阀(14)；

雨水喷淋装置包括第二支架(15)和喷头(16)，喷头(16)通过第二支架(15)安装在试验水槽(1)的正上方，喷头(16)通过第二调节阀(17)与水泵或自来水管连通，用于模拟自然状态下的降雨。

2.根据权利要求1所述的一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：所述试验水槽(1)为钢化玻璃或不锈钢材料制成的薄壁结构，用于盛放待测试样。

3.根据权利要求1所述的一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：所述试验水槽(1)底部设有多个第一温度传感器(18)，用于检测试验水槽(1)底部各段的温度。

4.根据权利要求1所述的一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：所述第一支架(2)为三角钢架，用于支撑试验水槽(1)的大部分重量，三角钢架通过铰接轴与试验水槽(1)可拆卸连接。

5.根据权利要求1所述的一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：所述顶升装置(3)为液压油缸，能将液压能转变为机械能做直线往复运动。

6.根据权利要求1所述的一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：所述径流收集装置(4)和渗流收集装置(5)均设有刻度线，用于测量所收集液体的体积。

7.根据权利要求1所述的一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：所述供水装置还包括半导体制冷片(19)和第二温度传感器(20)，半导体制冷片(19)安装在水箱(9)外表面，第二温度传感器(20)用于检测水箱(9)内的水温。

8.根据权利要求1所述的一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：所述径流出水口(7)设有钢丝滤网(21)和铝合金插板(22)，钢丝滤网(21)焊接在径流出水口(7)上，用于过滤径流水中的风化泥岩，铝合金插板(22)通过插槽可拆卸安装在径流出水口(7)上，用于封闭径流出水口(7)。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种模拟风化泥岩边坡侵蚀的试验装置，其特征是：还包括控制系统，所述控制系统包括微电脑控制器(23)、第一流量计(24)和第二流量计(25)，微电脑控制器(23)通过信号线分别与第一调节阀(14)、第二调节阀(17)、第一温度传感器(18)、半导体制冷片(19)、第二温度传感器(20)、第一流量计(24)和第二流量计(25)连接，第一流量计(24)和第二流量计(25)分别安装在第一调节阀(14)和第二调节阀(17)的管路上，用于检测给水管(13)和雨水喷淋装置的水流量。

10.根据权利要求1～8任一项所述的模拟装置的试验方法，其特征是：包含如下步骤：

1)依据所需模拟的流域坡面的实际，采用风化泥岩配置试样，试样的种类、密实度、含水率等指标各不相同；试样表面若覆盖有植被，则应提前在试样盛放槽内种植植被，植被的种类、密度、生长期各不相同；试样盛放槽底板为植被培养底板，打开冷却装置对试验用水冷却至低于环境温度10摄氏度备用；

2)将待测试样放入试验水槽中并固定，将试样盛放槽下部的铝合金挡板换为钢丝网挡板，试样盛放槽底部的植被培养底板换为渗流监测底板。打开水泵向水箱中注水，使水流始终能漫出溢流槽，以保持水箱中水位的恒定，在开启出水管上调节阀的同时；

3)按照试验要求保持调节阀一定的开度，阀门调节到一定开度，然后保持不变，待溢流堰开始溢流后开始计时；

4)根据试验的要求调整试验水槽、供水装置和雨水喷淋装置的相关参数，并利用相应的测流设备检测水流在试验水槽的流动状况，采用文丘里流量计测量表面径流流速，用刻度尺测量水深、水流在水槽中的流程、水流在水槽中的竖向下降高度、水槽过水断面面积、湿周长度，在试验开始后渗流监测底板与记录装置连接，渗流监测底板上的温度变化，判断发生渗流的时间和位置；

5)将径流收集装置和渗流收集装置内的泥水混合物静置沉淀24小时，分离出上层清水和底层的沉淀物，将沉积物在105摄氏度下烘干三小时，并称量沉积物的干质量；

6)根据上述测量数据分别计算水力半径R、力坡度J、坡面糙率n和径流总量W_t：W_t＝W_f+W_i；

上式中：A为过水断面面积，X为湿周长度，h为水头损失，s为流程距离，W_f为地表径流量，W_i为渗流量。