CN110006804A - 一种模拟降雨渗流试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟降雨渗流试验装置，包括试验模型和用于承载试验模型的模型箱，所述模型箱的后壁设有传感器布置通道，前壁设有水位控制线，所述水位控制线为设置于模型箱前壁的纵向狭长型的通槽，对通槽采用部分封堵的方式来控制水位，所述模型箱的外围设有刚性的框架，所述框架将模型箱包覆其中，所述框架的上方承载有供热系统、影像采集系统和降雨系统，所述降雨系统为设置于试验模型正上方的多孔降雨水槽，所述多孔降雨水槽的外缘设有浮子流量计。本发明的试样模型箱设有传感器布置通道，便于在土体中埋置传感器，减小对土体内部结构的扰动；浮子流量计可以监测单位水流量，调节水流量大小来控制降雨强度，制作简单经济、可控性强。
Description
技术领域
本发明属于模拟降雨强度和温度场双重效应下边坡的渗流特性和降雨-温度干湿循环下的优先流领域，具体的说，是涉及一种模拟降雨渗流试验装置，同时还公开了其试验方法。
背景技术
降雨是诱发滑坡最主要的因素，滑坡灾害往往造成大量的人员伤亡和经济损失。因此，对降雨情况下的边坡失稳机理的深入研究有非常重要的意义。土体在干湿循环作用下反复膨胀和收缩，由此，土体内部出现大量裂隙。裂隙的产生不仅破坏了土壤的整体性，降低了土壤的强度，同时也严重影响了雨水的入渗和水分的蒸发。因此,进行边坡稳定分析时应该考虑干湿循环下产生的土体裂隙的影响,特别是对降雨入渗的影响。目前，该领域的研究大部分还建立在现场实验和数值模拟阶段。很难在实验室内通过系统的模型试验装置来对土体的破坏进行观测，很难采集系统的漫长的实验监测数据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种模拟降雨渗流试验装置，同时还公开了其试验方法。
本发明通过下述方案实现：
一种模拟降雨渗流试验装置,包括试验模型和用于承载试验模型的模型箱，所述模型箱的后壁设有传感器布置通道，前壁设有水位控制线，所述水位控制线为设置于模型箱前壁的纵向狭长型的通槽，对通槽采用部分封堵的方式来控制水位，所述模型箱的外围设有刚性的框架，所述框架将模型箱包覆其中，所述框架的上方承载有供热系统、影像采集系统和降雨系统，所述降雨系统为设置于试验模型正上方的多孔降雨水槽，所述多孔降雨水槽的外缘设有浮子流量计。
所述传感器布置通道分为三层，每层设有三到四个，传感器经由传感器布置通道预埋入试验模型中。
所述框架上方的前部设有刚性的底座，所述供热系统设置于底座上方，所述供热系统为可调节陶瓷加热灯，所述影像采集系统为工业相机。
一种模拟降雨渗流试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S1：制作模型试样
根据原状土的土壤参数配置一定初始含水率、级配的土样，根据模型试样的尺寸，将土样分若干层装填在模型箱内，夯实土体直至到达天然干密度；土样填筑到测点的高度，合理地埋置传感器；然后继续填筑土样，直至模型试样制作完毕；
S2：模型试验静置
用保鲜膜密封试样模型箱，将模型试样静置12个小时；
S3：调节温度场和降雨强度
在模型试样的各个平面均布6个温度传感器，每隔半小时监测温度变化，并根据所需温度场来调节光照角度和强度，直至满足所需的温度场，即根据所模拟地区的温度要求来调节光照角度和强度从而满足温度需求；然后，根据浮子流量计的度数来控制单位水流量，由此得到设计的降雨强度；
S4：数据测定：实验进行，调整工业相机的位置，以便于记录整个试验过程；同时，定时采集土体中的孔隙水压力、体积含水率、温度等参数，定时记录湿润锋的位置和发展趋势，定时收集流出的土水混合物，用于确定不同阶段土颗粒的流失量。
优选的，还包括如下步骤：
S5：2个小时后停止降雨，依然定时采集土体中的孔隙水压力、体积含水率、温度等数据；试样静置12小时，数据采集持续进行；12小时后，在模型试样的各个平面均布6个温度传感器，半小时以后监测温度变化，并根据所需温度场来调节光照角度和强度，直至满足所需的温度场；持续光照8个小时，期间，数据采集持续进行。
优选的，还包括如下步骤：
S6：对上述步骤进行三次循环，即对模型实验进行三次干湿循环
本发明的有益效果为：
1.试样模型箱设有传感器布置通道，便于在土体中埋置传感器。并且，避免线路竖向埋置时产生的优先通道，从而减小对土体内部结构的扰动；
2.试样模型箱设有3条纵向的水位控制线，即三条竖向等高水平等距且尺寸为10cm×0.5cm的切口。可根据工况确定水位高度，将此高度以下的切口部分用玻璃胶进行封堵，便可灵活控制水位线。切口外用水槽引流，可定时采集土颗粒的流失量；
3.试样模型箱两侧在竖直和水平方向均设有刻度尺，便于对入渗湿润锋的动态进行观测。同时，也有助于观测边坡失稳破坏的过程；
4.可控供热系统主体是可调节陶瓷供热灯，通过可调节角度的灯罩将其固定在钢板底座上，可以调节光照角度和热光源强度来模拟工况所需的温度场；
5.供热系统里还安装了工业相机，用来记录整个试验过程，便于观测便破失稳破坏过程；
6.降雨系统中的浮子流量计可以监测单位水流量，调节水流量大小来控制降雨强度，具有制作简单经济、可控性强等优点。
附图说明
图1为本发明一种模拟降雨渗流试验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明：
参见图1。
实施例一：图1为本发明的一种模拟降雨渗流试验装置,包括试验模型10和用于承载试验模型的模型箱1，由钢框架和有机玻璃组成的模型箱1尺寸为80cm×80cm×60cm，所述模型箱1的后壁设有传感器布置通道8，前壁设有水位控制线9，所述水位控制线9为设置于模型箱1前壁的纵向狭长型的通槽，对通槽采用部分封堵的方式来控制水位，两侧的玻璃在垂直和水平方向均设有刻度线，所述模型箱的外围设有刚性的框架2，所述框架2将模型箱1包覆其中，所述框架2的上方承载有供热系统、影像采集系统和降雨系统，所述降雨系统为设置于试验模型正上方的多孔降雨水槽3，在框架2顶部右侧安置尺寸为50cm×90cm×15cm的多孔降雨水槽3，在接触位置设有垫片所述多孔降雨水槽10的外缘设有浮子流量计7。
试验模型10根据实际需要进行制取，根据原状土的土壤参数配置一定初始含水率、级配的土样，根据模型试样的尺寸，将土样分若干层装填在模型箱内，土样填筑到测点的高度，通过传感器布置通道8合理地预埋传感器，然后继续填筑土样，直至到达天然干密度，此时模型试样10制作完毕。
所述传感器布置通道8分为三层，每层设有三到四个，传感器经由传感器布置通道预埋入试验模型10中。模型箱1的正面玻璃设置了3层4排等距分布的传感器布置通道8。
所述框架2上方的前部设有刚性的底座4，本实施例中，底座采用钢板制成，所述供热系统设置于底座4上方，所述供热系统为可调节陶瓷加热灯3，所述影像采集系统为工业相机6。
一种模拟降雨渗流试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S1：制作模型试样
根据原状土的土壤参数配置一定初始含水率、级配的土样，本实施例中，土样的初始含水率为10％，根据模型试样的尺寸，将土样分若干层装填在模型箱内，夯实土体直至到达达1.51g/m3的天然干密度；土样填筑到测点的高度，合理地埋置传感器；然后继续填筑土样，直至模型试样10制作完毕；
S2：模型试验静置
根据确定的水位高度6cm，将水位控制线6cm以下部分用玻璃胶进行封堵，用保鲜膜密封模型箱1，将模型试样静置12个小时，用保鲜膜密封模型箱1，将模型试样静置12个小时；
S3：调节温度场和降雨强度
在模型试样的各个平面均布6个温度传感器，每隔半小时监测温度变化，并根据所需温度场来调节光照角度和强度，直至满足所需的温度场，即根据所模拟地区的温度要求来调节光照角度和强度从而满足温度需求；然后，将进水管与浮子流量计7连接，水由此流进多孔降雨水槽，根据浮子流量计7的度数来控制单位水流量，由此得到设计的降雨强度，由此将降雨强度控制在130mm/h。
S4：数据测定：调试各个数据监测系统：试验前期，应当调试各个数据采集仪，确保各测点和仪器工作正常。实验进行，调整工业相机6的位置，以便于记录整个试验过程；同时，定时采集土体中的孔隙水压力、体积含水率、温度等参数，定时记录湿润锋的位置和发展趋势，定时收集流出的土水混合物，用于确定不同阶段土颗粒的流失量。
还包括如下步骤：
S5：2个小时后停止降雨，依然定时采集土体中的孔隙水压力、体积含水率、温度等数据；试样静置12小时，数据采集持续进行；12小时后，在模型试样的各个平面均布6个温度传感器，半小时以后监测温度变化，并根据所需温度场来调节光照角度和强度，直至满足所需的温度场；持续光照8个小时，期间，数据采集持续进行。
S6：对上述步骤进行三次循环，即对模型实验进行三次干湿循环。
实施例二：
一种分析降雨强度和温度场双重效应下的土体的渗透特性试验方法，观测降雨强度和温度场双重效应下的边坡失稳破坏的试验方法如下：
第一步，制作模型试样：提前配置好初始含水率为15％的土样，根据模型试样的尺寸，将土样分若干层装填在模型箱内，夯实土体直至到达1.8g/m3的天然干密度。土样填筑到测点的高度，合理地埋置传感器。然后继续填筑土样，直至模型试样10制作完毕；
第二步，模型试样静置：根据确定的水位高度4cm，将水位控制线4cm以下部分用玻璃胶进行封堵。用保鲜膜密封试样模型箱1，将模型试样静置12个小时；
第三步，调节温度场和降雨强度：在模型试样的各个平面均布6个温度传感器，半小时后监测温度变化，并根据所需温度场来调节光照角度和强度，直至满足所需的温度场。然后，根据浮子流量计7的度数来控制单位水流量，由此将降雨强度控制在150mm/h；
第四步，调试各个数据监测系统：试验前期，应当调试各个数据采集仪，确保各测点和仪器工作正常；
第五步，数据测定：合理地调整工业相机6的位置，以便于记录整个试验过程。实验进行，同时进行降雨和光照定时采集土体中的孔隙水压力、体积含水率、温度等数据，定时记录湿润锋的位置和发展趋势，定时收集流出的土水混合物，用于确定不同阶段土颗粒的流失量。试验持续进行直至模型试样破坏；
第六步，实验结束后筛选处理照片、数据、变化曲线等资料，结合相关理论进行分析讨论。
尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的技术人员而言是显而易见，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种模拟降雨渗流试验装置,包括试验模型（10）和用于承载试验模型的模型箱（1），所述模型箱（1）的后壁设有传感器布置通道（8），前壁设有水位控制线（9），所述水位控制线（9）为设置于模型箱（1）前壁的纵向狭长型的通槽，对通槽采用部分封堵的方式来控制水位，所述模型箱的外围设有刚性的框架（2），所述框架（2）将模型箱（1）包覆其中，所述框架（2）的上方承载有供热系统、影像采集系统和降雨系统，所述降雨系统为设置于试验模型正上方的多孔降雨水槽（3），所述多孔降雨水槽（3）的外缘设有浮子流量计（7）。
2.根据权利要求1所述的一种模拟降雨渗流试验装置，其特征在于：所述传感器布置通道（8）分为三层，每层设有三到四个，传感器经由传感器布置通道预埋入试验模型（10）中。
3.根据权利要求1所述的一种模拟降雨渗流试验装置，其特征在于：所述框架（2）上方的前部设有刚性的底座（4），所述供热系统设置于底座（4）上方，所述供热系统为可调节陶瓷加热灯（3），所述影像采集系统为工业相机（6）。
4. 根据权利要求1所述的一种模拟降雨渗流试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制作模型试样
根据原状土的土壤参数配置一定初始含水率、级配的土样，根据模型试样的尺寸，将土样分若干层装填在模型箱内，夯实土体直至到达天然干密度；土样填筑到测点的高度，合理地埋置传感器；然后继续填筑土样，直至模型试样（10）制作完毕；
S2：模型试验静置
用保鲜膜密封试样模型箱（1），将模型试样静置12个小时；
S3：调节温度场和降雨强度
在模型试样的各个平面均布6个温度传感器，每隔半小时监测温度变化，并根据所需温度场来调节光照角度和强度，直至满足所需的温度场，即根据所模拟地区的温度要求来调节光照角度和强度从而满足温度需求；然后，根据浮子流量计7的度数来控制单位水流量，由此得到设计的降雨强度；
S4：数据测定：实验进行，调整工业相机（6）的位置，以便于记录整个试验过程；同时，定时采集土体中的孔隙水压力、体积含水率、温度等参数，定时记录湿润锋的位置和发展趋势，定时收集流出的土水混合物，用于确定不同阶段土颗粒的流失量。
5.根据权利要求4所述的一种模拟降雨渗流试验装置的试验方法，其特征在于，
还包括如下步骤：
S5：2个小时后停止降雨，依然定时采集土体中的孔隙水压力、体积含水率、温度等数据；试样静置12小时，数据采集持续进行；12小时后，在模型试样的各个平面均布6个温度传感器，半小时以后监测温度变化，并根据所需温度场来调节光照角度和强度，直至满足所需的温度场；持续光照8个小时，期间，数据采集持续进行。
6.根据权利要求5所述的一种模拟降雨渗流试验装置的试验方法，其特征在于，
还包括如下步骤：
S6：对上述步骤进行三次循环，即对模型实验进行三次干湿循环。
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