CN113063694A - 一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置及方法，包括倾斜溅蚀盘、水平溅蚀盘、环刀架和降雨器，倾斜溅蚀盘的底部与水平溅蚀盘的一边铰接，倾斜溅蚀盘与水平溅蚀盘之间的夹角能够调节，两个溅蚀盘上均等间距设置有分隔板和排水孔，环刀架上至少设置有一个环刀，环刀用于容纳土壤试样，环刀架滑动设置于倾斜溅蚀盘的中部，降雨器设置于环刀的正上方。本发明能够模拟不同坡度下的工程开挖边坡土壤被雨滴溅蚀的情况，得出开挖边坡上土壤被雨滴击溅的溅蚀量、溅蚀距离、溅蚀率、溅蚀强度、溅蚀速率、溅蚀分离率等参数；结构简单，操作方便、准确，成本低廉，可用于开展工程开挖边坡土壤溅蚀方面的研究，具有很好的推广应用前景。

Description

一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及水土保持的技术领域，特别是涉及一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置及方法。

背景技术

土壤侵蚀长期制约我国经济社会发展，同时也给生态平衡构成很大的威胁。我国经济发展迅猛，各种大型工程措施也屡见不鲜，我国近年来对土壤侵蚀的治理工作虽越来越重视，然而对于工程开挖边坡上的土壤侵蚀防治却有所滞后，往往工程项目从开始至竣工需要一定的时间，这期间的开挖边坡也未被及时的给予一定的水土保持措施。水保措施的滞后往往致使开挖边坡水土流失严重，给周遭的生态环境造成了极大的破坏，为泥石流、崩塌等生态灾害埋下隐患，对周围的动物及人类的生命以及财产造成极大的威胁，工程的开挖边坡，给周遭的生态环境带去了不可逆转的破坏，还会在一定程度上严重阻碍周围经济社会的发展。

在致使在侵蚀模式中，降雨所产生的击溅侵蚀是土壤侵蚀的初级阶段，为后续的侵蚀过程提供物质来源。开展对开挖边坡溅蚀机理的研究，对理解土壤侵蚀过程和机理、科学预防和治理工程开挖边坡上的土壤侵蚀有重要意义。

溅蚀盘是溅蚀研究中最常见的设备，目前还并未有适用于工程开挖边坡的溅蚀盘。这制约了科学研究者了解工程开挖边坡上土壤侵蚀的特点，因此亟需一种能适用于模拟工程开挖边坡的溅蚀盘。

发明内容

本发明的目的是提供一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使开挖边坡土壤溅蚀特征试验满足室内开展的工作要求，且可模拟不同坡度下的工程开挖边坡的溅蚀情况。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，包括倾斜溅蚀盘、水平溅蚀盘、环刀架和降雨器，所述倾斜溅蚀盘的底部与所述水平溅蚀盘的一边铰接，所述倾斜溅蚀盘与所述水平溅蚀盘之间的夹角能够调节，所述倾斜溅蚀盘和所述水平溅蚀盘上均等间距设置有若干个分隔板和排水孔，所述环刀架上至少设置有一个环刀，所述刀架滑动设置于所述导轨上，所述环刀用于容纳土壤试样，所述环刀架滑动设置于所述倾斜溅蚀盘的中部，所述降雨器设置于所述环刀的正上方。

优选的，所述倾斜溅蚀盘为等边梯形溅蚀盘，所述等边梯形溅蚀盘的下底边和所述水平溅蚀盘的一侧均间隔设置有套筒，所述套筒能够共线且均用于穿设一销轴。

优选的，所述等边梯形溅蚀盘的上底长度为34cm、下底长度为100cm、高度为100cm，且两腰上分别设置有高度为10cm的护板。

优选的，所述倾斜溅蚀盘顶部连接于一竖直固定架上，所述竖直固定架呈U型，且所述竖直固定架的两侧板的上方设置有若干个卡槽，所述卡槽能够使所述倾斜溅蚀盘呈设定角度固定，所述倾斜溅蚀盘的顶部两侧对称设置有一对凸出的螺丝钉，所述螺丝钉与所述卡槽相匹配。

优选的，所述螺丝钉的直径为1cm、长度为6cm。

优选的，所述环刀架包括导轨、刀架和刀槽，所述导轨的上表面与所述刀架的下表面相匹配，所述导轨的下表面等间距设置有若干对支撑杆，所述支撑杆挂设于所述倾斜溅蚀盘的分隔板上，所述刀架的上表面至少设置有一个圆形的刀槽，所述刀槽用于卡接所述环刀，所述刀槽位于两个相邻的所述分隔板之间。

优选的，所述水平溅蚀盘为半圆形溅蚀盘，所述半圆形溅蚀盘的直边上设置套筒、弧形边上等间距设置有半圆形的所述分隔板。

优选的，所述半圆形溅蚀盘的直边长度为100cm，所述半圆形溅蚀盘的底板直边处向外延伸出10cm宽度的矩形板，所述底板的边沿上设置有高度为10cm的挡板。

优选的，相邻的所述分隔板的间距为10cm，所述分隔板的高度为10cm，所述排水孔分别设置于所述倾斜溅蚀盘和所述水平溅蚀盘的底板上，所述排水孔位于两个所述分隔板之间，所述排水孔的直径为1cm。

本发明还涉及一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一，根据试验需求准备若干份土壤试样，采用透筛法在所述土壤试样里分别放入不同种类的设定浓度的稀土元素，再分别装入一环刀内，并将所述环刀固定于刀架上、导轨挂设于倾斜溅蚀盘的分隔板上；

步骤二，按照试验要求，调节等边梯形溅蚀盘与半圆形溅蚀盘之间的角度，确定好角度后将等边梯形两侧的螺丝钉卡在竖直固定架的卡槽内，再将降雨设备移至所述环刀的上方，使降雨面积覆盖所有装有稀土元素的土壤试样的环刀，并调节降雨设备模拟降雨；

步骤三，降雨结束后，将环刀架从等边梯形溅蚀盘上取下，通过排水孔能够分层收集降雨过程中被雨水溅散的土壤颗粒，将不同排水孔内收集的土壤颗粒分别放置在一铝盒中，再将铝盒放入烘箱进行105℃烘干，对烘干后的土壤称取重量并记录；

步骤四，将烘干后的土壤粉碎、研磨至60目，均匀缩制进行INAA分析，需在烘干后的土壤中加入国际通用的标准参考物质作为质控样品，通过将标准样品分析值与保证值进行比较，达到分析精度控制的目的；

步骤五，调整所述等边梯形溅蚀盘更换至不同坡度，重复上述步骤，将溅蚀试验后收集的不同坡位的烘干土壤和初始的土壤试样进行数据分析，用REE示踪法对土壤溅蚀的发生和发展过程进行直观的展示，并记录下土壤颗粒被雨滴击溅飞散后沿坡面分布的规律。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明能够模拟不同坡度下的工程开挖边坡土壤被雨滴溅蚀的情况，得出开挖边坡上土壤被雨滴击溅的溅蚀量、溅蚀距离、溅蚀率、溅蚀强度、溅蚀速率、溅蚀分离率等参数；具有结构简单，操作方便、准确，成本低廉等特点，可用于开展工程开挖边坡土壤溅蚀方面的研究，具有很好的推广应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置的结构示意图；

图2为本发明中倾斜溅蚀盘的结构示意图；

图3为本发明中水平溅蚀盘的结构示意图；

图4为本发明中环刀架的一种结构示意图；

图5为本发明中刀槽的结构示意图；

图6为本发明中竖直固定架的结构示意图；

图7为本发明使用多个环刀试验的结构示意图；

其中：1-工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，2-等边梯形溅蚀盘，3-半圆形溅蚀盘，4-降雨器，5-分隔板，6-排水孔，7-导轨，8-刀架，9-刀槽，10-支撑杆，11-护板，12-螺丝钉，13-竖直固定架，14-卡槽，15-矩形板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置及方法，以解决现有技术存在的问题，使开挖边坡土壤溅蚀特征试验满足室内开展的工作要求，且可模拟不同坡度下的工程开挖边坡的溅蚀情况。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图7所示：本实施例提供了一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置1，包括倾斜溅蚀盘、水平溅蚀盘、环刀架和降雨器4，倾斜溅蚀盘的底部与水平溅蚀盘的一边铰接，倾斜溅蚀盘与水平溅蚀盘之间的夹角能够调节，倾斜溅蚀盘和水平溅蚀盘上均等间距设置有若干个分隔板5和排水孔6，环刀架上至少设置有一个环刀，环刀用于容纳土壤试样，环刀架滑动设置于倾斜溅蚀盘的中部，降雨器4设置于环刀的正上方，降雨器4为一矩形或圆形喷头，降雨面积覆盖所有装有稀土元素的土壤试样的环刀。

倾斜溅蚀盘为等边梯形溅蚀盘2，等边梯形溅蚀盘2的下底边和水平溅蚀盘的一侧均间隔设置有套筒，套筒能够共线且均用于穿设一销轴，通过销轴套筒铰接。等边梯形溅蚀盘2的上底长度为34cm、下底长度为100cm、高度为100cm，且两腰上分别垂直设置有高度为10cm的护板11。

倾斜溅蚀盘顶部连接于一竖直固定架13上，竖直固定架13呈U型，且竖直固定架13的两侧板的上方设置有若干个卡槽14，卡槽14能够使倾斜溅蚀盘呈设定角度固定，卡槽14间距不等，根据等边梯形溅蚀盘2的倾斜角度设定卡槽14间距，卡槽14与水平面呈45°角，避免螺丝钉12滑出掉落，倾斜溅蚀盘的顶部两侧对称设置有一对凸出的螺丝钉12，螺丝钉12与卡槽14相匹配。螺丝钉12的直径为1cm、凸出的长度为6cm。由上至下改变螺丝钉12在竖直固定架13的卡槽14的位置，等边梯形溅蚀盘2将会呈现80°、75°、70°、65°、60°、55°的倾斜，用于模拟不同工程开挖边坡的坡度。

环刀架包括导轨7、刀架8和刀槽9，环刀架长为90cm，导轨7的上表面与刀架8的下表面相匹配，导轨7的下表面等间距设置有若干对支撑杆10，支撑杆10挂设于倾斜溅蚀盘的分隔板5上，从而实现环刀架能快速的从等边梯形溅蚀盘2上固定或取下。刀架8的上表面上表面至少设置有一个圆形的刀槽9，刀架8滑动设置于导轨8上并通过卡板固定于对应高度的分隔板5上，或者等间距设置有若干个圆形的刀槽9，当刀架8与导轨7等长时便不能相对滑动，刀槽9用于卡接环刀，刀槽9位于两个相邻的分隔板5之间。其中，环刀通过刀架8可在导轨7上自由滑动，从而实现模拟不同工程开挖坡位下的溅蚀情况。

水平溅蚀盘为半圆形溅蚀盘3，半圆形溅蚀盘3的直边上设置套筒、弧形边上等间距设置有半圆形的分隔板5。半圆形溅蚀盘3的直边长度为100cm，半圆形溅蚀盘3的底板直边处向外延伸出10cm宽度的矩形板15，，以便等边梯形溅蚀盘2可以与水平面呈90度直立。底板的边沿上设置有高度为10cm的挡板，形成一个半圆形槽。半圆形溅蚀盘3的内部为直径为10cm的半圆，最外侧为直径为50cm的同心半圆。相邻的分隔板5的间距为10cm，分隔板5的高度为10cm，排水孔6分别设置于倾斜溅蚀盘和水平溅蚀盘的底板上，排水孔6位于两个分隔板5之间，排水孔6的直径为1cm，便于用收集瓶收集落水后飞溅的土壤颗粒的混合液体。

本实施例中装置的大小、比例都可根据科学工作者以及行业技术人员的不同需要从而发生改变，所有装置均为不锈钢材质，从而减小实验过程模拟降雨、其他自然或人为因素对装置的损耗。

本实施例基于工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置1的实验方法，

包括如下步骤：

步骤一，根据试验需求准备若干份土壤试样，采用透筛法在土壤试样里分别放入不同种类的设定浓度的稀土元素(包含稀土元素浓度为0的土壤试样)，再分别装入一环刀内，并将环刀固定于刀架8上、导轨7挂设于倾斜溅蚀盘的分隔板上。本实施例可以采用包含镝Dy、镧La、钐Sm、镱Yb、铈Ce、铕Eu、钕Nd、钬Ho或者镥Lu等的不同种类的稀土元素。

步骤二，按照试验要求，调节等边梯形溅蚀盘2与半圆形溅蚀盘3之间的角度，确定好角度后将等边梯形两侧的螺丝钉12卡在竖直固定架13的卡槽14内，再将降雨设备移至环刀的上方，使降雨面积覆盖所有装有稀土元素的土壤试样的环刀，并调节降雨器4模拟降雨。竖直固定架13高100cm、顶部宽36cm，刚好可以容纳等边梯形溅蚀盘2的顶部。

步骤三，降雨结束后，将环刀架从等边梯形溅蚀盘2上取下，通过排水孔6能够分层收集降雨过程中被雨水溅散的土壤颗粒，将不同排水孔6内收集的土壤颗粒分别放置在一铝盒中，再将铝盒放入烘箱进行105℃烘干，对烘干后的土壤称取重量并记录。可以计算单位时间内模拟工程开挖边坡上的土壤被雨滴击溅的距离与溅蚀量，以及分析两组数据之间的相关性。

步骤四，将烘干后的土壤粉碎、研磨至60目，均匀缩制进行INAA分析，需在烘干后的土壤中加入国际通用的标准参考物质作为质控样品，通过将标准样品分析值与保证值进行比较，达到分析精度控制的目的。

步骤五，调整等边梯形溅蚀盘2更换至不同坡度，重复上述步骤，将溅蚀试验后收集的不同坡位的烘干土壤和初始的土壤试样进行数据(REE浓度、背景值等数据)分析，用REE示踪法对土壤溅蚀的发生和发展过程进行直观的展示，并记录下土壤颗粒被雨滴击溅飞散后沿坡面分布的规律。

其中，如图7所示，若使用多个环刀铺满导轨7的环刀架进行实验时，环刀架不可以上下滑动，每个环刀中分别装入一种稀土元素进行示踪，降雨后收集每一层的土壤颗粒，通过不同稀土元素在试验后收集的每一层土壤的含量不同，得到一种坡度下整个坡上土壤的溅蚀情况；调整等边梯形溅蚀盘2更换至不同坡度，就能得到不同坡度下整个坡的土壤溅蚀情况。

如图1所示，若使用一个环刀实验时，环刀中是不需要添加稀土元素的，可以在同一坡度的等边梯形溅蚀盘2上沿导轨7滑动，通过收集不同隔层溅蚀槽里的土壤颗粒，得到这一坡度下不同坡位的溅蚀情况；调整等边梯形溅蚀盘2更换至不同坡度，就能知道不同坡度的土壤溅蚀情况了。

因此，通过上述的室内模拟溅蚀实验，可得到不同坡度、不同坡位、不同土壤的工程开挖边坡土壤的溅蚀特征，可获得单位时间内不同坡度的土壤溅蚀量与溅蚀距离的关系、单位时间内同一坡度不同坡位的土壤溅蚀量的差异、不同单位时间内的土壤溅蚀量等实验数据。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：包括倾斜溅蚀盘、水平溅蚀盘、环刀架和降雨器，所述倾斜溅蚀盘的底部与所述水平溅蚀盘的一边铰接，所述倾斜溅蚀盘与所述水平溅蚀盘之间的夹角能够调节，所述倾斜溅蚀盘和所述水平溅蚀盘上均等间距设置有若干个分隔板和排水孔，所述环刀架上至少设置有一个环刀，所述环刀用于容纳土壤试样，所述环刀架滑动设置于所述倾斜溅蚀盘的中部，所述降雨器设置于所述环刀的正上方。

2.根据权利要求1所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：所述倾斜溅蚀盘为等边梯形溅蚀盘，所述等边梯形溅蚀盘的下底边和所述水平溅蚀盘的一侧均间隔设置有套筒，所述套筒能够共线且均用于穿设一销轴。

3.根据权利要求2所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：所述等边梯形溅蚀盘的上底长度为34cm、下底长度为100cm、高度为100cm，且两腰上分别设置有高度为10cm的护板。

4.根据权利要求2所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：所述倾斜溅蚀盘顶部连接于一竖直固定架上，所述竖直固定架呈U型，且所述竖直固定架的两侧板的上方设置有若干个卡槽，所述卡槽能够使所述倾斜溅蚀盘呈设定角度固定，所述倾斜溅蚀盘的顶部两侧对称设置有一对凸出的螺丝钉，所述螺丝钉与所述卡槽相匹配。

5.根据权利要求4所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：所述螺丝钉的直径为1cm、长度为6cm。

6.根据权利要求5所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：所述环刀架包括导轨、刀架和刀槽，所述导轨的上表面与所述刀架的下表面相匹配，所述导轨的下表面等间距设置有若干对支撑杆，所述支撑杆挂设于所述倾斜溅蚀盘的分隔板上，所述刀架的上表面至少设置有一个圆形的刀槽，所述刀架滑动设置于所述导轨上，所述刀槽用于卡接所述环刀，所述刀槽位于两个相邻的所述分隔板之间。

7.根据权利要求1所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：所述水平溅蚀盘为半圆形溅蚀盘，所述半圆形溅蚀盘的直边上设置套筒、弧形边上等间距设置有半圆形的所述分隔板。

8.根据权利要求7所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：所述半圆形溅蚀盘的直边长度为100cm，所述半圆形溅蚀盘的底板直边处向外延伸出10cm宽度的矩形板，所述底板的边沿上设置有高度为10cm的挡板。

9.根据权利要求1所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置，其特征在于：相邻的所述分隔板的间距为10cm，所述分隔板的高度为10cm；所述排水孔分别设置于所述倾斜溅蚀盘和所述水平溅蚀盘的底板上，所述排水孔位于两个所述分隔板之间，所述排水孔的直径为1cm。

10.基于权利要求1-9中任意一项所述的工程开挖边坡土壤溅蚀特征的试验装置的实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，根据试验需求准备若干份土壤试样，采用透筛法在所述土壤试样里分别放入不同种类的设定浓度的稀土元素，再分别装入一环刀内，并将所述环刀固定于刀架上、导轨挂设于倾斜溅蚀盘的分隔板上；

步骤二，按照试验要求，调节等边梯形溅蚀盘与半圆形溅蚀盘之间的角度，确定好角度后将等边梯形两侧的螺丝钉卡在竖直固定架的卡槽内，再将降雨设备移至所述环刀的上方，使降雨面积覆盖所有装有稀土元素的土壤试样的环刀，并调节降雨设备模拟降雨；

步骤三，降雨结束后，将环刀架从等边梯形溅蚀盘上取下，通过排水孔能够分层收集降雨过程中被雨水溅散的土壤颗粒，将不同排水孔内收集的土壤颗粒分别放置在一铝盒中，再将铝盒放入烘箱进行105℃烘干，对烘干后的土壤称取重量并记录；

步骤四，将烘干后的土壤粉碎、研磨至60目，均匀缩制进行INAA分析，需在烘干后的土壤中加入国际通用的标准参考物质作为质控样品，通过将标准样品分析值与保证值进行比较，达到分析精度控制的目的；

步骤五，调整所述等边梯形溅蚀盘更换至不同坡度，重复上述步骤，将溅蚀试验后收集的不同坡位的烘干土壤和初始的土壤试样进行数据分析，用REE示踪法对土壤溅蚀的发生和发展过程进行直观的展示，并记录下土壤颗粒被雨滴击溅飞散后沿坡面分布的规律。

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