CN113533690A - 一种模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统，该模拟系统包括土柱试验装置、降雨控制装置和地下水位控制装置，其中：土柱试验装置为可拆卸的，包括垂直的圆柱土样筒和水平向的长方体土样筒；降雨和地下水控制装置包括蠕动泵、淋雨喷头、调剂水位的圆柱筒和圆柱储水罐；本发明的模拟系统可以通过控制降雨和地下水装置实现模拟降雨和地下水位对填方土体的影响。本发明克服了现场浸水试验费用高，周期长等缺点，试验的结果稳定可靠，填补了降雨和地下水位变化对填方体影响研究室内模拟实验的技术空白，对研究填方体水毁灾害发生机理具有重要意义。

Description

一种模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统

技术领域

本发明涉及模拟实验技术领域，具体为一种模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统。

背景技术

降雨和地下水对填方土体有显著影响，一些填方工程在经历几年后，出现了包括地面不均匀沉降，潜蚀等灾害，这些灾害严重威胁人的生命财产安全。尽管有一些试验研究了降雨和地下水对填方体的影响：如现场浸水试验、简单土柱模型试验和边坡模型等。但是其各自都有缺点，现场浸水试验费用高，周期长；简单土柱模型试验只考虑了竖向的渗流，未考虑横向渗流作用，往往只考虑降雨和地下水单因素的影响没有考虑降雨和地下水双因素的影响等。

经过海量检索，发现现有技术，公开号为CN107144523B，公开了一种模拟降雨时空变化的边坡试验装置，包括模拟降雨单元、试验平台单元及数据采集分析单元。模拟降雨单元包括通过水管连通的水箱、水压增压部件、多个电磁阀、多个喷头所构成的降雨回路；降雨回路的管路上设置有水压增压部件，数据采集分析单元通过分别控制电磁阀阀门的闭合大小来控制不同管路上的排水流量强度，从而实现模拟降雨的时间和空间的分布。本发明所涉及的模拟降雨时空变化的边坡试验装置操作简单，具有数据采集自动化程度高和可重复性强的特点。

综上所述，模拟降雨和地下水位变化的试验是基于现有成熟的浸水试验和土柱试验，其试验的结果稳定可靠。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统，所述模拟系统包括土柱试验装置、降雨控制装置和地下水控制装置；其中：所述土柱试验装置由垂直圆柱土样筒和水平向的长方体土样筒构成，所述圆柱体土样筒上部有与降雨装置相连的淋雨喷头；所述长方体土样筒下部和一侧有与地下水控制系统连通的出入水口；

所述降雨控制装置包括可控制流量的淋雨喷头、蠕动泵和圆柱储水罐，用于蠕动泵控制降雨的流量；

所述地下水控制装置包括与土柱试验装置相连的圆柱筒、蠕动泵和圆柱储水罐，调节圆柱筒内液位的高低来控制土柱装置内水的流入与流出。

优选的，所述模拟降雨和地下水位对填方体影响的试验只考虑降雨和地下水位单一因素对填方体的影响，同时考虑它们共同的作用的影响。

优选的，所述模拟降雨和地下水位对填方体影响的试验只考虑降雨和地下水位单一因素对填方体的影响，同时考虑它们共同的作用的影响。

优选的，所述模拟降雨和地下水位对填方体影响的试验只考虑降雨和地下水位单一因素对填方体的影响，同时考虑它们共同的作用的影响。

优选的，所述模拟降雨和地下水位对填方体影响的试验只考虑降雨和地下水位单一因素对填方体的影响，同时考虑它们共同的作用的影响。

优选的，所述地下水控制装置的圆柱筒与土柱试验装置底部通过软管连接，形成U型管形式；所述地下水位变化通过蠕动泵调节圆柱筒的水位来实现。

优选的，所述圆柱筒和圆柱储水罐用途分比为：圆柱筒用于调节土柱试验装置的地下水位；圆柱储水罐通过控制阀门给降雨系统和地下水位控制系统供给水源。

优选的，①考虑降雨的对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一、根据试验设计的土壤参数，先从底部的长方体土样筒开始分层装入土壤样品，待到长方体土样筒装满，封上上部有机玻璃板，装上圆柱土样筒，在圆柱土样筒里分层装入土壤样品，填装好土样后，按照需求安装微型土壤水分传感器、微型土壤水势传感器和微型孔隙水压力传感器等；

步骤二、开启圆柱储水罐连接土柱实验装置的阀门和土柱实验装置侧边的出水口阀门，关闭连接圆柱筒的阀门和土柱实验装置底部出水口阀门，启动传感器采集设备和降雨装置的蠕动泵，经过淋雨喷头喷洒需要雨强的均匀雨滴，模拟真实情况下降雨入渗对填土体的影响，等到出水口有水渗出后开启圆柱筒连接圆柱储水罐的蠕动泵。

②考虑地下水的对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一：与①中步骤一相同；

步骤二、开启圆柱储水罐连接圆柱筒的阀门和土柱实验装置底部出水口阀门，关闭连接土柱实验装置的阀门和土柱实验装置侧边的出水口阀门，启动地下水位试验装置的蠕动泵，改变圆柱筒水位使土柱实验装置水位面达到试验设计要求。

③考虑降雨和地下水位共同对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一和步骤二：与①中相同；

步骤三：等到完全渗流之后，关闭圆柱筒连接圆柱储水罐的蠕动泵，让圆柱筒内水位缓慢上升，使水位面达到试验设计要求，调节两个蠕动泵的效率，使圆柱筒内水位和降雨量保持平衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本模拟系统中的土柱装置可进行拆卸与拼装，方便获取试验结束后土壤样品，以便进行下一步的实验研究；

2、降雨和地下水位变化通过试验装置来实现，具体通过控制不同位置的阀门和蠕动泵的流量，甚至能够形成降雨和地下水位恒定时的平衡；

3、本模拟系统安装的传感器采集的数据可以用作降雨入渗过程研究，还可以揭露降雨和地下水位变化对填方土体影响提供实时数据支撑。

附图说明

图1为本发明的结构模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统的结构示意图；

图2为本发明的土柱试验装置立体结构示意图；

图3为本发明的土柱试验装置立体结构示意图；

图4为本发明的微型土壤水分传感器、微型土壤水势传感器、微型孔隙水压力传感器、数据采集器的电路连接示意图。

图中：1、透气孔；2、法兰接口；3、淋雨喷头；4、微型土壤水分传感器；5、微型土壤水势传感器；6、微型孔隙水压力传感器；7、刻度线；8、圆柱土样筒；9、长方体土样筒；10、排水孔；11、地下水位补水孔；12、止水阀门；13、圆柱筒；14、补水长管；15、底座；16、蠕动泵；17、储水罐；18、数据采集器；19、计算机。

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做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图4，本发明提供的四种实施例：一种模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统，模拟系统包括土柱试验装置、降雨控制装置和地下水控制装置；

实施例一：

土柱试验装置由垂直圆柱土样筒8和水平向的长方体土样筒9构成，圆柱体土样筒上部有与降雨装置相连的淋雨喷头3；长方体土样筒9下部和一侧有与地下水控制系统连通的出入水口；

降雨控制装置包括可控制流量的淋雨喷头3、蠕动泵16和圆柱储水罐17，用于蠕动泵16控制降雨的流量；

地下水控制装置包括与土柱试验装置相连的圆柱筒13、蠕动泵16和圆柱储水罐17，调节圆柱筒13内液位的高低来控制土柱装置内水的流入与流出。

模拟降雨和地下水位对填方体影响的试验只考虑降雨和地下水位单一因素对填方体的影响，同时考虑它们共同的作用的影响。

土柱试验装置是由圆柱土样筒8和水平向为长轴的长方体土样筒9构成，构成垂直向渗流和水平向渗流；

其土柱试验装置侧壁留有孔，用于传感器的安装，闲置时则用玻璃胶密封。

长方体土样筒9由几块带槽和隼的长方形有机玻璃构成，用于方便装样和实验结束后采集土样。

降雨控制装置能够通过蠕动泵16调节雨强并从淋雨喷头3均匀喷出。

地下水控制装置的圆柱筒13与土柱试验装置底部通过软管连接，形成U型管形式；地下水位变化通过蠕动泵16调节圆柱筒13的水位来实现。

圆柱筒13和圆柱储水罐17用途分比为：圆柱筒13用于调节土柱试验装置的地下水位；圆柱储水罐17通过控制阀门给降雨系统和地下水位控制系统供给水源。

实施例二：

①考虑降雨的对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一：取填方体的原状土样，通过土工试验测定其含水率和密度。将原状土样风干后碾碎，并采用筛孔直径为2mm的筛网进行筛分，将筛分后的填方体土样配制成原状土样的含水率。

按照原状土样的密度，先从底部的长方体土样筒9开始分层装入土壤样品，待到长方体土样筒9装满，封上上部有机玻璃板，装上圆柱土样筒8，在圆柱土样筒8里分层装入土壤样品，安装填装好土样后，安装微型土壤水分传感器4、微型土壤水势传感器5和微型孔隙水压力传感器6；

步骤二：开启圆柱储水罐17连接土柱实验装置的阀门12-1和土柱实验装置侧边的出水口阀门12-4，关闭连接圆柱筒13的阀门12-2和土柱实验装置底部出水口阀门12-3。

启动传感器采集设备18和蠕动泵16，经过淋雨喷头3喷洒均匀雨滴，降雨的时间和强度可以根据当地的降雨情况而定。等到出水口有水渗出后开启圆柱筒13连接圆柱储水罐17的蠕动泵16。

开启圆柱储水罐17连接土柱实验装置的阀门和土柱实验装置侧边的出水口阀门，关闭连接圆柱筒13的阀门和土柱实验装置底部出水口阀门，启动传感器采集设备和降雨装置的蠕动泵16，经过淋雨喷头3喷洒需要雨强的均匀雨滴，模拟真实情况下降雨入渗对填土体的影响，等到出水口有水渗出后开启圆柱筒13连接圆柱储水罐17的蠕动泵1616。

实施例三：

②考虑地下水的对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一：与①中步骤一相同；

步骤二：开启圆柱储水罐17连接圆柱筒13的阀门12-2和土柱实验装置底部出水口阀门12-3，关闭储水罐17连接土柱实验装置的阀门12-1和土柱实验装置侧边的出水口阀门12-4，启动地下水位试验装置的蠕动泵16，改变圆柱筒13水位使土柱实验装置水位面达到试验设计要求。

实施例四：

③考虑降雨和地下水位共同对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一和步骤二：与①中相同；

步骤三：等到完全渗流之后，关闭圆柱筒13连接圆柱储水罐17的蠕动泵16，让圆柱筒13内水位缓慢上升，使水位面达到试验设计要求，调节两个蠕动泵16的效率，使圆柱筒13内水位和降雨量保持平衡。

待达到试验要求后，可将土柱试验装置拆卸，取出土样进行土工试验和扫描电镜试验从宏观、微观观察土体的变化。

其中，土柱试验装置的圆柱土样筒8高度为800mm，内径为150mm，外径为160mm，外壳材料厚度为5mm；土柱试验装置的长方体土样筒9内径高度为200mm，宽度为180mm，长度为500mm，上顶板和侧板厚度为10mm，下底板厚度为20mm，其材质均为有机玻璃。

其中，土柱试验装置的土样高度为900mm，在土柱试验装置两侧沿土样垂直方向每200mm设置有直径为20mm的开孔，该开孔用于安装微型土壤水分传感器4和微型土壤水势传感器5；在长方体土样筒9侧壁留有安装微型土壤水分传感器4、微型土壤水势传感器5和孔隙水压力计的开孔图2所示。

其中，土柱试验装置由圆柱土样筒8和长方体土样筒9拼接而成，长方体土样筒9由有机玻璃板通过卡槽拼装而成。

其中，土柱试验装置有两个进排水孔10。排水孔10不仅起排水作用同时与圆柱筒13构成U型管；地下水位补水孔1111通过与圆柱筒13构成U型管，调节土柱装置内地下水位变化。

其中，圆柱筒13为高度为1000mm，内径为150mm，外径为160mm，外壳材料为5mm厚的有机玻璃；圆柱筒13与土柱实验装置构成U型管；圆柱筒13通过蠕动泵16调节水位。

其中，储水罐17为高度为1000mm，内径为200mm，外径为210mm，外壳材料为5mm厚的有机玻璃。

其中，数据采集器18的采集频率可根据需要设定采集频率，在考虑降雨入渗时设置采集频率为1Hz，等到降雨入渗稳定后可以根据需求降低采集频率。

其中，蠕动泵16的流量范围0.002-380ml/min，转速调节范围为0.1-100转/min，转速分辨率为0.1转/min，分配液量为0.1mL-99.9L。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种模拟降雨和地下水位变化对填方体影响的试验系统，其特征在于：所述模拟系统包括土柱试验装置、降雨控制装置和地下水控制装置；其中：所述土柱试验装置由垂直圆柱土样筒(8)和水平向的长方体土样筒(9)构成，所述圆柱体土样筒上部有与降雨装置相连的淋雨喷头(3)；所述长方体土样筒(9)下部和一侧有与地下水控制系统连通的出入水口；

所述降雨控制装置包括可控制流量的淋雨喷头(3)、蠕动泵(16)和圆柱储水罐(17)，用于蠕动泵(16)控制降雨的流量；

所述地下水控制装置包括与土柱试验装置相连的圆柱筒(13)、蠕动泵(16)和圆柱储水罐(17)，调节圆柱筒(13)内液位的高低来控制土柱装置内水的流入与流出。

2.根据权利要求1所述模拟降雨和地下水位对填方体影响的试验，其特征在于：所述模拟降雨和地下水位对填方体影响的试验只考虑降雨和地下水位单一因素对填方体的影响，同时考虑它们共同的作用的影响。

3.根据权利要求1所述的土柱试验装置，其特征在于：所述土柱试验装置是由圆柱土样筒(8)和水平向为长轴的长方体土样筒(9)构成，构成垂直向渗流和水平向渗流；

其土柱试验装置侧壁留有孔，用于传感器的安装，闲置时则用玻璃胶密封。

4.根据权利要求3所述的长方体土样筒(9)，其特征在于：所述长方体土样筒(9)由几块带槽和隼的长方形有机玻璃构成，用于方便装样和实验结束后采集土样。

5.根据权利要求1所述降雨控制装置，其特征在于：所述降雨控制装置能够通过蠕动泵(16)调节雨强并从淋雨喷头(3)均匀喷出。

6.根据权利要求1所述的地下水位变化模拟系统，其特征在于：所述地下水控制装置的圆柱筒(13)与土柱试验装置底部通过软管连接，形成U型管形式；所述地下水位变化通过蠕动泵(16)调节圆柱筒(13)的水位来实现。

7.根据权利要求1所述圆柱筒(13)和圆柱储水罐(17)为同样大小的有机玻璃圆柱筒(13)，其特征在于：所述圆柱筒(13)和圆柱储水罐(17)用途分比为：圆柱筒(13)用于调节土柱试验装置的地下水位；圆柱储水罐(17)通过控制阀门给降雨系统和地下水位控制系统供给水源。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的可控降雨和地下水位对填方体影响的模拟系统的使用方法，其特征在于：

①考虑降雨的对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一、根据试验设计的土壤参数，先从底部的长方体土样筒(9)开始分层装入土壤样品，待到长方体土样筒(9)装满，封上上部有机玻璃板，装上圆柱土样筒(8)，在圆柱土样筒(8)里分层装入土壤样品，填装好土样后，按照需求安装微型土壤水分传感器(4)、微型土壤水势传感器(5)和微型孔隙水压力传感器(6)等；

步骤二、开启圆柱储水罐(17)连接土柱实验装置的阀门和土柱实验装置侧边的出水口阀门，关闭连接圆柱筒(13)的阀门和土柱实验装置底部出水口阀门，启动传感器采集设备和降雨装置的蠕动泵(16)，经过淋雨喷头(3)喷洒需要雨强的均匀雨滴，模拟真实情况下降雨入渗对填土体的影响，等到出水口有水渗出后开启圆柱筒(13)连接圆柱储水罐(17)的蠕动泵(16)。

②考虑地下水的对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一：与①中步骤一相同；

步骤二、开启圆柱储水罐(17)连接圆柱筒(13)的阀门和土柱实验装置底部出水口阀门，关闭连接土柱实验装置的阀门和土柱实验装置侧边的出水口阀门，启动地下水位试验装置的蠕动泵(16)，改变圆柱筒(13)水位使土柱实验装置水位面达到试验设计要求。

③考虑降雨和地下水位共同对填方体的影响，包括如下步骤：

步骤一和步骤二：与①中相同；

步骤三：等到完全渗流之后，关闭圆柱筒(13)连接圆柱储水罐(17)的蠕动泵(16)，让圆柱筒(13)内水位缓慢上升，使水位面达到试验设计要求，调节两个蠕动泵(16)的效率，使圆柱筒(13)内水位和降雨量保持平衡。

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