CN115165713A - 一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于土遗址的风蚀‑雨蚀模拟系统,包括风源、风蚀试验装置及雨蚀试验装置;所述风源,用于向风蚀试验装置及雨蚀试验装置,提供气流;所述风蚀试验装置,包括风蚀实验箱及注沙机构;所述注沙机构安装在风蚀实验箱的侧壁上,用于向风蚀实验箱内注入沙粒;所述风蚀实验箱内设置有第一试验土块;所述雨蚀试验装置,包括雨蚀实验箱、雨滤网及注雨机构;所述雨滤网设置在雨蚀实验箱的侧壁上,所述注雨机构用于向雨滤网提供雨水源;所述雨滤网用于雨水滴的传送和保存雨滴;本发明能够全面模拟风沙雨环境下风蚀和雨蚀共同作用后土体的变化情况,测试结果更接近自然环境影响下遗址土体的风蚀情况,有效提高了模拟试验结果精确度。
Description
技术领域
本发明属于土遗址保护技术领域,特别涉及一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统。
背景技术
目前,现存的土建筑遗址大多是由粉土、粉质粘土或沙土夯筑而成;其纯属土质建筑,土遗址面对风雨侵蚀极其脆弱,在长期自然和人为因素影响下突显不同类型的病害;在土遗址风蚀病害方面,由于强风和携沙风的作用,土遗址本体突显不同程度的破坏一般有两种:一种是在强风和携沙风吹蚀下,土遗址本体颗粒在反复磨蚀和冲击动力作用下的流失;另外一种是由于土体颗粒流失引起的土遗址本体片状剥离、区域性坍塌和土体悬空等多种病害。在土遗址雨蚀病害方面,由于强降雨雨点的冲蚀和汇集雨水的冲刷,土遗址本体突显不同程度的破坏般有两种:一种是在强降雨雨点冲蚀作用下,土遗址本体表面被直接破坏且雨滴和土体颗粒一同飞溅溢出,土体颗粒在反复冲击和软化作用下大面积流失;另外一种是由于雨水汇集和土体颗粒的流失,土遗址表面在暴晒作用下形成突显的片状起翘并在太阳光反复照晒下发生局部大面积脱落甚至引起局部区域性崩塌。
为了准确掌握土遗址本体在风蚀和雨蚀作用下的破坏机理,在长期工程实践和现场试验的基础上,使用相对恒定风速的风蚀模拟装置和相对恒定雨蚀模拟装置已经较有效解决了现场的实际问题;然而现有的土遗址风蚀雨蚀模拟装置仍有不足:一方面,恒定的风速在模拟目标地区不同风速对土遗址本体的侵蚀和破坏尚欠不足,恒定的降雨强度和无法准确计量的出水量无法准确模拟西北地区的降雨级别,单一的沙子粒径在模拟目标地区不同沙蚀环境对土遗址本体的侵蚀和破坏尚欠不足;因此,研制高精度、可控性强、技术参数全面、操作规范和可视化的土遗址风蚀模拟装置和雨蚀模拟装置很有必要,以使其在土遗址保护中发挥作用;另一方面,土遗址所处地理环境复杂且风雨侵蚀情况随机多变,现有的风蚀模拟装置只能模拟风蚀情况,雨蚀模拟装置只能模拟雨蚀情况,综合的风沙雨环境难以模拟,因此有必要提出一种有效全面的土遗址风蚀雨蚀模拟一体装置。
主要问题如下:
(1)中国专利申请“一种土体风蚀测试系统及其评价方法”(申请号:201410327872.9)中公开的土体风蚀装置具有测试精度高、组装方便和操作简便可靠的特点,通过电子秤实时测量和评价方法能够快速有效地评价土体的抗风蚀性能,但该土体风蚀测试系统的风机的风源不够规范,气体未进行降速、整流和提速处理,而且未设计风速控制装置和风速测量装置,使得风蚀装置的风速无法成为变量,在模拟自然风对土遗址的侵蚀时不够全面;
(2)中国专利申请“一种土遗址专用风蚀模拟装置”(申请号:201610278478.X)中公开采用风速控制系统和沙尘加注部件模拟不同风速和携沙风来研究土建筑遗址在风蚀作用下的破坏作用,但该土遗址专用风蚀模拟装置的沙尘加注部件未区分沙子级配,使得模拟环境与真实土遗址工况相去较远,并且该土遗址专用风蚀模拟装置未设置沙尘收集仪器和遗址土试块测量仪器,在间接测量下会导致数据不够准确;
(3)中国专利申请“一种土遗址专用雨蚀模拟装置”(申请号:201610275323.0)中公开采用压力变送器提供的水压值和流量计提供的水流量值控制雨量,可通过喷嘴切换档位器调整喷雨的方向实现降雨的模拟用于土遗址雨蚀破坏机制研究,但问题在于喷嘴提供的雨滴没有结合风沙环境,因此该土遗址专用雨蚀模拟装置同以上两个发明一样,不能满足风蚀雨蚀综合作用下的土遗址侵蚀情况。另外,该土遗址专用雨蚀模拟装置不能收集雨水,也不能测量雨蚀前后土遗址试块的重量和含水率等。
综上,现有模拟装置存在的问题是:在保证风速变量控制时无法实现降雨强度变量的准确模拟或在保证降雨强度变量控制时无法实现风速变量的准确模拟,以及单一的沙子粒径在模拟西北地区不同沙蚀环境对土遗址本体的侵蚀和破坏时尚欠不足,而且现有风蚀雨蚀模拟装置不能模拟土遗址所处的风沙雨综合侵蚀的地理环境。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明提供了一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,以解决现有模拟装置无法全面模拟风沙雨环境下风蚀和雨蚀作用后土体变化情况的技术问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
本发明提供了一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,包括风源、风蚀试验装置及雨蚀试验装置;
所述风源,用于向所述风蚀试验装置及所述雨蚀试验装置,提供气流;
所述风蚀试验装置,包括风蚀实验箱及注沙机构;所述风蚀实验箱为中空的箱体结构,所述风蚀实验箱的一端设置有第一进风口,另一端设置有连通口;所述第一进风口与所述风源的出风口连通;所述连通口用于与所述雨蚀试验装置连通;所述注沙机构,安装在所述风蚀实验箱的侧壁上;所述注沙机构,用于向所述风蚀实验箱内注入沙粒;其中,所述注沙机构的出沙口位于所述风蚀实验箱的第一进风口的上方;所述风蚀实验箱内设置有第一试验土块;
所述雨蚀试验装置,包括雨蚀实验箱、雨滤网及注雨机构;所述雨蚀实验箱设置在所述风蚀实验箱的一侧,且为中空的箱体结构;所述雨蚀实验箱的一端设置有第二进风口,所述第二进风口与所述连通口连通设置;所述雨蚀实验箱内设置有第二试验土块;所述雨滤网设置在雨蚀实验箱的侧壁上,并位于所述第二进风口处;所述注雨机构设置在所述雨蚀实验箱的上方;所述注雨机构,用于向所述雨滤网提供雨水源;所述雨滤网,用于雨水滴的传送和保存雨滴,以将雨水滴均匀分布在所述第二进风口处。
进一步的,所述风源包括中心轴线重合设置的风机、降速腔、整流腔及提速腔;
所述风机的出风口与所述降速腔的一端连接,所述降速腔的另一端与所述整流腔的一端连接,所述整流腔的另一端与所述提速腔的一端连接,所述提速腔的另一端与所述风蚀实验箱的第一进风口连接;
所述风机,用于提供原始气流源;所述降速腔,用于对所述原始气流源进行降速处理,得到较低风速的气流;所述整流腔,用于对所述较低速对气流进行整流处理,得到整流后的气流;所述提速腔,用于对所述整流后的气流进行整流处理,得到较高风速的气流;所述较高风速的气流,用于通入所述风蚀实验箱和雨蚀实验箱内。
进一步的,所述降速腔包括降速腔本体;所述降速腔本体为两端开口的中空腔体结构;所述降速腔本体的一端为小开口端,另一端为大开口端;所述小开口端与所述风机的出风口连通,所述大开口端用于与所述整流腔连通;其中,所述降速腔本体的水平纵向轮廓为呈指数分布的曲面轮廓;
所述整流腔包括整流腔本体、大小角度导流网及水平导流网;所述整流腔本体为两端开口的中空腔体结构;所述整流腔本体的一端与所述大开口端连通,另一端用于与提速腔连通;所述大小角度导流网及所述水平导流网间隔设置在所述整流腔本体内,所述大小角度导流网靠近所述降速腔一端设置,所述水平导流网靠近所述提速腔一端设置;
所述大小角度导流网,包括圆锥状的导流网本体;所述圆锥状的导流网本体的中心轴线与所述整流腔本体的水平轴线重合;所述圆锥状的导流网本体的一端与所述整流腔本体的一端内壁固定,所述圆锥状的导流网本体的另一端向所述整流腔本体的另一端延伸;所述圆锥状的导流网本体上均匀分布有若干第一导流网孔;其中,所述第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角,沿所述整流腔本体的水平轴线延伸方向依次减小;
所述水平导流网,包括平面导流网本体;所述平面导流网本体竖向设置在所述整流腔本体内;所述平面导流网本体上均匀设置有若干第二导流网孔,所述第二导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线平行;
所述提速腔,包括提速腔本体及两个变风速挡板;所述提速腔本体为两端开口的中空腔体结构,所述提速腔本体的一端与所述整流腔本体连通,所述提速腔本体的另一端用于与所述风蚀实验箱连通;两个变风速挡板上下对称设置在所述提速腔本体内,所述变风速挡板的一端与所述提速腔本体的内壁转动连接,另一端向所述提速腔本体的水平中心轴线方向延伸。
进一步的,所述注沙机构,包括从上到下依次设置的注沙口、滤沙腔、分沙腔、集沙腔及注沙管;
所述注沙口为上下开口的腔体结构;所述注沙口内划分有若干注沙空间,用于倾注不同粒径的沙粒;所述滤沙腔划分有若干滤沙空间,所述分沙腔内划分有若干分沙空间;所述注沙空间、滤沙空间及分沙空间上下一一对应设置;
其中,每个滤沙空间内竖向均匀设置有若干滤沙管;所述滤沙管的上端与对应的注沙空间的下端连通,所述滤沙管的下端与对应的分沙空间的上端连通;每个分沙空间内均设置有用于筛分沙粒的滤网,每个分沙空间的下端出口处均设置有分沙开关;
所述集沙腔的上端与所有分沙空间的下端出口连通,所述集沙腔的下端与所述注沙管的上端连通,所述注沙管的下端延伸至所述第一进风口处,所述注沙管上设置有注沙开关。
进一步的,所述雨滤网,包括雨水导流板、雨滤网支撑板及雨水导流网;所述雨滤网支撑板竖向设置在所述雨蚀实验箱的侧壁上,并位于所述第二进风口一侧设置;
所述雨水导流板倾斜设置在所述雨滤网支撑板的上端,所述雨水导流板的下端与雨滤网支撑板侧面固定,所述雨水导流板的上端向远离所述雨滤网支撑板表面方向延伸;其中,所述雨水导流板与所述雨滤网支撑板之间,形成集水空间;
所述雨滤网支撑板的上端均匀设置有若干导流槽,所述雨滤网支撑板的下端开设滤网安装通口;所述导流槽竖向设置,并沿所述雨滤网支撑板的延伸方向均匀分布;所述导流槽的上端与所述集水空间的底部连通,所述导流槽的下端延伸至所述滤网安装通口的顶端;
所述滤网安装通口正对所述第二进风口设置,所述雨水导流网竖向设置在所述滤网安装通口处;所述雨水导流网为纵横交错的网状结构,所述雨水导流网的网格节点上设置有若干导流网凸起;所述导流网凸起,用于对沿所述雨水导流网下落的水滴进行存储;其中,所述若干导流网凸起呈梅花状分布在所述雨水导流网的外侧,并靠近所述第二试验土块一侧设置。
进一步的,所述注雨机构,包括导流管、雨量控制器及雨水泵;所述雨水泵的进水口端与外接水源连接,所述雨水泵的出水口端与所述导流管的一端连接,所述导流管的另一端与所述雨滤网的进水端连通;所述雨量控制器设置在所述导流管上,用于控制所述导流管内的水流流量。
进一步的,所述风蚀试验装置,还包括第一试验台及集沙箱;所述第一试验台固定设置在所述风蚀实验箱内,并远离所述第一进风口一端设置;所述第一试验土块设置在所述第一试验台上,所述第一试验台,能够实时测量所述第一试验土块的重量;所述集沙箱设置在所述风蚀实验箱内,并紧贴设置在所述第一试验台的侧边,用于收集所述注沙机构注入的多余沙粒和第一试验土块经风蚀剥落的沙土。
进一步的,所述雨蚀试验装置,还包括第二试验台及集雨槽;所述第二试验台固定设置在所述雨蚀实验箱内,并远离所述第二进风口一端设置;所述第二试验土块设置在所述第二试验台上,所述第二试验台,能够实时测量所述第二试验土块的重量;所述集雨槽设置在所述雨蚀实验箱内,并紧贴设置在所述第二试验台的侧边,用于收集所述雨滤网注入的多余水滴和所述第二试验土块经雨蚀剥落后的沙土。
进一步的,所述第一试验台及所述第二试验台的结构相同,均采用电子称试验台;
所述电子秤试验台,包括试块固定架、台式电子秤及升降台;所述升降台固定设置在所述风蚀实验箱或所述雨蚀实验箱的底板上;所述台式电子称水平设置在所述升降台的上方,所述试块固定架设置在所述台式电子称上;所述第一试验土块或所述第二试验土块,通过所述试块固定架固定设置在所述台式电子称上。
进一步的,所述雨蚀试验装置,还包括试块烘干室;所述试块烘干室,用于对经过雨蚀后的第二试验土块进行烘干处理;
所述试块烘干室,包括烘干实验箱、烘干灯及排气扇;所述烘干实验箱为无底的中空箱体结构,所述烘干实验箱设置在所述第二试验台的上方,并罩设在所述第二试验土块的外侧;所述烘干实验箱的一侧设置有箱门,所述箱门转动设置在所述烘干实验箱上,并朝向所述第二进风口的一侧设置;所述烘干灯设置在所述烘干实验箱的顶部,所述排气扇设置在所述烘干实验箱的侧壁上,并远离所述箱门一侧设置。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明提供了一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,利用风源向风蚀试验装置和雨蚀试验装置提供气流,作为稳定可控的模拟气流;通过风蚀试验装置实现对试验土块的风蚀作用模拟,通过雨蚀试验装置实现对试验土块的雨蚀作用模拟,避免现有模拟装置仅能满足单一模拟环境的局限性,能够全面模拟风沙雨环境下风蚀和雨蚀共同作用后土体的变化情况,充分考虑降雨造成的干湿循环后对遗址土样风蚀和雨蚀性能的影响,测试结果更接近自然环境影响下遗址土体的风蚀和雨蚀情况,有效提高了模拟试验结果精确度。
进一步的,风源采用风机、降速腔、整流腔及提速腔的依次连接成型,利用降速腔实现对原始气流源进行降低,利用整流腔本体中的大小角度导流网及水平导流网,实现对气流的整流;通过在提速腔本体中的变风速挡板的开合调节,实现对输出气流风速可调,并为风蚀试验和雨蚀试验提供均匀稳定的气流场。
进一步的,将注沙机构设置为从上到下依次设置的注沙口、滤沙腔、分沙腔、集沙腔及注沙管,实现向风蚀实验箱内提供不同体积、不同粒径的沙粒,确保了实验条件的精确性,提高了模拟试验结果的准确度。
进一步的,通过设置导流槽及雨水导流网,确保了雨水滴的均匀传送;同时,通过在雨水导流网上均匀设置导流网突起,实现对雨水滴的暂存。
进一步的,试验台采用电子称试验台,可直接对土样在风蚀过程中的剩余土样进行全过程实时称量,无需对测试后的试块进行再次称重,有效避免了再次称重造成的误差且减少工作量。
附图说明
图1为本发明所述的风蚀-雨蚀模拟系统的整体结构示意图;
图2为本发明中的风源结构示意图;
图3为本发明中的大小角度导流网结构示意图;
图4为本发明中的水平导流网结构示意图;
图5为本发明中的降速腔结构示意图;
图6为本发明中的提速腔结构示意图;
图7为本发明中的电子秤试验台结构示意图;
图8为本发明中的集沙箱结构示意图;
图9为本发明中的雨滤网结构示意图;
图10为本发明中的试块烘干室结构示意图;
图11为本发明中的注沙机构结构示意图;
图12为本发明中的注沙机构剖视图;
图13为本发明中的集雨槽结构示意图。
其中,1风机,2降速腔,3整流腔,4提速腔,5风蚀实验箱,6雨蚀实验箱,7大小角度导流网,8水平导流网,9变风速开关,10变风速挡板,11风速测量仪,12注沙机构,13雨滤网,14集沙箱,15导流管,16注雨机构,17雨量控制器,18雨水泵,19试块烘干室,20试块,21试块固定架,22台式电子秤,23升降台,24集雨槽,25注沙口,26分沙开关,27注沙开关,28集沙箱进沙口,29雨水导流板,30导流槽,31导流网凸起,32雨滤网支撑板,33雨水导流网,34温度计,35烘干灯,36排气扇,37箱门,38集沙腔,39滤沙管,40第一雨水进口,41第二雨水进口。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题,技术方案及有益效果更加清楚明白,以下具体实施例,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如附图1-13所示,本发明提供了一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,以实现全面模拟风沙雨环境下,风蚀及雨蚀共同作用后土遗址土体变化情况;所述用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,包括中心轴线重合且依次相连的风源、风蚀试验装置及雨蚀试验装置;其中,所述风源,用于向所述风蚀试验装置及所述雨蚀试验装置提供稳定且可控风速的气流;所述风蚀试验装置,用于完成试验土块的风蚀作用试验;所述雨蚀试验装置,用于完成试验土块的雨蚀作用试验。
本发明中,所述风源包括水平中心线重合的风机1、降速腔2、整流腔3及提速腔4,所述风机1的出风口雨所述降速腔2的一端连接,所述降速腔2的另一端与所述整流腔3的一端连接,所述整流腔3的另一端与所述提速腔4的一端连接,所述提速腔4的另一端与所述风蚀试验装置连接;其中,所述风机1、降速腔2、整流腔3及提速腔4之间依次通过法兰固定连接在一起;并且,在安装整流腔3之前,将其中的大小角度导流网7及水平导流网8按预设间距安装到位。
所述风机1,用于提供原始气流源;所述降速腔2,用于对所述原始气流源进行降速处理,得到较低风速的气流;所述整流腔3,用于对所述较低速对气流进行整流处理,得到整流后的气流;所述提速腔4,用于对所述整流后的气流进行整流处理,得到较高风速的气流;所述较高风速的气流,用于通入所述风蚀实验箱5和雨蚀实验箱6内。
所述降速腔2包括降速腔本体;所述降速腔本体为两端开口的中空腔体结构;所述降速腔本体的一端为小开口端,另一端为大开口端;所述小开口端与所述风机1的出风口连通,所述大开口端用于与所述整流腔3连通;
所述降速腔本体的水平纵向轮廓为呈指数分布的曲面轮廓,所述呈指数分布的曲面轮廓满足预设的指数曲线方程;通过将所述降速腔本体的水平纵向轮廓设计为呈指数分布的曲面轮廓,有效避免避免对气流流动的感染,减小气流在降速过程时的能量损失,保证气流在提速腔4提速时,达到预设的提速目标。
其中,所述预设的指数曲线方程为:
f(x)=ax
其中,x为降速腔截面曲线上某点距离降速腔与风机连接的端口的距离;a为常数;f(x)为降速腔截面曲线上某点距离降速腔中心轴线的距离。
所述整流腔3包括整流腔本体、大小角度导流网7及水平导流网8;所述整流腔本体为两端开口的中空腔体结构;所述整流腔本体的一端与所述大开口端连通,另一端用于与提速腔4连通;所述大小角度导流网7及所述水平导流网8间隔设置在所述整流腔本体内,所述大小角度导流网7靠近所述降速腔2一端设置,所述水平导流网8靠近所述提速腔4一端设置。
所述大小角度导流网7,包括圆锥状的导流网本体;所述圆锥状的导流网本体的中心轴线与所述整流腔本体的水平轴线重合;所述圆锥状的导流网本体的一端与所述整流腔本体的一端内壁固定,所述圆锥状的导流网本体的另一端向所述整流腔本体的另一端延伸;所述圆锥状的导流网本体上均匀分布有若干第一导流网孔;其中,所述第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角,沿所述整流腔本体的水平轴线延伸方向依次减小;所述水平导流网8,包括平面导流网本体;所述平面导流网本体竖向设置在所述整流腔本体内;所述平面导流网本体上均匀设置有若干第二导流网孔,所述第二导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线平行。
所述大小角度角度导流网7与水平导流网8之间的间隔距离为所述整流腔本体水平纵向长度的三分之一;所属整流腔本体的轴向尺寸大于所述降速腔本体的轴向尺寸;所述第一导流网孔与所述第一导流网孔均为规格的5mm×5mm网孔;所述圆锥状的导流网本体的一端为正方形,并与所述整流腔本体的内壁固定;所述第一导流网孔在所述圆锥状的导流网本体上呈发散式倾斜设置;所述第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角,沿所述整流腔本体的水平轴线延伸方向依次减小,呈收缩趋势,可引导所述整流腔本体内的气流流向;其中,靠近所述整流腔本体进口端的第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角大于30°设置,远离所述整流腔本体进口端的第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角设置在10°-20°之间;所述第二导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角为0°。
所述提速腔4,包括提速腔本体及两个变风速挡板10;所述提速腔本体为两端开口的中空腔体结构,所述提速腔本体的一端与所述整流腔本体连通,所述提速腔本体的另一端用于与所述风蚀实验箱5连通;两个变风速挡板10上下对称设置在所述提速腔本体内,所述变风速挡板10的一端与所述提速腔本体的内壁转动连接,另一端向所述提速腔本体的水平中心轴线方向延伸;其中一个变风速挡板10的尺寸大小与所述提速腔本体的上壁面尺寸相匹配,并且该变风速挡板10的转动端与所述提速腔本体的上壁面内侧通过活动轴连接;另一个变风速挡板10的尺寸大小与所述提速腔本体的下壁面尺寸相匹配,并且该变风速挡板10的转动端与所述提速腔本体的下壁面内侧通过活动轴连接,通过调节变风速挡板10向上或向下的倾斜角度,以实现风速控制。
所述变风速挡板10与所述提速腔本体之间还设置有变风速开关9;所述变风速开关9包括开关螺栓及开关螺母;所述开关螺栓设置在所述变风速挡板10的上侧或下侧,所述开关螺栓的一端与所述变风速挡板10连接,另一端贯穿所述提速腔本体的上壁面或下壁面,并延伸至所述提速腔本体的外侧;所述开关螺栓与所述变风速挡板10的转动端之间的距离为所述变风速挡板10长度的三分之一,即所述开关螺栓安装在所述变风速挡板10的左侧三分之一处;所述开关螺母,设置在所述提速腔本体的上壁面外侧或下壁面外侧,所述开关螺栓的延伸段配合设置在所述开关螺母内;其中,所述开关螺栓上设置有刻度尺寸标记,所述刻度尺寸标记的标法根据两个变风速挡板与所述提速腔本体的上下壁形成相同角度时实现,即通过拧动两个开关螺母使其具有相同刻度时保证两个变风速挡板开合而且关于提速腔本体的水平中心轴线对称,进而稳定提升风速。
本发明中所述风蚀试验装置,包括风蚀实验箱5、风速测量仪11、注沙机构12、第一试验台及集沙箱14;所述风蚀实验箱5为中空的箱体结构,所述风蚀实验箱5的一端设置有第一进风口,另一端设置有连通口;所述第一进风口与所述风源的出风口连通;所述连通口用于与所述提速腔本体的出口端连接。
所述风速测量仪11用于监测所述风蚀实验箱5内的气流风速;所述注沙机构12,安装在所述风蚀实验箱5的侧壁上;所述注沙机构12,用于向所述风蚀实验箱5内注入沙粒;其中,所述注沙机构12的出沙口位于所述风蚀实验箱5的第一进风口的上方;所述风蚀实验箱5内设置有第一试验土块;所述第一试验台固定设置在所述风蚀实验箱5内,并远离所述第一进风口一端设置;所述第一试验土块设置在所述第一试验台上;所述第一试验台能够实时测量所述第一试验土块的重量;所述集沙箱14设置在所述风蚀实验箱5内,并紧贴设置在所述第一试验台的侧边,用于收集所述注沙机构12注入的多余沙粒和第一试验土块经风蚀剥落的沙土。
所述风速测量仪11采用现有的风速监测仪,包括测量主机及传感器,所述测量主机固定设置在所述风蚀实验箱5的侧壁预设高度位置处;所述传感器设置在所述风蚀实验箱5内,并置于所述风蚀实验箱5的中轴线上,确保准确受风而便于进行风速监测。
所述注沙机构12,包括从上到下依次设置的注沙口25、滤沙腔、分沙腔、集沙腔38及注沙管;所述注沙口25为上下开口的腔体结构;所述注沙口25内划分有若干注沙空间,用于倾注不同粒径的沙粒;所述滤沙腔划分有若干滤沙空间,所述分沙腔内划分有若干分沙空间;所述注沙空间、滤沙空间及分沙空间上下一一对应设置;其中,每个滤沙空间内竖向均匀设置有若干滤沙管39;所述滤沙管39的上端与对应的注沙空间的下端连通,所述滤沙管39的下端与对应的分沙空间的上端连通;每个分沙空间内均设置有用于筛分沙粒的滤网,每个分沙空间的下端出口处均设置有分沙开关26;所述集沙腔38的上端与所有分沙空间的下端出口连通,所述集沙腔38的下端与所述注沙管的上端连通,所述注沙管的下端延伸至所述第一进风口处,所述注沙管上设置有注沙开关27。
本发明中,所述注沙机构12设置在风蚀实验箱5的上壁左端的第一进风口处,所述注沙管的出口段插入所述风蚀实验箱5内,且插入长度为所述注沙管总长度的一半;所述注沙口25中设置有三个或三个以上的注沙空间,用于筛分三种或三种以上不同粒径的沙土;所述分沙开关26的个数所述所述注沙空间的个数相匹配;所述集沙腔38的外壁设置有容量刻度值,以此预先控制加沙量;所述注沙开关27,用于试验开始后控制向所述风蚀实验箱5内的加入沙土量;所述风蚀实验箱5通过法兰与所述提速腔本体连接,所述风蚀实验箱5的尺寸与所述提速腔本体的尺寸相匹配;所述风蚀实验箱5的侧壁设置有可以打开的活动门,以便于试验时调整风蚀实验箱内部的设备结构,例如:调整第一试验台的高度、安装第一试验土块及取放集沙箱等;风蚀实验箱5的上壁左端中部,设置有矩形洞口;所述矩形洞口,用于安装所述注沙机构12;所述矩形洞口的尺寸与所述集沙腔38的横截面尺寸相匹配;所述集沙箱14采用薄板钢材焊接而成,用于试验时收集沙子和土块颗粒以便于模拟试验顺利进行;其中,所述集沙箱14的顶部靠近右侧三分之一处设置有集沙箱进沙口28;所述集沙箱14右侧壁为60°的斜面便于集沙,集沙箱14的高度尺寸与升降台23的最低高度尺寸一致;所述集沙箱14的横截面尺寸与风蚀实验箱5的底板尺寸的四分之三相适应。
本发明中所述雨蚀试验装置,包括雨蚀实验箱6、雨滤网13、注雨机构16、试块烘干室19、第二试验台及集雨槽24;所述雨蚀实验箱6设置在所述风蚀实验箱5的一侧,且为中空的箱体结构;所述雨蚀实验箱6的一端设置有第二进风口,所述第二进风口与所述连通口连通设置;所述雨蚀实验箱6内设置有第二试验土块;所述雨滤网13设置在雨蚀实验箱6的侧壁上,并位于所述第二进风口处;所述注雨机构16设置在所述雨蚀实验箱6的上方;所述注雨机构16,用于向所述雨滤网13提供雨水源;所述雨滤网13,用于雨水滴的传送和保存雨滴,以将雨水滴均匀分布在所述第二进风口处;所述第二试验台固定设置在所述雨蚀实验箱6内,并远离所述第二进风口一端设置;所述第二试验土块设置在所述第二试验台上,所述第二试验台,能够实时测量所述第二试验土块的重量;所述集雨槽24设置在所述雨蚀实验箱6内,并紧贴设置在所述第二试验台的侧边,用于收集所述雨滤网13注入的多余水滴和所述第二试验土块经雨蚀剥落后的沙土;所述试块烘干室19,用于对经过雨蚀后的第二试验土块进行烘干处理;
所述雨滤网13,包括雨水导流板29、雨滤网支撑板32及雨水导流网33;所述雨滤网支撑板32竖向设置在所述雨蚀实验箱6的侧壁上,并位于所述第二进风口一侧设置;所述雨水导流板29倾斜设置在所述雨滤网支撑板32的上端,所述雨水导流板29的下端与雨滤网支撑板29侧面固定,所述雨水导流板29的上端向远离所述雨滤网支撑板32表面方向延伸;其中,所述雨水导流板29与所述雨滤网支撑板32之间,形成集水空间;所述雨滤网支撑板32的上端均匀设置有若干导流槽30,所述雨滤网支撑板32的下端开设滤网安装通口;所述导流槽30竖向设置,并沿所述雨滤网支撑板32的延伸方向均匀分布;所述导流槽30的上端与所述集水空间的底部连通,所述导流槽30的下端延伸至所述滤网安装通口的顶端;所述滤网安装通口正对所述第二进风口设置,所述雨水导流网33竖向设置在所述滤网安装通口处;所述雨水导流网33为纵横交错的网状结构,所述雨水导流网33的网格节点上设置有若干导流网凸起31;所述导流网凸起31,用于对沿所述雨水导流网33下落的水滴进行存储;其中,所述若干导流网凸起31呈梅花状分布在所述雨水导流网33的外侧,并靠近所述第二试验土块一侧设置。
所述注雨机构16,包括导流管15、雨量控制器17及雨水泵18;所述雨水泵18的进水口端与外接水源连接,所述雨水泵18的出水口端与所述导流管15的一端连接,所述导流管15的另一端与所述雨滤网13的进水端连通;所述雨量控制器17设置在所述导流管15上,用于控制所述导流管15内的水流流量。
所述试块烘干室19,包括烘干实验箱、烘干灯35、排气扇36及温度计34;所述烘干实验箱为无底的中空箱体结构,所述烘干实验箱设置在所述第二试验台的上方,并罩设在所述第二试验土块的外侧;所述烘干实验箱的一侧设置有箱门37,所述箱门37转动设置在所述烘干实验箱上,并朝向所述第二进风口的一侧设置;所述烘干灯35设置在所述烘干实验箱的顶部,所述排气扇36设置在所述烘干实验箱的侧壁上,并远离所述箱门37一侧设置;温度计34设置在所述烘干实验箱内,用于测量所述第二试验土块烘干前后所述烘干实验箱的室内温度;所述试块烘干室19,用于雨蚀实验后烘干试块;其中,烘干实验箱的尺寸与台式电子秤的尺寸相匹配。
本发明中,所述注雨机构16设置在所述雨蚀实验箱的上部;其中,所述雨泵18用于提供雨水源;所述雨量控制器17用于实验时控制降雨强度,导流管15采用于输送雨水;所述雨滤网13中,所述雨滤网支撑板32采用薄钢板制作而成,所述雨水导流网33采用纵横交错的钢丝网;通过在所述雨水导流网33及其上呈梅花状分布的导流网凸起31,用于传动和储存雨滴;所述雨滤网13的高度尺寸与所述雨蚀实验箱6的高度相匹配,并固定设置在所述雨蚀实验箱6的左侧端部;所述雨水导流板29倾斜45°设置在所述雨滤网支撑板32的上端,所述雨水导流板29的长度尺寸为所述雨滤网支撑板32的高度的二十分之一,用于连接所述导流管15与所述导流槽30;所述导流槽30的高度尺寸为所述雨滤网支撑板32高度尺寸的十分之一,用于将雨水顺利导入雨水导流网33,所述雨水导流网33的网格上按梅花式布置有朝向右侧的5mm圆锥形的导流网凸起31,用于存储雨滴;所述雨水导流网33的宽度尺寸要大于第二试验土块的尺寸且网格尺寸为10mm。
所述雨蚀实验箱6通过法兰与风蚀实验箱5连接,且所述雨蚀实验箱6的尺寸与所述风蚀实验箱5的尺寸相匹配;所述雨蚀实验腔6的侧壁设置为可以打开的活动门便于实验时调整内部装置;所述集雨槽24用于收集实验时产生的雨水和沙土,所述集雨槽24同所述集沙箱14类似且尺寸相匹配;其中,所述集雨槽24的上端一侧设置有第一雨水进口40,所述集雨槽24的上端另一侧设置有第二雨水进口41;所述第一雨水进口40位于所述雨滤网13的下方,用于收集实验时的雨水,所述第二雨水进口41靠近所述第二试验土块一侧设置,用于收集雨蚀后的沙土;所述试块烘干室19用于雨蚀实验后烘干第二试验土块,所述试块烘干室19设置于第二试验台上;所述烘干实验箱采用钢化玻璃制成且左侧设置为可打开的箱门37便于进行风蚀及雨蚀试验和烘干操作,烘干灯采用红外线烘干灯设置于烘干实验腔顶部的右端,温度计34采用量程为-20℃-110℃的实验温度计,用于测量烘干前后的室内温度。
本发明中,所述第一试验台与所述第二试验台的结构相同,均采用电子称试验台;所述电子秤试验台,包括试块固定架21、台式电子秤22及升降台23;所述升降台23固定设置在所述风蚀实验箱5或所述雨蚀实验箱6的底板上;所述台式电子称22水平设置在所述升降台23的上方,所述试块固定架21设置在所述台式电子称22上;试块20通过所述试块固定架21固定设置在所述台式电子称22上;其中,所述试块20为所述第一试验土块或所述第二试验土块;所述升降台23采用不锈钢手动控制实验升降台,用于不同风速时调整试块20受风高度。
针对所述第一试验台中,升降台23设置于风蚀实验箱5底部靠近右端的位置,升降台尺寸相当于风蚀实验箱5尺寸的四分之一左右;台式电子秤22采用实验室专用电子秤用于实时测量试块的质量,台式电子秤22设置于升降台23上靠近风蚀实验腔5的右端且尺寸与升降台23尺寸相匹配;试块固定架21用于固定土体试块20,采用薄板钢材焊接而成设置于台式电子秤23上,试块固定架21两侧长度为立方体试块20的三分之二,中间高度为立方体试块20的三分之二,后部的支撑为等腰直角三角形。
针对所述第二试验台中,升降台23与所述风蚀实验箱5中的升降台23一致;台式电子秤22与所述风蚀实验箱5中的台式电子秤22一致;试块固定架21与所述风蚀实验箱5的试块固定架21一致;所述烘干试验箱的尺寸与所述台式电子秤22尺寸相匹配。
模拟试验方法:
利用所述的用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,进行模拟试验时,其主要操作流程为:
(1)在进行风蚀实验时,对于第一级风速,首先打开风机1和风速测量仪11,读取风速数据,通过调整变风速开关9获取需要的第一级风速;然后安装第一试验土块,调整第一试验台中的升降台23至合适高度;注沙流程为取下注沙机构12,先向最低一级筛孔注沙,在集沙腔38读取需要的沙量,在向下一级的筛孔注沙,读取集沙腔38的读数获取这一级的沙量,类似往下操作,获取需要的沙子级配存于集沙腔38内;然后固定第一试验土块进行风蚀实验,在预设的风蚀时间后读取台式电子秤22的数据,获取及时的风蚀实验数据。
(2)在进行雨蚀实验时,对于第一级风速,首先打开风机1和风速测量仪11,读取风速数据,通过调整变风速开关9获取需要的第一级风速,然后安装第二试验土块,调整第二试验台中的升降台23至合适高度;注雨流程为先通过雨水泵18内注入需要的自来水雨量,再打开风机1进行雨蚀实验,一级雨量实验完成后读取台式电子秤22的数据,然后烘干再进行台式电子秤22数据的读取;类似往下操作,设置第二级风速,调整升降台23至合适高度进行第二级雨量的雨蚀实验,获取及时的雨蚀实验数据。
(3)在进行风蚀雨蚀一体实验时,对于第一级风速,首先打开风机1和风速测量仪11,读取风速数据,通过调整变风速开关9获取需要的第一级风速,然后安装第一试验土块和第二试验土块,分别调整第一试验台和第二试验台中的升降台23至合适高度;注沙流程为取下注沙部件12,先向最低一级筛孔注沙,在集沙腔38读取需要的沙量,在向下一级的筛孔注沙,读取集沙腔38的读数获取这一级的沙量,类似往下操作,获取需要的沙子级配存于集沙腔38内;注雨流程为取下注雨部件16,先向雨泵18内装满自来水,安装至雨蚀实验腔6的上部;然后打开风机1进行雨蚀实验,在预设雨蚀时间后读取台式电子秤22的数据,获取及时的试块数据,在读取温度计34数据后关闭烘干室箱门37进行烘干,烘干至原始温度后打开箱门37读取台式电子秤22的数据,获取试块20的及时数据,然后类似进行下一级实验。
工作原理:
本发明所述的风蚀雨蚀模拟系统,通过依次设置风源、风蚀试验装置及雨蚀试验装置;其中,风机作为气流源,由于风机产生的气流不稳定,不符合风洞试验要求,因此需要设计降速腔、整流腔和提速腔;降速腔的纵向轮廓曲线呈指数分布,即满足预设的指数曲线方程,其作用是避免壁面对气流流动的干扰,减小气流在降速时的能量损失,保证气流在提速腔提速时达到预期效果,为风蚀实验和雨蚀实验提供均匀稳定的气流场;通过风蚀试验装置实现对试验土块的风蚀作用模拟,通过雨蚀试验装置实现对试验土块的雨蚀作用模拟,避免现有模拟装置仅能满足单一模拟环境的局限性,实现全面模拟风沙雨环境下风蚀和雨蚀共同作用后土体变化情况的一体装置;能够在进行风蚀实验时同时进行雨蚀实验,直接对试验土块在风蚀过程中的剩余土样进行全过程实时称量,无需对测试后的试块进行再次称重,有效避免了再次称重造成的误差且减少工作量;通过在雨蚀实验前后开启烘干灯,能够充分考虑降雨造成的干湿循环后对土样风蚀性能的影响,因此测试结果更接近自然环境影响下遗址土体的风蚀雨蚀情况。
实施例
本实施例提供了一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,包括风源、风蚀试验装置及雨蚀试验装置;所述风源包括水平中心轴线重合的风机1、降速腔2、整流腔3及提速腔4,且风机1、降速腔2、整流腔3和提速腔4首尾依次通过法兰联接;其中,在安装整流腔3前,需将大小角度导流网7和水平导流网8依次按间距三分之一装入整流腔本体内。
所述风机1是风源处理装置的气流源,风机1采用设有导风口的轴流风机,风机1直径20cm;降速腔2的纵向轮廓曲线呈指数分布,即满足预设的指数曲线方程,其作用是避免壁面对气流流动的干扰,减小气流在降速时的能量损失,保证气流在提速腔4提速时达到预期效果。
其中,所述预设的指数曲线方程为:
f(x)=2x
其中,x为降速腔截面曲线上某点距离降速腔与风机连接的端口的距离;f(x)为降速腔截面曲线上某点距离降速腔中心轴线的距离。
所述整流腔3位于所述降速腔2和提速腔4之间,大小角度导流网7和水平导流网8安装在整流腔本体内部;其中,整流腔本体中间隔约三分之一处分别安装大小角度导流网7和水平导流网8;整流腔本体的轴向尺寸大于降速腔2的轴向尺寸的四分之一;
所述整流腔3包括整流腔本体、大小角度导流网7及水平导流网8;所述整流腔本体为两端开口的中空腔体结构;所述整流腔本体的一端与所述大开口端连通,另一端用于与提速腔4连通;所述大小角度导流网7及所述水平导流网8间隔设置在所述整流腔本体内,所述大小角度导流网7靠近所述降速腔2一端设置,所述水平导流网8靠近所述提速腔4一端设置。
所述大小角度导流网7,包括圆锥状的导流网本体;所述圆锥状的导流网本体的中心轴线与所述整流腔本体的水平轴线重合;所述圆锥状的导流网本体的一端与所述整流腔本体的一端内壁固定,所述圆锥状的导流网本体的另一端向所述整流腔本体的另一端延伸;所述圆锥状的导流网本体上均匀分布有若干第一导流网孔;其中,所述第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角,沿所述整流腔本体的水平轴线延伸方向依次减小;所述水平导流网8,包括平面导流网本体;所述平面导流网本体竖向设置在所述整流腔本体内;所述平面导流网本体上均匀设置有若干第二导流网孔,所述第二导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线平行。
所述大小角度角度导流网7与水平导流网8之间的间隔距离为所述整流腔本体水平纵向长度的三分之一;所属整流腔本体的轴向尺寸大于所述降速腔本体的轴向尺寸;所述第一导流网孔与所述第一导流网孔均为规格的5mm×5mm网孔;所述圆锥状的导流网本体的一端为正方形,并与所述整流腔本体的内壁固定;其中,所述正方形的尺寸为40cm×40cm,圆锥状的导流网本体的纵向长度为30cm,并且发散式倾斜;所述第一导流网孔在所述圆锥状的导流网本体上呈发散式倾斜设置;所述第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角,沿所述整流腔本体的水平轴线延伸方向依次减小,呈收缩趋势,可引导所述整流腔本体内的气流流向;其中,靠近所述整流腔本体进口端的第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角为40°设置,远离所述整流腔本体进口端的第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角设置在10°-20°之间;所述第二导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角为0°。
所述提速腔本体内设置两个变风速挡板10和两个变风速开关9,变风速挡板10大小与提速腔本体的上下壁大小相匹配,两个变风速挡板9左侧分别连接到提速腔本体的上下壁的左端通过活动轴连接来保证风速的控制,两个变风速开关9为开关螺栓和开关螺母;其中,所述开关螺栓选用直径为10mm的螺栓,分别设置在两个变风速挡板10的左侧三分之一处;其中,位于上壁的开关螺母紧贴设置在上壁外侧,位于下壁的开关螺母紧贴设置在下壁内侧;两个开关螺栓上刻有刻度,当通过拧动两个开关螺母使其具有相同刻度a时,保证两个变风速挡板10开合而且关于提速腔的中轴线对称使得风速控制在a挡,进而稳定提升风速。
本实施例中,风蚀试验装置包括风速测量仪11、注沙机构12、风蚀实验箱5、升降台、台式电子秤、试块固定架和集沙箱;风速测量仪11采用现有的风速监测仪,规格为TPJ-30-G,包括测量主机和传感器,测量主机固定于风蚀实验腔侧壁二分之一高度处,传感器位于风蚀实验箱5的中轴线上;注沙机构12整体采用钢化玻璃制成,便于观察注沙情况;注沙机构12设置于风蚀实验腔5上壁左端的矩形洞口处;注沙口25设置为有四个用于筛分0.1mm、0.2mm、0.5mm和1mm粒径沙子的注沙空间;分沙腔中的分沙空间设置数目与注沙口25中注沙空间的数目相同且每个分沙空间内部设置筛分0.1mm、0.2mm、0.5mm和1mm粒径沙子的筛孔;集沙腔38外壁设置有容量刻度0-200ml来预先控制加沙量,注沙开关27用于实验开始后控制加沙量。
所述风蚀实验箱5通过法兰与提速腔4连接,风蚀实验箱5的尺寸与提速腔4尺寸相匹配,风蚀实验腔5的侧壁设置为可以打开的活动门以便于实验时调整风蚀试验装置的结构,比如调整升降台、安卸试块和取放集沙箱等;风蚀实验箱5的上壁左端中部设置矩形洞口以便于安装注沙机构12,矩形洞口尺寸与注沙机构12的集沙腔38的横截面尺寸相匹配;升降台采用150mm×150mm不锈钢手动控制实验升降台,可在不同风速时调整试块受风高度6-15cm升降台设置于风蚀实验箱5底部靠近右端的位置,风蚀实验箱5尺寸为升降台的四倍;台式电子秤采用实验室专用电子秤用于实时测量试块的质量,量程3kg,精度0.1g;台式电子秤设置于升降台上靠近风蚀实验腔的右端且尺寸与升降台尺寸相匹配;试块固定架用于固定土体试块,采用薄板钢材焊接而成设置于台式电子秤上,第一试验土块的尺寸为100×100×100mm3的立方块,试块固定架两侧长度为立方体试块的三分之二,中间高度为立方体试块的三分之二,后部的支撑为等腰直角三角形;集沙箱14采用薄板钢材焊接而成用于实验时收集沙子和土块颗粒以便于实验顺利进行,集沙箱14顶部靠近右侧三分之一处设置有集沙箱进沙口28,且右侧为60°的斜面便于集沙,集沙箱14的高度尺寸与升降台的最低高度尺寸一致,横截面尺寸与风蚀实验腔5底部尺寸的四分之三相适应。
本实施例中,雨蚀实验装置包括注雨机构16、雨滤网13、雨蚀实验箱6、集雨槽24、升降台、台式电子秤、试块固定架和试块烘干室19;注雨机构16设置于雨蚀实验箱6的上部,包括雨水泵18、雨量控制器17和导流管15;雨水泵18采用小水泵用于提供雨水源,雨量控制器17用于实验时控制降雨强度,导流管15采用橡胶管用于输送雨水;雨滤网13采用薄钢板和直径为1mm的钢丝网制成用于传送和保存雨滴,雨滤网13高度尺寸与雨蚀实验箱6高度一致为60cm且上下端分别与雨蚀实验箱6的左侧连接。
所述雨滤网13,包括雨水导流板29、雨滤网支撑板32及雨水导流网33;所述雨滤网支撑板32竖向设置在所述雨蚀实验箱6的侧壁上,并位于所述第二进风口一侧设置;所述雨水导流板29倾斜设置在所述雨滤网支撑板32的上端,所述雨水导流板29的下端与雨滤网支撑板29侧面固定,所述雨水导流板29的上端向远离所述雨滤网支撑板32表面方向延伸;其中,所述雨水导流板29与所述雨滤网支撑板32之间,形成集水空间;所述雨滤网支撑板32的上端均匀设置有若干导流槽30,所述雨滤网支撑板32的下端开设滤网安装通口;所述导流槽30竖向设置,并沿所述雨滤网支撑板32的延伸方向均匀分布;所述导流槽30的上端与所述集水空间的底部连通,所述导流槽30的下端延伸至所述滤网安装通口的顶端;所述滤网安装通口正对所述第二进风口设置,所述雨水导流网33竖向设置在所述滤网安装通口处;所述雨水导流网33为纵横交错的网状结构,所述雨水导流网33的网格节点上设置有若干导流网凸起31;所述导流网凸起31,用于对沿所述雨水导流网33下落的水滴进行存储;其中,所述若干导流网凸起31呈梅花状分布在所述雨水导流网33的外侧,并靠近所述第二试验土块一侧设置。
所述雨水导流板29倾斜45°设置在所述雨滤网支撑板32的上端,所述雨水导流板29的长度尺寸为所述雨滤网支撑板32的高度的二十分之一,用于连接所述导流管15与所述导流槽30;所述导流槽30的高度尺寸为所述雨滤网支撑板32高度尺寸的十分之一,用于将雨水顺利导入雨水导流网33,所述雨水导流网33的网格上按梅花式布置有朝向右侧的5mm圆锥形的导流网凸起31,用于存储雨滴;所述雨水导流网33的宽度尺寸要大于第二试验土块的尺寸且网格尺寸为10mm。
所述导流网凸起31采用不锈钢制成,整体呈圆台形,其底面焊接于雨水导流网33的网格节点上;雨水导流网33的宽度尺寸大于第二试验土块的尺寸,雨水导流网33的宽度尺寸为60cm,且网格尺寸为10mm;雨蚀实验箱6通过法兰与风蚀实验箱5连接,且尺寸与风蚀实验箱5尺寸相同,截面都为60cm×60cm的正方形;雨蚀实验箱6的侧壁设置为可以打开的活动门,便于雨蚀实验时调整内部装置进行下一步实验和处理意外情况;集雨槽24用于收集实验时产生的雨水和沙土,集雨槽24同集沙箱14类似且尺寸相匹配,集雨槽24上部两端各设置三分之一的洞口分别用于连接雨滤网13和收集雨水沙土;升降台与风蚀实验箱5中的升降台一致;台式电子秤与风蚀实验箱5中的台式电子秤一致;试块固定架与风蚀实验箱5中的试块固定架一致;试块烘干室19用于雨蚀实验后烘干试块,试块烘干室19设置于台式电子秤上且尺寸与台式电子秤尺寸相匹配;试块烘干室19包括烘干实验箱、烘干灯35、温度计34和排气扇36,烘干实验箱采用钢化玻璃制成且左侧设置为可打开的活动门便于进行风蚀雨蚀试验和烘干操作,烘干灯采用红外线烘干灯设置于烘干实验腔顶部的右端,温度计34采用量程为-20℃-110℃的实验温度计,设置于烘干实验腔的上壁左侧,用于测量烘干前后的室内温度。
主要操作流程为:
(1)在进行风蚀实验时,对于第一级风速a,首先打开风机1和风速测量仪11,读取风速数据a,通过调整变风速开关9获取需要的第一级风速a,然后安装第一试验土块,调整风蚀试验箱内的升降台至合适高度b;注沙流程为取下注沙机构12,先向最低一级筛孔0.1mm注沙,在集沙腔38读取需要的沙量S0.1,在向下一级0.2mm的筛孔注沙,读取集沙腔38的读数获取这一级的沙量S0.2,类似往下操作,获取需要的沙子级配存于集沙腔38内;然后安装试块20进行风蚀实验,在一定风蚀时间后读取台式电子秤的数据,获取及时的试块数据。
(2)在进行雨蚀实验时,对于第一级风速a,首先打开风机1和风速测量仪11,读取风速数据a,通过调整变风速开关9获取需要的第一级风速a,然后安装第二试验土块,调整雨蚀试验箱内的升降台至合适高度b;注雨流程为:先通过雨泵18内注入需要的自来水雨量Y1,再打开风机1进行雨蚀实验,一级雨量实验完成后读取台式电子秤的数据,然后烘干再进行台式电子秤数据的读取。类似往下操作,设置第二级风速a2,调整升降台至合适高度进行第二级雨量Y2的雨蚀实验,获取及时的雨蚀实验数据。
(3)在进行风蚀雨蚀一体实验时,对于第一级风速a,首先打开风机1和风速测量仪11,读取风速数据a,通过调整变风速开关9获取需要的第一级风速a,然后安装第一及第二试验土块,调整升降台23至合适高度;注沙流程为取下注沙机构12,先向最低一级筛孔0.1mm注沙,在集沙腔38读取需要的沙量S0.1,在向下一级0.2mm的筛孔注沙,读取集沙腔38的读数获取这一级的沙量S0.2,类似往下操作,获取需要的沙子级配存于集沙腔38内;注雨流程为取下注雨机构16,先通过雨水泵18装满自来水,安装至雨蚀实验腔上部;然后打开风机1进行雨蚀实验,在一定雨蚀时间后读取台式电子秤的数据,获取及时的试块数据,在读取温度计34数据后关闭烘干室箱门37进行烘干,烘干至原始温度后打开箱门37读取台式电子秤读数,获取试块的即时数据,然后类似往下操作,设置第二级风速、沙量和雨量,进行下一级风蚀雨蚀一体实验。
本实施例中,将中心轴线重合的风机、降速腔、整流腔和提速腔首尾依次通过法兰联接,并加入大小角度导流网和水平导流网,顺利地发挥了风源处理装置的降速、整流和提速功能;沙尘的加注机构对沙子的级配区分解决了沙源和注沙的问题,风速测量装置解决了变风速挡板提速后的风速准确控制问题;风蚀实验和雨蚀实验的一体测量,加上直接在实验过程中对剩余土样进行全过程实时称量和雨水烘干收集问题,有效避免了再次称重造成的误差且使得工作量减少;装置轻巧,便于携带,易于拆装,既能够为风蚀实验和雨蚀实验提供均匀稳定的气流场,又能够解决土遗址专用风蚀模拟装置和土遗址专用雨蚀模拟装置单一模拟环境的问题,提供了全面模拟风沙雨环境下风蚀和雨蚀共同作用后土体变化情况的一体装置;本发明可直接对土样在风蚀过程中的剩余土样进行全过程实时称量,无需对测试后的试块进行再次称重,有效避免了再次称重造成的误差且减少工作量;能够充分考虑降雨造成的干湿循环后对遗址土样风蚀性能的影响,测试结果更接近自然环境影响下遗址土体的风蚀情况。
本发明所述的风蚀-雨蚀模拟系统,旨在解决现有的土体风蚀模拟装置中未处理风源或沙尘加注部件未区分沙子级配的问题,解决现有土体雨蚀模拟装置中风速不是变量和雨蚀前后不能测量土体试块质量和含水率的问题,解决现有的风蚀模拟装置和雨蚀模拟装置不能全面模拟风沙雨环境下风蚀和雨蚀共同作用后的土体变化情况及缺乏真实直接的数据收集的问题;本发明能够充分考虑降雨造成的干湿循环后对遗址土样风蚀雨蚀性能的影响,测试结果更接近自然环境影响下遗址土体的风蚀情况;不仅具有测试遗址土体风蚀雨蚀性能精度高的特点,而且由于实验装置组装方便,安全可靠的操作环境,能够快速、有效地评价遗址土体及生土土体的抗风蚀雨蚀性能,适合大范围使用。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一,本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制,还包括在本发明所公开的技术范围内,任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。
Claims (10)
1.一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,包括风源、风蚀试验装置及雨蚀试验装置;
所述风源,用于向所述风蚀试验装置及所述雨蚀试验装置,提供气流;
所述风蚀试验装置,包括风蚀实验箱(5)及注沙机构(12);所述风蚀实验箱(5)为中空的箱体结构,所述风蚀实验箱(5)的一端设置有第一进风口,另一端设置有连通口;所述第一进风口与所述风源的出风口连通;所述连通口用于与所述雨蚀试验装置连通;所述注沙机构(12),安装在所述风蚀实验箱(5)的侧壁上;所述注沙机构(12),用于向所述风蚀实验箱(5)内注入沙粒;其中,所述注沙机构(12)的出沙口位于所述风蚀实验箱(5)的第一进风口的上方;所述风蚀实验箱(5)内设置有第一试验土块;
所述雨蚀试验装置,包括雨蚀实验箱(6)、雨滤网(13)及注雨机构(16);所述雨蚀实验箱(6)设置在所述风蚀实验箱(5)的一侧,且为中空的箱体结构;所述雨蚀实验箱(6)的一端设置有第二进风口,所述第二进风口与所述连通口连通设置;所述雨蚀实验箱(6)内设置有第二试验土块;所述雨滤网(13)设置在雨蚀实验箱(6)的侧壁上,并位于所述第二进风口处;所述注雨机构(16)设置在所述雨蚀实验箱(6)的上方;所述注雨机构(16),用于向所述雨滤网(13)提供雨水源;所述雨滤网(13),用于雨水滴的传送和保存雨滴,以将雨水滴均匀分布在所述第二进风口处。
2.根据权利要求1所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述风源包括中心轴线重合设置的风机(1)、降速腔(2)、整流腔(3)及提速腔(4);
所述风机(1)的出风口与所述降速腔(2)的一端连接,所述降速腔(2)的另一端与所述整流腔(3)的一端连接,所述整流腔(3)的另一端与所述提速腔(4)的一端连接,所述提速腔(4)的另一端与所述风蚀实验箱(5)的第一进风口连接;
所述风机(1),用于提供原始气流源;所述降速腔(2),用于对所述原始气流源进行降速处理,得到较低风速的气流;所述整流腔(3),用于对所述较低速对气流进行整流处理,得到整流后的气流;所述提速腔(4),用于对所述整流后的气流进行整流处理,得到较高风速的气流;所述较高风速的气流,用于通入所述风蚀实验箱(5)和雨蚀实验箱(6)内。
3.根据权利要求2所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述降速腔(2)包括降速腔本体;所述降速腔本体为两端开口的中空腔体结构;所述降速腔本体的一端为小开口端,另一端为大开口端;所述小开口端与所述风机(1)的出风口连通,所述大开口端用于与所述整流腔(3)连通;其中,所述降速腔本体的水平纵向轮廓为呈指数分布的曲面轮廓;
所述整流腔(3)包括整流腔本体、大小角度导流网(7)及水平导流网(8);所述整流腔本体为两端开口的中空腔体结构;所述整流腔本体的一端与所述大开口端连通,另一端用于与提速腔(4)连通;所述大小角度导流网(7)及所述水平导流网(8)间隔设置在所述整流腔本体内,所述大小角度导流网(7)靠近所述降速腔(2)一端设置,所述水平导流网(8)靠近所述提速腔(4)一端设置;
所述大小角度导流网(7),包括圆锥状的导流网本体;所述圆锥状的导流网本体的中心轴线与所述整流腔本体的水平轴线重合;所述圆锥状的导流网本体的一端与所述整流腔本体的一端内壁固定,所述圆锥状的导流网本体的另一端向所述整流腔本体的另一端延伸;所述圆锥状的导流网本体上均匀分布有若干第一导流网孔;其中,所述第一导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线之间的夹角,沿所述整流腔本体的水平轴线延伸方向依次减小;
所述水平导流网(8),包括平面导流网本体;所述平面导流网本体竖向设置在所述整流腔本体内;所述平面导流网本体上均匀设置有若干第二导流网孔,所述第二导流网孔的网孔轴线与所述整流腔本体的水平轴线平行;
所述提速腔(4),包括提速腔本体及两个变风速挡板(10);所述提速腔本体为两端开口的中空腔体结构,所述提速腔本体的一端与所述整流腔本体连通,所述提速腔本体的另一端用于与所述风蚀实验箱(5)连通;两个变风速挡板(10)上下对称设置在所述提速腔本体内,所述变风速挡板(10)的一端与所述提速腔本体的内壁转动连接,另一端向所述提速腔本体的水平中心轴线方向延伸。
4.根据权利要求1所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述注沙机构(12),包括从上到下依次设置的注沙口(25)、滤沙腔、分沙腔、集沙腔(38)及注沙管;
所述注沙口(25)为上下开口的腔体结构;所述注沙口(25)内划分有若干注沙空间,用于倾注不同粒径的沙粒;所述滤沙腔划分有若干滤沙空间,所述分沙腔内划分有若干分沙空间;所述注沙空间、滤沙空间及分沙空间上下一一对应设置;
其中,每个滤沙空间内竖向均匀设置有若干滤沙管(39);所述滤沙管(39)的上端与对应的注沙空间的下端连通,所述滤沙管(39)的下端与对应的分沙空间的上端连通;每个分沙空间内均设置有用于筛分沙粒的滤网,每个分沙空间的下端出口处均设置有分沙开关(26);
所述集沙腔(38)的上端与所有分沙空间的下端出口连通,所述集沙腔(38)的下端与所述注沙管的上端连通,所述注沙管的下端延伸至所述第一进风口处,所述注沙管上设置有注沙开关(27)。
5.根据权利要求1所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述雨滤网(13),包括雨水导流板(29)、雨滤网支撑板(32)及雨水导流网(33);所述雨滤网支撑板(32)竖向设置在所述雨蚀实验箱(6)的侧壁上,并位于所述第二进风口一侧设置;
所述雨水导流板(29)倾斜设置在所述雨滤网支撑板(32)的上端,所述雨水导流板(29)的下端与雨滤网支撑板(29)侧面固定,所述雨水导流板(29)的上端向远离所述雨滤网支撑板(32)表面方向延伸;其中,所述雨水导流板(29)与所述雨滤网支撑板(32)之间,形成集水空间;
所述雨滤网支撑板(32)的上端均匀设置有若干导流槽(30),所述雨滤网支撑板(32)的下端开设滤网安装通口;所述导流槽(30)竖向设置,并沿所述雨滤网支撑板(32)的延伸方向均匀分布;所述导流槽(30)的上端与所述集水空间的底部连通,所述导流槽(30)的下端延伸至所述滤网安装通口的顶端;
所述滤网安装通口正对所述第二进风口设置,所述雨水导流网(33)竖向设置在所述滤网安装通口处;所述雨水导流网(33)为纵横交错的网状结构,所述雨水导流网(33)的网格节点上设置有若干导流网凸起(31);所述导流网凸起(31),用于对沿所述雨水导流网(33)下落的水滴进行存储;其中,所述若干导流网凸起(31)呈梅花状分布在所述雨水导流网(33)的外侧,并靠近所述第二试验土块一侧设置。
6.根据权利要求1所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述注雨机构(16),包括导流管(15)、雨量控制器(17)及雨水泵(18);所述雨水泵(18)的进水口端与外接水源连接,所述雨水泵(18)的出水口端与所述导流管(15)的一端连接,所述导流管(15)的另一端与所述雨滤网(13)的进水端连通;所述雨量控制器(17)设置在所述导流管(15)上,用于控制所述导流管(15)内的水流流量。
7.根据权利要求1所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述风蚀试验装置,还包括第一试验台及集沙箱(14);所述第一试验台固定设置在所述风蚀实验箱(5)内,并远离所述第一进风口一端设置;所述第一试验土块设置在所述第一试验台上,所述第一试验台,能够实时测量所述第一试验土块的重量;所述集沙箱(14)设置在所述风蚀实验箱(5)内,并紧贴设置在所述第一试验台的侧边,用于收集所述注沙机构(12)注入的多余沙粒和第一试验土块经风蚀剥落的沙土。
8.根据权利要求7所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述雨蚀试验装置,还包括第二试验台及集雨槽(24);所述第二试验台固定设置在所述雨蚀实验箱(6)内,并远离所述第二进风口一端设置;所述第二试验土块设置在所述第二试验台上,所述第二试验台,能够实时测量所述第二试验土块的重量;所述集雨槽(24)设置在所述雨蚀实验箱(6)内,并紧贴设置在所述第二试验台的侧边,用于收集所述雨滤网(13)注入的多余水滴和所述第二试验土块经雨蚀剥落后的沙土。
9.根据权利要求8所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述第一试验台及所述第二试验台的结构相同,均采用电子称试验台;
所述电子秤试验台,包括试块固定架(21)、台式电子秤(22)及升降台(23);所述升降台(23)固定设置在所述风蚀实验箱(5)或所述雨蚀实验箱(6)的底板上;所述台式电子称(22)水平设置在所述升降台(23)的上方,所述试块固定架(21)设置在所述台式电子称(22)上;所述第一试验土块或所述第二试验土块,通过所述试块固定架(21)固定设置在所述台式电子称(22)上。
10.根据权利要求8所述的一种用于土遗址的风蚀-雨蚀模拟系统,其特征在于,所述雨蚀试验装置,还包括试块烘干室(19);所述试块烘干室(19),用于对经过雨蚀后的第二试验土块进行烘干处理;
所述试块烘干室(19),包括烘干实验箱、烘干灯(35)及排气扇(36);所述烘干实验箱为无底的中空箱体结构,所述烘干实验箱设置在所述第二试验台的上方,并罩设在所述第二试验土块的外侧;所述烘干实验箱的一侧设置有箱门(37),所述箱门(37)转动设置在所述烘干实验箱上,并朝向所述第二进风口的一侧设置;所述烘干灯(35)设置在所述烘干实验箱的顶部,所述排气扇(36)设置在所述烘干实验箱的侧壁上,并远离所述箱门(37)一侧设置。
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毛筱霏: "夯筑土体风蚀损化效应及加固保护试验研究", 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 28 August 2015 (2015-08-28) * |
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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