CN115290855A - 一种多功能岩土模型实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能岩土模型实验系统及实验方法，所述岩土模型实验系统，包括风力装置、降雨装置、实验装置、集流装置和数据采集装置；所述降雨装置用于模拟自然降雨，所述实验装置位于降雨装置下方并能够收集降雨装置降落的雨水，所述实验装置包括多个拼接相连的单体实验槽，所述单体实验槽用于放置岩土，所述单体实验槽下方设有坡度升降装置；所述集流装置用于收集从实验装置流出的雨水；所述风力装置包括绕设在降雨装置、实验装置、集流装置和数据采集装置外侧的实验框，所述实验框上设有多个吹风组件。通过上述结构之间的相互配合，以实现在室内模拟自然环境，进行水土流失和滑坡模型实验。

Description

一种多功能岩土模型实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及岩土、环境工程技术领域，具体涉及一种多功能岩土模型实验系统及实验方法。

背景技术

水土流失、滑坡灾害是全球极其关注的两类岩土工程问题。目前，水土流失问题在生态环境治理及修复领域中研究较为广泛。现阶段，专家学者们重点在探究降雨条件下，水土流失的关键影响因素，进而有针对性的提出其水土保持措施和生态修复等科学建议。而滑坡灾害研究重点在于探究降雨诱发滑坡机理，进一步为降雨诱发滑坡预警预报工作提供理论支撑。以上两类专项研究工作，均可通过降雨模型实验等手段，开展相关的物理力学指标监测，实现相应的科学研究。而如何有效实现水土流失、滑坡灾害的模拟，进一步探究其演化机理，是国内外专家学者研究的重点和难点。

目前，常用于水土流失的监测方法主要是定位插钎风蚀强度观测法(简称测钎法)。该方法以操作简单、投入小以及监测简便等特点被广泛应用于小区域水土流失监测，但传统的测钎装置在使用时存在误差大、装置易发生锈蚀破坏、监测指标单一等诸多问题。常用于滑坡灾害的监测方法主要是室外模型实验，由于室外模型实验受场地限制，且存在一定的危险性，因此，亟需要提出一种能进行室内模型实验的多功能岩土模型实验系统。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种多功能岩土模型实验系统及实验方法，旨在提出一种能进行室内模型实验的多功能岩土模型实验系统。

为实现上述目的，本发明提出的多功能岩土模型实验系统，包括风力装置、降雨装置、实验装置、集流装置和数据采集装置；

所述降雨装置用于模拟自然降雨，所述实验装置位于降雨装置下方并能够收集降雨装置降落的雨水，所述实验装置包括多个拼接相连的单体实验槽，所述单体实验槽用于放置岩土，所述单体实验槽下方设有坡度升降装置；所述坡度升降装置用于调节单体实验槽的倾斜角度，用以模拟自然环境中岩土在不同坡度上的水土流失程度；

所述集流装置用于收集从实验装置流出的泥水混合物，通过所述泥水混合物能够对土壤侵蚀程度进行初步判断，所述数据采集装置包括用于监测单体实验槽内的岩土的水土流失情况的监测装置，和用于获取监测装置所监测到的数据的数据集成装置；

所述风力装置包括绕设在降雨装置、实验装置、集流装置和数据采集装置外侧的实验框，所述实验框上设有多个吹风组件，所述吹风组件用于模拟自然风对岩土的影响。

优选的，所述降雨装置包括储水箱、降雨组件和设置在降雨组件四角的升降组件，所述降雨组件包括对称设置的两导轨，两所述导轨之间滑动连接有多根横杆，多根所述横杆上可拆卸连接有多根纵杆，每一所述横杆的一端滑动设置在一导轨上，横杆的另一端滑动设置在另一导轨上，且所述横杆与导轨的滑动连接点设有用于限制横杆滑动的卡扣，每一多数横杆和每一纵杆上连接有多个喷头，各所述喷头分别通过管路与储水箱连通。

优选的，所述储水箱一侧连通有第一水管，所述第一水管背离储水箱的一端管口依次连通有水阀、第二水管、加压泵、第三水管、水表、第四水管、流速控制仪及第五水管，每一所述喷头的进水口均连通有第六水管，每一所述第六水管背离喷头的一端管口与第五水管相连通。

优选的，所述升降组件包括竖向设置的支撑柱，所述支撑柱的顶端设有滑轮，所述支撑柱的柱身上转动设有卷线轮，所述卷线轮背离支撑柱的一侧设有摇臂，所述卷线轮上缠绕有绳索，所述绳索背离卷线轮的一端绕过滑轮与导轨的一端相连，多组升降组件分别分布在每一导轨的两端。

优选的，所述实验装置包括单体试验槽，所述单体试验槽包括底板，所述底板上方两侧可拆卸设有侧板，两所述侧板一端共同通过后板可拆卸相连，另外一端分别可拆卸连接有集流板，两所述集流板背离侧板的一侧相互靠近，两所述集流板背离后板且相靠近的一侧形成供水流出至单体实验槽的集流堰；所述坡度升降装置位于底板下方，且位于背离集流堰的一侧。

优选的，所述集流装置包括上侧开口的集流槽，所述集流槽的箱壁内从上至下依次间隔分布设有多个网孔尺寸依次递减的筛网，所述集流槽为透明结构件，所述集流槽的外壁设置有刻度尺条，所述集流槽的下侧形成有与向集流槽外排水的，所述排水孔通过塞子堵塞；所述集流槽的上侧开口位于集流堰的下方，用于接收集流堰流出的泥水混合物。

优选的，所述监测装置包括分布在单体试验槽的槽壁内的多个含水量传感器、多个孔隙水压力移传感器和多个位移传感器，所述数据集成装置包括单片机，所述单片机分别与每一含水量传感器、每一孔隙水压力移传感器和每一位移传感器电连接和信号连接。

优选的，所述吹风组件包括设置在试验框的框壁上用于往试验框内输送空气的风机，所述试验框的框壁上还开设有风口，所述吹风组件还包括铰接在风口处用于关闭风口的流通门，所述风机与风口的位置相对称，多组吹风组件中的风机的送风方向相互交叉。

本发明还提出的多功能岩土模型实验方法，应用上述任一项所述的多功能岩土模型实验系统，进行水土流失实验和/或滑坡模型实验；

所述水土流失实验包括以下步骤：

将多组单体试验槽相互拼接；

将岩土填放在每一单体实验槽内；

通过坡度升降装置调节单体试验槽的倾斜角度；

调节降雨装置与实验装置之间的间距；

降雨装置朝着实验装置喷洒出雨水；

集流装置收集实验装置流出的物质，并测算该次水土流失径流量；

对集流装置内部的土壤泥沙进行称重，以评估该次土壤侵蚀程度；

数据采集装置采集实验中的各项数据，并对所获取到的数据进行储存；

所述滑坡模型实验包括以下步骤：

将多组单体试验槽相互拼接；

将岩土填放在拼接好的单体实验槽内；

调节降雨组件与实验装置之间的间距；

降雨组件朝着实验装置喷洒出雨水；

通过坡度升降装置调整滑坡模型实验用槽组的坡度，观察并记录不同倾斜坡度上岩土的滑落情况，完成滑坡模型实验。

优选的，所述多功能岩土模型实验方法中的实验参数满足以下条件：

降雨均匀系数C_u计算如(1)-(3)式，其中：C_u为降雨喷洒均匀系数；Δh为喷洒水深的平均离差；h为喷洒水深的平均值；h_i第i个测点的水深，i表示第i个测点，且1≤i≤n。0

本发明的技术方案中，通过风力装置对实验装置进行吹拂，以实现具有风、雨条件下水土流失及滑坡灾害的相关研究，通过多个坡度升降装置设置于每一个单体实验槽正下方，实现模拟坡度对水土流失及滑坡的影响，也可模拟对照不同坡度对水土流失的影响程度，通过调节降雨装置的高度，可实现模拟不同的降雨工况，通过设置集流装置收集土壤泥沙颗粒，以实现土壤侵蚀程度的初步判断，通过上述结构之间的相互配合，以实现在室内模拟自然环境，进行水土流失和滑坡模型实验。

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，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明的整体系统示意图；

图2为本发明的降雨装置结构示意图；

图3为本发明的升降组件结构示意图；

图4为本发明的风力装置结构示意图；

图5为本发明的集流装置结构示意图；

图6为本发明的多组单体实验槽的拼接结构示意图；

图7为本发明的单体实验槽结构示意图；

图8为本发明的数据采集装置结构示意图；

图9为本发明的坡面径流强度随降雨历时的变化过程；

图10为本发明的坡面侵蚀强度随降雨历时的变化过程；

图11为本发明的含水率对降雨响应结果图；

图12为本发明的孔隙水压力对降雨响应结果图。

附图标号说明：

1、降雨装置；11、降雨组件；111、导轨；112、横杆；113、纵杆；114、喷头；115、第五水管；116、流速控制仪；117、第四水管；12、升降组件；121、支撑柱；122、滑轮；123、绳索；124、卷线轮；125、摇臂；13、储水箱；14、第一水管；15、水阀；16、第二水管；17、加压泵；18、第三水管；19、水表；2、集流装置；21、集流槽；21a、排水孔；22、筛网；3、风力装置；31、实验框；32、风机；33、流通门；4、实验装置；41、底板；42、侧板；43、后板；44、集流板；45、坡度升降装置；5、数据采集装置；51、含水量传感器；52、孔隙水压力移传感器；53、位移传感器；54、单片机。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种多功能岩土模型实验系统及实验方法。

请参照图1至图12，该多功能岩土模型实验系统，包括风力装置3、降雨装置1、实验装置4、集流装置2和数据采集装置5；

所述降雨装置1用于模拟自然降雨，所述实验装置4位于降雨装置1下方并能够收集降雨装置1降落的雨水，所述实验装置4包括多个拼接相连的单体实验槽，所述单体实验槽用于放置岩土，所述单体实验槽下方设有坡度升降装置45；所述坡度升降装置45用于调节单体实验槽的倾斜角度，用以模拟自然环境中岩土在不同坡度上的水土流失程度；

所述集流装置2用于收集从实验装置4流出的泥水混合物，通过所述泥水混合物能够对土壤侵蚀程度进行初步判断，所述数据采集装置5包括用于监测单体实验槽内的岩土的水土流失情况的监测装置，和用于获取监测装置所监测到的数据的数据集成装置；

所述风力装置3包括绕设在降雨装置1、实验装置4、集流装置2和数据采集装置5外侧的实验框31，所述实验框31上设有多个吹风组件，所述吹风组件用于模拟自然风对岩土的影响。

本发明的技术方案中，通过风力装置3对实验装置4进行吹拂，以实现具有风、雨条件下水土流失及滑坡灾害的相关研究，通过多个坡度升降装置45设置于每一个单体实验槽正下方，实现模拟坡度对水土流失及滑坡的影响，也可模拟对照不同坡度对水土流失的影响程度，通过调节降雨装置1的高度，可实现模拟不同的降雨工况，通过设置集流装置2收集土壤泥沙颗粒，以实现土壤侵蚀程度的初步判断，通过上述结构之间的相互配合，以实现在室内模拟自然环境，进行水土流失和滑坡模型实验。

请参照附图2，所述降雨装置1包括储水箱13、降雨组件11和设置在降雨组件11四角的升降组件12，所述降雨组件11包括对称设置的两导轨111，两所述导轨111之间滑动连接有多根横杆112，多根所述横杆112上可拆卸连接有多根纵杆113，每一所述横杆112的一端滑动设置在一导轨111上，横杆112的另一端滑动设置在另一导轨111上，且所述横杆112与导轨111的滑动连接点设有用于限制横杆112滑动的卡扣，每一多数横杆112和每一纵杆113上连接有多个喷头114，各所述喷头114分别通过管路与储水箱13连通。通过多个升降组件12之间的相互配合，可使得降雨组件11上下自由移动至特定高度，以实现雨滴降落时形态的调整，横杆112可在导轨111上自由移动至适当位置，并利用卡扣固定横杆112位置，以实现横杆112间距的调整，纵杆113可在横杆112上侧自由移动至适当位置，并利用铁丝固定纵杆113位置，实现纵杆113间距的调整，通过横杆112和纵杆113之间间距的调节，以实现对降雨强度进行调节，喷头114的选择方面主要有两种方式，包括喷射式和管网式，二者的区别在于模拟降雨时是否有初速度。根据经验所知，降雨强度以及均匀度方面，管网式降雨均优于喷射式，适合于室内外模型试验尺寸，因此本发明在达到试验要求的前提下，选择易组装和控制的单个喷头114，将喷头114布设成管网式，并通过调节喷头114的数量、高度以及增设加压装置来控制雨强。

多个升降组件12环绕对称设置在降雨组件11四角，从而使得降雨组件11的四角均设有升降组件12。

请参照附图3，所述储水箱13一侧连通有第一水管14，所述第一水管14背离储水箱13的一端管口依次连通有水阀15、第二水管16、加压泵17、第三水管18、水表19、第四水管117、流速控制仪116及第五水管115，每一所述喷头114的进水口均连通有第六水管，每一所述第六水管背离喷头114的一端管口与第五水管115相连通。加压泵17用于增加储水箱13排出水的流速，水表19用于记录储水箱13的排水量(降雨装置1的降雨量)，流速控制器用于控制喷头114喷出水流的速度，以实现模拟不同条件下的自然降雨环境。

请参照附图3，所述升降组件12包括竖向设置的支撑柱121，所述支撑柱121的顶端设有滑轮122，所述支撑柱121的柱身上转动设有卷线轮124，所述卷线轮124背离支撑柱121的一侧设有摇臂125，所述卷线轮124上缠绕有绳索123，所述绳索123背离卷线轮124的一端绕过滑轮122与导轨111的一端相连，多组升降组件12分别分布在每一导轨111的两端。通过转动摇臂125使得绳索123绕出卷线轮124或收卷在卷线轮124上，以使得绳索123牵引着导轨111上下运动，从而进一步的实现对降雨组件11进行升降的作用。

请参照附图7，所述实验装置4包括单体试验槽，所述单体试验槽包括底板41，所述底板41上方两侧可拆卸设有侧板42，两所述侧板42一端共同通过后板43可拆卸相连，另外一端分别可拆卸连接有集流板44，两所述集流板44背离侧板42的一侧相互靠近，两所述集流板44背离后板43且相靠近的一侧形成供水流出至单体实验槽的集流堰；所述坡度升降装置45位于底板41下方，且位于背离集流堰的一侧。侧板42均为可拆卸的重组钢化玻璃板，在严格保障实验槽强度的前提下，需确保实验槽各衔接处的密封性，集流堰2与侧板42的夹角在100°至120°之间，安装坡度升降装置45时，确定坡度升降装置45与实验槽底部的接触位置，以保证水土流失实验装置4在变化坡度时的稳定性，实验槽底部结合坡度升降装置45，可探究降雨诱发滑坡坡度阈值问题。

请参照附图5，所述集流装置2包括上侧开口的集流槽21，所述集流槽21的箱壁内从上至下依次间隔分布设有多个网孔尺寸依次递减的筛网22，所述集流槽21为透明结构件，所述集流槽21的外壁设置有刻度尺条，所述集流槽21的下侧形成有向集流槽21外排水的的排水孔21a，所述排水孔21a通过塞子堵塞；所述集流槽21的上侧开口位于集流堰的下方，用于接收集流堰流速流出的泥水混合物。在一具体实施例中，筛网22的数量为三个，最上面一层的筛网22的网孔直径为2毫米，中间的筛网22的网孔直径为1.5毫米，最下面一层的筛网22的网孔直径为1毫米，集流期间需堵住排水孔21a，保障集流槽21密封性，排水时打开排水孔21a塞子。

请参照附图8，所述监测装置包括分布在单体试验槽的槽壁内的多个含水量传感器51、多个孔隙水压力移传感器52和多个位移传感器53，所述数据集成装置包括单片机54，所述单片机54分别与每一含水量传感器51、每一孔隙水压力移传感器52和每一位移传感器53电连接和信号连接。单片机54采用STC15F2K60S2核心板单片机54，结合STC-ISP上位机采集数据，实现了快速采集系统，同时避免了数据采集与传感器监测时间上不同步的问题。设备使用简单，数据存储量为100万测次，避免数据因存储不足，导致部分数据被覆盖等问题。

请参照附图4，所述吹风组件包括设置在试验框的框壁上用于往试验框内输送空气的风机32，所述试验框的框壁上还开设有风口，所述吹风组件还包括铰接在风口处用于关闭风口的流通门33，所述风机32与风口的位置相对称，多组吹风组件中的风机32的送风方向相互交叉。风机32设置超强、强、中及低四个档位，以调节不同风力等级，当需要进行特定方向的送风时，打开与工作风机32对称位置的流通门33，使得气流流通，以实现不同风向及风力等级对实验对象的侵蚀程度。

请参照图1至图12，该多功能岩土模型实验方法，应用上述任一项所述的多功能岩土模型实验系统，进行水土流失实验和/或滑坡模型实验；

所述水土流失实验包括以下步骤：

将多组单体试验槽相互拼接；

将岩土填放在每一单体实验槽内；

通过坡度升降装置45调节单体试验槽的倾斜角度；

调节降雨装置1与实验装置4之间的间距；

降雨装置1朝着实验装置4喷洒出雨水；

集流装置2收集实验装置4流出的物质，并测算该次水土流失径流量；

对集流装置2内部的土壤泥沙进行称重，以评估该次土壤侵蚀程度；

数据采集装置5采集实验中的各项数据，并对所获取到的数据进行储存；

所述滑坡模型实验包括以下步骤：

将多组单体试验槽相互拼接；

将岩土填放在拼接好的单体实验槽内；

调节降雨装置1与实验装置4之间的间距；

降雨装置1朝着实验装置4喷洒出雨水；

通过坡度升降装置45调整滑坡模型实验用槽组的坡度，观察并记录不同倾斜坡度上岩土的滑落情况，完成滑坡模型实验。

在一具体实施例中所述水土流失实验具体包括以下步骤：

将多组单体试验槽以集流堰朝向一致的方向相互拼接；

将岩土填放在每一单体实验槽内；

通过坡度升降装置45调节单体试验槽的倾斜角度；

调节横杆112和纵杆113的位置；

调节喷头114在横杆112和纵杆113上的数量；

通过升降组件12调节降雨组件11的高度，以调节喷头114离地间距；

喷头114对多组单体试验槽喷淋模拟雨水；

集流槽21接收集流堰流出的物质，在此期间塞子将排水孔21a堵塞；

喷淋结束，拔出塞子，使集流槽21内的水从排水孔21a排出，并观察刻度尺条的刻度变化，测算该次水土流失径流量；

并取出各筛网22及集流槽21底部土壤泥沙量分别进行称重，以评估该次土壤侵蚀程度；

通过单片机54获取各个含水量传感器51、各个孔隙水压力移传感器52和各个位移传感器53所检测到的各项数据，以实现在降雨条件下，监测斜坡内部物理力学指标的实时变化情况，并将单片机54所获取到的数据进行储存。

在一具体实施例中所述滑坡模型实验具体包括以下步骤：

将多组单体试验槽相互拼接在一起，且将相邻的单体试验槽的侧壁拆除，使相互拼接的多组单体试验槽形成一个类似于一个单体试验槽结构的槽组；

将岩土填放在拼接好的单体实验槽的槽组内；

调节横杆112和纵杆113的位置；

调节喷头114在横杆112和纵杆113上的数量；

通过升降组件12调节降雨组件11的高度，以调节喷头114离地间距；

喷头114槽组喷淋模拟雨水；

通过坡度升降装置45调整滑坡模型实验用槽组的坡度，观察并记录不同倾斜坡度上岩土的滑落情况，完成滑坡模型实验。

该多功能岩土模型实验方法，包括以下实施例：

实施例1

某生态调查项目为探究降雨、坡度对土壤侵蚀的影响研究，选取位于河南省一处地层岩性为中元古代龟山岩组(Ptg)白云石英片岩为研究对象，为揭示在降雨条件下，该变质岩地区水土流失情况，选取该变质岩重塑土进行降雨室内模型试验，此次实验主要为了得到降雨后土壤径流强度及侵蚀强度结果。

经计算，原状土测得该土样的密实度为0.42。通过回填土压实装置进行夯实后，配制土的密实度为0.40，误差在允许范围内，可达到原土的密实程度，可进行径流量及含沙量的监测，通过集流槽21测得部分数据整理见说明书附图9-10所示。

实施例2

某科研项目为探究降雨对风化花岗岩边坡的影响研究，选取位于江西省一处典型的斜坡进行探究，经地质调查，该地层岩性为粗粒斑状黑云二长花岗岩，为揭示降雨对该类滑坡诱发机理的影响，选取该斜坡原状土重塑后进行降雨诱发滑坡室内缩尺模型试验。

以该降雨试验为例，原状土经过室内试验测得含水率为11.2％，密度为1.6g/cm3，经计算测得该土样的密实度为0.55。通过重塑土压实装置进行夯实后，配制土的密实度为0.53，误差在允许范围内，可达到原状土的密实程度，可进行多组数据的监测，通过埋设的ECH2O-5体积含水率传感器以及MPS-2107-006GC-I2压力传感器测得土壤体积含水率及孔隙水压力部分数据见说明书附图11-12所示，其中，图11-12中，雨强通过图中的竖线表示。

请参照附图1-2，为保证试验确保试验结果的准确性，在降雨装置1模拟降雨时，需严格满足降雨均匀性的要求，根据喷头114的规格数据，针对性的进行降雨的均匀性测试，为减少读数误差，在测试过程中用不同量程的量筒来收集雨水，测试时采用单排软管多喷头114布置，并通过反调节喷头114距离地面高度，并通过调节喷头114使降雨近似呈雾状，测试30min后读取雨量筒的读数，提出降雨均匀系数为C_u，当降雨均匀系数C_u≥80％时满足均匀要求，具体的计算公式如下：

降雨均匀系数C_u计算如(1)-(3)式，其中：C_u为降雨喷洒均匀系数；Δh为喷洒水深的平均离差；h为喷洒水深的平均值；h_i为第i个测点的水深，i表示第i个测点，且1≤i≤n，将雨量筒读数代入上式(1)-(3)中，计算C_u。降雨均匀系数C_u根据《喷灌工程技术规范》(GB/T50085—2007)提出，C_u的降雨喷洒均匀系数的计量单位为“％”，Δh的喷洒水深的平均离差的计量单位为“毫米”，h的喷洒水深的平均值的计量单位为“毫米”，h_i的测点的水深的计量单位为“毫米”。

多组单体试验槽的衔接处做密封处理。确保滑坡模型实验装置4的整体性及密封性。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多功能岩土模型实验系统，其特征在于，包括风力装置、降雨装置、实验装置、集流装置和数据采集装置；

所述降雨装置用于模拟自然降雨，所述实验装置位于降雨装置下方并能够收集降雨装置降落的雨水，所述实验装置包括多个拼接相连的单体实验槽，所述单体实验槽用于放置岩土，所述单体实验槽下方设有坡度升降装置；所述坡度升降装置用于调节单体实验槽的倾斜角度，用以模拟自然环境中岩土在不同坡度上的水土流失程度；

所述集流装置用于收集从实验装置流出的泥水混合物，通过所述泥水混合物能够对土壤侵蚀程度进行初步判断，所述数据采集装置包括用于监测单体实验槽内的岩土的水土流失情况的监测装置，和用于获取监测装置所监测到的数据的数据集成装置；

所述风力装置包括绕设在降雨装置、实验装置、集流装置和数据采集装置外侧的实验框，所述实验框上设有多个吹风组件，所述吹风组件用于模拟自然风对岩土的影响。

2.根据权利要求1所述的多功能岩土模型实验系统，其特征在于，所述降雨装置包括储水箱、降雨组件和设置在降雨组件四角的升降组件，所述降雨组件包括对称设置的两导轨，两所述导轨之间滑动连接有多根横杆，多根所述横杆上可拆卸连接有多根纵杆，每一所述横杆的一端滑动设置在一导轨上，横杆的另一端滑动设置在另一导轨上，且所述横杆与导轨的滑动连接点设有用于限制横杆滑动的卡扣，每一多数横杆和每一纵杆上连接有多个喷头，各所述喷头分别通过管路与储水箱连通。

3.根据权利要求2所述的多功能岩土模型实验系统，其特征在于，所述储水箱一侧连通有第一水管，所述第一水管背离储水箱的一端管口依次连通有水阀、第二水管、加压泵、第三水管、水表、第四水管、流速控制仪及第五水管，每一所述喷头的进水口均连通有第六水管，每一所述第六水管背离喷头的一端管口与第五水管相连通。

4.根据权利要求2所述的多功能岩土模型实验系统，其特征在于，所述升降组件包括竖向设置的支撑柱，所述支撑柱的顶端设有滑轮，所述支撑柱的柱身上转动设有卷线轮，所述卷线轮背离支撑柱的一侧设有摇臂，所述卷线轮上缠绕有绳索，所述绳索背离卷线轮的一端绕过滑轮与导轨的一端相连，多组升降组件分别分布在每一导轨的两端。

5.根据权利要求1所述的多功能岩土模型实验系统，其特征在于，所述实验装置包括单体试验槽，所述单体试验槽包括底板，所述底板上方两侧可拆卸设有侧板，两所述侧板一端共同通过后板可拆卸相连，另外一端分别可拆卸连接有集流板，两所述集流板背离侧板的一侧相互靠近，两所述集流板背离后板且相靠近的一侧形成供水流出至单体实验槽的集流堰；所述坡度升降装置位于底板下方，且位于背离集流堰的一侧。

6.根据权利要求1所述的多功能岩土模型实验系统，其特征在于，所述集流装置包括上侧开口的集流槽，所述集流槽的箱壁内从上至下依次间隔分布设有多个网孔尺寸依次递减的筛网，所述集流槽为透明结构件，所述集流槽的外壁设置有刻度尺条，所述集流槽的下侧形成有与向集流槽外排水的，所述排水孔通过塞子堵塞；所述集流槽的上侧开口位于集流堰的下方，用于接收集流堰流出的泥水混合物。

7.根据权利要求5所述的多功能岩土模型实验系统，其特征在于，所述监测装置包括分布在单体试验槽的槽壁内的多个含水量传感器、多个孔隙水压力移传感器和多个位移传感器，所述数据集成装置包括单片机，所述单片机分别与每一含水量传感器、每一孔隙水压力移传感器和每一位移传感器电连接和信号连接。

8.根据权利要求1至7中任一所述的多功能岩土模型实验系统，其特征在于，所述吹风组件包括设置在试验框的框壁上用于往试验框内输送空气的风机，所述试验框的框壁上还开设有风口，所述吹风组件还包括铰接在风口处用于关闭风口的流通门，所述风机与风口的位置相对称，多组吹风组件中的风机的送风方向相互交叉。

9.一种多功能岩土模型实验方法，其特征在于，应用如权利要求1至8中任一项所述的多功能岩土模型实验系统进行水土流失实验和/或滑坡模型实验；

所述水土流失实验包括以下步骤：

将多组单体试验槽相互拼接；

将岩土填放在每一单体实验槽内；

通过坡度升降装置调节单体试验槽的倾斜角度；

调节降雨装置与实验装置之间的间距；

降雨装置朝着实验装置喷洒出雨水；

集流装置收集实验装置流出的物质，并测算该次水土流失径流量；

对集流装置内部的土壤泥沙进行称重，以评估该次土壤侵蚀程度；

数据采集装置采集实验中的各项数据，并对所获取到的数据进行储存；

所述滑坡模型实验包括以下步骤：

将多组单体试验槽相互拼接；

将岩土填放在拼接好的单体实验槽内；

调节降雨装置与实验装置之间的间距；

降雨装置朝着实验装置喷洒出雨水；

通过坡度升降装置调整滑坡模型实验用槽组的坡度，观察并记录不同倾斜坡度上岩土的滑落情况，完成滑坡模型实验。

10.根据权利要求9所述的多功能岩土模型实验方法，其特征在于，所述多功能岩土模型实验方法中的实验参数满足以下条件：

降雨均匀系数C_u计算如(1)-(3)式，其中：C_u为降雨喷洒均匀系数；Δh为喷洒水深的平均离差；h为喷洒水深的平均值；h_i为第i个测点的水深，i表示第i个测点，且1≤i≤n。

Images