CN108318657A - 一种降雨实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种降雨实验装置及实验方法，包括主体模型框架，用于实验装土的实验槽、模拟不同降雨量的降雨装置和控制器，主体模型框架顶部设有降雨装置，主体模型框架的内下部设有实验槽，主体模型框架的上部的一侧设有起吊装置，实验槽的一端经转轴与主体模型框架转动连接，另一端经钢丝绳与起吊装置连接。本发明降雨实验装置可以用于岩土，农业等领域，能直观的观测土体的位移变形情况；通过设置起吊装置使实验槽转动可以自由改变实验槽的坡度，可以模拟各种边坡形式；降雨装置通过进水电磁阀控制开度，通过水流速度仪检测雨的强弱，并通过水表计算雨量的总量，可模拟小雨，中雨，暴雨，特大暴雨等不同形式的气象。
Description
技术领域
本发明涉及人工降雨模型实验领域，具体是一种降雨实验装置及实验方法。
背景技术
21世纪人类面临着多种环境问题，在山体滑坡，泥石流以及崩塌等多种地质灾害问题尤为严峻。产生以上地质灾害的原因有一下几个原因：1，地形地貌。2，土质的影响。3，雨水侵蚀的影响。4，人为活动的影响。其中雨水的侵蚀是地质灾害的直接诱导因素。由此在遇到许多实际问题时，必须对崩岗土体进行全方位的研究和模型实验，才能得到比较真实的实验数据。目前，对地质灾害的研究还建立在现场实验和小型实验研究阶段。很难在实验室内通过大型模型实验装置来对土体的破坏进行观测，无法模拟出不同坡角及不同气象情况下的大型土体实验。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足，适应现实需要，提供一种可实现不同坡角的降雨实验装置及其实验方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种降雨实验装置，包括主体模型框架，用于实验装土的实验槽、模拟不同降雨量的降雨装置和控制器，主体模型框架顶部设有降雨装置，主体模型框架的内下部设有实验槽，主体模型框架的上部的一侧设有起吊装置，实验槽的一端经转轴与主体模型框架转动连接，另一端经钢丝绳与起吊装置连接。
所述实验槽包括槽体框架、钢化玻璃和底板，槽体框架的底部设有底板，槽体框架的内部四周根据实验需要可拆卸的安装有钢化玻璃。
所述降雨装置包括进水管道、首尾连通的框型管道、若干根并联在所述框型管道上的降雨支管道，进水管的管路上依次设有进水电磁阀、水流速度仪和水表，进水管的出口与框型管道的一端连通，各降雨支管道下部分别转动设有降雨喷头。
所述起吊装置的控制系统及进水电磁阀的控制系统均接入控制器中。
进一步，所述主体模型框架是由四根竖向工字钢、两根上横向工字钢、两根下横向工字钢、四根侧梁及前后各两根中间立梁焊接而成的框架形结构。
进一步，所述前后两侧的中间立梁上分别设有对应实验槽转动一定角度时固定坡角的圆孔。
进一步，各中间立梁上分别设有三个圆孔，分别对应实验槽转动10o、20o及30o，圆孔的直径为60mm。
进一步，所述底板为花纹钢板，钢化玻璃内玻璃面上设有防护膜，钢化玻璃与底板的连接处均贴有厚3mm的高粘PE海绵双面胶。
进一步，槽体框架内部四周的钢化玻璃是整体式或拼接式，钢化玻璃采用拼接式时拼接缝隙通过玻璃胶密封。
进一步，钢化玻璃与槽体框架的安装面上设有泡沫棉夹层和橡皮垫。
进一步，所述降雨支管道有七根，各降雨支管道上分别均布有两个降雨喷头。
进一步，所述起吊装置为电动葫芦，电动葫芦有两个，两个电动葫芦分别安装在两根主体框架上横向工字钢的内侧，两个电动葫芦同步升降。
本发明所述的一种降雨实验装置测定岩土体积含水率及孔隙水压力预警值的实验方法，按如下步骤。
第一步，土样的装配；实验前将实验土样进行筛分，配置初始含水率，将实验土样分为五层填筑于实验槽内，每层厚度均控制在10cm，填筑时，每层土样表面用木锤轻轻敲击，根据天然干密度将土层击实，击实后在土样表面划出凹槽用于填筑下一层，直至五层填充完毕。
第二步，在钢化玻璃上画出刻度或者贴上软尺，在各土样层标记好所需观测点，观测点贴近钢化玻璃处提前埋设好观测小球。
第三步，传感器的埋设；在各土样层内分别埋设体积含水率传感器，孔隙水压力传感器，并作上相应标记以示区分，将各体积含水率传感器及各孔隙水压力传感器分别与水分监测仪及孔隙水压力监测仪连接。
第四步，降雨控制，通过进水电磁阀控制降雨速率，降雨开始后可实时追踪观测小球的变化，并可通过各水分监测仪及各孔隙水压力监测仪实时监测降雨过程中每层土体体积含水率和孔隙水压力的变化。
第五步，当土样层内观测小球位移发生突变时，体积含水率及孔隙水压力会发生突变，此时测得的体积含水率及孔隙水压力即为该层土样体积含水率及该层土样孔隙水压力的预警值。
本发明所述的一种降雨实验装置测定岩土水土流失率的实验方法，按如下步骤。
第一步，实验槽采用两端开口形式，用电动葫芦将实验槽转动至实验角度（如10°、20o或30o），在圆孔插入钢管以固定实验箱位置。
第二步，土样的装配：实验前将实验土样进行筛分，配置初始含水率，根据实验所需土样填筑于实验箱内，将土样层厚度控制在10cm，土层表面用木锤轻轻敲击，根据天然干密度将土层击实。
第三步，在主体模型框架1一端安装一个水箱，水箱一侧紧贴试验槽上开口端，将进水管的出口与水箱连接，通过进水电磁阀控制水箱流出水的速度，水箱出水时，每隔t分钟在实验槽下端口接实验槽流出的土水混合物体积为v1，称量质量为m1，每次接一分钟。
第四步，将土水混合物烘干测的烘干后土体质量为m2,直到土水混合物浑浊度相近，实验完毕,通过公式v=（m2/m1）*100%，可知每隔t分钟流失土体占土水混合物的百分比v,再根据多组实验数据可以绘制出t与v的变化关系。
本发明有益效果如下。
1、本发明降雨实验装置可以用于岩土，农业等领域，测定岩土体积含水率，孔隙水压力，土体位移、水土流失率等数据；能直观的观测土体的位移变形情况。
2、通过设置起吊装置使实验槽转动可以自由改变实验槽的坡度，可以模拟各种边坡形式。
3、降雨装置通过进水电磁阀控制开度，通过水流速度仪检测雨的强弱，并通过水表计算雨量的总量，可模拟小雨，中雨，暴雨，特大暴雨等不同形式的气象。
4、钢化玻璃与花纹钢板的连接处均贴有厚3mm的高粘PE海绵双面胶，底板采用4m2花纹钢板可增加摩擦阻力的，便于实验时观察，土体拼接缝隙、侧向的位移、变形等情况，钢化玻璃内玻璃面贴防护膜以减小摩擦阻力，钢化玻璃与槽体框架接触面上设一层缓冲泡沫棉夹层和橡皮垫用于隔震，可防止钢化玻璃破碎，钢化玻璃接缝处用玻璃胶封口，可有效避免实验时试验槽渗水。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明降雨装置的结构示意图。
图中，1：主体模型框架，2：试验槽，3：转轴，4：钢化玻璃，5：竖向角钢，6：圆孔，7：底板，8：竖向工字钢，9：上横向工字钢，10：降雨装置，11：电动葫芦，12：槽体框架，13：下横向工字钢，14：进水管，15：进水电磁阀，16：水流速度仪，17：水表，18：框型管道，19：降雨支管道，20：降雨喷头，中间立梁81，钢丝绳110。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1：一种降雨实验装置，包括主体模型框架1，用于实验装土的实验槽2、模拟不同降雨量的降雨装置10和控制器，主体模型框架1顶部设有降雨装置10，主体模型框架1的内下部设有实验槽2，主体模型框架1的上部的一侧设有起吊装置11，实验槽2的一端经转轴3与主体模型框架1转动连接，另一端经钢丝绳110与起吊装置11连接。
所述实验槽包括槽体框架12、钢化玻璃和底板7，槽体框架12的底部设有底板7，槽体框架12的内部四周根据实验需要可拆卸的安装有钢化玻璃。
所述降雨装置10包括进水管14道、首尾连通的框型管道18、若干根并联在所述框型管道18上的降雨支管道19，进水管14的管路上依次设有进水电磁阀17、水流速度仪16和水表17，进水管14的出口与框型管道18的一端连通，各降雨支管道19下部分别转动设有降雨喷头20，各降雨喷头20共同组成的降雨覆盖面积与底板7的表面面积一致。
所述起吊装置的控制系统及进水电磁阀17的控制系统均接入控制器中，由此，一方面可以通过控制器控制起吊装置使实验槽转动一定角度，另一方面还可以通过控制器控制进水电磁阀17的开启度来调节降雨量的大小。
主体模型框架1作为实验槽的主体承重结构，长宽高最大尺寸分别为4.05m，1.3m，3.2m，主体模型框架1是由四根竖向工字钢8、两根上横向工字钢9、两根下横向工字钢13、四根侧梁及前后各两根中间立梁81焊接而成的框架形结构。其中，竖向工字钢8采用20a工字钢，主体框架上横向工字钢9为4m的工字梁，主体框架上横向工字钢9以及翼缘长度均为100mm，厚5mm，贯通于主体框架竖向工字钢，以保持工字钢的整体稳定性，作为起吊的受力部位，主体框架下横向工字钢13为10号槽以增加主体模型框架刚度。
所述实验槽是由槽体框架12、钢化玻璃和底板7组成的上开口的槽体结构，槽体框架12的底部设有底板7，槽体框架12的内部四周根据实验需要可拆卸的安装有钢化玻璃，钢化玻璃与底板7密封连接。其中实验槽的长、宽、高分别为4m，1m，0.8m。实验槽的外围是由100mm*6mm*6mm的槽钢组成槽体框架12。槽体框架12均用10号槽钢组成，长边用4根长4m的槽钢，短边用长约0.8m的槽钢焊接而成，焊接时注意焊接质量，必要时需要满焊。槽体框架12内部的竖向角钢5为等边角钢，用于实验槽外部框架的整体稳定性。
所述前后两侧的中间立梁81上分别设有对应实验槽2转动一定角度时固定坡角的圆孔6。
各中间立梁81上分别设有三个圆孔6，分别对应实验槽2转动10o、20o及30o，圆孔6的直径为60mm。由此，当实验槽上升至10o时，可用两根圆管插入孔中，以固定实验槽，在前后两侧的中间立梁81上开洞时，要注意两个孔洞在一条斜线上，以保持实验槽在圆管上受力均匀。孔洞类插入圆管便可以实现实验槽转动到位后进一步稳固，圆管不与试验槽相连，以减轻槽钢扭矩。
所述钢化玻璃内玻璃面上设有防护膜，所述钢化玻璃与花纹钢板的连接处均贴有厚3mm的高粘PE海绵双面胶。
钢化玻璃是整体式或拼接式，钢化玻璃拼装时拼接缝隙通过玻璃胶密封，底板7采用4m2花纹钢板可增加摩擦阻力的，钢化玻璃，便于实验时观察土体拼接缝隙的发展和侧向的位移、变形等情况，钢化玻璃内玻璃面贴防护膜以减小摩擦阻力，钢化玻璃由24根长为8cm的螺母固定。钢化玻璃与槽体框架12接触面上设一层缓冲泡沫棉夹层和橡皮垫用于隔震，防止钢化玻璃破碎，钢化玻璃接缝处用玻璃胶封口，以免实验时渗水。
试验装置采取每0.5m布置2个降雨喷头20，一共7排14个，由此，覆盖一个1m*4m（4m2）的有效降雨面积，整个降雨装置可以达到模拟人工降雨的实验效果，顶部降雨喷头20位置交错展开，降雨喷头20可以在固定位置360°自由旋转，以达到均匀的降雨效果。实验装置的降雨均匀度与自然降雨相似的，可模拟不同种类的雨强。降雨支管道19采用直径为25mm的PP-R管，降雨支管道19之间通过热容器热熔后相接。下设一个进水口，通过进水电磁阀17控制进水口的水量，通过水表可以计量出水量。
起吊装置为电动葫芦，电动葫芦有两个，两个电动葫芦分别安装在两根主体框架上横向工字钢9上。电动葫芦最大标准起重高度为2.5m，最大标准起重吨位为4t。电动葫芦由钢丝绳和钢丝螺母固定，主体框架上横向工字钢9上设有吊装耳，可通过钢丝绳和吊钩将实验槽吊起，实现模拟不同坡度的模型实验。主体模型框架上部用直径为10mm的钢丝绳固定，钢丝绳的好处在于实验室可以根据实际情况改变电动葫芦的起吊位置。同时用一根长4m直径为10mm的钢丝绳固定在实验槽上，便可完成起吊。
实施例2：实验槽2内所盛为实验所需土样，土样最高厚度不得超过试验箱高度，该实验槽长边两侧为开口，一端封闭一端打开，开口处用于降雨时积水及时流出，当需要封闭时可用两块玻璃板用玻璃胶进行封闭，便可开始测定岩土体积含水率及孔隙水压力预警值的实验。
一种降雨实验装置测定岩土体积含水率及孔隙水压力预警值的实验方法，按如下步骤。
第一步，土样的装配；实验前将实验土样进行筛分，配置初始含水率，将实验土样分为五层填筑于实验槽2内，每层厚度均控制在10cm，填筑时，每层土样表面用木锤轻轻敲击，根据天然干密度将土层击实，击实后在土样表面划出凹槽用于填筑下一层，直至五层填充完毕。
第二步，在钢化玻璃上画出刻度或者贴上软尺，在各土样层标记好所需观测点，观测点贴近钢化玻璃处提前埋设好观测小球。
第三步，传感器的埋设；在各土样层内分别埋设体积含水率传感器，孔隙水压力传感器，并作上相应标记以示区分，将各体积含水率传感器及各孔隙水压力传感器分别与水分监测仪及孔隙水压力监测仪连接。
第四步，降雨控制，通过进水电磁阀15控制降雨速率，降雨开始后可实时追踪观测小球的变化，并可通过各水分监测仪及各孔隙水压力监测仪实时监测降雨过程中每层土体体积含水率和孔隙水压力的变化。
第五步，当土样层内观测小球位移发生突变时，体积含水率及孔隙水压力会发生突变，此时测得的体积含水率及孔隙水压力即为该层土样体积含水率及该层土样孔隙水压力的预警值。
实施例3：一种降雨实验装置进行测定岩土水土流失率的实验方法，按如下步骤。
第一步，以实验槽转动10°为例，实验槽2采用两端开口形式，用电动葫芦11将实验槽转动10°，在圆孔6插入钢管以固定实验箱位置。
第二步，土样的装配：实验前将实验土样进行筛分，配置初始含水率，根据实验所需土样填筑于实验箱内，将土样层厚度控制在10cm，土层表面用木锤轻轻敲击，根据天然干密度将土层击实。
第三步，在主体模型框架1一端安装一个水箱，水箱一侧紧贴试验槽上开口端，将进水管14的出口与水箱连接，通过进水电磁阀15控制水箱流出水的速度，水箱出水时，每隔t分钟在实验槽下端口接实验槽流出的土水混合物体积为v1，称量质量为m1，每次接一分钟即可。
第四步，将土水混合物烘干测的烘干后土体质量为m2,直到土水混合物浑浊度相近，实验完毕,通过公式v=（m2/m1）*100%，可知每隔t分钟流失土体占土水混合物的百分比v,再根据多组实验数据可以绘制出t与v的变化关系。
本发明通过降雨装置控制不同降雨量，根据不同坡型，压实度，初始含水率等在实验槽中装入实验所需土量，在土体中埋入水分传感器，孔隙水压力传感器，基质吸力等传感器，改变装置坡度，控制降雨时间，即可实时检测土样相应参数变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种降雨实验装置，包括主体模型框架（1），用于实验装土的实验槽（2）、模拟不同降雨量的降雨装置（10）和控制器，其特征在于，主体模型框架（1）顶部设有降雨装置（10），主体模型框架（1）的内下部设有实验槽（2），主体模型框架（1）的上部的一侧设有起吊装置（11），实验槽（2）的一端经转轴（3）与主体模型框架（1）转动连接，另一端经钢丝绳（110）与起吊装置（11）连接；
所述实验槽包括槽体框架（12）、钢化玻璃和底板（7），槽体框架（12）的底部设有底板（7），槽体框架（12）的内部四周安装有可拆卸的钢化玻璃；
所述降雨装置（10）包括进水管（14）道、首尾连通的框型管道（18）、若干根并联在所述框型管道（18）上的降雨支管道（19），进水管（14）的管路上依次设有进水电磁阀（17）、水流速度仪（16）和水表（17），进水管（14）的出口与框型管道（18）的一端连通，各降雨支管道（19）下部分别转动设有降雨喷头（20）；
所述起吊装置的控制系统及进水电磁阀（17）的控制系统均接入控制器中。
2.根据权利要求 1所述的一种降雨实验装置，其特征于，所述主体模型框架（1）是由四根竖向工字钢（8）、两根上横向工字钢（9）、两根下横向工字钢（13）、四根侧梁及前后各两根中间立梁（81）焊接而成的框架形结构。
3.根据权利要求 2所述的一种降雨实验装置，其特征于，所述前后两侧的中间立梁（81）上分别设有对应实验槽（2）转动一定角度时固定坡角的圆孔（6）。
4.根据权利要求 3所述的一种降雨实验装置，其特征于，各中间立梁（81）上分别设有三个圆孔（6），分别对应实验槽（2）转动10o、20o及30o，圆孔（6）的直径为60mm。
5.根据权利要求 1所述的一种降雨实验装置，其特征于，所述底板（7）为花纹钢板，钢化玻璃内玻璃面上设有防护膜，钢化玻璃与底板（7）的连接处均贴有厚3mm的高粘PE海绵双面胶。
6.根据权利要求 1所述的一种降雨实验装置，其特征于，槽体框架（12）内部四周的钢化玻璃是整体式或拼接式，钢化玻璃采用拼接式时拼接缝隙通过玻璃胶密封，钢化玻璃与槽体框架（12）的安装面上设有泡沫棉夹层和橡皮垫。
7.根据权利要求 1所述的一种降雨实验装置，其特征于，所述降雨支管道（19）有七根，各降雨支管道（19）上分别均布有两个降雨喷头（20）。
8.根据权利要求 1所述的一种降雨实验装置，其特征于，所述起吊装置（11）为电动葫芦，电动葫芦有两个，两个电动葫芦分别安装在两根主体框架上横向工字钢（9）的内侧，两个电动葫芦同步升降。
9.权利要求1至权利要求8中任一项说所述的一种降雨实验装置测定岩土体积含水率及孔隙水压力预警值的实验方法，其特征在于，按如下步骤：
第一步，土样的装配；实验前将实验土样进行筛分，配置初始含水率，将实验土样分为五层填筑于实验槽（2）内，每层厚度均控制在10cm，填筑时，每层土样表面用木锤轻轻敲击，根据天然干密度将土层击实，击实后在土样表面划出凹槽用于填筑下一层，直至五层填充完毕；
第二步，在钢化玻璃上画出刻度或者贴上软尺，在各土样层标记好所需观测点，观测点贴近钢化玻璃处提前埋设好观测小球；
第三步，传感器的埋设；在各土样层内分别埋设体积含水率传感器，孔隙水压力传感器，并作上相应标记以示区分，将各体积含水率传感器及各孔隙水压力传感器分别与水分监测仪及孔隙水压力监测仪连接；
第四步，降雨控制，通过进水电磁阀（15）控制降雨速率，降雨开始后实时追踪观测小球的变化，并通过各水分监测仪及各孔隙水压力监测仪实时监测降雨过程中每层土体体积含水率和孔隙水压力的变化；
第五步，当土样层内观测小球位移发生突变时，体积含水率及孔隙水压力会发生突变，此时测得的体积含水率及孔隙水压力即为该层土样体积含水率及该层土样孔隙水压力的预警值。
10.权利要求1至权利要求8中任一项所述的一种降雨实验装置测定岩土水土流失率的实验方法，其特征在于，按如下步骤：
第一步，实验槽（2）采用两端开口形式，用电动葫芦（11）将实验槽转动至实验角度，在圆孔（6）插入钢管以固定实验箱位置；
第二步，土样的装配：实验前将实验土样进行筛分，配置初始含水率，根据实验所需土样填筑于实验箱内，将土样层厚度控制在10cm，土层表面用木锤轻轻敲击，根据天然干密度将土层击实；
第三步，在主体模型框架（1）一端安装一个水箱，水箱一侧紧贴试验槽上开口端，将进水管（14）的出口与水箱连接，通过进水电磁阀（15）控制水箱流出水的速度，水箱出水时，每隔t分钟在实验槽下端口接实验槽流出的土水混合物体积为v1，称量质量为m1，每次接一分钟；
第四步，将土水混合物烘干测的烘干后土体质量为m2,直到土水混合物浑浊度相近，实验完毕，通过公式v=（m2/m1）*100%，得到每隔t分钟流失土体占土水混合物的百分比v,再根据多组实验数据绘制出t与v的变化关系。
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