本发明专利技术公开了一种室内冻土水分迁移规律模拟系统，包括模拟系统箱体、冻土水分迁移规律特征参数测量系统和试验数据采集及控制器，以及冷热一体机、降雪模拟系统、地质模型系统和太阳辐射热模拟系统；降雪模拟系统包括降雪槽、固定支架和多个降雪点模拟机构；地质模型系统包括底座、地质模型槽、经纬格栅板和陶土板；太阳辐射热模拟系统包括电热管、电热管前后运动机构和电热管左右运动机构；冻土水分迁移规律特征参数测量系统包括土壤温度及含水率测量系统、降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统；本发明专利技术还公开了一种室内冻土水分迁移规律特征参数测定方法。本发明专利技术使用操作方便，为进一步研究降雪条件下冻土水分迁移规律提供了途径，实用性强。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩土工程
，具体涉及一种室内冻土水分迀移规律模拟系统及 特征参数测定方法。
技术介绍
根据土体处于冻结状态的持续时间不同，冻土可分为季节冻土和多年冻土。冻土 是广泛分布在地球表层的一种低温地质体，而且冻土区有丰富的土地、森林和矿藏资源，它 的存在及其演变对人类的生存环境、生产活动和可持续发展具有重要影响。 目前冻土（包括已冻土和正冻土）中的水分迀移，已被视为土体冻结作用中的一 个核心问题，分别被列入了土木工程、农业和地质等学科的科学原理之一，并作为土壤科 学、环境科学、建筑学和地理学中的一个重要研究课题，受到世界上许多国家的重视。 土的冻结，引起水分向正冻区运动、并试图以冰的形式充填这个区域。在低压缩 性土体中这些冰体通常排列成与等温线相平行的透镜状。在高压缩性土体中，通常呈交错 的冰脉在三维空间构成网状。由于土体表面温度的降低，未冻结之前的土体中的能量平衡 被打破，除了引起水分的迀移之外，也引起土中温度的重新分布，并产生土中盐分的浓度梯 度，同时盐分也重新分布，从而导致空间全新的固液汽组合状态。 由此可见，冻土水分迀移规律的研究至关重要。目前，人们开展了大量的有关于 降雨入渗的课题研究，而对于降雪之后发生的冻土水分迀移规律的研究还处于初级阶段。 由于降雨入渗与降雪之后发生的冻土水分迀移规律存在较大差别，具体表现在以下几个方 面：①入渗的温度不同，降雪之后发生的冻土水分迀移发生在低温环境下，而降雨入渗则在 常温进行；②入渗影响因素不同，降雪之后发生的冻土水分迀移主要因素是温度，而降雨入 渗则不是；③发生入渗的机理不同，降雪之后发生的冻土水分迀移的入渗机理更为复杂，研 究难度更大，而降雨入渗相比较为简单。现有技术中还没有能够方便地在室内进行冻土水 分迀移规律模拟的系统，也不能很好地在室内进行冻土水分迀移规律特征参数的测定。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种结构紧 凑、设计新颖合理、实现方便、使用操作方便、为进一步研究降雪条件下冻土水分迀移规律 提供了可行的室内冻土水分迀移规律模拟系统。 为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种室内冻土水分迀移规律模 拟系统，其特征在于：包括模拟系统箱体、冻土水分迀移规律特征参数测量系统和试验数据 采集及控制器，以及设置在模拟系统箱体内部的冷热一体机、降雪模拟系统、地质模型系统 和太阳辐射热模拟系统； 所述降雪模拟系统包括嵌入安装在模拟系统箱体顶部的降雪槽、设置在降雪槽内 的固定支架和嵌入安装在固定支架上的多个降雪点模拟机构，每个所述降雪点模拟机构均 包括顶部和底部均敞口设置的储冰筒以及设置在储冰筒顶部的启封盖，所述储冰筒的底部 设置有十字支撑杆，所述十字支撑杆的中心安装有降雪电机，所述降雪电机的输出轴上固 定连接有旋转切冰刀，所述启封盖的内底面上连接有冰块防转杆，所述冰块防转杆上套装 有用于将冰块压紧在旋转切冰刀上的压力弹簧，所述冰块防转杆横截面的形状为矩形，所 述冰块上开有供冰块防转杆穿入且与冰块防转杆紧密配合的柱状孔；所述降雪槽的底部安 装有用于振动降落旋转切冰刀切落的雪花的振动筛；多个储冰筒中的任意一个储冰筒的顶 部安装有超声波测距传感器； 所述地质模型系统包括底座和通过多个千斤顶支撑安装在底座上的地质模型槽， 所述地质模型槽的底部设置有用于在地质模型槽内底部形成储水空间的经炜格栅板，所述 经炜格栅板上设置有多个出水孔洞，所述经炜格栅板的顶部设置有陶土板，所述陶土板的 四周边沿均与地质模型槽内壁粘接，所述陶土板的顶部用于放置试验土样； 所述太阳辐射热模拟系统包括用于模拟太阳光照的电热管、用于带动电热管在模 拟系统箱体内前后运动的电热管前后运动机构和用于带动电热管在模拟系统箱体内左右 运动的电热管左右运动机构，所述电热管设置在所述地质模型系统与所述降雪模拟系统之 间，所述电热管的旁侧设置有用于对电热管的加热温度进行实时检测的电热管温度传感 器； 所述冻土水分迀移规律特征参数测量系统包括土壤温度及含水率测量系统、降雪 径流量测量系统和降雪出渗量测量系统，所述土壤温度及含水率测量系统包括分多层埋设 在试验土样内的多个土壤温湿度传感器，每层所述土壤温湿度传感器的数量均为多个，各 层中多个所述土壤温湿度传感器呈正方形网格均匀布设，多层中相邻两层的多个所述土壤 温湿度传感器均按相等间距上下相对布设；所述降雪径流量测量系统包括降雪径流量测量 量杯和设置在地质模型槽侧面的多个降雪径流量测量孔，以及连接在所述降雪径流量测量 孔上的降雪径流量测量分管和与降雪径流量测量分管连接并接入降雪径流量测量量杯内 的降雪径流量测量总管；所述降雪出渗量测量系统包括降雪出渗量测量量杯和设置在地质 模型槽底面上的多个降雪出渗量测量孔，以及连接在所述降雪出渗量测量孔上的降雪出渗 量测量分管和与降雪出渗量测量分管连接并接入降雪出渗量测量量杯内的降雪出渗量测 量总管，所述降雪出渗量测量总管上设置有用于对渗出试验土样的消融水的流量进行实时 检测的流量传感器； 所述试验数据采集及控制器包括微控制器和与微控制器相接且用于与计算机连 接的串口通信电路，所述微控制器的输出端接有液晶显示器和用于驱动降雪电机的第一电 机驱动器，所述超声波测距传感器、流量传感器、电热管温度传感器和多个土壤温湿度传感 器均与微控制器的输入端连接。 上述的室内冻土水分迀移规律模拟系统，其特征在于：所述旋转切冰刀包括圆盘 形的切冰刀体和均匀设置在切冰刀体上的多排从切冰刀体的中心向外发散的切冰孔，每个 所述切冰孔内均设置有金刚石刀刃。 上述的室内冻土水分迀移规律模拟系统，其特征在于：所述旋转切冰刀的底端距 离储冰筒的底端的距离为2cm~5cm。 上述的室内冻土水分迀移规律模拟系统，其特征在于：所述电热管前后运动机构 包括电热管前后运动小车和沿模拟系统箱体的前后方向设置在模拟系统箱体内的门字型 框架，所述电热管悬挂在电热管前后运动小车的底部，所述门字型框架的顶部设置有供电 热管前后运动小车行走的电热管前后运动导轨，所述门字型框架的顶部一侧设置有电热管 前后运动电机，所述门字型框架的顶部另一侧设置有第一电热管前后运动带轮，所述电热 管前后运动电机的输出轴上连接有第二电热管前后运动带轮，所述第一电热管前后运动带 轮和所述第二电热管前后运动带轮上连接有电热管前后运动皮带，所述电热管前后运动小 车的底部与电热管前后运动皮带固定连接；所述电热管左右运动机构包括沿模拟系统箱体 的左右方向设置在模拟系统箱体底部的两条电热管左右运动导轨，所述门字型框架的一侧 底部设置有沿其中一条电热管左右运动导轨运动的电热管左右主动运动导轮和与电热管 左右主动运动导轮同轴连接的第一电热管左右运动链轮，所述门字型框架的另一侧底部设 置有沿另一条电热管左右运动导轨运动的电热管左右从动运动导轮，与电热管左右主动运 动导轮相配合的电热管左右运动导轨的两侧分别设置有电热管左右运动电机和第二电热 管左右运动链轮，所述电热管左右运动电机的输出轴上连接有第三电热管左右运动链轮， 所述第一电热管左右运动链轮、第二电热管左右运动链轮和所述第三电热管左右运动链轮 上连接有电热管左右运动链条；所述微控制器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种室内冻土水分迁移规律模拟系统，其特征在于：包括模拟系统箱体(1)、冻土水分迁移规律特征参数测量系统和试验数据采集及控制器(13)，以及设置在模拟系统箱体(1)内部的冷热一体机(7)、降雪模拟系统、地质模型系统和太阳辐射热模拟系统；所述降雪模拟系统包括嵌入安装在模拟系统箱体(1)顶部的降雪槽(2‑3)、设置在降雪槽(2‑3)内的固定支架(2‑1)和嵌入安装在固定支架(2‑1)上的多个降雪点模拟机构(3)，每个所述降雪点模拟机构(3)均包括顶部和底部均敞口设置的储冰筒(3‑3)以及设置在储冰筒(3‑3)顶部的启封盖(3‑1)，所述储冰筒(3‑3)的底部设置有十字支撑杆(3‑6)，所述十字支撑杆(3‑6)的中心安装有降雪电机(3‑5)，所述降雪电机(3‑5)的输出轴上固定连接有旋转切冰刀(3‑4)，所述启封盖(3‑1)的内底面上连接有冰块防转杆(3‑8)，所述冰块防转杆(3‑8)上套装有用于将冰块(3‑7)压紧在旋转切冰刀(3‑4)上的压力弹簧(3‑2)，所述冰块防转杆(3‑8)横截面的形状为矩形，所述冰块(3‑7)上开有供冰块防转杆(3‑8)穿入且与冰块防转杆(3‑8)紧密配合的柱状孔(3‑9)；所述降雪槽(2‑3)的底部安装有用于振动降落旋转切冰刀(3‑4)切落的雪花的振动筛(2‑2)；多个储冰筒(3‑3)中的任意一个储冰筒的顶部安装有超声波测距传感器(3‑10)；所述地质模型系统包括底座(6)和通过多个千斤顶(5)支撑安装在底座(6)上的地质模型槽(4)，所述地质模型槽(4)的底部设置有用于在地质模型槽(4)内底部形成储水空间的经纬格栅板(4‑2)，所述经纬格栅板(4‑2)上设置有多个出水孔洞，所述经纬格栅板(4‑2)的顶部设置有陶土板(4‑3)，所述陶土板(4‑3)的四周边沿均与地质模型槽(4)内壁粘接，所述陶土板(4‑3)的顶部用于放置试验土样(4‑1)；所述太阳辐射热模拟系统包括用于模拟太阳光照的电热管(14)、用于带动电热管(14)在模拟系统箱体(1)内前后运动的电热管前后运动机构和用于带动电热管(14)在模拟系统箱体(1)内左右运动的电热管左右运动机构，所述电热管(14)设置在所述地质模型系统与所述降雪模拟系统之间，所述电热管(14)的旁侧设置有用于对电热管(14)的加热温度进行实时检测的电热管温度传感器(29)；所述冻土水分迁移规律特征参数测量系统包括土壤温度及含水率测量系统、降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统，所述土壤温度及含水率测量系统包括分多层埋设在试验土样(4‑1)内的多个土壤温湿度传感器(33)，每层所述土壤温湿度传感器(33)的数量均为多个，各层中多个所述土壤温湿度传感器(33)呈正方形网格均匀布设，多层中相邻两层的多个所述土壤温湿度传感器(33)均按相等间距上下相对布设；所述降雪径流量测量系统包括降雪径流量测量量杯(11)和设置在地质模型槽(4)侧面的多个降雪径流量测量孔，以及连接在所述降雪径流量测量孔上的降雪径流量测量分管(10‑1)和与降雪径流量测量分管(10‑1)连接并接入降雪径流量测量量杯(11)内的降雪径流量测量总管(10‑2)；所述降雪出渗量测量系统包括降雪出渗量测量量杯(12)和设置在地质模型槽(4)底面上的多个降雪出渗量测量孔，以及连接在所述降雪出渗量测量孔上的多根降雪出渗量测量分管(10‑3)和与降雪出渗量测量分管(10‑3)连接并接入降雪出渗量测量量杯(12)内的降雪出渗量测量总管(10‑4)，所述降雪出渗量测量总管(10‑4)上设置有用于对渗出试验土样(4‑1)的消融水的流量进行实时检测的流量传感器(9)；所述试验数据采集及控制器(13)包括微控制器(13‑1)和与微控制器(13‑1)相接且用于与计算机(8)连接的串口通信电路(13‑2)，所述微控制器(13‑1)的输出端接有液晶显示器(13‑5)和用于驱动降雪电机(3‑5)的第一电机驱动器(13‑6)，所述超声波测距传感器(3‑10)、流量传感器(9)、电热管温度传感器(29)和多个土壤温湿度传感器(33)均与微控制器(13‑1)的输入端连接。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：毛正君，魏荣誉，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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