一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验方法及装置制造方法及图纸

一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验方法及装置，所述装置包括可升降边坡模拟装置、漫流冲刷模拟装置、水土收集装置、流速测定装置、坡面形态摄像装置；其试验方法是通过控制水流流量，形成坡面漫流及渗流，收集漫流水、渗流水以及漫流水冲刷坡面形成的泥沙量。实现定量测量水流的流量、流速、侵蚀深度、产沙量等。采用压实土浸水至饱和后进行模拟，提高了边坡冲刷室内模拟试验效率，缩短试验周期，试验结果表明了边坡侵蚀沟最大深度及产沙量随时间的变化规律，揭示坡后汇水水流侵蚀能力与边坡坡长、坡度、时间的关系，为预测水流侵蚀规模、是否需要对边坡防护与加固提供依据，本发明专利技术装置结构简单，操作方便，适于边坡土体土力学参数的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验方法及装置，属于土体土力学参数测量

技术介绍
冲刷水毁是边坡工程中常见的一种破坏模式，随着国内工程建设地不断拓展，侵蚀水毁问题日益突出，现已成为我国公路、铁路、水利等领域边坡工程中关注的热点问题。边坡侵蚀破坏多见于人工开挖或填方的边坡，由于边坡防护常晚于工程建设，坡表长时间暴露在自然环境下，受自然条件的影响；特别是在强降雨条件下，坡后水流汇聚形成漫流，大量水体沿坡面向下流动时带走大量泥沙，使坡表受到严重侵蚀，水流入渗后又降低了土体的抗剪强度，很可能导致边坡失稳破坏，给实际工程带来严重的安全隐患。国内外学者已通过试验对边坡侵蚀破坏模式及过程进行了大量研究。其中，如何有效模拟边坡实际冲刷过程，针对最主要因素进行量化分析，是研究边坡冲刷问题的关键。目前，国内对边坡冲蚀的研究方法及装置，主要针对两个方面：(1)强调降雨对边坡侵蚀的影响。这类专利技术主要通过模拟不同雨量、雨强、雨水，定性地分析降雨对边坡表层形态变化的影响以及对填料土体含水量、力学性质的影响。试图建立降雨与边坡侵蚀程度的量化关系。实际上对于大多数工程边坡，坡后的汇水面积超过了坡面，由坡后降雨汇聚形成的漫流是边坡表层冲蚀破坏的最主要影响因素。对降雨来说，雨滴的击溅作用会造成边坡表层土壤不同程度的结皮，这会使土体孔隙变小，下渗减少、产流时间提前，加大了水流对边坡冲蚀研究的复杂程度。同时，降雨的模拟也很难与现场实际环境相符，降雨的高度、雨滴的密集程度、降雨过程中雨强的变化都无法在模拟中实现，这阻碍了边坡侵蚀研究进一步深入的开展。(2)研究径流对边坡侵蚀的影响。这类专利技术采用在坡顶处施加束状水流的方式对边坡进行冲蚀，能够定量分析水流流量、流速对边坡冲沙量、冲沟深度的影响。但在实际边坡工程中，雨水会首先在坡后汇聚，冲刷水流最初是以漫流的方式进行，随着时间的推移才逐渐冲蚀形成细沟或浅沟径流。同时，渗流对边坡的侵蚀及稳定性的影响不容忽略，工程中常需控制渗流量的大小以维护边坡稳定，而在此类装置中没有考虑坡表的渗流。综上所述，现有的研究往往只考虑坡表降雨对坡面侵蚀的影响，忽略了坡后汇水在坡顶处形成的漫流，而后者是边坡冲刷水毁主要的因素。以广佛肇高速60米长试验段为例，半幅路堤汇水面积达780m2，大量雨水汇集后沿坡面冲刷，使表层土体流失，加快了水流下渗速度，给边坡工程带来了严重的安全问题，同时也给公路的修建与正常运营造成了巨大影响。因此，市场需要一种能够模拟实际边坡漫流侵蚀的试验方法及装置，充分考虑现场径流与渗流的实际运移情况，建立水流流量、流速、坡度、坡长与边坡侵蚀程度之间的联系，预测工程中边坡在当地气候条件下可能造成的冲蚀程度，指导边坡维护，确保边坡稳定提供参考。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有室内试验装置在研究边坡冲蚀问题上的不足，针对南方多雨气候，边坡土体易被水流冲刷的特点，提供一种结构简单、操作方便的土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置；通过模拟边坡冲刷的水力侵蚀环境来快速获得坡体侵蚀的各项必要数据。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置的土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验方法。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，包括可升降边坡模拟装置、漫流冲刷模拟装置，其特征在于：所述可升降边坡模拟装置包括底座、试槽装置、坡度调节装置，所述漫流冲刷模拟装置安装在所述试槽装置的顶部，所述漫流冲刷模拟装置包括漫流管、漫流板、供水装置，所述漫流板与漫流管外圆相切并连接为一体，在所述漫流管上设有出水孔以及与供水装置联通的进水口。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，还包括水土收集装置，所述水土收集装置安装在所述试槽装置的底部，承接流经试槽装置的漫流水、渗流水以及漫流水冲刷试槽装置中填筑的待测土样形成的泥沙。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，所述水土收集装置设有2个收集容器，分别承接渗流水以及漫流水和漫流水冲刷试槽装置中填筑的待测土样形成的泥沙。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，还包括流速测定装置，所述流速测定装置包括2台高速摄像机、标尺；2台高速摄像机通过支架分别安装在试槽装置上部及下部，所述标尺沿试槽装置的长度方向设置。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，还包括坡面形态摄像装置，所述坡面形态摄像装置通过支架安装在试槽装置中部，且摄像装置的镜头所在平面与试槽装置所在平面平行。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，所述漫流冲刷模拟装置中，漫流管通过螺栓插装在设于试槽装置长度方向的轨道中，可以沿轨道方向滑动，通过旋装于螺杆上的螺母定位；漫流管上的出水孔在同一直线上均匀分布，出水孔流出的水洒落在漫流板上。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，供水装置包括水箱、水泵、流量调节阀、流量计、水管，所述水管一端插装在水箱中，另一端与漫流管联通，在水管上依次安装有水泵、流量调节阀、流量计。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，所述可升降边坡模拟装置中，试槽装置包括填料槽、渗流槽，坡度调节装置包括角度测量仪、液压千斤顶；所述填料槽安装在渗流槽上，渗流槽一端铰接在底座上，另一端与设于底座上的液压千斤顶连接；渗流槽与底座之间夹角的变化范围为0°～70°；所述角度测量仪安装在试槽装置上。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，填料槽底板设有渗流透水孔，渗流透水孔设有开启或关闭的开关，在填料槽底板上还覆盖有土工布。本专利技术一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验方法，包括下述步骤：第一步：填料、压实、饱和将现场取得的填料土体填充进填料槽中，按待测试边坡的实际压实度压实，浸水至饱和，静置均质24h以上，在填料土体表面覆盖防蒸发膜并关闭填料槽底板设置渗流透水孔；第二步：调节坡度按照待测试边坡的坡度，调节试槽装置与底座之间夹角，使试槽与实际模拟边坡坡度相一致；第三步：确定漫流流量根据实际工程中边坡所在区域降雨重现期和降雨历时内的平均降雨强度、径流系数、汇水面积，按JTG/TD33-2012《公路排水设计规范》水文计算公式计算坡后汇水区域的流量；按汇水区域的流量/坡宽，得到单宽流量；第三步：标定冲刷水流坡顶流速开启水泵，向漫流管送水，使漫流管出水孔流出的水在漫流板上形成漫流，调整流量调节阀的流量达到第三步计算得到的单宽流量，采用染色剂示踪法测定水在漫流板上的流速，记为坡顶流速V0；第四步：测量、记录移除填料土体表面的防蒸发膜，开启渗流透水孔，使漫流水流经填料土体表面，绝大部分漫流水将对填料土体表面进行冲刷，极少部分渗入填料土体中，延续10-40分钟后，截断漫流水，结束试验；试验过程中，拍摄坡面视频，记录细沟开展的条数、形状、宽度；用染色剂示踪法定时测定漫流水流至填料土体底部时的流速，记为坡脚流速Vi，i＝1、2、3....n；按测定坡脚流速Vi的时点，测量冲蚀沟的最大深度，通过水土收集装置分别收集渗流水，漫流水和漫流水冲刷填料土体形成的泥沙；第五步；数据处理分别称量漫流水、渗流水、泥沙的重量，以冲刷时间为横坐标，漫流水、渗流水、泥沙重量、冲蚀沟的最大深度以及坡脚流速Vi为纵坐标，建立坐标系，绘制不同侵蚀影响因素随时间的变化曲线；计算冲蚀沟达本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，包括可升降边坡模拟装置、漫流冲刷模拟装置，其特征在于：所述可升降边坡模拟装置包括底座、试槽装置、坡度调节装置，所述漫流冲刷模拟装置安装在所述试槽装置的顶部，所述漫流冲刷模拟装置包括漫流管、漫流板、供水装置，所述漫流板与漫流管外圆相切并连接为一体，在所述漫流管上设有出水孔以及与供水装置联通的进水口。

【技术特征摘要】
1.一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，包括可升降边坡模拟装置、漫流冲刷模拟装置，其特征在于：所述可升降边坡模拟装置包括底座、试槽装置、坡度调节装置，所述漫流冲刷模拟装置安装在所述试槽装置的顶部，所述漫流冲刷模拟装置包括漫流管、漫流板、供水装置，所述漫流板与漫流管外圆相切并连接为一体，在所述漫流管上设有出水孔以及与供水装置联通的进水口。2.根据权利要求1所述的一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，其特征在于：还包括水土收集装置，所述水土收集装置安装在所述试槽装置的底部，承接流经试槽装置的漫流水、渗流水以及漫流水冲刷试槽装置中填筑的待测土样形成的泥沙。3.根据权利要求2所述的一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，其特征在于：所述水土收集装置设有2个收集容器，分别承接渗流水以及漫流水和漫流水冲刷试槽装置中填筑的待测土样形成的泥沙。4.根据权利要求2所述的一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，其特征在于：还包括流速测定装置，所述流速测定装置包括2台高速摄像机、标尺；2台高速摄像机通过支架分别安装在试槽装置上部及下部，所述标尺沿试槽装置的长度方向设置。5.根据权利要求4所述的一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，其特征在于：还包括坡面形态摄像装置，所述坡面形态摄像装置通过支架安装在试槽装置中部，且摄像装置的镜头所在平面与试槽装置所在平面平行。6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，其特征在于：所述漫流冲刷模拟装置中，漫流管通过螺栓插装在设于试槽装置长度方向的轨道中，可以沿轨道方向滑动，通过旋装于螺杆上的螺母定位；漫流管上的出水孔在同一直线上均匀分布，出水孔流出的水洒落在漫流板上。7.根据权利要求6所述的一种土质边坡抗水流侵蚀能力模拟试验装置，其特征在于：供水装置包括水箱、水泵、流量调节阀、流量计、水管，所述水管一端插装在水箱中，另一端与漫流管联通，在水管上依次安装有水泵、流量调节阀、流量计。8.根据权利要求7所述的一种土质边坡抗水...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，郑健龙，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43