【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩土工程与工程地质，具体涉及一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置与方法。
技术介绍
1、宽级配土是指在第四纪时期，经过风化、搬运、沉积等地质作用形成的次生松散堆积体，是一种颗粒粒径极不均匀的天然土石混合体，也是自然界中广泛分布的堆积层滑坡的主要物源。
2、宽级配土体在结构上由粗颗粒形成骨架，孔隙率大，从而导致土体结构松散、密实度差且不均匀。这种松散复杂的孔隙结构特征，使得土体破坏机理极为复杂。在细观层面上，宽级配土体细颗粒在水的渗透力作用下极易穿过粗颗粒形成的骨架，引起局部孔隙比变化，从而改变了土体宏观的物理力学性质，降低了土体抗侵蚀冲刷的能力。然而，目前尚未能清晰认识宽级配土内部结构演化对其抗侵蚀特征的影响机理，制约了宽级配土灾变的危险性评价研究。
3、室内试验是揭示宽级配土颗粒迁移演化过程的重要方法，目前，针对宽级配土渗流过程的研究已有一些研究成果，但缺少同时考虑坡面流-渗流共同作用下的土体侵蚀过程试验装置与方法。现有技术1：谢立全等.边坡坡面流－渗流耦合冲蚀的模型实验[j]，中国科技论文，2013年5月，8(5).该文献公开了一种模拟边坡冲蚀实验装置，但该装置不能监测坡面流和渗流共同作用时，土体中各高程处的压力，不能控制坡面流的流速，从而不能获得不同组坡面流的实验数据，来探究坡面流流速的大小对土体侵蚀特征的影响；并且该装置无法观测土体内部颗粒运移过程，进而无法探明土体在侵蚀作用下的土骨架内在演化过程，及实验条件对其抗侵蚀特征的影响机理。
4、现有技术2：申请号为202
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决当前试验装置无法用于观察、计算宽级配土在坡面流-渗流共同作用下的侵蚀特征，无法演示坡面流和渗流共同作用下，宽级配土体内部结构变化过程的问题，而提供一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置与方法。
2、本专利技术采用如下技术方案：
3、一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，包括支架，支架上固定连接有用于装填试样的试样筒，试样筒为透明材料制成，试样筒的上端敞口，试样的上端与试样筒的上端齐平；
4、试样筒的下表壁开设有渗流进水孔，试样筒上固定连接有用于通过渗流进水孔给试样筒中加水的渗流水管；
5、试样筒的上端敞口处密封连接有导流框，导流框的两端分别密封连接有冲刷水管和集料水管，水依次经过冲刷水管、导流框并冲刷试样的表层后进入到集料水管中；
6、所述试验装置还包括用于拍摄试样和采集数据的数据采集组件，数据采集组件包括数据采集仪，渗流水管、冲刷水管和导流框均为刚性管，渗流水管和冲刷水管上分别对应连接有第一流量阀和第二流量阀，第一流量阀和第二流量阀均与数据采集仪电性连接。
7、通过调节第一流量阀和第二流量阀流量的大小，控制试样筒中的试样能够在渗流作用下产生启动冲蚀，同时也控制试样在坡面流的作用下产生启动冲蚀，判断启动冲蚀时刻。
8、进一步地，由模拟土壤分层填筑在试样筒中形成试样，试样内部均匀、不分层，试样中沿着试样高度方向设置有多层孔压传感器，每层包括若干个孔压传感器，每层各个孔压传感器以试样筒的轴线圆周阵列设置，孔压传感器与数据采集仪电性连接，利用孔压传感器可以获知试样内部不同高度处的压力数据。由于孔压传感器跟数据采集仪电性连接，可以在坡面流和渗流侵蚀试验中，探究试样内部不同高度处的土壤，受坡面流和渗流作用的压力数据，将冲蚀前孔压传感器的数据，与受坡面流和渗流侵蚀过程中的孔压传感器数据进行对比，就可以分析出，在坡面流和渗流侵蚀过程中，试样内部不同高程处的压力变化情况。
9、进一步地，所述渗流水管连接有渗流水箱，渗流水箱连接有用于调整渗流水箱中水压的第一空气压缩装置；冲刷水管连接有冲刷水箱，冲刷水箱连接有用于调整冲刷水箱中水压的第二空气压缩装置，第一空气压缩装置和第二空气压缩装置均与数据采集仪电性连接。
10、利用第一空气压缩装置使渗流水箱中气压增大，气压迫使渗流水管中的水所受压力变大，使渗流水管中的水加压流动，再从试样筒的底端流入试样筒中，在试样筒中形成从下往上的渗流；压力不同，渗流水管中水的流速也不同，所产生的渗流压力效果也不同，这样可以模拟高压水头。
11、同样的，利用第二空气压缩装置使冲刷水箱中的气压增大，气压迫使冲刷水管中的水所受压力变大，使冲刷水管中的水加速流动，冲刷水管中的水对试样表面进行水平冲刷，对试样的表面产生坡面流，压力不同，冲刷水管中水的流速也不同，对试样表面的冲刷流速也不同。综上，第一空气压缩装置和第二空气压缩装置分别能改变试验装置的渗流强度和坡面流强度，可以获得不同情况下的多组数据，从而能进行横向和纵向的数据对比，这样可以模拟不同环境下的坡面流，如不同高度水的冲刷。
12、利用第一流量阀和第二流量阀分别控制渗流的流量和坡面流的流量，可以在改变第一空气压缩装置和第二空气压缩装置的压力情况下，纵向探究渗流压力和坡面流流速的大小所能带来的效果，让试验数据结果和类型更多样。
13、进一步地，所述冲刷水管远离导流框的一端设有集料池，集料池中设有挂篮，挂篮的上方具有开口，开口处于冲刷水管远离导流框一端的正下方，挂篮的孔径小于模拟土壤的粒径。
14、冲刷水管将试样表面土壤冲刷到集料水管中，再通过集料水管，从挂篮的开口进入到挂篮中，因为挂篮的孔径小于模拟土壤的粒径，所以模拟土壤不会从挂篮中被排出去，只有水从挂篮中排出去。挂篮起到了收集被冲刷模拟土壤的目的，便于对被冲刷试样总重量进行称重。
15、进一步地，所述集料池中固定连接有挂板，挂篮处于挂板的下方，挂篮与挂板之间设有拉力传感器，拉力传感器的一端与挂板固定连接，拉力传感器的另一端与挂篮固定连接，集料水管远离导流框的一端穿过挂板，拉力传感器与数据采集仪电性连接。
16、挂篮中收集的模拟土壤会改变挂篮对拉力传感器的拉力数值，拉力传感器是将拉力信号转换为电信号，再传递给数据采集仪，数据采集仪根据电信号的大小，得知挂篮和挂篮中模拟土壤的整体重量，减去挂篮的净重量，就可以获得被冲刷的试样总重量，可按公式 e=△ m/△ t计算宽级配土在坡面流-渗流共同作用下的侵蚀速率，其中 e是单位时间内土体质量的变化量，△ m是土体质量变化量，△ t是时间；还可将不同粒径的土壤颗粒筛分出来分别称重，分别得到不同试验条件下，不同粒径的土壤颗粒损失量。利用拉力传感器来获取总重量，无需操作人员手动对试样进行称重。
17、进一步地，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，包括支架，支架上固定连接有用于装填试样的试样筒，试样筒由透明材料制成，试样筒的上端敞口，试样的上端与试样筒的上端齐平；
2.根据权利要求1所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，由模拟土壤分层填筑在试样筒中形成试样，试样内部均匀、不分层，试样中沿着试样高度方向设置有多层孔压传感器，每层包括若干个孔压传感器，每层各个孔压传感器以试样筒的轴线呈圆周阵列设置，孔压传感器与数据采集仪电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，所述渗流水管连接有渗流水箱，渗流水箱连接有用于调整渗流水箱中水压的第一空气压缩装置；冲刷水管连接有冲刷水箱，冲刷水箱连接有用于调整冲刷水箱中水压的第二空气压缩装置，第一空气压缩装置和第二空气压缩装置均与数据采集仪电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，所述冲刷水管远离导流框的一端设有集料池，集料池中设有挂篮，挂篮的上方具有开口，开口处于冲刷水管远离导流
5.根据权利要求4所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，所述集料池中固定连接有挂板，挂篮处于挂板的下方，挂篮与挂板之间设有拉力传感器，拉力传感器的一端与挂板固定连接，拉力传感器的另一端与挂篮固定连接，集料水管远离导流框的一端穿过挂板，拉力传感器与数据采集仪电性连接。
6.一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验方法，用于权利要求1-5任一项所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验方法，其特征在于，步骤S1中，在试样筒的内底面铺设一层砾石垫层，在砾石垫层上表面铺设多个孔压传感器。
8.根据权利要求7所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验方法，其特征在于，步骤S1中，模拟土壤为多种粒径的硼硅酸盐玻璃颗粒均匀混合而成，每种粒径的硼硅酸盐玻璃颗粒质量已知，取一部分模拟土壤铺设在砾石垫层上并压实，在这一层模拟土壤表面铺设孔压传感器，之后再继续用同样的方式铺设第二层模拟土壤，直至填满试样筒，至此形成一个内部结构均匀的试样。
...【技术特征摘要】
1.一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，包括支架，支架上固定连接有用于装填试样的试样筒，试样筒由透明材料制成，试样筒的上端敞口，试样的上端与试样筒的上端齐平；
2.根据权利要求1所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，由模拟土壤分层填筑在试样筒中形成试样，试样内部均匀、不分层，试样中沿着试样高度方向设置有多层孔压传感器，每层包括若干个孔压传感器，每层各个孔压传感器以试样筒的轴线呈圆周阵列设置，孔压传感器与数据采集仪电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，所述渗流水管连接有渗流水箱，渗流水箱连接有用于调整渗流水箱中水压的第一空气压缩装置；冲刷水管连接有冲刷水箱，冲刷水箱连接有用于调整冲刷水箱中水压的第二空气压缩装置，第一空气压缩装置和第二空气压缩装置均与数据采集仪电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置，其特征在于，所述冲刷水管远离导流框的一端设有集料池，集料池中设有挂篮，挂篮的上方具有开口，开口处于冲刷水管远离导流框一端的正下方，挂篮的孔径...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟启明，吴昊，邓曌，单熠博，赵鲲鹏，李宇，杨蒙，张露澄，卢洪宁，胡亮，陈灵淳，陈旭东，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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