一种固沟保塬工程措施模拟装置及其模拟方法与应用与流程

本发明属于地质灾害防控领域，为一种固沟保塬工程措施模拟装置及其模拟方法与应用。

背景技术：

传统涉及降雨诱发地质灾害的物理模拟装置，如泥石流物理模拟装置，一般都使用金属结构支架，较为笨重，不便于移动，只能在室内试验场中进行模拟试验。而在工程实际中，地质灾害发生位置大多数在较为偏远的地区，所需的模拟介质大多需要原位取样带回室内进行物理模拟，需要耗费大量的人力及物力，且运输过程中也会改变介质的理化性状，影响模拟试验效果。加上室内模拟试验中，野外地形的相似性和物源的相似性难以得到满足。因此需要开发一种既能方便携带且模拟效果良好的新型野外物理模拟实验装置和方法来进行物理模拟试验，以实现针对溯源侵蚀过程及固沟保塬工程实施效果的对比和反馈。

目前常用的固沟保塬工程措施主要有沟头回填、淤地坝、坡改梯、修建蓄水池等，这些工程措施虽有较多的实际工程经验，但实施效果如何目前还缺乏一套成熟的原位物理模拟方法，因此也就难以做到对工程实际效果的进行定量评估与分析。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种固沟保塬工程措施模拟装置及其模拟方法与应用，该模拟装置轻巧便携，能在现场进行模拟试验，与周边环境相似程度高。

为了实现上述目的，本发明固沟保塬工程措施模拟装置包括用于放置黄土侵蚀沟模型的坡面板，坡面板安装在折叠支架上，折叠支架由坡面板安装支架、底座支架、调节螺杆组成，坡面板安装支架与底座支架的一端铰接，坡面板安装支架与底座支架的另一端之间安装调节螺杆，坡面板安装支架通过螺纹接头能够沿调节螺杆上下活动；所述黄土侵蚀沟模型的上方设置有人工降雨装置，坡面板的底端布置有泥沙收集箱；在坡面板的板面上设置有传感器以及用于将传感器检测到的数据传输至外部传感器数据采集器的数据线。坡面板的板面上连续开设有凹槽，凹槽衔接处形成用于增大黄土侵蚀沟模型附着力的摩擦条纹。

所述黄土侵蚀沟模型两侧的坡面板上设置有挡板。

所述黄土侵蚀沟模型顶部与底部两侧的坡面板外部连接集雨器。

所述坡面板安装支架与底座支架的中部分别加工有各自的折叠处。人工降雨装置包括通过水管与供水箱连接的花洒，供水箱内设有用于向水管输水的抽水泵。

本发明固沟保塬工程措施模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：首先，取两套模拟装置分别在坡面板上制作黄土侵蚀沟模型，其中一套模拟工程措施，另一套不使用任何工程措施作为对照，记录模型的尺寸参数并计算塬面积及沟道参数；然后，通过坡面板安装支架调节坡面板的倾角；最后，通过人工降雨装置同时定量的对两套黄土侵蚀沟模型均匀降雨，观测沟道冲刷情况，通过传感器数据采集器读取传感器数据，对比塬面积及沟道参数的变化。

模拟坡改梯工程措施的具体方法如下：

首先在两套模拟装置的坡面板上堆积高h＝300mm、宽b＝1000mm、长l＝150mm的黄土侵蚀沟形状，沟道居中，分割黄土塬，底坡面角度θ为15°，沟长初始定为L＝1000mm，塬面积为S＝bl-0.5lL＝1.2m，沟尾深度为H＝50tanθ＝134mm，在沟道上等间距监测5个点，记为a、b、c、d、e；测量出各点沟道深度且在沟道里埋设土壤湿度传感器；然后在模拟坡改梯工程措施的坡面上修建梯田，垂直等间距20mm修建一道梯田，梯田宽度b＝2/tanθ＝74.6mm，夯实田坎并修建好梯田间的排水沟道，另一套作对比的作用，不修建任何工程措施；最后使用人工降雨装置同时给两套模拟装置进行人工降雨，间隔相同时间记录两试验台上沟道的下切深度、沟床冲刷宽度以及沟头前进情况，在塬区发生崩塌滑移等明显物理变化时，观测沟道冲刷情况，记录该时段量筒内降雨量、沟道深度、宽度、沟头前进长度、塬面面积，读取土壤湿度传感器数据；根据记录的数据及降雨条件下黄土塬物理形态的改变，得到底坡面角度θ为15°时，有坡改梯工程措施及没有该工程措施情况下，塬面面积的变化及沟头的前进长度、沟道的冲刷状况变化；在底坡面角度θ为15°时的条件下，对比两套模拟装置收集到的沟头溯源侵蚀量数据，实现有无坡改梯工程措施效果的对比分析；改变底坡面角度θ，再以20°、25°、30°进行试验，分别试验不同坡角下，有坡改梯工程措施及没有该工程措施情况下塬面面积的变化及沟头的前进长度、沟道的冲刷状况变化，记录数据进行定量对比分析。

模拟沟头填埋工程措施的方法如下：

首先在两套模拟装置底板上堆积高h＝300mm、宽b＝1000mm、长l＝150mm的黄土侵蚀沟形状，沟道居中，分割黄土塬，底坡面角度θ为15°，沟长初始定为L＝1000mm，塬面积为S＝bl-0.5lL＝1m2，沟尾深度为H＝50tanθ＝134mm，在沟道上等间距监测5个点，记为a、b、c、d、e；测量出各点沟道深度，在沟道里埋设土壤湿度传感器；然后在模拟沟头回填工程措施的沟头回填土体，将沟长度控制在900mm，将排水管道铺设结束后，进行整体回填，回填当中应采用分层夯实，回填面形成30°～40°的坡面，防止坡体自行崩塌；最后使用人工降雨装置同时给两套模拟装置进行人工降雨，间隔相同时间记录两试验台上沟道的下切深度、沟床冲刷宽度以及沟头前进情况，在塬区发生明显物理变化时，观测沟道冲刷情况，记录该时段量筒内降雨量、沟道深度、宽度、沟头前进长度、塬面面积，读取土壤湿度传感器数据；根据记录的数据及降雨条件下黄土塬物理形态的改变，得到底坡面角度θ为15°时，有沟头回填工程措施及没有该工程措施情况下，沟头的前进长度、沟道的冲刷状况等物理形态变化；在坡面角度θ为15°条件下，对比两套模拟装置收集到的沟头溯源侵蚀量数据，实现有无沟头回填工程措施效果的对比分析；改变底坡面角度θ，再以20°、25°、30°进行试验，分别试验不同坡角下，有坡改梯工程措施以及没有该工程措施情况下，塬面面积的变化及沟头的前进长度、沟道的冲刷状况变化，记录数据进行定量对比分析。

本发明的模拟方法在淤地坝、修建蓄水池工程措施模拟中的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过有固沟保塬工程措施与无工程措施的对比，实现该工程措施实施后的反馈效果分析，再通过各种工程措施之间的对比，得到一个最适宜的固沟保塬工程措施方案。本发明通过采用折叠支架取代传统装置大型笨重的钢结构支架，增加了模拟装置的灵活性，携带方便。本发明将以往取样带回室内试验变成了野外就地试验，这也就解决了浪费大量人力物力的现实情况，并且，由于是在现场进行模拟试验，能够保证物理模型实验与周边环境达到最大程度的拟合，提高了模拟试验的准确性，增加了研究数据的可靠性。本发明为固沟保塬工程措施的模拟提供了基础，实现了工程实际效果的定量分析，填补了固沟保塬工程措施模拟技术方面的空白。

附图说明

图1本发明模拟装置的装配结构示意图；

图2本发明模拟装置结构的正视图；

图3本发明坡面板结构的俯视图；

图4无工程措施的黄土侵蚀沟模型示意图；

图5模拟坡改梯工程措施示意图；

图6模拟沟头回填工程措施示意图。

附图中：1-泥沙收集箱；2-黄土侵蚀沟模型；2-1.坡面；2-2.塬面；2-3.沟头；2-4.田坎；2-5.田面；2-6.沟头回填土；3-人工降雨装置；4-抽水泵；5-供水箱；6-模拟装置；6-1.折叠处；6-2.集雨器；6-3.摩擦条纹；6-4.传感器数据采集器；6-5.数据线；7-折叠支架；7-1.坡面板安装支架；7-2.底座支架；7-3.调节螺杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

侵蚀的基本原理：在自然状态下，坡面自重M产生两个分力，即垂直坡面的正应力σ和沿着坡面方向的分力F＝Msinθ(其中θ为沟道底坡面角度)。以及地表径流对表层土体的拖曳力τc＝γhj。

土体抗剪强度(其中C为土体内聚力,为土体内摩擦角)。

当F+τc>τ0时,土体抗剪强度无法抵抗下滑分力，坡面发生坍塌滑移；

当F+τc＝τ0时,土体处于临界状态；

当F+τc<τ0时,下滑分力不足以引起滑动,坡面稳定。

由于黄土渗水性较小，降水情况下坡面表层土体逐渐饱水，下层土体未饱和。

随着黄土空隙逐渐饱水，土体内摩擦角和内聚力C随着含水量的增加而降低，使土体内摩擦系数变小，内摩擦力降低。

因此在降水情况下，水流的不断冲刷，沟道底坡面角度θ增大，下滑分力F＝Msinθ增大。循环往复下，沟床加深变宽，塬面宽度递减，沟头逐渐向上游前进。

参见图1-3，本发明固沟保塬工程措施模拟装置，包括用于放置黄土侵蚀沟模型2的坡面板，坡面板的板面上连续开设有凹槽，凹槽衔接处形成用于增大黄土侵蚀沟模型2附着力的摩擦条纹6-3，黄土侵蚀沟模型2两侧的坡面板上设置有挡板8。黄土侵蚀沟模型2顶部与底部两侧的坡面板外部连接集雨器6-2。坡面板安装在折叠支架7上，折叠支架7由坡面板安装支架7-1、底座支架7-2、调节螺杆7-3组成，坡面板安装支架7-1与底座支架7-2的一端铰接，坡面板安装支架7-1与底座支架7-2的另一端之间安装调节螺杆7-3，坡面板安装支架7-1通过螺纹接头能够沿调节螺杆7-3上下活动。坡面板安装支架7-1与底座支架7-2的中部分别加工有各自的折叠处6-1。黄土侵蚀沟模型2的上方设置有人工降雨装置3，坡面板的底端布置有泥沙收集箱1，人工降雨装置3包括通过水管与供水箱5连接的花洒，供水箱5内设有用于向水管输水的抽水泵4。在坡面板的板面上设置有传感器以及用于将传感器检测到的数据传输至外部传感器数据采集器6-4的数据线6-5。

参见图4，图5，本发明模拟坡改梯工程措施，工程目的为拦蓄坡面水流，减小坡面冲刷；增加降水下渗量，减小沟道径流，降低水流冲刷侵蚀沟床，具体包括以下步骤：

(1)在野外展开该模拟装置，固定好支架。

现场按试验要求准备好所需材料(试验土体、降雨装置等)。

(2)用原状土体在两套模拟装置底板上堆放成近似原状黄土溯源侵蚀沟头形状,一套模拟坡改梯工程措施，另一套不使用任何工程措施作为对照。

①在两套模拟装置底板上堆积高h＝300mm，宽b＝1000mm，长l＝150mm的黄土侵蚀沟形状，沟道居中，分割黄土塬，底坡面角度θ为15⁰，沟长初始都定为L＝1000mm,计算塬面面积为S＝bl-0.5lL＝1m²，沟尾深度为H＝50tanθ＝134mm。在沟道上等间距监测5个点，记为a、b、c、d、e。用卷尺测量出各点沟道深度，且在沟道里埋设土壤湿度传感器；

②在模拟坡改梯工程措施的坡面上修建梯田，垂直等间距20mm修建一道梯田，梯田宽度b＝2/tanθ＝74.6mm。夯实田坎，使田坎与田面紧密结合，防止试验过程中田坎崩溃。修建好梯田间的排水沟道。另一套作对比的作用，不修建任何工程措施。

(3)使用人工降雨装置同时给两套模拟装置进行人工降雨，间隔相同时间记录两试验台上沟道的下切深度及沟床冲刷宽度，以及沟头前进情况。

①在试验区四周均匀各安设一个集水量筒，用人工降雨装置给试验区均匀降雨；

②在塬区发生崩塌滑移等明显物理变化时，观测沟道冲刷情况，记录该时段量筒内降雨量、沟道深度、宽度、沟头前进长度、塬面面积。读取土壤湿度传感器数据；

③根据记录的数据及降雨条件下黄土塬物理形态的改变，可得底坡面角度θ为15°时，有坡改梯工程措施及没有该工程措施情况下，塬面面积的变化及沟头的前进长度、沟道的冲刷状况等物理形态变化；

④在底坡面角度θ为15°时的条件下，对比两套模拟装置收集到的沟头溯源侵蚀量数据，可实现有无坡改梯工程措施效果的对比分析。

(4)改变底坡面角度θ，按(2)、(3)的步骤分别再以20°、25°、30°进行试验，分别试验不同坡角下，有坡改梯工程措施及没有该工程措施情况下塬面面积的变化及沟头的前进长度、沟道的冲刷状况等物理形态变化。

(5)调节模拟装置底板角度a，可改变沟道水流冲刷强度，可模拟不同倾斜度的沟床中水流对沟道的冲刷情况。通过测量不同角度相同降雨量下沟床的产沙量、下切深度、宽度等进行定量比对。按第(2)步骤做好降雨前的准备，分别以5°、7°、9°、11°、13°、15°进行试验，必要时还可以增设角度a为6°、8°、10°、12°、14°的试验组作为对照。记录数据进行定量对比分析。

参见图4，图6，本发明模拟沟头填埋工程措施的工程目的为加固沟头，减缓塬面侵蚀速度，制止沟头前进，保护地面不被沟壑切割破坏，具体包括以下步骤：

(1)在野外展开该模拟装置，固定好支架。

现场按试验要求准备好所需材料(试验土体、降雨装置等)。

(2)用原状土体在两套模拟装置底板上堆放成近似原状黄土溯源侵蚀沟头形状，一套模拟沟头回填工程措施，另一套不使用任何工程措施作为对照。

①在两套模拟装置底板上堆积高h＝300mm、宽b＝1000mm、长l＝150mm的黄土侵蚀沟形状，沟道居中，分割黄土塬，底坡面角度θ为15°，沟长初始都定为L＝1000mm，计算塬面面积为S＝bl-0.5lL＝1m²，沟尾深度为H＝50tanθ＝134mm。在沟道上等间距监测5个点，记为a、b、c、d、e。用卷尺测量出各点沟道深度，在沟道里埋设土壤湿度传感器；

②在模拟沟头回填工程措施的沟头回填土体，将沟长度控制在900mm，将排水管道铺设结束后，进行整体回填。回填当中应采用分层夯实。其回填面要形成30～40°的坡面，防止坡体自行崩塌。

(3)使用人工降雨装置同时给两套模拟装置进行人工降雨，间隔相同时间记录两试验台上沟道的下切深度及沟床冲刷宽度，以及沟头前进情况。

①在试验区四周均匀各安设一个集水量筒，用人工降雨装置给试验区均匀降雨；

②在塬区发生崩塌滑移等明显物理变化时，观测沟道冲刷情况，记录该时段量筒内降雨量、沟道深度、宽度、沟头前进长度、塬面面积。读取土壤湿度传感器数据；

③根据记录数据及降雨条件下黄土塬物理形态的改变，可得底坡面角度θ为15°时，有沟头回填工程措施及没有该工程措施情况下，沟头前进长度、沟道的冲刷状况等物理形态变化；

④在坡面角度θ为15°条件下，对比两套模拟装置收集到的沟头溯源侵蚀量数据，可实现有无沟头回填工程措施效果的对比分析。

(4)改变底坡面角度θ，按(2)、(3)的步骤分别再以20°、25°、30°进行试验，分别试验不同坡角下，有坡改梯工程措施及没有该工程措施情况下塬面面积的变化及沟头的前进长度、沟道的冲刷状况等物理形态变化。

(5)调节模拟装置底板角度a，可改变沟道水流冲刷强度，可模拟不同倾斜度的沟床中水流对沟道的冲刷情况。通过测量不同角度相同降雨量下沟床的产沙量、下切深度、宽度等进行定量比对。按第(2)步骤做好降雨前的准备，分别以5°、7°、9°、11°、13°、15°进行试验，必要时还可以增设角度a为6°、8°、10°、12°、14°的试验组作为对照。记录数据进行定量对比分析。

以相同的方式可以对淤地坝、修建蓄水池等工程措施模拟。