植被边坡抗冲刷性研究装置及实验方法与流程

本发明涉及边坡技术领域，尤其是一种植被边坡抗冲刷性研究装置及实验方法。

背景技术：

我国山地面积占国土面积的33.3%，滑坡地质灾害频发。降雨是山地滑坡的常见诱导因素之一。有研究表明，60％以上的边坡失稳是由于降雨引起的。近年来，强降雨、暴雨多次袭击我国部分区域，引起了诸多地质灾害，严重威胁到了人民的生命财产安全。我国工程建设中形成了大量的裸露工程边坡，破坏了区域的生态景观，同时也造成了土壤大量流失和退化。从目前植物护坡技术的应用研究来看，主要是围绕着防止坡地免受雨水侵蚀的目的而进行的，它通过对坡面的有效覆盖和及时地保护表土，使其免受表面侵蚀和土壤退化；通过植物根系固持土壤，降低土壤空隙水压，来加固土层和提高抗滑力。目前针对植被边坡抗冲刷性的研究主要是针对植被边坡根——土复合体的抗剪强度或者抗冲流速来间接反映，数据无法直接和全面的反映植被边坡的抗冲刷能力。再者由于边坡土冲刷是一个具有整体性和综合性作用的系统过程，因子作用和效应关系非常复杂，所以目前关于冲刷量的计算统计模型存在或多或少的不足，建立的数学方程也往往比较复杂，不仅不便于研究和统计，其计算结果的说服力也有限。关于边坡模型，现有模型主要集中在边坡稳定性研究和护坡技术的研发上，且大部分模型是混凝土结构，不便灵活调整坡度、坡向等影响因子，研究面较为狭窄。当前未见专门研究植被边坡抗冲刷性的室内实验模型，为此，提供一种专门研究植被边坡抗冲刷性室内实验模型及严谨的实验方法是本领域的技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种植被边坡抗冲刷性研究装置及实验方法，采用拟自然的方法还原了待恢复地的地形地貌特征和土壤特性，运用被冲刷掉的泥土的质量作为植被边坡抗冲刷性的衡量指标，可以较为全面的量化评价植被边坡抗冲刷性能，对于边坡植被恢复具有重要的理论研究和技术指导价值。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种植被边坡抗冲刷性研究装置，包括液压顶升边坡模型体,液压顶升边坡模型体的可升降坡面板上滑动连接有至少一个无盖基材箱，无盖基材箱包括底板，底板用于放置拟自然边坡岩体模型，无盖基材箱靠近液压顶升边坡模型体转动侧的一侧面板为可拆卸滑动式侧板,液压顶升边坡模型体一侧放置有与无盖基材箱相配合的泥水收集箱，无盖基材箱上部悬挂有人工降雨装置，可拆卸滑动式侧板的宽度与土壤基材层的高度相配合。

液压顶升边坡模型体中，中空的无盖模型箱体内部安装有液压千斤顶，无盖模型箱体底部四角设置有可锁定万向轮，可升降坡面板一侧与无盖模型箱体一侧铰接，液压千斤顶的顶杆与可升降坡面板相配合。

液压顶升边坡模型体的无盖模型箱体的转动侧设置有坡度器。

人工降雨装置中，降雨板由中空的网格状连通管道组成，降雨板底面布设有多个出水孔，降雨板通过支架与悬挂杆连接，降雨板的进水管道上设置有流量计，降雨板上的网格管道空隙内安装有光源。

液压顶升边坡模型体的可升降坡面板上滑动连接有三个无盖基材箱。

一种采用上述装置进行植被边坡抗冲刷性研究的实验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：构建拟自然边坡岩体模型：使用三维激光扫描仪采集待恢复地坡面岩体结构及地形数据，按比例缩小至垂直投影面积小于100cm×100cm，根据缩小的三维图制作等比模具，以配方量混合粗粒以及中粒石英砂、石膏、柠檬酸钠和水至砂浆状，倒入提前预制的模具中振实成型，然后进行凝固脱模，即完成拟自然边坡岩体模型(10)的构建；

步骤2：将构建好的拟自然边坡岩体模型固定于无盖基材箱底部；

步骤3：构建土壤基材层：采用自然土壤或者应用边坡植被修复技术的土壤培养基构建土壤基材，所用土壤基材的重量为m0，并将其设置于拟自然边坡岩体模型上部制得土壤基材层；

步骤4：植物播种与植被生长：将种子取出和预先留存的土壤混匀并均匀的洒在无盖基材箱中拟自然边坡岩体模型的土壤基材层表面，待植被生长至展叶期即可开始实验；

步骤5：开启液压千斤顶，升高可升降坡面板至与待恢复地坡度一致时停止；

步骤6：进行植被边坡抗冲刷实验：调节降雨装置的降雨板的平面角度至与拟自然边坡岩体模型的土壤基材层的土壤平面平行，按照实验要求对可升降坡面板形成的边坡进行一定周期一定强度的降雨冲刷实验，用泥水收集箱收集冲刷下的泥水，冲刷实验结束，将泥水收集箱及其内部的泥水一同烘干至恒重，称量泥水收集箱及土壤基材总重m2；

步骤7：冲刷量计算及结果分析：假定泥水收集箱重量为m3，则冲刷量m=m2-m3，冲刷率er=m/m0，运用三维激光扫描仪扫描被冲刷的土壤基材层表面，建立三维图像，统计冲刷深度、面积数据，分析水土流失原因及植被恢复的可行性，即完成植被边坡抗冲刷性研究。

步骤3中，采用自然土壤，并将其设置于拟自然边坡岩体模型上部制得土壤基材层的方法为：在待恢复地建立土壤样方100cm×100cm，深度根据土壤层实际深度而定，最大深度小于20cm，将样方内的全部土壤包括岩石，烘干至恒重，称量土壤质量m1，加入有机肥，质量为0.05m1，混匀，此时土壤基材质量m0=1.05m1，土壤基材平铺于无盖基材箱中的拟自然边坡岩体模型之上，压实；向平铺的土壤浇水至土壤含水量饱和。

步骤3中，采用应用边坡植被修复技术的土壤培养基，并将其设置于拟自然边坡岩体模型上部制得土壤基材层的方法为：采用应用植被混凝土技术、客土喷播技术的土壤培养基构建土壤基材，此时土壤基材质量m0=土壤干重+外掺料干重，将土壤基材加水搅拌，再将其喷射到无盖基材箱中的拟自然边坡岩体模型之上。

本发明提供的植被边坡抗冲刷性研究装置及实验方法，有益效果如下：

1、将被冲刷掉的泥土的质量与原土质量比作为植被边坡抗冲刷性的衡量指标，可精确量化评价植被边坡抗冲刷性，较现有计算方法，更加简便、严谨。

2、适用于研究各种环境因子对植被边坡抗冲刷性的影响，在实验室内对植被边坡模型的坡度、降水量、光照时长、施肥量等因素进行量化控制，实验进度不受天气影响，同时可针对不同坡度梯度、不同降雨量梯度和植被物候期等展开植被固土护坡特性的相关理论研究。

3、模拟待恢复地的地形地貌特征及土壤特性制备拟自然边坡岩体模型和土壤基材，可以实验验证待恢复地植被恢复方案的可行性，对后期的植被恢复中的物种选择及合理搭配、密植等提供重要的技术指导。

4、可以对比检验不同的边坡修复技术，模拟其恢复过程，通过实验选择最佳的恢复技术。

5、采用液压顶升边坡模型体，坡度可调，可模拟多种类型边坡，液压顶节约人力，设有万向轮，灵活可移动。

6、每个无盖基材箱为一个独立的实验组，可同时进行多组实验，大大提高实验效率，土壤不直接接触坡面，避免腐蚀损坏坡面。基材箱可拆卸，使得实验组及时更换和土壤清理工作更加简便。

采用拟自然的方法还原了待恢复地的地形地貌特征和土壤特性，运用被冲刷掉的泥土的质量作为植被边坡抗冲刷性的衡量指标，可以较为全面的量化评价植被边坡抗冲刷性能，对于边坡植被恢复具有重要的理论研究和技术指导价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的液压顶升边坡模型体的示意图；

图3为本发明装置的无盖基材箱的示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1-图3所示，一种植被边坡抗冲刷性研究装置，包括液压顶升边坡模型体1,液压顶升边坡模型体1的可升降坡面板7上滑动连接有至少一个无盖基材箱2，无盖基材箱2包括底板，底板用于放置拟自然边坡岩体模型10，无盖基材箱2靠近液压顶升边坡模型体1转动侧的一侧面板17为可拆卸滑动式侧板,液压顶升边坡模型体1一侧放置有与无盖基材箱2相配合的泥水收集箱4，无盖基材箱2上部悬挂有人工降雨装置3，可拆卸滑动式侧板的宽度与土壤基材层11的高度相配合。

液压顶升边坡模型体1中，中空的无盖模型箱体8内部安装有液压千斤顶14，无盖模型箱体8底部四角设置有可锁定万向轮16，可升降坡面板7一侧与无盖模型箱体8一侧铰接，液压千斤顶14的顶杆13与可升降坡面板7相配合，液压千斤顶14安装于无盖模型箱体8中心，顶杆13向可升降坡面板7的中心。

液压千斤顶14为电动液压顶，力臂最大长度70cm，升缩速率约为1cm/s，其开关15位于无盖模型箱体8一侧侧面。

液压顶升边坡模型体1的无盖模型箱体8的转动侧设置有坡度器5，坡度器5底边与无盖模型箱体8上沿重合，坡度器5范围为0~90度。

人工降雨装置3中，降雨板由中空的网格状连通管道组成，降雨板底面布设有多个出水孔，降雨板通过支架与悬挂杆连接，降雨板的进水管道上设置有流量计21，降雨板上的网格管道空隙内安装有光源6，光源6优选为冷光白炽灯，外部套设有密封透明灯罩。

液压顶升边坡模型体1的可升降坡面板7上滑动连接有三个无盖基材箱2。

无盖基材箱2采用韧性强，耐腐蚀的聚丙烯材料制成，可升降坡面板7两侧设置有滑动凹槽9，无盖基材箱2的箱体底部两侧设有凸起条19，无盖基材箱2通过设置于滑动凹槽9内凸起条19与可升降坡面板7滑动连接。

无盖模型箱体8上设置有把手12，泥水收集箱4上设置有提手20。

实施例二

一种采用上述装置进行植被边坡抗冲刷性研究的实验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：构建拟自然边坡岩体模型10：使用三维激光扫描仪采集待恢复地坡面岩体结构及地形数据，按比例缩小至垂直投影面积小于100cm×100cm，根据缩小的三维图制作等比模具，以配方量混合粗粒以及中粒石英砂、石膏、柠檬酸钠和水至砂浆状，倒入提前预制的模具中振实成型，然后进行凝固脱模，即完成拟自然边坡岩体模型10的构建；

步骤2：将构建好的拟自然边坡岩体模型10固定于无盖基材箱2底部；

步骤3：构建土壤基材层11：采用自然土壤或者应用边坡植被修复技术的土壤培养基构建土壤基材，所用土壤基材的重量为m0，并将其设置于拟自然边坡岩体模型10上部制得土壤基材层11；

步骤4：植物播种与植被生长：将种子取出和预先留存的土壤混匀并均匀的洒在无盖基材箱2中拟自然边坡岩体模型10的土壤基材层11表面，待植被生长至展叶期即可开始实验；

步骤5：开启液压千斤顶14，升高可升降坡面板7至与待恢复地坡度一致时停止；

步骤6：进行植被边坡抗冲刷实验：调节降雨装置3的降雨板的平面角度至与拟自然边坡岩体模型10的土壤基材层11的土壤平面平行，按照实验要求对可升降坡面板7形成的边坡进行一定周期一定强度的降雨冲刷实验，用泥水收集箱4收集冲刷下的泥水，冲刷实验结束，将泥水收集箱4及其内部的泥水一同置于烘箱105℃烘干至恒重，称量泥水收集箱4及土壤基材25总重m2；

步骤7：冲刷量计算及结果分析：假定泥水收集箱4重量为m3，则冲刷量m=m2-m3，冲刷率er=m/m0，运用三维激光扫描仪扫描被冲刷的土壤基材层11表面，建立三维图像，统计冲刷深度、面积数据，分析水土流失原因及植被恢复的可行性，即完成植被边坡抗冲刷性研究。

步骤3中，采用自然土壤，并将其设置于拟自然边坡岩体模型10上部制得土壤基材层11的方法为：在待恢复地建立土壤样方100cm×100cm，深度根据土壤层实际深度而定，最大深度小于20cm，将样方内的全部土壤包括岩石，带回实验室105℃烘干至恒重，称量土壤质量m1，加入有机肥，质量为0.05m1，混匀，此时土壤基材质量m0=1.05m1，将土壤基材平铺于无盖基材箱2中的拟自然边坡岩体模型10之上，压实；向平铺的土壤浇水至土壤含水量饱和。

步骤3中，采用应用边坡植被修复技术的土壤培养基，并将其设置于拟自然边坡岩体模型10上部制得土壤基材层11的方法为：采用应用植被混凝土技术、客土喷播技术的土壤培养基构建土壤基材，此时土壤基材质量m0=土壤干重+外掺料干重，将土壤基材加水搅拌，通过设备喷射到无盖基材箱2中的拟自然边坡岩体模型10之上。

所能进行的植被边坡抗冲刷性各项研究列举如下：

一、研究降雨量对植被边坡抗冲刷性影响：

通过在步骤6中调节人工降雨装置3流量，设置不同的降雨量梯度，其他步骤相同与实施例二的各步骤相同，即可进行降雨量对植被边坡抗冲刷性影响的研究，每台模型装置可同时进行3个梯度的实验。

二、研究坡度对植被边坡抗冲刷性影响：

通过在步骤5中调节不同的坡度梯度，其他步骤相同与实施例二的各步骤相同，即可进行坡度对植被边坡抗冲刷性影响的研究，每台模型装置能进行1个梯度的实验。

三、研究植被类型对植被边坡抗冲刷性影响：

通过在步骤4中选用相同质量的不同的种子或者不同的种子组合，其他步骤相同与实施例二的各步骤相同，即可进行植被类型对植被边坡抗冲刷性影响的研究，每台模型装置可同时进行3个梯度的实验。

四、研究植被密度对植被边坡抗冲刷性影响：

通过在步骤4中对选用种子的质量设置梯度，其他步骤相同与实施例二的各步骤相同，即可进行植被密度对植被边坡抗冲刷性影响的研究，每台模型可同时进行3个梯度的实验。

五、研究植被发育阶段对植被边坡抗冲刷性影响：

通过在步骤4选取不同时间播种选用植被，一般分土表裸露期、种子萌发期、植被展叶期、植被成熟期、植被凋亡期五个时期进行，其他步骤相同与实施例二的各步骤相同，即可进行植被发育阶段对植被边坡抗冲刷性影响的研究，每台模型可同时进行3个梯度的实验。

六、研究不同边坡恢复技术的植被生长状况与抗冲刷性能对比：

步骤3中选择应用边坡植被修复技术的土壤培养基的方法构建土壤基材。选用不同边坡修复技术，保持其他条件一致，其他步骤相同与实施例二的各步骤相同，可对植被的生长进行观测，对抗冲刷性进行计算，综合比较各技术的优缺点。每台模型装置可同时进行3种技术的实验。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。