室内冻土水分迁移规律模拟系统及特征参数测定方法_5

文档序号:8941611阅读:来源:国知局
带轮带动所述电热管前后运动皮带23绕所述第二电热管前后运动带轮和 第一电热管前后运动带轮24转动,所述电热管前后运动皮带23带动电热管前后运动小车 15在模拟系统箱体1内前后运动,电热管前后运动小车15带动电热管14在模拟系统箱体 1内前后运动。
[0110] 本实施例中,步骤三中电热管加热温度1~3的取值为20°C~80°C,步骤五中冻土环 境温度!\的取值为-20 °C~30 °C,步骤六中降雪温度T i的取值为-25 °C~0 °C,步骤七中降 雪入渗温度1~2的取值为-20°C~20°C。
[0111] 综上所述,本发明能够研究不同坡度、不同降雪强度、不同温度下不同土质内降雪 条件下冻土水分迀移规律及特征参数(试验土样冻结前的初始含水率、土壤冻结前的谷值 含水率、土壤冻结后的稳定含水率、土壤消融后的稳定含水率、土壤消融时的峰值含水率、 降雪径流量、降雪出渗量、降雪入渗量、水分亏损量、降雪入渗率、降雪出渗率和降雪入渗系 数)的变化规律,为进一步研究降雪条件下冻土水分迀移规律提供了途径。
[0112] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。
【主权项】
1. 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(I)、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(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福射热模拟系统; 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 空间的经炜格栅板(4-2),所述经炜格栅板(4-2)上设置有多个出水孔洞,所述经炜格栅板 (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(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(1〇_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(1〇_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。2. 按照权利要求1所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(3-4)包括圆盘形的切冰刀体(3-41)和均匀设置在切冰刀体(3-41)上的多排从切冰 刀体(3-41)的中心向外发散的切冰孔(3-42),每个所述切冰孔(3-42)内均设置有金刚石 刀刃(3-43)。3. 按照权利要求1所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(3-4)的底端距离储冰筒(3-3)的底端的距离为2cm~5cm。4. 按照权利要求1所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(15)和沿模拟系统箱体(1)的前后方向设置在模 拟系统箱体(1)内的门字型框架(16),所述电热管(14)悬挂在电热管前后运动小车(15) 的底部,所述门字型框架(16)的顶部设置有供电热管前后运动小车(15)行走的电热管前 后运动导轨(17),所述门字型框架(16)的顶部一侧设置有电热管前后运动电机(22),所述 门字型框架(16)的顶部另一侧设置有第一电热管前后运动带轮(24),所述电热管前后运 动电机(22)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 (24)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(23),所述电热管前 后运动小车(15)的底部与电热管前后运动皮带(23)固定连接;所述电热管左右运动机构 包括沿模拟系统箱体(1)的左右方向设置在模拟系统箱体(1)底部的两条电热管左右运动 导轨(18),所述门字型框架(16)的一侧底部设置有沿其中一条电热管左右运动导轨(18) 运动的电热管左右主动运动导轮(26)和与电热管左右主动运动导轮(26)同轴连接的第一 电热管左右运动链轮(25),所述门字型框架(16)的另一侧底部设置有沿另一条电热管左 右运动导轨(18)运动的电热管左右从动运动导轮(32),与电热管左右主动运动导轮(26) 相配合的电热管左右运动导轨(18)的两侧分别设置有电热管左右运动电机(19)和第二电 热管左右运动链轮(21),所述电热管左右运动电机(19)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(25)、第二电热管左右运动链轮(21)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(20);所述微控制器(13-1)的输入 端接有电热管左右运动按钮(13-3)和电热管前后运动按钮(13-4),所述微控制器(13-1) 的输出端接有用于驱动电热管左右运动电机(19)的第二电机驱动器(13-7)、用于驱动电 热管前后运动电机(22)的第三电机驱动器(13-8)和用于控制电热管(14)通断电的继电 器(13-9),所述继电器(13-9)的线圈串联在电热管(14)的供电回路中。5. 按照权利要求4所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 前后运动导轨(17)的前后两端分别设置有电热管前限位开关(31)和电热管后限位开关 (30),与电热管左右从动运动导轮(25)相配合的电热管左右运动导轨(18)的左右两端分 别设置有电热管左限位开关(28)和电热管右限位开关(27),所述电热管前限位开关(31)、 电热管后限位开关(30)、电热管左限位开关(28)和电热管右限位开关(27)均与微控制器 (13-1)的输入端连接。6. 按照权利要求1所述的室内冻土水分迀移规律模拟系统,其特征在于:各层中多个 所述土壤温湿度传感器(33)呈ImX Im的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0. 5m的相等间距上下相对布设。7. -种利用如权利要求4所述的室内冻土水分迀移规律模拟系统进行室内冻土水分 迀移规律特征参数测定的方法,其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一、构建地质模型:操作多个千斤顶(5),使地质模型槽(4)处于水平放置后,将试 验土样(4-1)分层填装到地质模型槽(4)内陶土板(4-3)的顶部,并进行土样夯击填筑;然 后,再操作多个千斤顶(5),调整地质模型槽(4)的坡度为试验坡度; 步骤二、装配降雪点模拟机构:将冰块(3-7)放入储冰筒(3-3)内,将冰块防转杆 (3-8)插入柱状孔(3-9)内,并将启封盖(3-1)连接在储冰筒(3-3)顶部;所述冰块(3-7) 为圆柱形冰块; 步骤三、参数设置:在计算机(8)上输入总降雪量Qz和电热管加热温度T3,计算机 (8)根据公式尾=^^计算得到单个冰块(3-7)的下降高度限值h。,并通过串口通信电路 S-n (13-2)将单个冰块(3-7)的下降高度限值h。和电热管加热温度T3传输给微控制器(13-1); 其中,S为单个冰块(3-7)的横截面积,η为冰块(3-7)的数量; 步骤四、测量试验土样冻结前的初始含水率:多个土壤温湿度传感器(33)分别对试验 土样(4-1)的温度和湿度进行
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