一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验装置与方法与流程

本发明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。

背景技术：

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202310539498.8，发明名称为一种模拟近接隧洞中夹含水层开挖侵蚀的试验装置及方法的中国专利，该方案主要目的是研究开挖作用下隧道夹含水层颗粒的流动过程，不考虑水流对土体表面的冲刷作用，因此无法测量渗流作用下土样颗粒的孔压变化。

技术实现思路

1、本发明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、本发明采用如下技术方案：

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，所述试样筒中填设有一层砾石垫层，试样铺设在砾石垫层上。

18、砾石垫层隔在渗流水流与试样之间，让渗流水流不能直接接触到试样，而是先经过砾石垫层将水流稳定后，再向试样渗流，这样的渗流水流更加平稳，使试验现象更真实。

19、一种坡面流-渗流共同侵蚀宽级配土的试验方法，包括以下步骤：

20、s1：将处于未饱和状态的模拟土壤分层填筑在砾石垫层上，分层填筑处铺设孔压传感器；将试样用蒸馏水溶液充分饱和，蒸馏水溶液中掺入荧光染料；

21、s2：使用第一空气压缩装置向渗流水箱内部加压，使第一空气压缩装置保持某一个压力值，逐渐打开第一流量阀，流量从零逐渐微调增加，直至肉眼明显地观察到试样筒中土壤颗粒产生移动，保持第一流量阀不动，记录此时第一空气压缩装置压力值、各个孔压传感器数值与此时第二流量计流量值；

22、s3：使用第二空气压缩装置向冲刷水箱内加压，使第二空气压缩装置保持某一个压力值，逐渐打开第二流量阀，流量从零逐渐微调增加，直至肉眼明显地观察到试样表面产生冲刷，记录此时第二空气压缩装置压力值、第一流量计流量值；

23、s4：保持第一流量阀和第二流量阀按上述流量值打开，保持第一空气压缩装置和第二空气压缩装置的压力值不变，观察试样在渗流和面流共同作用下的变化情况，由数码照相机隔1s拍摄一张照片，并传输给数据采集仪，数据采集仪将照片二值化处理后，计算不同时刻下试样的孔隙率，数据采集仪记录试样孔隙率变化，由拉力传感器记录被冲刷土壤的质量变化；

24、当肉眼观察到冲刷水管中的水流无法再携带试样表层的土壤后，关闭第一流量阀和第二流量阀，停止供水；

25、s5：试样筒中的试样先静置24小时，再经过12小时的烘干，从试样筒的顶部往下分层取样，分层取样的厚度保持与分层填筑制样时的厚度一致，筛分取出来的每层试样，并记录各层土壤的级配曲线；将冲蚀试验后记录的每层土壤的级配曲线，与试验前的级配曲线进行对比分析，可探明在上述第一空气压缩装置和第二空气压缩装置的压力值下，坡面流-渗流共同侵蚀作用下，试样内部土壤颗粒沿试样高度方向的迁移规律；

26、s6：保持第一流量阀和第二流量阀不变，分别调整s2中第一空气压缩装置的压力值、步骤s3中第二空气压缩装置的压力值，调整渗流水箱和冲刷水箱内的压力，模拟不同的渗流压力和坡面流流速，按与步骤s1相同的方式装填试样，重复s1-s5，探究在不同渗流压力和坡面流流速下，对宽级配土的冲刷影响。

27、进一步地，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。

28、进一步地，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土壤，直至填满试样筒，至此形成一个内部结构均匀的试样，虽然分层填筑、分层铺设孔压传感器，但试样内部整体均匀、不分层。

29、有益效果：

30、相比于背景技术提到的现有技术1，本方案依靠第一流量阀和第二流量阀缓慢开启，让试样筒中的试样在渗流和坡面流作用下发生启动冲蚀，能准确判断冲蚀启动时刻。现有技术1是直接通过渗流水箱进行渗流，也是直接通过供水池实现坡面流，无法判断土壤颗粒是何时启动冲蚀的。此外，现有技术1采用了一种开放式水槽设计，难以确保坡面流和渗流在水槽各个位置处的水流均匀稳定，这会造成其提供的渗流和坡面流的条件不准确。因此，本方案对坡面流和渗流的控制度更加准确、可靠。

31、实际情况中存在许多高陡边坡，这类边坡的宽级配土由于受到高陡地形的影响，土体表面流动的坡面流体速度大，且受高压水头影响，土体内部渗流力高。本方案设置第一空气压缩装置和第二空气压缩装置，可以根据实际情况调整压力，分别改变渗流水管和冲刷水管中水的流速，从而可模拟高压水头作用下的渗流压力和坡面流流速。现有技术1仅考虑了模型实验尺度上的渗流和坡面流，相比于此，本发明提供的解决方案更加贴合实际情况。

32、本方案沿试样高度设置了若干个孔压传感器，相比于背景技术中记载的两个现有技术，本方案能探究在渗流和坡面流共同影响下，土体内部孔隙结构变化带来的试样内部不同高程处孔隙压力变化情况。孔隙压力的改变是直接反应宽级配土力学特征的量，因此通过本方案能更利于揭示渗流作用改变土骨架，从而影响土体抗坡面流冲刷侵蚀特征的影响机理。

33、本方案设置了挂篮和拉力传感器，通过挂篮收集被冲刷掉的土壤，通过拉力传感器实时读取记录这部分土壤的质量。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。通过对比不同试验组合条件下的 e值，定量评价宽级配土在坡面流-渗流共同作用下的侵蚀速率。

34、本方案采用激光诱导荧光技术，记录每层土壤的级配曲线，共同揭示土骨架孔隙结构的改变路径。激光诱导荧光技术可以实时观察土骨架孔隙结构在渗流作用下的演化，通过试验后，记录每层土壤的级配曲线，对比分析试验前后的差异性，可探明渗流作用下土壤颗粒在试样内部的迁移规律。