一種模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置的制作方法

本發明土壤水環境試驗測試領域，具體涉及一種模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置。

背景技術：

由于城市生活垃圾成分的復雜多樣性帶來處理與利用上的困難。目前垃圾處理方式主要有衛生填埋處理、堆肥處理與焚燒等，且衛生填埋是主要方式。且很多衛生填埋場正面臨封場，因此，研究城市固體廢棄物填埋場封頂覆蓋層的組成具有十分重要的意義。目前認為土質覆蓋層具有比復合覆蓋層更好的耐久性，更能適應惡劣氣候條件，更經濟。而土質覆蓋層具有一定的坡度，這也是本發明所要解決的問題。

目前主要采取理論分析和數值模擬方法對降雨下土層入滲的規律進行研究，而本發明專利提供的實驗裝置用模擬邊坡來模擬垃圾填埋場的土質覆蓋層，用自制的模擬降雨設備來模擬自然情況下的降雨，來研究不同降雨強度、降雨歷時和降雨類型的邊坡土層入滲規律。

現有的模擬降雨裝置沒有考慮降雨的時間和空間變化，未能模擬降雨的真實情況。目前的降雨控制系統在試驗過程中，不能連續的測量降雨的雨量，降雨的強度和降雨的類型單一，且不能連續測量斷續的降雨情況。例如：一種地基與邊坡工程模擬試驗平臺專利號：zl200720111516.9；試驗平臺均為；里面的水箱水壓為定水頭,本專利有水壓增壓裝置，可以調節雨量大小，也可以測量斷續條件下的降雨情況。一種模擬降雨及含水量對邊坡穩定性影響的分析實驗裝置申請號：201510026725.2；該平臺降雨強度單一，且未考慮降雨的時間和空間變化，未考慮模型表面徑流的影響。一種室內模擬降雨入滲的試驗裝置實用新型專利申請號cn201520732401.6；該模擬降雨入滲裝置未考慮變水頭下的降雨情況。以上現有的模擬降雨邊坡試驗裝置，均未考慮降雨的時間和空間分布。

技術實現要素：

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置。

本發明提供了一種模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置，具有這樣的特征，包括模擬降雨單元，該模擬降雨單元包括通過水管連通的水箱、水泵、多個電磁閥、多個噴頭所構成的降雨回路；試驗平臺單元，該試驗平臺單元設置在模擬降雨單元的正下方，包括可變換水平傾斜角度的邊坡試驗箱、設置在邊坡試驗箱內的多根排水棒、與多根排水棒相連通的多個水箱、多個設置在邊坡試驗箱內的傳感器預埋孔；以及數據采集分析單元，數據采集分析單元包括分別設置在傳感器預埋孔內的多個張力計和多個土壤水分傳感器、多個給水流量計、多個排水流量計、傳感器數據采集模塊、電磁閥控制模塊以及計算機控制模塊。

在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，數據采集分析單元包括分別與水管相連通的第一給水流量計、第二給水流量計、第一排水流量計、第二排水流量計，傳感器數據采集模塊分別與第一給水流量計、第二給水流量計、第一排水流量計、第二排水流量計、多個張力計以及多個土壤水分傳感器相連，用于分別采集給水流量、排水流量、張力計以及土壤水分傳感器的數據信號。

另外，在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，模擬降雨單元包括分別與水管相連通的第一電磁閥和第二電磁閥，電磁閥控制模塊分別與第一電磁閥和第二電磁閥相連并控制第一電磁閥和第二電磁閥的工作狀態。

另外，在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，計算機控制模塊，分別與傳感器數據采集模塊、電磁閥控制模塊相連，用于接收并處理來自傳感器數據采集模塊的數據后，得到控制電磁閥控制模塊工作狀態的控制信號。

另外，在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，第一電磁閥通過分流水管中水來模擬試驗的降雨時間分布狀態。

另外，在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，第二電磁閥通過分流水管中水來模擬試驗的降雨空間分布狀態。

另外，在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，試驗平臺單元還包括：手拉葫蘆，設置在邊坡試驗箱一端的上方，用于將邊坡試驗箱一端吊起，通過調整邊坡一段的高度來調整邊坡的水平傾角，測量調整部件，用于測量邊坡試驗箱的水平傾角。

另外，在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，排水棒為管壁上設置有多個通孔的空心管。

另外，在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，邊坡試驗箱采用強化透明鋼化玻璃制成，便于觀測試驗結果。

另外，在本發明提供的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，水壓增壓部件為水泵。

發明的作用與效果

根據本發明所涉及的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置，包括模擬降雨單元、試驗平臺單元及數據采集分析單元。模擬降雨單元包括通過水管連通的水箱、水壓增壓部件、多個電磁閥、多個噴頭所構成的降雨回路；降雨回路的管路上設置有水壓增壓部件，數據采集分析單元通過分別控制電磁閥閥門的閉合大小來控制不同管路上的排水流量強度，從而實現模擬降雨的時間和空間的分布。

本發明所涉及的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置操作簡單，具有數據采集自動化程度高和可重復性強的特點。

附圖說明

圖1是本發明的實施例中試驗裝置總示意圖；

圖2是本發明的實施例中降雨模擬單元的平面圖；

圖3是本發明的實施例中傾角測量儀示意圖；

圖4是本發明的實施例中排水棒示意圖；

圖5是本發明的實施例中傳感器預埋孔示意圖；

圖6是本發明的實施例中邊坡降雨的縱向剖面圖；以及

圖7是本發明的實施例中邊坡降雨的橫向剖面圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結合附圖對本發明所涉及的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置作具體闡述。

實施例

模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置包括模擬降雨單元、試驗平臺單元及數據采集分析單元。

模擬降雨單元包括水箱a1、水泵a2、第一電磁閥a3、第二電磁閥a4、多個噴頭a5、水管a6構成如圖1所示降雨回路圖。

如圖2所示，水管a6上安裝有水泵a2、第一電磁閥a3、第二電磁閥a4、噴頭a5、第一給水流量計c3、第二給水流量計c4、第一排水流量計c5、第二排水流量計c6；本發明實施例中邊坡降雨的噴頭a5布置如圖6、圖7所示。

其中，水泵a2為模擬降雨回路提供動力；第一電磁閥a3為三向控制閥，可任意開啟兩向，用于控制水管a6中水的流向，是流向試驗平臺b1還是流回水箱a1，進而控制總降雨的強度；第二電磁閥a4用于控制水管a6中兩水管分支的水量大小，來考慮降雨的空間分布實驗結果的影響；第一給水流量計c3用于檢測統計水管a6中左分支(a1-a3流向)中水的進水流量；第二給水流量計c4用于檢測統計水管a5右分支(a1-a4流向)中水的進水流量；第一排水流量計c5用于檢測統計水管a6中左分支(a1-a3流向)中水的出水流量；第二排水流量計c6用于檢測統計水管a6右分支(a1-a4流向)中水的出水流量。實施例中水管a6上按圖1所示均布18個噴頭a5。水管a6水量流回水箱a1，水箱a1的水可循環利用。

試驗平臺單元設置在模擬降雨單元的正下方，包括可變換水平傾斜角度的邊坡試驗箱b1、設置在邊坡試驗箱b1內的多根排水棒b5、與多根排水棒b5相連通的多個水箱、多個設置在邊坡試驗箱b1內的傳感器預埋孔b9。

實施例中，試驗平臺單元包括邊坡試驗箱b1、水管支架b2、手拉葫蘆b3、傾角測量儀b4、排水棒b5、水箱b6、水箱b7、水箱b8、傳感器預埋孔b9。

試驗平臺單元設置在模擬降雨單元的正下方30cm的位置。

如圖1所示，邊坡試驗箱b1采用強化透明鋼化玻璃制成，便于觀測試驗結果，邊坡試驗箱b1的前端底部有一轉軸設計。手拉葫蘆b3設置在邊坡試驗箱b1后端的上方，用于將邊坡試驗箱b1的后端吊起，通過調整邊坡一段的高度來調整邊坡的水平傾角，測量調整部件，用于測量邊坡試驗箱b1的水平傾角，實施例中，測量調整部件為傾角測量儀b4，傾角測量儀b4設置在邊坡試驗箱b1的前端，傾角測量儀b4包括具有如圖3所示的傾角刻度表的表盤和指針，表盤固定設置在地面上，表盤的端點與轉軸重合，指針和邊坡試驗箱b1是一體的，在試驗中可通過控制手拉葫蘆b3調整邊坡試驗箱b1后端的高度，進而調整邊坡試驗箱b1的傾角，而這個傾角可通過固定的傾角測量儀b4來測出，邊坡試驗箱b1通過轉軸轉動，可直接在表盤上讀取邊坡傾角數值。

在邊坡試驗箱b1的側壁上預留有多個如圖5所示的傳感器預埋孔，傳感器預埋孔橫向和豎向均為均勻分布，可同時安裝張力計c1和土壤水分傳感器c2，由圖5可知，可沿邊坡試驗箱b1的側面豎向安裝三排，每排可安裝5組，張力計c1和土壤水分傳感器c2均與傳感器數據采集器c7連接；邊坡試驗箱b1為了方便填充邊坡土層模型，設計三層組合，可根據需要來調整為兩層或一層，來滿足土層厚度和成分要求；邊坡試驗箱b1的前端設有排水孔，并設計有如圖4所示的排水棒b5及相應的排水管路，且排水管路分上、中、下三層，分別流入水桶水箱b6、水箱b7、水箱b8中，實驗中可通過測量水箱中水的量來測量估算各層排水量和總排水量。實施例中，排水棒b5為管壁上設置有多個通孔的空心管。

數據采集分析單元包括張力計c1、土壤水分傳感器c2、第一給水流量計c3、第二給水流量計c4、第一排水流量計c5、第二排水流量計c6、傳感器數據采集模塊c7、電磁閥控制模塊c8、計算機控制模塊c9。張力計c1和土壤水分傳感器c2在邊坡試驗箱b1側壁上的傳感器預埋孔b9上徑向均布埋設；張力計c1和土壤水分傳感器c2通過數據線與傳感器數據采集模塊c7相連；電磁閥控制模塊c8通過數據線與第一電磁閥a3、第二電磁閥a4相連；傳感器數據采集模塊c7、電磁閥控制模塊c8均通過數據線與計算機控制模塊c9連接，將收到的數據發送到計算機控制模塊c9進行分析。

本實施例中，傳感器包括張力計c1和土壤水分傳感器c2，其中，張力計c1用于測量降雨時土層的基質吸力，土壤水分傳感器c2用于測量土層的含水量。為了更好的發現土層中水的入滲規律，傳感器的安裝為有規律的埋設。

數據采集分析單元與模擬降雨單元和試驗平臺單元之間有數據交流。第一電磁閥a3的開合大小、第二電磁閥a4的開合大小由計算機控制模塊c9通過電磁閥控制模塊c8來控制；第一給水流量計c3、第二給水流量計c4、第一排水流量計c5和第二排水流量計c6測出水管a6中的水流量大小和總流量后將數據傳回到計算機控制模塊c9；實驗中的張力計c1、土壤水分傳感器c2的測得的基質吸力和含水量數據會傳到傳感器數據采集模塊c7上，再傳給計算機控制模塊c9進行分析。

實施例中，通過第一電磁閥a3的分流作用，來考慮降雨時間分布對試驗結果的影響。通過第二電磁閥a4的分流作用，來考慮降雨空間分布對試驗結果的影響。

計算機控制模塊c9的屏幕上會顯示出每一監測點基質吸力和時間的關系曲線，含水量和時間的關系曲線，基質吸力和含水量的關系曲線，各點的基質吸力變化折線圖、含水量折線圖。

一種考慮時空變化的模擬降雨土柱入滲試驗裝置具體使用方法如下：

(1)調試模擬降雨裝置，水箱a1中加入2/3的水，計算機控制模塊c9控制開啟第一電磁閥a3閥門至a1-a2方向，此時打開水泵a2，水流從水箱a1流出沿a1-a2方向流回水箱a1，然后調節第一電磁閥a3閥門的大小使部分水流沿a1-a1方向流向降雨模擬單元，可通過流量計的數據來反映降雨強度的大小。試驗中可通過調節第二電磁閥a4閥門的大小來調整水管a6回路中各降雨分支a1-a4流向和a1-a3流向的雨量大小，來達到考慮降雨空間分布的影響。可通過給水和排水流量計來差值來具體反映流量即降雨強度的大小，當流量計顯示值到達規定值后，第一電磁閥a3和第二電磁閥a4穩定運行。

(2)制作土柱模型，可分三層制作，下層粗沙，中層細沙，上層粉土等，可根據試驗需要來選擇，每層厚度均為20cm，傳感器均布于土柱內，其中一組傳感器置于土層交界處，傳感器埋設與土柱模型制備同時進行。

(3)試驗中，根據實際工況要求，通過計算機控制模塊c9來實時調整降雨強度的大小。

(4)觀察實驗中土層的濕潤鋒走向，試驗中傳感器得到的數據、流量計的數據實時的傳給計算機進行分析，分析后得到相關曲線。

實施例的作用與效果

根據本實施例所涉及的模擬降雨時空變化的邊坡試驗裝置，包括模擬降雨單元、試驗平臺單元及數據采集分析單元。

本實施例所提供的邊坡試驗裝置中的供水管路上設置有水壓增壓部件，通過分別控制電磁閥的閉合大小來控制不同管路上的排水流量強度，從而實現模擬降雨空間的分布。

本實施例所提供的邊坡試驗裝置操作簡單，具有數據采集自動化程度高、可重復性強、測試數據持續性好以及測試精度高的特點。

另外，實施例中邊坡試驗箱采用強化透明鋼化玻璃制成，便于觀測試驗結果。

上述實施方式為本發明的優選案例，并不用來限制本發明的保護范圍。