专利名称：研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的方法及专用装置的制作方法
技术领域：
本发明属于一种测量技术，具体的是一种通过人工降雨的方法研究不同性质的土壤、不同结构的下垫面在不同雨强下的产流、入渗规律，结合模型以及室外原位试验分析天然条件下各个区域的产流、入渗规律，和合理利用雨水的方法以及专用装置。
背景技术：
本测量技术是通过一个外置的马氏瓶(即雨强调节装置)调节人工降雨装置的雨强，使人工降雨器的降雨强度达到很大的变化范围，室内实测降雨强度变化范围可从30_/ h到250mm/h。这个变化范围基本上可包含全国范围内大部分区域的重现期从2年到100 年的一小时降雨强度。该技术供水方式灵活多变，对于模拟小强度，短时间的内的降雨，用雨强调制装置内自带空间所储存的水量可以满足试验要求。通过室内试验实测可知，如果以雨强为34. 8mm/h,即相当于昆明市重现期为2. 5年的I小时降雨强度，进行降雨试验，雨强调节装置储存的水量可满足20分钟左右的降雨。若要进行大强度、长历时的降雨试验， 可在雨强调节装置上直接连接自来水管或水箱(供水装置)。该技术适用于模拟降雨强度在30mm/h到250mm/h的降雨，以及研究分析在降雨强度变化范围内，各种铺装类型、各种铺装结构的下垫面产流、径流规律。通过该技术可分析各种道路铺装的铺装效果，制定合理的雨水利用规范等。该技术有以下几个缺点A、连接雨强调节装置和供水装置时，如果雨强调节装置内没有装满水，或者雨强调节装置和供水装置连接处没有完全密封，在进行试验时会在供水装置中形成真空，导致供水不顺畅。B、降雨装置使用中间插有针头的橡胶塞形成降雨面，由于橡胶塞长时间使用后会老化，因此，装置长时间使用后会有个别橡胶塞漏水。C、降雨面上使用的针头孔径较小，使用自来水或者长时间使用会导致个别针头堵塞，可用洗耳球疏通堵塞针头。D、土柱的渗透水出口安装在土柱壁上，因此，土柱底板和出水口之间存在2_3mm 的高差，在做试验前可透过出水口向土柱底部内注水，使水面与出水口齐平。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的之一提出一种研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的方法，该方法该技术将人工降雨、产流、渗透相结合，考虑多种条件下雨水产生，消散规律。本发明的目的之二 提出一种研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的专用装置，该装置资金消耗少，操作简单，可最大程度的模拟原位条件，可不受天气条件影响，在固定的时间进行降雨，对下垫面产流、径流情况研究，该装置不仅可以在室内条件下操作，也可安装在室外，研究在当地气候条件下，雨水消散途径、规律等，在一些条件允许的情况下，也可将装置内的各个部分分开使用，如，在车辆不多，降雨条件不足的室外道路上可使用人工降雨器，对局部区域进行降雨，进行分析研究；在车流量很大，降雨充沛的室外道路旁，可安置与道路铺装结构相同的柱子。本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的方法，其特征是包括以下步骤第一步，按照所要研究的铺装类型的结构、各层厚度等参数填装柱子，柱子填装的质量直接影响到试验最终成功与否；第二步，要根据填装的柱子的下垫面形状改造人工降雨器的降雨面，检查降雨底板上橡胶塞的密封性；第三步，拟合人工降雨器增压柱水位与降雨强度的关系，若人工降雨器的降雨强度无法满足这个试验要求，则可局部或全部更换降雨器底板上的针头型号，或减小降雨面内雨滴的密度；第四步，安装TDR，完成各个探头的调试，将探头安装入柱子上相对应的位置； 第五步，选择供水装置，并完成与设备各个组件之间的连接，调试，检查密封性。本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的主要包括人工降雨器、雨强控制装置、供水装置以及土柱；人工降雨器由降雨底板、储水箱、增压柱三部分组成；降雨底板上降雨孔呈棋盘式分布，使降雨覆盖率更大，均匀度可达85%以上；在储水箱上设置增压柱，增压柱内的水可增加降雨底板上的压强，通过增压柱内的水位变化可引起降雨面的降雨强度变化。雨强控制装置为一个马氏瓶；通过雨强控制装置将供水装置和人工降雨器连接，在控制人工降雨器的降雨强度时，只需控制雨强控制装置与人工降雨器的相对高度即可；供水装置可采用自来水直接连接，也可以使用水箱。所述人工降雨器规格为储水箱规格为90cm*40cm*5cm,降雨器底板100cm*50cm,降雨底板上每相距2cm开直径为Icm的降雨孔，总共开孔409个，所有孔呈棋盘式分布，降雨面使用的针头型号为07*32TWLB，增压柱高30cm, 口径IOcm,在距离储水箱顶板3cm处开2cm的孔,伸出3cm的有机玻璃管；雨强控制装置高50cm，直径10cm，一只直径2cm的细管伸入内部30cm，在装置底部开2cm的孔， 外接3cm长的有机玻璃管，在顶部开2cm的孔，外接3cm长的有机玻璃管；四个土柱外径均为30cm,—个高100cm,在底往上3cm处做一透水底板,从底向上30cm, 60cm处,各开一对对称的出水孔，孔径Icm,外接3cm长的有机玻璃管,从顶向下5cm处,开对称的两个孔,孔径 2cm,外接3cm长的有机玻璃管；三个70cm的柱子,在柱子底往上5cm处做一透水底板,从底板往上10cm、20cm、30cm、40cm、50cm各开一对对称的出水孔,外接3cm长的有机玻璃管,从顶向下5cm处,开对称的两个孔,孔径2cm,外接3cm长的有机玻璃管。本发明的方法通过人工降雨器上的增压柱内部的水位增加降雨底板上压强，通过控制降雨强度调节装置所在的高度，控制增压柱内的水位高度，从而使人工降雨器能达到试验所需的降雨强度。通过监测土柱下垫面表层的产流量、土柱的降雨渗透量以及土柱内土壤含水率的变化过程，可研究分析出该种铺装类型的产流、入渗规律。本发明的专用装置A、通过外置的马氏瓶(降雨强度调节装置)可调节降雨强度，操作简单，通过人工降雨器上增压柱的读数很容易达到所需的降雨强度；B、装置的供水方式灵活，可通过降雨调节装置的储存空间供水，也可连接自来水管或者水箱供水。C、在人工降雨装置上设置有增压柱，使降雨器的降雨强度在很大的范围内调节。 在增压柱上配有刻度，只需在试验前对增压柱内水位和人工降雨器的降雨强度拟合一次，就可通过水位高度调节降雨强度。D、在降雨器底板上采用橡胶塞和针头构成降雨面，通过替换橡胶塞使降雨器可适用于各种形状的下垫面。E、整套装置的再加工空间大。例如，更换降雨面上的针头型号可使人工降雨器达到更小的降雨强度或者更大的降雨强度。通过增加增压柱的高度，可使人工降雨器获得更大变化范围的降雨强度。通过调节降雨器的降雨面形状，该装置可适用于室内、室外，各种下垫面形状的试验土柱和原位试验。F、该降雨装置使用于小口径、不方便安装喷头或者无条件安装喷头的土柱。
图I是本发明的人工降雨器结构示意图；图2是本发明的人工降雨器连接示意图；图3是本发明的A柱湿润锋下渗深度随时间的变化曲线；图4是本发明的降雨N-2条件下A、B 土柱中各层土壤含水率变化过程曲线；图5是本发明的降雨N-5条件下A、B 土柱中各层土壤含水率变化过程曲线；图6是本发明的渗透出水量累计曲线；
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明实施例研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的方法，其特征是: 包括以下步骤第一步，按照所要研究的铺装类型的结构、各层厚度等参数填装柱子，柱子填装的质量直接影响到试验最终成功与否；第二步，要根据填装的柱子的下垫面形状改造人工降雨器的降雨面，检查降雨底板上橡胶塞的密封性；第三步，拟合人工降雨器增压柱水位与降雨强度的关系，若人工降雨器的降雨强度无法满足这个试验要求，则可局部或全部更换降雨器底板上的针头型号，或减小降雨面内雨滴的密度；第四步，安装TDR，完成各个探头的调试，将探头安装入柱子上相对应的位置；第五步，选择供水装置，并完成与设备各个组件之间的连接，调试，检查密封性；研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的专用装置，其特征在于主要包括人工降雨器I、雨强控制装置、供水装置以及土柱；人工降雨器由降雨底板4、储水箱5、增压柱2三部分组成；降雨底板上降雨孔4呈棋盘式分布，使降雨覆盖率更大，均匀度可达85 %以上；在储水箱上设置增压柱，增压柱内的水可增加降雨底板上的压强，通过增压柱内的水位变化可引起降雨面的降雨强度变化。雨强控制装置为一个马氏瓶6 ;通过雨强控制装置将供水装置和人工降雨器连接，在控制人工降雨器的降雨强度时，只需控制雨强控制装置与人工降雨器的相对高度即可；供水装置可采用自来水直接连接，也可以使用水箱5 ;所述人工降雨器规格为储水箱规格为 90cm*40cm*5cm,降雨器底板100cm*50cm,降雨底板上每相距2cm开直径为Icm的降雨孔,总共开孔409个，所有孔呈棋盘式分布，降雨面使用的针头型号为07*32TWLB，增压柱高30cm， 口径IOcm,在距离储水箱顶板3cm处开2cm的孔,伸出3cm的有机玻璃管；雨强控制装置高 50cm,直径10cm，一只直径2cm的细管伸入内部30cm，在装置底部开2cm的孔，外接3cm长的有机玻璃管，在顶部开2cm的孔，外接3cm长的有机玻璃管；四个土柱外径均为30cm，一个高100cm,在底往上3cm处做一透水底板,从底向上30cm, 60cm处,各开一对对称的出水孔， 孔径Icm,外接3cm长的有机玻璃管,从顶向下5cm处,开对称的两个孔,孔径2cm,外接3cm 长的有机玻璃管；三个70cm的柱子,在柱子底往上5cm处做一透水底板,从底板往上10cm、 20cm、30cm、40cm、50cm各开一对对称的出水孔,外接3cm长的有机玻璃管,从顶向下5cm处， 开对称的两个孔，孔径2cm，外接3cm长的有机玻璃管。土柱需要根据试验的具体内容制作本次试验中制作了 4个土柱，分别为用北京壤土填的均质土柱(以下称为A柱)，用昆明红土填的非均质土柱(以下称为B柱)，透水砖铺装柱子(以下称为C柱)，透水性混凝土柱子(以下称为D柱)。透水砖铺装柱子的结构从下到上依次为素土夯实、80mm厚3 : 7灰土垫层、IOOmm厚砂石垫层、IOOmm厚无沙透水砼、18mm厚粗沙+10%白灰粘接层和198 X 98 X 55mm深灰色透水砖铺装面层。透水性混凝土柱子的结构从下到上依次为300mm厚红土碎石碾压密实垫层、500g滤水土工布、50mm 厚瓜子石粗砂I : 2垫层、200mm厚级配碎石垫层、140mm厚级配砂石垫层、50mm厚瓜子石粗砂I : I滤层、250mm厚10-20mm粒径碎石C25透水轮基层和50mm厚5_8mm粒径碎石C25 透水砼路面面层。用北京壤土填的均质土柱和用昆明红土填的非均质土壤都是分层填装， 每IOcm—层，按照取土时的干密度逐层填充，在每层中安装TDR探头。北京壤土填装的土柱从上往下探头编号依次为B_1到B_5，昆明红土填装的土柱从上往下探头编号依次为K_1 到 K_5。通过试验分析可以得出各种铺装类型的产流、入渗规律，对比每个柱子的产流、入渗规律可分析出每种铺装的铺装效果。通过产流、入渗规律可制定出相应的透水性铺装的施工管理规律，为下一步普及透水性铺装做基础。技术应用实例首先，对该装置的增压柱水位与降雨强度拟合。得出其关系方程y = 0. 0998x+0. 1312 R2 = 0. 9757X-水位高度，cm ；y-设计降雨强度，mm/min根据昆明市城区设计暴雨强度公式q = (12. 1+14. 4 X IgP) / (t+14. 4) "0. 80q-设计暴雨强度，mm/min ;P_设计重现期，a ;t_降雨历时，min通过试验拟合公式和暴雨强度公式，可以得出下表数据
权利要求
1.一种研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的方法，其特征是包括以下步骤第一步，按照所要研究的铺装类型的结构、各层厚度等参数填装柱子，柱子填装的质量直接影响到试验最终成功与否；第二步，要根据填装的柱子的下垫面形状改造人工降雨器的降雨面，检查降雨底板上橡胶塞的密封性；第三步，拟合人工降雨器增压柱水位与降雨强度的关系，若人工降雨器的降雨强度无法满足这个试验要求，则可局部或全部更换降雨器底板上的针头型号，或减小降雨面内雨滴的密度；第四步，安装TDR，完成各个探头的调试，将探头安装入柱子上相对应的位置；第五步，选择供水装置，并完成与设备各个组件之间的连接，调试，检查密封性。
2.一种研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的专用装置，其特征在于主要包括人工降雨器、雨强控制装置、供水装置以及土柱；人工降雨器由降雨底板、储水箱、增压柱三部分组成；降雨底板上降雨孔呈棋盘式分布，使降雨覆盖率更大，均匀度可达85%以上；在储水箱上设置增压柱，增压柱内的水可增加降雨底板上的压强，通过增压柱内的水位变化可引起降雨面的降雨强度变化。雨强控制装置为一个马氏瓶；通过雨强控制装置将供水装置和人工降雨器连接，在控制人工降雨器的降雨强度时，只需控制雨强控制装置与人工降雨器的相对高度即可；供水装置可采用自来水直接连接，也可以使用水箱。
3.根据权利要求2所述的研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的专用装置，其特征在于所述人工降雨器规格为储水箱规格为90Cm*40Cm*5Cm，降雨器底板 100cm*50cm,降雨底板上每相距2cm开直径为Icm的降雨孔，总共开孔409个，所有孔呈棋盘式分布，降雨面使用的针头型号为07*32TWLB，增压柱高30cm，口径10cm，在距离储水箱顶板3cm处开2cm的孔,伸出3cm的有机玻璃管；雨强控制装置高50cm,直径IOcm,—只直径2cm的细管伸入内部30cm，在装置底部开2cm的孔，外接3cm长的有机玻璃管，在顶部开 2cm的孔,外接3cm长的有机玻璃管；四个土柱外径均为30cm,—个高100cm,在底往上3cm 处做一透水底板，从底向上30cm, 60cm处,各开一对对称的出水孔,孔径Icm,外接3cm长的有机玻璃管，从顶向下5cm处,开对称的两个孔,孔径2cm,外接3cm长的有机玻璃管；三个 70cm的柱子,在柱子底往上5cm处做一透水底板,从底板往上10cm、20cm、30cm、40cm、50cm 各开一对对称的出水孔，外接3cm长的有机玻璃管，从顶向下5cm处，开对称的两个孔，孔径 2cm,外接3cm长的有机玻璃管。
全文摘要
本发明涉及一种研究不同透水性铺装材料在降雨时雨水快速入渗规律的方法及专用装置，其特征是包括以下步骤第一步，按照所要研究的铺装类型的结构、各层厚度等参数填装柱子，柱子填装的质量直接影响到试验最终成功与否；第二步，要根据填装的柱子的下垫面形状改造人工降雨器的降雨面，检查降雨底板上橡胶塞的密封性；第三步，拟合人工降雨器增压柱水位与降雨强度的关系。本发明适用于科学研究，该方法该技术将人工降雨、产流、渗透相结合，考虑多种条件下雨水产生，消散规律，该装置资金消耗少，操作简单，可最大程度的模拟原位条件，可不受天气条件影响，在固定的时间进行降雨，对下垫面产流、径流情况研究。
文档编号G01N15/08GK102590058SQ20111043393
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者侯立柱, 刘江涛 申请人:中国地质大学(北京)