一种实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置及其方法与流程

本发明涉及边坡工程技术领域，具体涉及一种实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置及其方法。

背景技术：

降雨作用是影响边坡稳定性的一项重要因素，土质边坡在降雨条件下易发生冲刷、剥落、滑坡等工程灾害。结构松散、植被稀少的边坡抗冲刷能力弱，当水流在坡面径流时很容易导致土颗粒被冲蚀，使坡面出现细沟，严重时甚至可能形成沟穴。因此，分析降雨时坡面冲刷情况可为判断边坡稳定性提供参考依据。

目前已有的边坡冲刷测定装置多适用于室内试验研究，野外试验装置结构复杂，不易安装，测量不便，已开发的设备较少。同时，现有装置多适用于监测降雨过程中被冲蚀的总泥沙量，涉及实时测量土质边坡抗冲刷性能的装置还很少。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于一种实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置及其方法，该装置结构简单，易于拆卸安装，方便重复使用，能够实时监测降雨量与泥沙冲蚀量的实时关系，便于评估土质边坡抗冲刷性能；且可以选用不同长度的固定杆，监测不同尺寸的边坡，增加受用范围；其测量方法简便，准确性高，且可以实时测量，方便直观。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

(一)一种实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，包括：泥水收集机构和监测机构；其中，所述泥水收集机构包含固定杆、集水槽和输水管；所述固定杆通过固定组件固定于待测土质边坡的土壤上，所述固定杆的下端与集水槽固定连接，所述集水槽的底端连通有输水管；所述监测机构包含双层集水筒、压力传感器和水位传感器；其中，所述双层集水筒具有内筒和外筒，所述内筒的筒底和外筒的筒底之间设置有压力传感器，所述内筒的筒内设置有水位传感器；所述输水管伸入所述内筒内并靠近所述内筒的筒底。

根据本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，固定杆通过固定组件固定于待测土质边坡的土壤上，固定杆选用橡胶棒，防止监测区域内外水流互流，影响监测精度。降雨时，与固定杆固定连接的集水槽用于收集待测土质边坡上被冲刷的泥水，并通过输水管(输水管为铁制管)将收集的泥水输送至双层集水筒内，通过压力传感器获取内筒内的质量信息，根据质量的变化即可确定土颗粒的质量；通过水位传感器获取内筒内的水位信息，根据水位的变化即可确定降雨量信息，进而可以实时监测降雨量对土质边坡的冲刷影响。本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置结构简单，易于拆卸安装，使用方便，能够实现在野外天然降雨情况下实时监测降雨量与泥沙冲蚀量的实时关系；且可以选用不同长度的固定杆，监测不同尺寸的边坡，增加受用范围。

优选的，所述固定组件包含u型卡扣和螺钉；所述固定杆上装配有u型卡扣，所述u型卡扣的两端具有固定孔，所述固定孔内装配有螺钉，所述螺钉穿过所述固定孔并插入待测土质边坡的土壤内，将所述固定杆固定在所述待测土质边坡上。

根据本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，固定杆为橡胶棒，u型卡扣卡在橡胶棒上，u型卡扣两端的固定孔内拧入螺钉，螺钉插入待测土质边坡的土壤内，进而将橡胶棒固定在待测土质边坡上。

优选的，还包括数据采集仪，所述水位传感器的信号输出端与所述数据采集仪的第一信号输入端电连接；所述压力传感器的信号输出端与所述数据采集仪的第二信号输入端电连接。

根据本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，压力传感器将获取内筒内的质量信息传递给数据采集仪，水位传感器将获取内筒内的水位信息传递给数据采集仪，通过数据采集仪直观得到质量信息和水位信息，方便实时采集和记录数据。

优选的，还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板的信号输出端与所述数据采集仪的第三信号输入端电连接。

根据本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，太阳能电池板用于向数据采集仪供电，经济节能环保。

优选的，还包括花洒，所述花洒设置于所述输水管伸入所述内筒的一端，所述花洒与所述输水管的连接端为小口，所述花洒的非连接端为大口。

根据本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，水位传感器的底端高于花洒的顶端，花洒用于分散泥水，减少泥水对双层集水筒内筒底部的冲击力，提高测量精度，花洒的底端具有多个通孔，保证泥水正常流出。

优选的，还包括三角架，所述三角架用于支撑所述输水管，使花洒与内筒的筒底不接触。

根据本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，三脚架用于支撑输水管，使花洒与内筒的筒底不接触。

优选的，所述双层集水筒的侧壁底端具有排水龙头，所述排水龙头统贯穿所述内筒和外筒的筒壁。

根据本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，双层集水筒的侧壁底端的排水龙头便于将内筒内的泥水排除，操作方便。

优选的，所述水位传感器为多个，多个所述水位传感器均匀分布在所述内筒内。

根据本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，水位传感器为多个，优选为四个，对内筒内的水位信息进行多次测量，将多次测量的平均值作为计算值，提高了水位信息测量的准确性。

(二)、一种实时测量土质边坡抗冲刷性能的方法，包括以下步骤：

步骤1，确定土粒密度ρ土粒和水密度ρ水，其中，所述ρ水＝1g/cm³；

步骤2，降雨前，向双层集水筒内注水，直至淹没水位传感器，通过水位传感器获取降雨前的水位l0，通过压力传感器获取降雨前的质量m0总；

步骤2，降雨时，通过水位传感器获取实时水位l1，通过压力传感器获取实时质量m1总；

设双层集水筒的内筒的横截面面积为a内筒，输水管侧壁横截面面积为a导管，则双层集水筒内增加的水的体积v1为：

v1＝(l1-l0)×(a内筒-a导管)；

步骤3，双层集水筒中的实时土粒质量m1土粒和增加的水的质量m1水满足以下两式：

m1水＝m1总-m0总-m1土粒

由上可知，

步骤4，以增加的水的质量m1水为横坐标，以实时土粒质量m1土粒为纵坐标，绘制土壤冲刷实成曲线。

优选的，步骤1包含以下子步骤：

子步骤1.1，使用环刀取待测土质边坡的土壤，烘干，得干土试样，称取干土试样的质量m干土，环刀的体积为v环刀；其中，干土试样的密度ρ干土为：

步骤1.2，将所述干土试样放入真空饱和仪中完全饱和，得饱和试样，称取饱和试样的质量m饱和；其中，饱和试样的密度ρ饱和为：

步骤1.3，根据土力学教材可知土粒密度ρ土粒和孔隙比e符合下式：

ρ土粒＝ρ干土×(1+e)

由上可知，土粒密度ρ土粒为：

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置的整体结构示意图；

图2是图1中双层集水筒的剖面图；

图3是图1中固定组件与固定杆结合的示意图；

图4是图1中集水槽的立面图；

图5是图1中双层集水筒的俯视图。

以上图中：1固定杆；2集水槽；3输水管；4固定组件；401u型卡扣；402螺钉；5双层集水筒；501内筒；502外筒；503排水龙头；6压力传感器；7水位传感器；8数据采集仪；9太阳能电池板；10花洒；11三角架。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

(一)参考图1-5，根据本发明的内容的实施例所提出的一种实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置，包括：泥水收集机构和监测机构；其中，所述泥水收集机构包含固定杆1、集水槽2和输水管3；所述固定杆1通过固定组件4固定于待测土质边坡的土壤上，所述固定杆1的下端与集水槽2固定连接，所述集水槽2的底端连通有输水管3；所述监测机构包含双层集水筒5、压力传感器6和水位传感器7；其中，所述双层集水筒5具有内筒501和外筒502，所述内筒501的筒底和外筒502的筒底之间设置有压力传感器6，所述内筒501的筒内设置有水位传感器7；所述输水管3伸入所述内筒501内并靠近所述内筒501的筒底。

在以上实施例中，固定杆1通过固定组件4固定于待测土质边坡的土壤上，降雨时，与固定杆1固定连接的集水槽2用于收集待测土质边坡上被冲刷的泥水，并通过输水管3(输水管3为铁制管)将收集的泥水输送至双层集水筒5内，通过压力传感器6获取内筒501内的质量信息，根据质量的变化即可确定土颗粒的质量；通过水位传感器7获取内筒501内的水位信息，根据水位的变化即可确定降雨量信息，进而可以实时监测降雨量对土质边坡的冲刷影响。本发明的实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置结构简单，易于拆卸安装，使用方便，能够实现在野外天然降雨情况下实时监测降雨量与泥沙冲蚀量的实时关系；且可以选用不同长度的固定杆1，监测不同尺寸的边坡，增加受用范围。

参考图1和图3，根据本发明的一个实施例，所述固定组件4包含u型卡扣401和螺钉402；所述固定杆1上装配有u型卡扣401，所述u型卡扣401的两端具有固定孔，所述固定孔内装配有螺钉402，所述螺钉402穿过所述固定孔并插入待测土质边坡的土壤内，将所述固定杆1固定在所述待测土质边坡上。

在以上实施例中，固定杆1为橡胶棒，u型卡扣401卡在橡胶棒上，u型卡扣401两端的固定孔内拧入螺钉402，螺钉402插入待测土质边坡的土壤内，进而将橡胶棒固定在待测土质边坡上。

参考图1，根据本发明的一个实施例，还包括数据采集仪8，所述水位传感器7的信号输出端与所述数据采集仪8的第一信号输入端电连接；所述压力传感器6的信号输出端与所述数据采集仪8的第二信号输入端电连接。

在以上实施例中，压力传感器6将获取内筒501内的质量信息传递给数据采集仪8，水位传感器7将获取内筒501内的水位信息传递给数据采集仪8，通过数据采集仪8直观得到质量信息和水位信息，方便实时采集和记录数据。

参考图1，根据本发明的一个实施例，还包括太阳能电池板9，所述太阳能电池板9的信号输出端与所述数据采集仪8的第三信号输入端电连接。

在以上实施例中，太阳能电池板9用于向数据采集仪8供电，经济节能环保。

参考图1-2，根据本发明的一个实施例，还包括花洒10，所述花洒10设置于所述输水管3伸入所述内筒501的一端，所述花洒10与所述输水管3的连接端为小口，所述花洒10的非连接端为大口。

在以上实施例中，水位传感器7的底端高于花洒10的顶端，花洒10用于分散泥水，减少泥水对双层集水筒5内筒501底部的冲击力，提高测量精度，花洒10的底端具有多个通孔，保证泥水正常流出。

参考图1，根据本发明的一个实施例，还包括三角架11，所述三角架11用于支撑所述输水管3，使花洒10与内筒501的筒底不接触。

在以上实施例中，三脚架用于支撑输水管3，使花洒10与内筒501的筒底不接触，减少花洒10对内筒501的冲击。

参考图1、图2和图5，根据本发明的一个实施例，所述双层集水筒5的侧壁底端具有排水龙头503，所述排水龙头503统贯穿所述内筒501和外筒502的筒壁。

在以上实施例中，双层集水筒5的侧壁底端的排水龙头503便于将内筒501内的泥水排除，操作方便。

参考图1、图2和图5，根据本发明的一个实施例，所述水位传感器7为多个，多个所述水位传感器7均匀分布在所述内筒501内。

在以上实施例中，水位传感器7为多个，优选为四个，对内筒501内的水位信息进行多次测量，将测量的平均值作为计算值，提高了水位信息测量的准确性。

(二)一种实时测量土质边坡抗冲刷性能的方法，包括以下步骤：

在边坡上需要监测的区域四周挖出一道凹槽，凹槽挖好后使用u型卡扣与螺钉将橡胶棒固定于凹槽内，橡胶棒的作用是防止监测区域内外水流互流，影响监测精度。固定好橡胶棒后在其下方固定好集水槽，以便收集监测区域内的降水和泥沙。集水槽的底端连接输水管，输水管的下端连接花洒，泥水通过输水管流至双层集水筒内，通过水位传感器实时测量内筒内的水位变化，通过压力传感器实时测量内筒内的质量变化，具体如下：

步骤1，确定土粒密度ρ土粒和水密度ρ水，其中，所述ρ水＝1g/cm³；具体包含以下子步骤：

子步骤1.1，环刀取待测土质边坡的土壤n份，烘干，得n份干土试样，称取每份干土试样的质量(记为m干土1、m干土2、……m干土n)，环刀的体积为v环刀，对n份干土试样质量求平均值，得干土试样的质量m干土为：

其中，干土试样的密度ρ干土为：

步骤1.2，将所述干土试样放入真空饱和仪中完全饱和，得n份饱和试样，称取每份干土试样的质量(记为m饱和1、m饱和2、……、m饱和n)，对n份饱和试样质量求平均值，得饱和试样的质量m饱和：

其中，饱和试样的密度ρ饱和为：

步骤1.3，根据土力学教材可知土粒密度ρ土粒和孔隙比e符合下式：

ρ土粒＝ρ干土×(1+e)

由上可知，土粒密度ρ土粒为：

步骤2，降雨前，打开实时测量土质边坡抗冲刷性能的便捷装置的电源开关，向双层集水筒内注水，直至淹没水位传感器，通过水位传感器获取降雨前的水位l0，通过压力传感器获取降雨前的质量m0总；

其中，四个水位传感器获取降雨前的水位分别为l0a、l0b、l0c、l0d，对其求平均值，得降雨前的水位l0为：

步骤2，降雨时，通过水位传感器获取实时水位l1，通过压力传感器获取实时质量m1总；其中，四个水位传感器获取降雨时的水位分别为l1a、l1b、l1c、l1d，对其求平均值，得降雨时的实时水位l1为：

设双层集水筒的内筒的横截面面积为a内筒，输水管侧壁横截面面积为a导管，则双层集水筒内增加的水的体积v1为：

v1＝(l1-l0)×(a内筒-a导管)

步骤3，根据土力学知识可知，在某时刻双层集水筒中的实时土粒质量m1土粒和增加的水的质量m1水满足以下两式：

m1水＝m1总-m0总-m1土粒

由上可知，

步骤4，以增加的水的质量m1水(即降雨量)为横坐标，以实时土粒质量m1土粒为纵坐标，绘制土壤冲刷实成曲线，即可得降雨量与土粒质量的实时关系，根据降雨量与土粒质量的实时关系曲线，即可实时测量土质边坡抗冲刷性能。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。