一种用于边坡足尺模型试验的人工模拟降雨装置的制作方法

本实用新型属于岩土工程技术领域，具体涉及一种用于边坡足尺模型试验的人工模拟降雨装置。

背景技术：

降雨是诱发滑坡的主要因素之一，研究降雨对边坡稳定性的影响需要以大量的试验数据为基础，然而降雨的不确定性给研究工作带来了很大的困难。此外利用天然降雨的研究周期长、受环境影响大，很难获得理想的效果。通过人工模拟降雨的方法，可以方便地控制实验进程，缩短实验周期，有效克服天然降雨在研究边坡稳定性中的缺点。

天然降雨特性包括降雨强度、降雨分布的均匀性、雨滴直径和雨滴终点速度。目前，对于由降雨因素导致的边坡失稳机理研究，国内外开展了一系列有针对性的现场试验和物理模型试验，但由于对天然降雨特性认识上的不足，大多岩土工作者对人工模拟降雨装置的准确性关注较少，自行设计的降雨装置多数只关注了降雨强度与水压之间的率定关系，忽视了降雨参数中其它三个指标的重要性。有部分试验虽然考虑到了降雨特性对坡体水分入渗及坡面侵蚀的影响，但由于雨滴发生器的选择欠考虑，导致不能得到可靠的人工模拟降雨参数；还有部分人工模拟降雨装置虽然在降雨特性上满足要求，但由于尺寸较小，其设计方法不能直接应用在边坡足尺模型试验中。此外，目前研制出的一些人工模拟降雨装置，价格昂贵，操作复杂，难以在边坡足尺模型试验中应用。

根据试验需要，边坡足尺模型试验人工模拟降雨装置应满足以下要求：

(1)试验装置必须要有足够的强度、刚度和稳定性，以承受当地的风荷载；

(2)装置产生的模拟降雨在降雨特性上与天然降雨相似；

(3)保证雨滴不受风影响，垂直下落；

(4)可快速调节管道压力，达到对降雨强度的及时控制，同时能实现对降雨强度的实时监测；

(5)雨水应尽可能循环利用；

(6)试验装置具有良好的组合性和移动性。

技术实现要素：

本实用新型需要解决的技术问题是：现有边坡模型试验中人工模拟降雨装置准确性低、尺寸较小、价格昂贵、操作复杂，难以在边坡足尺模型试验中应用。

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种用于边坡足尺模型试验的人工模拟降雨装置，能够最大程度上模拟自然降雨过程，可针对当地的降雨特点，通过调整管道压力及启闭不同类型喷头对降雨强度进行调控，并可实时记录雨强，同时实现雨水的循环利用。

为此，本实用新型采用了以下技术方案：

一种用于边坡足尺模型试验的人工模拟降雨装置，包括模型箱、供水系统、喷淋系统、可移动支架和雨水回流系统；所述供水系统主要由变频自吸增压泵、储水桶、流量表、止回阀、活接头、主水管及输水管组成，所述储水桶用于储存试验雨水，储水桶通过输水管与变频自吸增压泵相连，然后依次经过流量表、止回阀、活接头后与主水管相连，所述主水管用于给喷淋系统提供试验雨水；所述喷淋系统主要由支流管、阀门、顶部水管、喷头及翻斗式雨量筒组成，所述支流管包括若干个，与主水管通过三通相连，支流管与顶部水管以弯管接头相连，所述顶部水管通过三通与喷头相连，所述支流管和顶部水管上均装有阀门，用于控制不同类型喷头的启闭，所述翻斗式雨量筒用于实时反馈降雨强度值；所述可移动支架主要由移动式雨棚、轨道及雨幕组成，所述移动式雨棚为框架结构，顶部横梁用于放置顶部水管，框架两侧底部横梁焊接有滑轮，可沿轨道移动，所述雨幕用于收集雨水和挡风；所述雨水回流系统主要由自吸泵、沉淀池、回流槽、水管组成，以模型箱框架为主要承载体，所述回流槽位于模型箱框架顶部和前部，顶部回流槽用于承接雨幕收集的雨水并汇流至回流槽尾部，回流槽尾部设有开孔钢板，开孔钢板下方连接水管，水管连接储水桶，模型箱底部设有底板水沟，所述沉淀池位于底板水沟的下方，用于收集和沉淀前部回流槽收集的雨水，所述自吸泵位于沉淀池的一侧，通过水管与储水桶相连，用于将沉淀池中的水流重新回收至储水桶内。

优选地，所述储水桶包括2个，均为带盖聚乙烯储水桶，单个储水桶的最大容量为2000L。

优选地，所述变频自吸增压泵的吸程大于1m，扬程不小于60m，压力可调；所述变频自吸增压泵带有数显控制面板，通过按钮设置与调节出水管道压力。

优选地，所述流量表为机械式水流量表，用于记录每次降雨前后的流量读数，计算用水量。

优选地，所述喷头包括3种不同规格的Fulljet旋转下喷式喷头，分别是1号喷头、2号喷头、3号喷头，每个喷头的正常工作压力为0.12MPa；所述1号喷头的喷口直径为3.2mm，2号喷头的喷口直径为1.5mm，3号喷头的碰口直径为2mm，其中3号喷头为广角喷头。

进一步地，所述喷头共有20个，其中1号喷头共9个，2号喷头共9个，3号喷头共2个；1号喷头与2号喷头分别布置在3根顶部水管上，沿每根顶部水管均匀分布，二者相邻布置；3号喷头位于喷淋系统的中间位置；所有的喷头均距离试验坡面2m，距离地面4.6m。

优选地，所述移动式雨棚为由铝合金焊接而成的框架结构，顶部横梁用于放置顶部水管，两侧底部横梁焊接有滑轮，可沿轨道移动；移动框架的长宽高分别为5m、4m、4.6m，轨道长为10m。

优选地，所述雨幕的材料为PVC透明软胶，上下边带孔，上边采用扎带固定在框架顶部横梁上，下边的孔挂在回流槽上的挂钩上。

优选地，所述沉淀池为边长为1.5m的立方体结构，沉淀池与自吸泵之间设有滤网，用于对回收的雨水进行过滤。

优选地，所述回流槽均采用宽10cm、高8cm的槽钢制作而成，回流槽从顶部至尾部设置了一定的倾斜度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型中通过水泵与喷头的合理选取使本装置所产生的模拟降雨在四种降雨特性上均与天然降雨相似。

(2)供水系统采用变频自吸增压泵，水压调节快捷方便，稳定速度快，且调节范围广；喷淋系统采用专业的降雨喷头Fulljet旋转下喷式喷头作为雨滴发生器，选择三种不同规格的喷头进行组合实现不同雨强的控制，同时利用翻斗式雨量计实时反馈降雨强度。

(3)可移动支架保证了整个喷淋系统的独立性，通过转动主水管与水泵之间的活接头，即可实现喷淋系统与供水系统的完全分离，有利于开展自然日照条件下的试验。

(4)可移动支架上的雨幕不仅保证了喷往模型箱外的雨水可汇集后重新流回水桶，减小边界影响，还保证了模拟降雨不受风的影响，使雨滴能垂直下落。

(5)雨水回流系统使得水的循环利用效率更高，环境友好。

(6)制作成本低、操作简单且雨强可调范围广。

附图说明

图1是本实用新型实施例所提供的一种用于边坡足尺模型试验的人工模拟降雨装置的后视图。

图2是本实用新型实施例所提供的一种用于边坡足尺模型试验的人工模拟降雨装置的左视图。

图3是本实用新型实施例所提供的供水系统组成结构图。

图4是本实用新型实施例所提供的挂钩局部图。

图5是本实用新型实施例所提供的喷头位置分布示意图。

附图标记说明：1、储水桶；2、变频自吸增压泵；3、流量表；4、止回阀；5、活接头；6、主水管；7、支流管；8、阀门；9、顶部水管；10、喷头；11、翻斗式雨量筒；12、移动式雨棚；13、轨道；14、雨幕；15、自吸泵；16、沉淀池；17、回流槽；18、水管；19、模型箱框架；20、挂钩；21、输水管；101、1号喷头；102、2号喷头；103、3号喷头。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

实施例

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种用于边坡足尺模型试验的人工模拟降雨装置，主要由供水系统、喷淋系统、可移动支架及雨水回流系统组成。

(一)供水系统

供水系统主要由两个储水桶1、变频自吸增压泵2、流量表3、止回阀4、活接头5、主水管6和输水管21组成。试验雨水储存在两个储水桶1中，由输水管21连通并接至变频自吸增压泵2，雨水经增压后依次通过流量表3、止回阀4、活接头5后流入主水管6，再将雨水送至喷淋系统，如图3所示。

供水系统中主要的设备及装置如下：

两个大容量带盖聚乙烯储水桶1(单个储水桶最大容量为2000L)，用于储存试验雨水。

一个变频自吸增压泵2，具体采用威乐牌SD-1500。水泵是整个降雨装置的动力来源，其选型主要考虑流量、扬程与压力可调三个因素。流量的选择以单次降雨的最大用水量作为主要参考对象，按最大雨强300mm/h，有效降雨面积5m×3m计算，则每小时的最大用水量为4500L。根据水泵所在位置及喷头需要提供的水压，其吸程应大于1m，其扬程应不小于60m。压力可调要求水泵应为变频泵。

一个机械式水流量表3。用于记录每次降雨前后的流量读数，计算用水量。

一个活接头5。需要分离移动式雨棚12时，转动活接头即可将供水系统与喷淋系统分离开。

所有水管均选择PPR管，水管内径25mm。

(二)喷淋系统

喷淋系统主要由支流管7、阀门8、顶部水管9、喷头10及翻斗式雨量筒11组成。5条支流管7与主水管6以三通相连，再与顶部水管9以弯管接头相连，经过阀门8后为各顶部水管9所对应的喷头10，喷头10与顶部水管9以三通相连。翻斗式雨量筒11用于实时反馈降雨强度值。

喷淋系统共使用20个喷头(Fulljet旋转下喷式喷头)，其中1号喷头101共9个，2号喷头102共9个，3号喷头103共2个。每个喷头的正常工作压力为0.12MPa，随管道压力的改变，每个喷头的流量及喷洒角度均会发生改变，将三种喷头按最小喷洒角度进行布置，如图5所示，则分别开启不同类型的喷头时，均能在模型箱内实现全面降雨。在0.12～0.38MPa管道压力下，单独开启3号喷头103时，降雨强度范围为10.4mm/h～32mm/h；单独开启2号喷头102时，降雨强度范围为33.6mm/h～81.6mm/h；单独开启1号喷头101时，降雨强度范围为86.4mm/h～244.8mm/h；同时开启1号喷头101与2号喷头102时，降雨强度范围为46.8mm/h～228.8mm/h；同时开启1号喷头101与3号喷头103时，降雨强度范围为44.4mm/h～224.8mm/h；同时开启2号喷头102与3号喷头103时，降雨强度范围为13.2mm/h～84.4mm/h；同时开启3种喷头时，降雨强度范围为54.8mm/h～256.8mm/h。各降雨强度下降雨均匀度达80％以上，雨滴粒径范围0.1mm～4.8mm，雨滴终点速度可达2～2.9m/s，与天然降雨特性较为接近。

顶部水管9为内径20mm的PPR管，其中装有1号喷头101与2号喷头102的顶部水管均由支流管7通过三通分为两支。

(三)可移动支架

可移动支架主要由移动式雨棚12、轨道13和雨幕14组成。

移动式雨棚12为由铝合金焊接而成的框架结构，顶部横梁用于放置顶部水管9，框架两侧底部横梁焊接有滑轮，可沿轨道13移动。移动框架尺寸为5m×4m×4.6m(长×宽×高)，轨道长10m。

雨幕14材料为PVC透明软胶，上下边带孔，上边利用扎带固定在框架顶部横梁上，下边将孔挂在焊接在回流槽上的挂钩20，需要移动雨棚12时，将孔洞从挂钩20中取出即可，如图4所示。雨幕14可收集喷往模型箱外的雨水，降低雨水集中对模型箱边界的影响，同时雨幕14可挡风，保证雨滴垂直下落。

(四)雨水回流系统

雨水回流系统主要由自吸泵15、沉淀池16、回流槽17、水管18组成，以模型箱框架19为主要承载体。由雨幕14收集的雨水通过模型箱框架19顶部的回流槽17汇流至尾部后通过水管18重新流回储水桶1内。模型箱框架19前部的回流槽用于收集坡面径流及下渗到坡脚的雨水，并将雨水引流到沉淀池16中，通过自吸泵15将雨水沿水管18送回储水桶内。

自吸泵15选用普通小功率自吸泵即可满足要求，这里采用恒格尔238W。

沉淀池16尺寸为1.5m×1.5m×1.5m(长×宽×高)。

回流槽17均由宽10cm，高8cm的槽钢制作而成，为保证顶部回流槽水流按要求汇流至尾部，所有回流槽在安装时均设置了一定的倾斜度。

本实用新型所提供的一种用于边坡足尺模型试验的人工模拟降雨装置的使用方法如下：

(1)将可移动支架移动至模型框架正上方，把雨幕下边孔挂在挂钩上，将连接主水管与供水系统通过活接头连接。

(2)将试验用人工雨水抽至两个储水箱内；

(3)开启需要达到某种降雨强度下对应的喷头；

(4)将需要达到的管道压力值输入水泵控制面板，启动水泵，记录流量表读数；

(5)经过10s后，管道水压达到稳定，水流由喷头喷出，均匀落在模型边坡表面；

(6)待沉淀池中回收的雨水达一定深度时，开启自吸泵，将雨水送回储水桶内；

(7)关闭水泵，记录流量表读数，一次人工模拟降雨过程结束；

(8)转动活接头，将主水管与供水系统分离，再将雨幕从挂钩上取出，移动雨棚即可进行自然日照条件下的试验。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。