一种路基模拟冲刷试验装置及方法与流程

本发明涉及领域，具体为一种路基模拟冲刷试验装置及方法。

背景技术：

1、随着我国以及海外铁路与公路工程的发展，山区路基、沙漠路基工程越来越多。路基边坡在工程建设以及后续运营使用过程中的稳定性问题也成为工程设计和施工所关注的重点。尤其是土质路基边坡在降雨条件下，坡面会产生冲刷、剥落、冲沟等浅层病害，甚至进一步发展并引起边坡的整体失稳。

2、目前，国内外学者及工程技术人员对路基边坡的冲刷破坏特征进行了大量的研究，同时也相继开发研制了各种抗冲刷性能较好的坡面防护材料。对于边坡坡面冲刷破坏以及防护材料抗冲刷性能的研究，最为直观且应用较广的便是冲刷试验，冲刷试验可分为室内冲刷试验和现场冲刷试验。其中，室内冲刷试验以模型尺寸小、试验周期短、费用低等优点被广泛采用。但缺点是试验对象为人工制作的坡面模型，其坡面填料状态、压实情况以及试验环境与工程现场路基边坡的实际状态存在差异，不能直观真实地评价实体工程中的路基边坡抗冲刷特性。而现场冲刷试验，目前应用较多的一般基于天然降雨周期进行的冲刷试验，存在降雨周期长、现场气候环境干扰大、试验数据收集困难等问题。另外，也有一些采用基于人工降雨模拟的现场冲刷试验，但试验方法、控制条件设置、试验结果选用等各式各样，且多用于科研研究，对于实际工程应用缺乏直观的指导性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种路基模拟冲刷试验装置及方法，以解决现有技术中的冲刷试验结果不准确，易受环境因素的干扰以及试验操作过于繁琐的问题。

2、本发明提供了一种路基模拟冲刷试验装置，该试验装置包括：封闭式帷幕机构、人工降雨模拟机构、校准机构以及水土收集机构，其中，

3、所述封闭式帷幕机构设置在试验坡面的周围，用于降低外界环境因素对试验的影响；

4、所述人工降雨模拟机构设置在所述封闭式帷幕机构内部，用于向所述试验坡面进行人工降雨；

5、所述校准机构用于对人工降雨模拟机构的数据进行测量校准；

6、所述水土收集机构设置在所述封闭式帷幕机构内部，用于收集所述试验坡面上被雨水冲击下的泥沙。

7、进一步地，该试验装置还包括挡水机构以及摄像设备，其中，所述挡水机构设置于试验坡面的左右侧和上侧，用于阻挡试验区外部积水流到试验区；所述摄像设备设置在所述封闭式帷幕机构内部，用于对试验过程进行拍摄。

8、进一步地，所述封闭式帷幕机构包括：固定地基、脚手架、固定件以及帷幕布，其中，所述固定地基设置在所述试验坡面的两侧以及上下坡面上，中间预留试验区域；所述脚手架下端固定设置在所述固定地基上，上端通过所述固定件相互连接；所述脚手架上覆盖有所述帷幕布，用于形成封闭式帷幕结构。

9、进一步地，所述人工降雨模拟机构包括：供水箱，所述供水箱通过输水管连接分支导水管，试验区域两侧均匀设置有多个喷淋支架，所述喷淋支架上设置有连接所述分支导水管的喷头；所述输水管上设置有水泵、压力表以及总阀门；所述分支导水管上设置有控制分支管路的分支阀门。

10、进一步地，所述水土收集机构包括：集水导流槽，以及连接所述集水导流槽的收集池，用于对喷淋出的水以及泥沙进行收集。

11、本发明还提供了一种路基模拟冲刷试验方法，该试验方法具有以下步骤：

12、步骤s1：试验场地准备：选定试验场地，进行坡面清理整平并覆盖防水布，然后设置封闭式帷幕机构以及人工降雨模拟机构；

13、步骤s2：校准试验：试验坡面均匀设置雨量杯，开启人工降雨模拟机构，依次对多组目标降雨强度进行降雨模拟测试，并计算每组测试实际的降雨强度、降雨均匀性系数以及1～6mm粒径大小的雨滴占比，记录每组测试的设备配置、喷头布置间距和运行压力；

14、步骤s3：冲刷试验：撤掉防水布以及雨量杯，根据目标降雨强度开启人工降雨模拟机构，并在试验过程中采集冲刷水式样以及测定集水导流槽出水口流速，单组试验结束后测量冲刷深度并收集冲刷产生的泥沙，然后调整降雨强度并重复上述试验过程；

15、步骤s4：数据处理：根据试验采集的数据计算各组试验的产沙量及产流量，并推算坡面维护周期。

16、进一步地，所述试验场地准备的步骤具体包括：

17、步骤s11：选定布置试验场地：试验场地边坡顶部以及两侧设置挡水机构，并清理试验坡面，覆盖防水布；

18、步骤s12：设置封闭式帷幕机构：在试验场地上搭设脚手架，并覆盖帷幕布；

19、步骤s13：设置人工降雨模拟机构：根据喷头的喷洒半径将喷淋支架等间距设置在试验区域两侧，并连接输水管以及分支导水管。

20、进一步地，所述校准试验的步骤具体包括：

21、步骤s21：测定试验区内风速并记录；

22、步骤s22：在防水布上均匀设置多支雨量杯；

23、步骤s23：开启人工降雨模拟机构，测试校准时间至少为15分钟；

24、步骤s24：测试结束后，记录各雨量杯中降雨深度，并计算降雨强度，同时记录各喷头开关情况、运行压力，

25、试验降雨强度i计算公式：

26、

27、式中，

28、dj：降雨深度，单位：mm；

29、n：雨量杯数量；

30、t：试验时间，单位：小时；

31、步骤s25：使用christiansen均匀性系数计算降雨强度均匀性，最小可接受降雨均匀性系数应大于80％；

32、christiansen均匀性系数计算公式：

33、

34、式中，

35、cuc：表示降雨均匀性的christiansen均匀性系数；

36、di：雨量杯中的降雨深度，单位：mm；

37、davg：所有雨量杯的平均降雨深度，单位：mm；

38、n：雨量杯数量；

39、步骤s26：采用面粉球法确定由降雨模拟器生成的雨滴大小分布，将筛过的面粉颗粒通过标准筛，并记录每种尺寸的总重量和颗粒数，计算得到每种尺寸雨滴的占比；

40、步骤s27：调整运行压力及喷头布置间距，重复上述步骤，直至试验降雨强度与目标降雨强度误差小于5％，降雨均匀性系数大于80％，1～6mm粒径大小的雨滴占比大于80％。并记录最终设备配置、喷头布置间距、运行压力。

41、进一步地，所述冲刷试验的步骤具体包括：

42、步骤s31：清除试验坡面的雨量杯和塑料防水布，确保试验场地边坡处于天然干燥状态，集水导流槽及收集池内泥沙清理干净；

43、步骤s32：根据试验所需目标降雨强度，调整人工降雨模拟器参数，开启人工降雨模拟机构，同时记录试验开始时间、坡面积水时间、产流开始时间和结束时间，冲刷试验时长30分钟；

44、步骤s33：试验过程中，每隔3～5分钟用试剂瓶在集水导流槽收集冲刷水试样，测定产沙浓度，并从开始产流至产流结束，每隔3～5分钟于集水导流槽出口处测定产流流速；

45、步骤s34：试验过程中，采用摄像设备采集坡面冲刷情况照片及视频，记录坡面冲刷情况发展过程；

46、步骤s35：试验结束后，测量并记录坡面冲刷深度；收集收集池内冲刷产生的泥沙试样，装入收集袋，进行颗粒分析试验；

47、步骤s36：待试验结束后，根据所需目标降雨强度，调整人工降雨模拟装置参数，并重复上述步骤s31～s35，进行下一组试验；

48、步骤s37：以边坡坡面出现稳定性破坏或试验冲刷水流变清澈、不再产沙为终止试验的标准，确定最终试验组数及时长，最少试验组数不少于3组。

49、进一步地，所述数据处理的步骤具体包括：

50、步骤s41：根据试验测定的产沙浓度及冲刷流速，计算各组试验的产沙量及产流量；

51、产沙量计算公式如下：

52、

53、

54、

55、式中：t1时间泥沙浓度为上一次取样的泥沙浓度；

56、t2时间泥沙浓度为本次取样的泥沙浓度；

57、泥沙浓度，单位mg/l；泥沙重量，单位：mg；水体积，单位：l；平均泥沙浓度，单位mg/l；产沙量，单位：kg；产流量，单位：l；

58、产流量计算公式如下：

59、

60、

61、产流量＝∑(平均冲刷速率×区间时长)

62、式中，t1时间冲刷速率为测试区间开始时的冲刷速率；

63、t2时间冲刷速率为测试区间结束时的冲刷速率；

64、冲刷速率，单位：l/min；冲刷流量，单位：l；取样历时，单位：min；平均冲刷速率，单位：l/min；区间时长，单位：min；产流量，单位：l；

65、区间时长为上一次取样至下一次取样的时间间隔；

66、步骤s42：根据各组试验的产沙量、产流量及坡面冲刷深度推算边坡坡面冲刷发展趋势，并结合实际年降雨量，推算坡面维护周期；

67、首先，通过产沙量和降水总能量，采用通用土壤流失方程计算得出边坡试验的填料易侵蚀系数k。其中，通用土壤流失方程如下：

68、a＝r×k×l×s×c×p

69、式中，a为单位面积土壤流失值，单位：t/ha；r为降水总能量，单位：(mj·mm)/(ha·h)；k为填料易侵蚀系数；l为边坡长度因子；s为边坡坡率因子；c为边坡上覆盖层因子，其与边坡的植被覆盖相关；p为支护因子，与防侵蚀措施相关。

70、通过上式，转换出填料易侵蚀系数k的计算公式为：

71、

72、单位面积土壤流失值a可通过下式得出：

73、

74、降水总能量r可通过下列公式得出：

75、r＝∑(e×i)

76、其中e为单次降水总能量，单位：mj/ha；i为单次降水强度，单位：mm/h。

77、单次降水总能量e值可通过下式得出：

78、e＝em×r

79、其中em为单位降水深度的降水能量，单位：mj/(ha·mm)，而r为单次降水深度，单位：mm，em可通过下式得出：

80、

81、其中，im为单位降水强度，单位：mm/h。

82、坡长因子l与坡率因子s可合并作为影响边坡降水侵蚀的几何因子ls值，计算公式如下：

83、

84、其中λ为边坡坡长，单位：m，θ为边坡坡率。

85、其次，根据上述得出的填料易侵蚀系数k和平均全年降水总能量ri，推测坡面冲刷深度h，计算公式如下：

86、

87、其中，g为土粒密度，单位：g/cm3；

88、ai为年平均降雨条件下单位面积土壤流失值，单位：t/ha，计算公式如下：

89、ai＝ri×k×l×s×c×p

90、ri为平均全年降水总能量，单位：(mj·mm)/(ha·h)；k为填料易侵蚀系数；l为边坡长度因子；s为边坡坡率因子；c为边坡上覆盖层因子，其与边坡的植被覆盖相关；p为支护因子，与防侵蚀措施相关；

91、最后，根据边坡容许冲刷深度h和推测坡面冲刷深度h，推测出坡面维护周期t，公式为：

92、

93、步骤s43：根据颗粒分析试验，确定坡面冲刷物的级配，绘制级配曲线。

94、根据上述实施方式可知，本发明提供的一种路基模拟冲刷试验装置及方法至少具有以下益处：与现有技术相比，本发明通过采用简易的人工降雨装置来模拟路基冲刷的情况，降低了操作难度、缩短了试验周期。通过严格的试验条件控制、量化校准指标，有效保证了降雨侵蚀指标的真实性，提升了检验的准确性。另外，本试验方法获取的试验数据可结合具体工程所在地的实际年降雨情况，对边坡坡面冲刷深度的发展及养护周期进行推算，同时也为边坡防护材料的选用提供参考，对实体工程边坡抗冲刷性能的试验评价具有重要的技术指导价值。

95、应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。