[發明專利]滲流－坡面流耦合侵蝕過程的實驗方法及滲流裝置

有效

• 申請號: 200810039256.8
• 申請日: 2008-06-20
• 公開（公告）號: CN101299306A
• 公開（公告）日: 2008-11-05
• 發明（設計）人: 謝立全
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G09B23/40
• 分類號: G09B23/40;G09B25/06
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明屬于水土保持研究領域，涉及土壤侵蝕實驗方法以及用于提供穩定滲流的實驗裝置。

背景技術

坡面流侵蝕，是指坡面水流對坡面土體的沖刷侵蝕力大于土體抗侵蝕力的時候將土體剝離帶走的現象。坡面流侵蝕是土壤侵蝕中最為普遍的形式之一。無論是坡耕地、海灘、河岸，還是各種工程中的土質邊坡，坡面上的降水或者潮汐水位落差在形成大面積坡面流時，都會造成對坡面的侵蝕。據估計，目前全世界范圍內的表土資源正以每年0.7％的速度減少，我國有70％以上的砂質海岸因海灘坡面遭受侵蝕而處于后退狀態，66％的耕地分布在山地、丘陵、高原地區，坡面土壤侵蝕造成嚴重的土壤退化，耕地質量下降，糧食減產，生態環境惡化，甚至難以恢復。此外，坡面流侵蝕還普遍存在于渠化工程、公路、礦場、鐵路、水庫等工程及其附近區域留下的大量裸露土質邊坡、棄土場等。因此，開展坡面流侵蝕過程和侵蝕機理研究對于控制水土流失、改善人類的生存環境，是非常重要而迫切的。

由于坡面流侵蝕受到降雨、坡面流入滲進入土壤和土中水的向外滲出等方面的影響，這使得坡面流侵蝕十分復雜。目前，坡面流侵蝕過程的室內實驗技術不斷提高，對土壤侵蝕追蹤、坡面流水動力、侵蝕形態等方面均得到了實質性的進展，但是，對土中滲流的實驗模擬及其對坡面流侵蝕的影響研究，一直進展緩慢。然而，對我國西部的黃土坡面侵蝕產沙沿順坡方向的演變過程研究表明，坡面的下1/3區域為侵蝕活躍帶，其土中水的外滲不可忽視；降雨、風暴潮以及增減水運動時，在廣闊的海灘面上形成大面積坡面流，同時在岸線附近產生向外的滲流，強化了坡面水流對泥沙的沖刷運移作用，常常導致岸灘嚴重侵蝕，如杭州灣的老鹽倉附近因岸坡較陡，加上涌潮速度快，曾有一晝夜岸體坍塌254m的記錄。所以，必須解決如何有效地模擬土中滲流情況，以定量研究土中滲流對坡面流侵蝕的影響過程和作用機理。

目前的坡面流侵蝕實驗設備，能反映坡面流的自然入滲情況，但還不能定量研究滲流對坡面流侵蝕的作用機理，尤其是土中水的外滲。曾有學者直接向實驗土體內部供水，以觀察土中水外滲對坡面流侵蝕的影響，其結論是滲流影響顯著。但是，由于該類實驗難以對滲流進行定量描述(如反映滲流影響土體應力狀態的滲透比降)，其實驗結果無法揭示滲流對坡面流侵蝕的作用機理，所以，也不能服務于坡地侵蝕的預測預報。針對滲流的影響研究，試驗段坡面必須提供大小、方向均相同的滲流，使其滲流數據可定量描述，那么對坡面流侵蝕的作用過程和機理可望得到認識和揭示。為此，本發明提出一種滲流-坡面流耦合侵蝕實驗方法及其裝置，能夠模擬坡面流入滲和土中水外滲兩類滲流工況下的坡面流土壤侵蝕過程，并能向侵蝕試驗段坡面提供均勻、穩定的滲流環境，結合土力學和泥沙運動力學理論可定量揭示滲流對坡面流溫沙起動、坡面流侵蝕的作用機理和影響規律。

發明內容

本發明的目的是提供一種能很好地模擬滲流-坡面流耦合侵蝕過程的實驗方法及裝置，解決水土保持科學研究中急需的多功能坡面流侵蝕實驗設備難題，能充分反映滲流對坡面流土壤侵蝕的控制作用，并實現土中滲流在坡面上的均勻化，準確控制滲流強度大小，以定量研究滲流條件對坡面流侵蝕的影響，實施容易，操作簡單。

本發明的目的是通過如下技術方案實現的：

一種滲流-坡面流耦合侵蝕過程的實驗方法，應用分級定水頭和分段式供水方法，提出可提供和控制滲流的滲流裝置，在坡面流侵蝕試驗過程中，使得滲流在坡面上處處相同，滲流穩定、均勻且可根據觀測數據定量描述，實現對滲流-坡面流耦合侵蝕過程的有效模擬，可定量研究滲流對坡面流侵蝕過程的影響規律和作用機理。

所述的滲流裝置，其包括分級定水頭供水裝置：滲流水位控制槽中設置與滲流供水管路對應數量的溢流隔板，各隔板攔水形成分級供水，其水位即為侵蝕試驗土體底部邊界的總水頭，同時，為減小其邊界水頭的脈動，在試驗土體底部設置強透水的砂礫石墊層，并采用透水多孔管向砂礫石墊層進行分布式供水。

還包括：分段式供水方法及裝置：應用滲流艙板，將試驗土體、砂礫石墊層在土槽縱軸線方向分為若干段，每一段內的供水獨立，其滲流底邊界的總水頭完全相同。

該砂礫石墊層的頂面以粗砂找平，頂部與坡體試驗土層之間布設一層網，防止上部土體填料的細沙下漏進入墊層。

該透水多孔管固定在每個滲流艙的土槽底部上，并在土槽相應側壁位置開孔向后伸出，便于連接軟管；透水多孔管側壁周圍開有孔，并外包濾網，防止泥沙進入。

該滲流水位控制槽：以連接軟管與透水多孔管相連，以方便調節水位控制槽的位置，獲得不同的滲流工況；滲流水位控制槽平行于土槽布置，可在垂直于土槽方向上移動。