原位土体稳定水文特征参数测定实验装置及其实验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种原位土体稳定水文特征参数测定实验装置及其实验方法，包括入渗系统、供水系统、动力系统、水位控制系统；动力系统为野外试验提供电源；供水系统为整个系统提供水源，并监测试验过程中的用水总量；水位控制系统用来调节水头大小，入渗系统测出土体在不同的水量条件下其垂直稳定下渗率及渗透系数。本发明专利技术结构简单，操作方便，能够模拟不同的雨量条件下，泥石流源区的径流量，并可计算出泥石流源区土体的稳定下渗率及渗透系数，为分析泥石流形成模式、机理及成灾规模提供了重要数据，为泥石流预测预报提供基础参数，可以更好的为防灾减灾服务。

【技术实现步骤摘要】
原位土体稳定水文特征参数测定实验装置及其实验方法
本专利技术涉及水文预报、产汇流及泥石流启动机理分析
，具体是一种原位土体稳定水文特征参数测定实验装置及其实验方法。
技术介绍
水文循环深刻地影响着全球水资源系统和生态环境系统的结构和演变，影响自然界中一系列的物理过程、化学过程和生物过程，影响人类社会的发展和生产活动。自然环境和社会环境的变化反过来又影响水循环。在我国湿润地区，新安江模型得到了广泛的应用并取得了很好的效果，但在半干旱半湿润地区，现有的水文模型难以取得比较满意的结果。产汇流过程是水文循环研究的重要内容，产汇流机理研究是水文模拟的基础，从实测水文资料出发进行深入分析是认识产汇流特性的有效手段。分析实测降雨径流过程和产汇流因子与降雨特性的关系，可以寻求流域的基本产流模式以及不同降雨特性对应的产流机制，有助于开发基于物理过程的水文模型。水文预报不仅是防汛抗早和水资源调度决策的科学依据，而且是减灾防灾的非工程措施之一。水文模型在水资源开发利用、防洪减灾、水库、道路、城市规划、面源污染评价、人类活动的流域响应等方面得到了广泛的应用。水文模型作为研究流域产汇流规律的必要手段，无论是重大问题的决策研究，还是水利工程的运行、防洪抗旱等均离不开它的支撑。水文模型也是研究下垫面变化对流域洪水径流影响的基础。下垫面变化对流域产汇流过程的影响是较明显的，但在不同的区域及不同量级暴雨的影响程度不同，其影响机理和定量数据目前还没有科学结论，尚有待进一步研究，尤其是对特大暴雨洪水以及流域规划标准洪水是否有影响，各方面的认识还不一致，这需要用水文模型来对流域产汇流过程进行定量分析。流域产流是指流域中各种径流成分的生成过程，是研究降雨转化为径流的过程，其实质是水分在下垫面垂向运动中，在各种因素综合作用下对降雨的再分配过程，主要取决于非饱和带地下水运动的机理、特性和运动规津。区域岩土体的稳定下渗率，影响甚至决定着整个区域的产汇流情况，最早的产流理论是由Horton在1933年提出的下渗理论。当雨强小于下渗能力时，所有降雨都被土壤吸收；雨强大于下渗能力时，下渗率等于下渗能力，其余部分为产流量。土壤表面把降雨分成两部分：一部分形成坡面流以后进入河道，另一部分进入土壤，然后或渗透成为地下水，或通过蒸散发重新进入大气。Horton理论提出了产流的主导因素，概括了径流形成的基本条件和均质包气带超渗产流的形成机制，成为后来产流理论发展的基础。泥石流是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体，具有暴发突然、搬运冲击淤埋能力强的特点，且有很大的破坏力。泥石流作为一种灾变性事件是影响山区经济发展和人民生命财产安全的重大自然灾害，它严重威胁到国民经济发展和社会的可持续发展。由于泥石流的成因复杂，量大面广，治理成本高，目前仍然无法进行全面控制。按照泥石流形成的动力条件，可以将泥石流划分为土力类泥石流和水力类泥石流。前者是泥石流沿较陡的坡面运动，其中土体运动勿需水体提供动力，而是靠其自重沿坡面的剪切分力发生和维持运动；而后者则是沿坡面运动，其中的土体在初始阶段是靠水体部分提供推移力发生和维持运动。水力类泥石流具有暴发频率低、间歇周期长的特点，特别是这类泥石流的流域缺少集中活动型滑坡、崩塌，水土流失较轻微，甚至植被良好，因此难于识别和预报，一旦暴发泥石流便可能酿成灾难性后果。水力类泥石流灾害在全球有普遍分布，是日本、俄罗斯、欧洲、美洲、南美洲和中国等地区主要泥石流类型之一，其研究得到广泛重视。费莱施曼在其《泥石流》一书中就提出水力类泥石流是泥石流的主要类型，并认为该类型泥石流起动机理是固体颗粒先遭受水体冲刷，使固体颗粒与下垫面脱离，然后又遭受水体片蚀作用而产生泥石流；其起动的关键因子是暴雨地表径流或融水地表径流，他还提出在径流流速和流深影响下的固体颗粒起动的判别模式。针对水力类泥石流起动的水文过程特征，有些学者开始注意用水文学方法构建其起动的模型，Tongnacca在其建立的模型中考虑了径流特征参数和颗粒直径；Berti等概括野外观测和模型试验，考虑了水力类泥石流起动的地表水流流量、地下水流量、下渗水流量在内的水文模型，并用极限平衡方法提出了沟床堆积物在水流作用下是否起动的“安全系数”。由于研究对象的复杂性和难度，在研究中需要解决的主要问题一是水力类泥石流起动的水文特征参数测定问题，特别是采用不同水深、不同流量、不同含沙量在不同坡度下对不同类型堆积层的冲刷和揭底能力进行试验，并测试其主要参数的沿程、沿时变化；二是建立以水文学和泥沙运动学为基础的水力类泥石流起动模型；三是建立以临界雨量法和分布式水文模型为基础的水力类泥石流预报方法。而以上的内容和泥石流形成区土体的渗透特性密切相关，传统的渗透试验是通过野外取样，烘干后按一定的含水率重新配置土样，土体的结构遭到破坏，测得的渗透系数可以在一定程度上反应土体的渗透能力，但和原位土体的渗透性会有较大差异，基于此建立的渗流模型或预报模型精度上均有较大的提升空间，模型的精度也无法满足防灾减灾的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种原位土体稳定水文特征参数测定实验装置及其实验方法，能够测试不同土体的稳定下渗率及渗透系数，建立渗流模型，结合当地的气象及降雨条件，分析泥石流形成机理，推测泥石流启动的临界雨量指标，建立泥石流启动模型，为泥石流多发区灾害预测预报提供基础数据，为防灾减灾服务。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：原位土体稳定水文特征参数测定实验装置，包括入渗系统、供水系统、动力系统、水位控制系统；动力系统为野外试验提供电源；供水系统为整个系统提供水源，并监测试验过程中的用水总量；水位控制系统用来调节水头大小，入渗系统测出土体在不同的水量条件下其垂直稳定下渗率及渗透系数。所述入渗系统包括同轴心线安装的大圆环、小圆环，大圆环、小圆环的侧壁均留有测压孔；水位控制系统包括有机玻璃筒，有机玻璃筒侧壁上设有水位线，有机玻璃筒内还设有水位控制器；水位控制系统放置在可升降的底座上；水位控制系统侧壁安装有刻度尺；所述供水系统包括水泵、总水箱、第一分水箱、第二分水箱；第一分水箱、第二分水箱分别经输水管与总水箱连接；第一分水箱经输水管分别与水位控制系统和小圆环相连，第二分水箱经输水管与大圆环相连；动力系统包括发电机，动力系统与供水系统的水泵通过输电线相连。所述供水系统中，所述的输水管上均设有排水阀、流量计；总水箱、第一分水箱、第二分水箱上均设有压力表、压力调节阀。所述入渗系统中大圆环、小圆环分别有多个，多个大圆环或多个小圆环分别通过橡皮套环连接；大圆环、小圆环侧壁均焊有锤击垫。所述入渗系统还包括测压管、橡皮塞、温度计；温度计悬挂于小圆环的内侧，进行稳定下渗试验时，橡皮塞封堵大圆环、小圆环的测压孔；进行常、变水头渗透试验时，取下橡皮塞，将测压管与测压孔连接。上述原位土体稳定水文特征参数测定实验装置的实验方法，依次包括以下步骤：(一)垂直稳定下渗率试验：在泥石流源区选择合适场地作为试验地点，将大圆环、小圆环侧壁的测压孔用橡皮塞进行封堵，先将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.原位土体稳定水文特征参数测定实验装置，其特征在于，包括入渗系统、供水系统、动力系统、水位控制系统；动力系统为野外试验提供电源；供水系统为整个系统提供水源，并监测试验过程中的用水总量；水位控制系统用来调节水头大小，入渗系统测出土体在不同的水量条件下其垂直稳定下渗率及渗透系数。/n

【技术特征摘要】
1.原位土体稳定水文特征参数测定实验装置，其特征在于，包括入渗系统、供水系统、动力系统、水位控制系统；动力系统为野外试验提供电源；供水系统为整个系统提供水源，并监测试验过程中的用水总量；水位控制系统用来调节水头大小，入渗系统测出土体在不同的水量条件下其垂直稳定下渗率及渗透系数。


2.根据权利要求1所述的原位土体稳定水文特征参数测定实验装置，其特征在于，所述入渗系统包括同轴心线安装的大圆环(15)、小圆环(16)，大圆环(15)、小圆环(16)的侧壁均留有测压孔(18)；
水位控制系统包括有机玻璃筒(11)，有机玻璃筒(11)侧壁上设有水位线(13)，有机玻璃筒(11)内还设有水位控制器(12)；水位控制系统放置在可升降的底座(14)上；水位控制系统侧壁安装有刻度尺(23)；
所述供水系统包括水泵(3)、总水箱(5)、第一分水箱(91)、第二分水箱(92)；第一分水箱(91)、第二分水箱(92)分别经输水管与总水箱(5)连接；第一分水箱(91)经输水管分别与水位控制系统和小圆环(16)相连，第二分水箱(92)经输水管与大圆环(15)相连；
动力系统包括发电机(1)，动力系统与供水系统的水泵(3)通过输电线(2)相连。


3.根据权利要求1所述的原位土体稳定水文特征参数测定实验装置，其特征在于，所述供水系统中，所述的输水管上均设有排水阀(8)、流量计(10)；总水箱(5)、第一分水箱(91)、第二分水箱(92)上均设有压力表(6)、压力调节阀(7)。


4.根据权利要求1所述的原位土体稳定水文特征参数测定实验装置，其特征在于，所述入渗系统中大圆环(15)、小圆环(16)分别有多个，多个大圆环(15)或多个小圆环(16)分别通过橡皮套环(20)连接；大圆环(15)、小圆环(16)侧壁均焊有锤击垫(17)。


5.根据权利要求1所述的原位土体稳定水文特征参数测定实验装置，其特征在于，所述入渗系统还包括测压管(21)、橡皮塞(19)、温度计(22)；温度计(22)悬挂于小圆环(16)的内侧，进行稳定下渗试验时，橡皮塞(19)封堵大圆环(15)、小圆环(16)的测压孔(18)；进行常、变水头渗透试验时，取下橡皮塞(19)，将测压管(21)与测压孔(18)连接。


6.根据权利要求1到5任一项所述的原位土体稳定水文特征参数测定实验装置的实验方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(一)垂直稳定下渗率试验：
(1)、在泥石流源区选择合适场地作为试验地点，将大圆环(15)、小圆环(16)侧壁的测压孔(18)用橡皮塞(19)进行封堵，先将小圆环(16)打入土体中，随后在将大圆环(15)打入土体内部，大圆环(15)、小圆环(16)圆心重合，以确保小圆环(16)周围的土体及水分条件一致，若所需测定的土体厚度较大，可依次将小圆环(16)打入土体中，并通过橡皮套环(20)将相邻的小圆环(16)进行密封，防止侧渗，影响试验精度；随后将...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟卫，贺拿，张帅，
申请(专利权)人：中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51