模拟全天候下植被对非饱和土质覆盖层或边坡的水、气、热、力耦合运移影响的试验系统

摘要

本发明提出一种模拟全天候下植被对非饱和土质覆盖层或边坡的水、气、热、力耦合运移影响的试验系统，包括用于容置含植被填埋场覆盖层或边坡模型的模型槽，模型槽分为A和B两个部分：模型槽A部分底部设有填埋气通入装置；所述模型槽A部分设有加热装置；所述模型槽A部分侧壁外覆隔热材料；所述模型槽B部分设有通风系统；其外接一个温度控制器；所述模型槽B部分设有天气系统；所述室内全天候含植被土质覆盖层或边坡的水、气、热、力耦合模型的主体为覆盖层或边坡；试验过程中，所述填埋气通入装置模拟填埋气进入到覆盖层；本发明能同时模拟各种气候条件下水分‑填埋气‑热能‑力学的相互影响，解决试验中干旱、降雨循环的模拟问题。

说明书

技术领域：

本发明涉及环境、植被和土壤研究技术领域，尤其是一种模拟全天候条件下植物对非饱和土质覆盖层或边坡水、气、热、力耦合运移影响的大型试验系统。

背景技术：

人们的生活及消费水平随着国家经济的迅猛发展逐渐提升，相应的垃圾产生量也在年年攀升。目前，我国大部分的生活垃圾还是以填埋方式处理。垃圾填埋场覆盖层犹如填埋场的皮肤，具有非常重要的作用，应具有防水、闭气两大功能。

实际工程中，降雨及地表水入渗产生的渗滤液，污染地下水，导致生活环境恶化；垃圾在生物降解过程中产生大量的填埋气，其中包括甲烷和硫化氢等。甲烷是温室气，大量排放加剧温室效应，影响气候环境。硫化氢气体臭味浓烈，严重影响填埋场周边环境质量和人体健康。填埋场封场后立即进行绿化，植被对覆盖层水、气运移作用会影响填埋场覆盖层防水闭气等重要功能。

除此之外，极端天气诱发的填埋场覆盖层失稳等灾害也严重威胁着人民生命财产安全。因此，研究全天候下植被对非饱和土质覆盖层或边坡水、气、热、力耦合运移的影响具有重要科学价值和工程意义。

然而，现场试验不可控因素太多，各因素之间相互作用，使得问题的分析更加复杂，室内试验可控度高、研究对象清晰、成本较低，并且具有可重复性，因此，室内试验已成为岩土工程中研究关键问题的首要选择。目前，国内外学者通过现场和室内试验，研究了填埋气在覆盖层中的运移。同样的，一些现场和室内试验，集中地研究降雨对土体稳定性的影响。部分试验，考虑到了降雨特性（如强度和持续时间等）对裸露边坡降雨入渗以及稳定性的影响。甲烷氧化产热提高土体温度，而温度又影响甲烷氧化速率，最终影响填埋场气体排放。目前缺乏针对全天候条件下植被对非饱和土质覆盖层或边坡水、气、热、力耦合运移的影响相应的研究，这是全面系统分析覆盖层防水闭气性能的关键。

发明内容：

本发明提出一种模拟全天候下植被对非饱和土质覆盖层或边坡的水、气、热、力耦合运移影响的试验系统，该试验系统能解决植被覆盖层中，填埋气通入及填埋气运移模拟问题；含植被覆盖层中，温度对填埋气运移、氧化、吸附等作用影响；含植被覆盖层或边坡干旱、降雨循环的模拟问题；还能在模拟各种干-湿循环极端天气条件的同时，对含植被覆盖层或边坡的填埋气运移、地下水流动、土体吸力及土体变形进行记录和分析。

本发明采用以下技术方案

一种模拟全天候下植被对非饱和土质覆盖层或边坡的水、气、热、力耦合运移影响的试验系统，其特征在于：所述试验系统包括用于容置含植被填埋场覆盖层或边坡模型的模型槽，模型槽分为A和B两个部分：所述模型槽A部分底部设有填埋气通入装置（1）；所述模型槽A部分设有加热装置（2）；所述模型槽A部分侧壁外覆隔热材料（3）；所述模型槽A部分的侧面至少一个槽壁为透明槽壁（8）；所述透明槽壁处设有PIV（Particle ImageVelocimetry）测点（9）；所述模型槽A部分一端的槽口为出水口；所述出水口处设有土壤收集槽（10）；所述模型槽B部分设有可模拟干旱、降雨条件的天气系统（6）；所述模型槽B部分设有通风系统（4）；其外接一个温度控制器（5）；所述室内全天候含植被土质覆盖层或边坡水、气、热、力耦合模型的主体为覆盖层或边坡；试验过程中，所述填埋气通入装置模拟填埋气进入到覆盖层；加热及隔热系统（7）模拟不同气候的温度；所述天气系统模拟干旱、降雨条件；所述PIV测点以高速摄像机记录植被覆盖层或边坡模型变形过程，所述土壤收集槽收集试验中流失的土壤量。

进一步的，上述模型槽A部分底部设有填埋气通入装置，可模拟填埋气在覆盖层中的运移；

进一步的，上述模型槽A部分的加热装置，用于调节模型槽内的温度，模拟不同气候；

进一步的，侧壁外覆隔热材料，与加热装置共同作用，实现与外界隔热，模拟填埋场覆盖层实际温度。

进一步的，上述透明槽壁处的PIV测点，用于记录降雨过程中植被覆盖层或边坡各点土体以及整体的变形情况。

进一步的，顶部空气进入模型槽之前先通过模型槽B部分的一个温度控制器，调节进入的空气温度。

进一步的，天气系统可模拟干旱、降雨条件，以及干旱、降雨循环的极端天气。

进一步的，上述天气系统固定在模型槽B部分，由植物生长灯（11）和喷水回路（12）组成。

进一步的，上述土壤收集槽的一侧设有过滤网。

进一步的，上述植被覆盖层或边坡模型埋设有监测试验过程中土体的孔隙水压力、土体含水量、土体吸力、温度的传感器。

本发明一种模拟全天候下植被对非饱和土质覆盖层或边坡的水、气、热、力耦合运移影响的试验系统，其使用方法包括以下步骤：

步骤A1、按试验所需，在模型槽内压实土壤构筑填埋场覆盖层或边坡模型，并根据试验所需确定是否在模型上种植植物；

步骤A2、在土体内埋设传感器，监测试验过程中土体含水量、土体吸力、温度和气体浓度等；

步骤A3、根据需要开启加热装置，调节模型槽内的温度，模拟不同天气，模型槽外覆隔热材料，实现模型与外界隔热，从而模拟填埋场覆盖层实际工况；

步骤A4、在模型槽B部分两端设置通风口，实现模型槽内封闭空间气体循环，通入进风口的空气需要先经过温度控制器，使其与模型槽内的温度相同；

步骤A5、在模拟填埋场覆盖层时，打开模型槽底部的通气阀门向槽内通入填埋气；

步骤A6、根据需要模拟的干旱气候，开启光照，支路开关控制植物生长灯的亮灯数，控制光照强度和时长；

步骤A7、当满足干旱试验所需后，关闭光照，启动降雨，开启加压泵，调节流量表和压力表并控制降雨总开关和降水支开关，模拟降雨；

步骤A8、通过加压泵和流量计来控制模拟降雨的降雨强度、类型及降雨时长；

步骤A9、在降雨过程中，记录槽壁PIV测点处土体变形情况，获得降雨过程中覆盖层或边坡土体变形发展情况及破坏模式；

步骤A10、关闭降水总开关，记录流量表读数以得到总降雨量，完成一次降雨模拟；

步骤A11、收集土壤收集槽内的土壤并烘干，获得模拟降雨过程中覆盖层或边坡的土壤流失量；

步骤A12、当需模拟干、湿循环的气象时，可重复执行步骤A3至步骤A11。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）填埋气通入装置可模拟填埋垃圾（工业固废等）产生的填埋气，可控制通入的填埋气种类、流量及浓度；

（2）加热装置和模型槽外覆的隔热材料可调节模型槽内的温度，模拟不同气候条件；

（3）本发明通过植物生长灯和电路控制系统的合理配置，模拟不同光照强度及时长；

（4）天气系统模拟干旱、降雨条件，以及干旱、降雨循环的极端天气；

（5）土体中埋设的传感器可以监测填埋气浓度、土体含水量、土体吸力、温度等；

（6）装置的合理使用，可分析各种气候条件下植物对非饱和土质覆盖层或边坡等水、气、热、力耦合运移的影响，为多面多相分析覆盖层长期服役性能提供简单有效的试验系统。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明试验系统的总装构造示意图；

图2是本发明试验系统的正视图；

图3是本发明模型槽A部分的构造示意图；

图4是本发明模型槽B部分的构造示意图；

图5是天气系统的构造示意图；

图6是通风系统的构造示意图；

图7是加热及隔热的构造示意图；

图中：1-填埋气通入装置；2-加热装置；3-隔热材料；4-通风系统；5-温度控制器；6-天气系统；7-加热及隔热系统；8-透明槽壁；9-PIV测点；10-土壤收集槽； 11-植物生长灯；12-喷水回路；13-水箱；14-广角喷头；15-非广角喷头；16-加压泵；17-流量表；18-压力表；19-空气循环装置；20-试验过程中用于监测的传感器；21-通气阀门；22-总开关；23-支路开关；24-植物生长灯电路；25-电路开关。

具体实施方式:

下面结合附图以及具体的实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但是并不作为本发明的限定。

如图1-7所示，一种模拟全天候下植被对非饱和土质覆盖层或边坡的水、气、热、力耦合运移影响的试验系统，试验系统包括用于容置含植被填埋场覆盖层或边坡模型的模型槽，模型槽分为A和B两个部分：模型槽A部分底部设有填埋气通入装置1；所述模型槽A部分设有加热装置2；所述模型槽A部分侧壁外覆隔热材料3；所述模型槽A部分侧面的至少一个槽壁为透明槽壁8；所述透明槽壁处设有PIV测点9；所述模型槽A部分一端的槽口为出水口；所述出水口处设有土壤收集槽10；所述模型槽B部分设有可模拟不同干旱、降雨条件的天气系统6；所述模型槽B部分设有通风系统4，其外接一个温度控制器5。

模型槽A部分底部旁侧设有填埋气通入装置，可模拟填埋气在覆盖层中的运移；模型槽A部分的加热装置，用于调节模型槽内的温度，模拟不同气候；隔热材料，与加热装置共同作用，实现与外界隔热，模拟填埋场覆盖层实际温度。

透明槽壁处的PIV测点，用于记录降雨过程中植被覆盖层或边坡各点土体以及整体的变形情况；天气系统可模拟极端干旱、降雨条件及干旱、降雨循环极端天气；天气系统固定在模型槽B部分，由植物生长灯11和喷水回路12等组成。

土壤收集槽的一侧设有过滤网，用于防止土壤流失；植被覆盖层或边坡模型埋设有监测试验过程中土体含水量、土体吸力、温度等传感器。

本发明装置可用于模拟各种气候条件下植物对非饱和土质覆盖层或边坡等水、气、热、力耦合运移的影响，使用方法包括以下步骤：

步骤A1、按试验所需，在模型槽内压实土壤构筑填埋场覆盖层或边坡模型，并根据试验所需确定是否在模型上种植植物；

步骤A2、在土体内埋设传感器，监测试验过程中土体含水量、土体吸力、温度和气体浓度等；

步骤A3、根据需要开启加热装置，调节模型槽内的温度，模拟不同天气，模型槽外覆隔热材料，实现模型与外界隔热，从而模拟填埋场覆盖层实际工况；

步骤A4、在模型槽B部分两端设置通风口，实现模型槽内封闭空间气体循环，通入进风口的空气需要先经过温度控制器，使其与模型槽内的温度相同；

步骤A5、在模拟填埋场覆盖层时，打开模型槽底部的通气阀门向槽内通入填埋气；

步骤A6、根据需要模拟的干旱气候，开启光照，支路开关控制植物生长灯的亮灯数，控制光照强度和时长；

步骤A7、当满足干旱试验所需后，关闭光照，启动降雨，开启加压泵，调节流量表和压力表并控制降雨总开关和降水支开关，模拟降雨；

步骤A8、通过加压泵和流量计来控制模拟降雨的降雨强度、类型及降雨时长；

步骤A9、在降雨过程中，记录槽壁PIV测点处土体变形情况，获得降雨过程中覆盖层或边坡土体变形发展情况及破坏模式；

步骤A10、关闭降水总开关，记录流量表读数以得到总降雨量，完成一次降雨模拟；

步骤A11、收集土壤收集槽内的土壤并烘干，获得模拟降雨过程中覆盖层或边坡的土壤流失量；

步骤A12、当需模拟干、湿循环的气象时，可重复执行步骤A3至步骤A11。

模型槽A部分一端底部具有用于出水的槽口（出水口）；槽口（出水口）处设有土壤收集槽（10）；在土壤收集槽（10）旁侧设有PIV测点，采用高速摄像机记录植被覆盖层或边坡模型变形过程；所述土壤收集槽收集试验中流失的土壤量。

本例中，模型槽A部分前、后两侧分别为不透明壁和透明壁；不透明壁为10mm厚度的不锈钢钢板；透明壁为20mm厚度的有机玻璃板；模型槽B部分四周为5mm不锈钢钢板；顶部为5mm透明材质塑料板；顶部设有钢横梁，用以增强模型槽的稳定性；加热及隔热系统即用于模拟不同气候的温度，其包括上述由各壁板体组成的立方体和设在立方体内底部的加热装置，该加热装置可以是一个可控制温度的加热板。

本例中，模型槽内的垃圾填埋场覆盖层或植被边坡模型为三米长、一米宽，需要10000lux光照度，这里放置四盏植物生长灯11，进而模拟不同光照情况，这里采用的植物生长灯参数为：Flux:26479Lm；PPF:418umol/s；PAR:87953mWF；光照系统的所有电线均采用2.5方的铜芯线，植物生长灯11由植物生长灯电路电连接，并由电路开关25控制启闭。

试验过程中用于监测的传感器20包括土体含水量、土体吸力、温度及气体浓度传感器。

本例中，模型槽A部分的填埋气通入装置与B部分的空气循环装置19（可以是空压机）都先与一个温度控制器5相连，再接入模型槽A部分或B部分，该填埋气通入装置为罐体，其体内装有模拟用的填埋垃圾（工业固废等）产生的填埋气，该填埋气通入装置1可控制通入的填埋气种类、流量及浓度；温度控制器5体内具有电加热丝，可控制温度，从填埋气通入装置输出的气体通过管路经过温度控制器，在填埋气通入的管路上设有通气阀门21。

本例中，模型槽内的加热装置为放置在模型槽A部分底部的加热板，电力需求220-240V交流电，输出功率2500w，尺寸为2.5m×0.8m。

本例中，天气系统即模拟天气变化，包括模拟雨水（通过供水系统实现）、和光照（通过植物生长灯11实现），通风系统4实现模型槽内封闭空间的气体循环，该通风系统4包括空气循环装置19和温度控制器5等。

实验室供水系统（包括呈网格状的喷水回路12和设在喷水回路12上的广角喷头14和非广角喷头15，以及用于启闭出水的总开关22和支路开关23）通过接头与水箱13相连，再与加压泵16、压力表18和流量表17相连，通过加压泵的工作，使水箱内的水进入供水系统，其中广角喷头布置在四个角落，其余均为普通的非广角喷头，喷水回路12的主水管直径为20 mm，支水管直径为10 mm，均采用PPR材质的管子。