原位土体稳定水文特征参数测定实验装置及其实验方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明涉及水文预报、产汇流及泥石流启动机理分析技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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，先将小圆环打入土体中，随后在将大圆环打入土体内部，大圆环、小圆环圆心重合，以确保小圆环周围的土体及水分条件一致，若所需测定的土体厚度较大，可依次将小圆环打入土体中，并通过橡皮套环将相邻的小圆环进行密封，防止侧渗，影响试验精度；随后将大圆环打入土中，也通过橡皮套环进行密封；

将第一分水箱的出水管放置在小圆环内部，将第一分水箱的出水管放置在大圆环内部，通过金属支架对水管进行固定，为入渗系统供水；

关闭第一分水箱与水位控制系统的排水阀，同时打开第一分水箱及第二分水箱与入渗系统相连的排水阀，分别为小圆环和大圆环注水，根据不同区域的雨量条件及土体渗透性，推算供水量的大小，通过第一分水箱出水管处的流量计分析计算供水量，根据Q＝V×A×t计算垂直稳定下渗率，式中：Q为t时间内的供水量，A为小圆环的横截面面积，t为供水时间；

(二)常水头渗透试验

常水头渗透试验适用于透水性强的粗粒土，选取场地后，在现场取样，室内测定土体的含水率及颗粒组成特征，确定土体的归类，从而开展；试验；根据土体的最大粒径，考虑尺寸效应，选择相应的大圆环、小圆环，将大圆环、小圆环侧壁测压孔的橡皮塞取出，将测压管与测压孔连接好，测压孔处贴上透水纱布，防止细颗粒堵塞测压孔，影响测压管内的液面上升情况；根据土层的厚度，选择大圆环、小圆环个数，依次将大圆环、小圆环打入土中，拼接的大圆环或小圆环之间通过橡皮套环进行密封；关闭第一分水箱及第二分水箱与入渗系统之间的排水阀；打开第一分水箱与水位控制系统之间的阀门，打开水位控制系统上的排水阀；将水位控制系统放置于可升降的底座上，根据雨量条件调节底座的高度，从而调整水头的大小，并控制水头高度在试验过程中不变，确保整个试验在常水头条件下进行；测压管读出试验过程中的水头损失，根据达西定律计算出原位土体的渗透系数；用温度计测量试验水温，据此计算出20摄氏度条件下的渗透系数；

(三)变水头渗透试验

变水头渗透试验适用于透水性弱的细粒土；在野外取样，在室内烘干后进行颗分试验，若土体为细粒土，则根据变水头渗透试验测定土体的渗透系数；将第一分水箱及第二分水箱与入渗系统连接的排水阀关闭，打开第一分水箱与水位控制系统之间的排水阀，关闭水位控制系统上的排水阀；将橡皮塞取出，安装上测压管，在测压孔处贴上透水纱布，防止细颗粒堵塞测压孔，影响测压管内的液面上升高度；将大圆环、小圆环打入土体中；通过供水系统为水位控制系统注满水，结合当地的雨量条件调整可升降的底座的高度进而控制初始水头大小，随后开始试验；试验开始后通过有机玻璃筒的水位线读取一定时间段内水位的下降高度，读取测压管内的水位，根据公式

本发明取得的有益效果是：本发明结构简单，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。本发明通过原位土体稳定下渗率、原位常、变水头复合渗透装置测定土体的垂直下渗率及渗透系数，通过该装置测试泥石流源区土体的稳定下渗率及渗透系数，结合当地的雨量条件分析泥石流源区的产汇流情况。分析在不同的降雨条件下，表面径流及内部径流的大小，进而分析泥石流形成机理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的入渗系统结构示意图；

图3为本发明的可升降的底座结构示意图；

图4为本发明的中压力调节阀结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明专利的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于发明专利的保护范围。

如图1所示，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。在本实施例中，发电机1采用3kw汽油发电机，水泵3采用70米扬程变频恒压水泵。

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。

如图2所示，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，可以较为方便的把圆环打入土中。

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。

如图3所示，可升降的底座14包括底座14-1、升降油缸14-2、支板14-3，支板14-3经升降油缸14-2与底座14-1相连，由升降油缸14-2的伸缩带动支板14-3升降，根据试验所需的水压大小，调节底座的高度。

如图4所示，所述的压力调节阀7包括模体上腔701，模体上腔701通过膜片702与模体下腔703隔开，膜室内设有阀杆706，阀杆在上套有弹簧704，通过压力信号入口处施加的压力可以调节阀芯708的位置，进而控制阀门的关闭状态，阀杆上设有推杆705，推杆左侧有行程指针711，行程指针与侧壁的行程刻度710相连，弹簧704的伸缩程度通过行程指针711及行程刻度710可以反映出水箱内的压力大小，阀芯708左右两侧设有阀座，当阀芯708与阀座709处于紧密接触状态时，压力控制阀7处于关闭状态，水箱内水压会不断增加，当阀芯708与阀座709分开时，水流可以通过压力控制阀7排出，从而调节水箱内的水压，为防止水流通过阀杆706进入压力控制阀腔内，压力控制阀内设有密封填斜707，密封填斜可以防止水流顺阀杆向上运动。试验前需要对压力控制阀进行标定，结合压力表读数确定对应不同的压力值时，压力控制阀内行程指针711对应的行程刻度710的位置。进行常、变水头及稳定下渗试验时，根据水头的大小及当地雨量条件确定水箱内的水压，给水箱供水过程中，观察行程指针711的位置，当行程指针711在行程刻度710上的位置达到标定值时可以为分水箱供水。同理，当分水箱上的压力控制阀行程指针711也增加到行程刻度710上的设计值时，可以为水位控制系统或大圆环15、小圆环16供水。

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.测定垂直稳定下渗率

1.1、在泥石流源区选择合适试验点，将土体表面进行修整并取土样封存，后期在室内进行含水量及颗分试验，并测定土体的密度，便于后期分析垂直稳定下渗率的影响因素；

1.2、将大圆环15、小圆环16侧壁的测压孔18通过橡皮塞19封堵，随后将小圆环16放置在选定的试验点，通过锤击的方法将小圆环16打入土中，小圆环16击入到预设位置后，放置大圆环15，确保大圆环15和小圆环16圆心重合，从而保证试验过程中，侧向的水压一致，同样采用锤击的方法将大圆环15击入土中。若试验点土层厚土较大，将大圆环15、小圆环16依次击入土中，并通过橡皮套环20将大圆环15或小圆环16密封连接；

1.3、关闭第一分水箱91与水位控制系统之间的排水阀，把与第一分水箱91相连的出水管放置在小圆环16内，与第二分水箱92相连的出水管放置在大圆环15内，根据区域气象条件确定第一分水箱91供给小圆环16的水量；

1.4、根据总水箱5及第一分水箱91的压力表确定对应的压力，确保试验过程中的水量条件和当地的雨量条件相当，据此可以准确判断降雨过程中的产、汇流条件及径流量；

1.5、打开发电机1，为水泵3供电，当第一分水箱91、第二分水箱92顶部的压力表读数达到设定的压力时，打开总水箱5和第一分水箱91及第二分水箱92之间的排水阀，为第一分水箱91和第二分水箱92供水，待第一分水箱91和第二分水箱92顶部的压力表达到预定读数时，打开第一分水箱91和第二分水箱92与小圆环16和大圆环15之间的排水阀，为小圆环16和大圆环15供水；

1.6、试验开始后，通过流量计可以实时读取第一分水箱91和第二分水箱92为小圆环16和大圆环15的供水量，试验开始阶段每10s读取一次流量计的读数，5min后每30s读取一次流量计读数；35min后，每1min读取一次流量计读数。根据流量计读数及圆环尺寸计算开始渗流阶段及稳定渗流阶段土体的稳定下渗率，通过数据拟合，探讨垂直下渗率的变化情况，并计算稳定下渗阶段的稳定下渗率。

1.7、重复步1.2—步骤1.6可以测出泥石流源区不同位置处的稳定下渗率，为分析泥石流形成模式、形成机理及成灾规模奠定基础。

二原位常水头渗透试验

2.1、在泥石流源区取样，通过室内试验测定其密度、含水率及颗粒组成特征，根据粒度组成特征确定土的类别粗粒土或细粒土，当土体属于粗粒土且渗透性较大，可以通过原位常水头渗透试验测定其渗透系数；

2.2、根据土体内部的最大粒径，考虑尺寸效应选择大圆环15、小圆环16尺寸选取圆环；

2.3、大圆环15、小圆环16选定后，将大圆环15、小圆环16侧壁测压孔18中的橡皮塞19取出，安装上测压管21，在大圆环15、小圆环16内壁测压孔18位置贴上透水纱布，防止土体内部细颗粒堵塞测压孔18，从而影响测压管21内的液面上升高度；

2.4、将带有测压管21的大圆环15、小圆环16通过锤击的方式打入土中，若待测土层厚度较大，可以通过两个圆环或三个圆环相连的形式测定，圆环之间通过橡皮套环20密封连接；

2.5、将温度计22悬挂放置在小圆环16内侧，测量试验水温；

2.6、关闭第一分水箱91和第二分水箱92与小圆环16、大圆环15供水的排水阀；将水位控制系统的出水管放置在小圆环16内，为小圆环16供水；

2.7、根据所需的水头大小调节可升降的底座14的高度，打开水位控制器12；根据区域雨量条件设定总水箱5及第一分水箱91顶部的压力表数据；

2.8、打开发电机1为水泵3供电，当总水箱5及第一分水箱91顶部的压力表达到预设值时打开第一分水箱91和水位控制系统之间的排水阀，为水位控制系统供水；

2.9、水位控制系统中的水位上升到水位线13时，打开水位控制系统出水管处的排水阀，为小圆环16供水，开始常水头渗透试验；

2.10、试验开始阶段每10s读取第一分水箱91出水端处的流量计及水位控制器12处的流量计读数，从而可以确定10s的渗流量；若10s的渗流量较为稳定后，每30s读取一次第一分水箱91出水端处的流量计及水位控制器12处的流量计，确定其渗流量；

2.11、渗流稳定后，读取测压管21内的液面高度，并计算水头差；大圆环15或小圆环16的横截面面积及渗流长度均可直接测量，根据

式中：k

Q——时间t秒内的渗透水量cm

A——圆环的截面面积，A＝πR

Δh——测压管水头差，cm；

L——两测压孔中心间的试样高度，10cm；

k

η

η

2.12、重复步骤2.3—步骤2.10可以进行重复试验，测定土体的渗透系数，最后取平均值。

三原位变水头渗透试验

3.1、在泥石流源区取样，通过室内试验测定其密度、含水率及颗粒组成特征，根据粒度组成特征确定土的类别粗粒土或细粒土，当土体属于细粒土且渗透性较小，可以通过原位变水头渗透试验测定其渗透系数；

3.2、根据土体内部的最大粒径，考虑尺寸效应选择大圆环15或小圆环16尺寸；

3.3、圆环选定后，将圆环侧壁测压孔18中的橡皮塞19取出，安装上测压管21，圆环内侧测压孔18位置贴上透水纱布，防止细颗粒堵塞测压孔18，影响测压管21内的液面上升高度；

3.4、将带有测压管21的圆环通过锤击的方式击入到土中，若待测土层厚度较大，可以通过两个圆环或三个圆环相连的形式测定，圆环之间通过橡皮套环20密封连接；

3.5、关闭第一分水箱91和第二分水箱92与小圆环16和大圆环15供水的排水阀；将水位控制系统的出水管放置在小圆环16内，为小圆环16供水；

3.6、根据所需的初始水头大小调节可升降的底座14的高度，关闭水位控制器12；根据区域雨量条件设定总水箱5及第一分水箱91顶部的压力表数据；

3.7、打开发电机1为水泵3供电，当总水箱5及第一分水箱91顶部的压力表达到预设值时打开第一分水箱91和水位控制系统之间的排水阀，为水位控制系统供水；

3.8、水位控制系统中的水位上升到预设高度时，关闭第一分水箱91与水位控制系统之间的排水阀，随后打开水位控制系统出水管处的排水阀，为圆环供水，开始变水头渗透试验；

3.9、试验开始阶段每10s读取有机玻璃筒侧壁的水位下降数，从而可以确定10s的渗流量；3mins后每30s读取有机玻璃筒11侧壁的刻度尺读数，确定其渗流量；根据测压管21读取水头差，根据

式中：k——为土体的渗透系数，cm/s；

A

A

L——为土样的高度，cm；

t

h

本发明结构简单，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。