土壤侵蝕臨界剪切應力與侵蝕常數(shù)的測試設備與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種水利工程、港口工程、農(nóng)業(yè)領域中土壤侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)的測試設備與測試方法。利用管道中流量隨直徑的變換規(guī)律，測試土壤的沖孔隨著水頭的變化而變化的規(guī)律，求出土壤的侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)。測試設備由水壓提供系統(tǒng)、土樣測試系統(tǒng)、和壓力與流量壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。水壓提供系統(tǒng)由恒壓供水箱、管路、水泵、支架組成；土樣測試系統(tǒng)由穩(wěn)流桶、測試桶、排水桶、管路、閥門組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩個壓力傳感器和一個流量傳感器和計算機組成。本發(fā)明可以快速測定粘性土壤侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)，所需的土樣少，方便快捷，可以降低測試成本。
【專利說明】土壤侵蝕臨界剪切應力與侵蝕常數(shù)的測試設備與方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種在水利工程、港口航道工程、農(nóng)業(yè)中的土壤侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)的測試設備和方法，具體是一套測試土壤侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)的設備，與計算方法。
【背景技術】
[0002]土壤的侵蝕作為自然界中廣泛發(fā)生的現(xiàn)象，在水利、港口、以及農(nóng)業(yè)、交通設施中有著廣泛的影響。在預測河道沖刷、水土流失以及海岸線演變時，都需要臨界侵蝕應力和侵蝕常數(shù)兩個參數(shù)，在以往一般都是通過經(jīng)驗公式間接獲取，或者通過水槽實驗。經(jīng)過對現(xiàn)有的技術檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號99248672.6，利用斜坡流動來測定土壤的臨界剪切應力，需要較大的測試裝置，而且只能夠測試侵蝕臨界剪應力，不能測試侵蝕常數(shù)，需要土樣多測試費用高。因此迫切需要一種能方便測試土壤侵蝕常數(shù)的方法和設備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有的土壤侵蝕測試技術的不足，提出了一種新的土壤侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)的測試方法和設備，該測試設備利用管道侵蝕的原理，通過測量流量Q的變化間接測試管道侵蝕中的直徑D變化(間接換算出侵蝕速度)，通過測量侵蝕管道兩端的水頭差h來計算侵蝕管道內(nèi)的剪力τ再通過土壤侵蝕速度與剪切應力關系E(￡) = M[r(￡)-Tir],iB(￡)和詐)分別為t時刻的土壤侵蝕速度和剪力)，從而求出土壤侵蝕
臨界剪切應力「和侵蝕常數(shù)M。其中流量變化通過電磁流量計，壓力變化通過壓力傳感器
測量，并實時顯示在計算機屏幕上。
[0004]本發(fā)明中的測試設備包括三個部分:
(1)水壓提供系統(tǒng)，主要由恒壓供水箱4，恒壓排水箱20，水泵14，管路5，支架19，水源13組成。其中供水箱4和恒壓排水箱20都安裝有隔水板3，為水箱提供恒壓。
[0005]進一步的，水頭差h是通過調(diào)整供水箱4在支架19上的高度來實現(xiàn)的，供水箱4固定在鏈條3上；
進一步的，支架19上除支架本身外還有齒輪1，鏈條2，手輪18，剎車卡板17 ;工作時，通過搖動手輪18來調(diào)整供水箱4的高度，當達到要求高度時，用卡板17來固定手輪18，從而固定恒壓供水箱4的高度；
進一步的，恒壓供水箱4中的水是通過水泵14提供的，水泵14的供水流量始終大于測試時流過測試桶9的流量，使得恒壓供水箱4的水頭能保持穩(wěn)定；
(2)土樣測試系統(tǒng)，其特征在于是由穩(wěn)流筒15，測試桶9和排水桶12組成，各個部件通過螺栓鏈接。穩(wěn)流筒15中裝有卵石，使得流入穩(wěn)流筒的水不會產(chǎn)生二次流；
進一步的(如圖2所示)，測試桶9是由測試桶外殼9-1，取樣器9-2，密封圈9-3，固定螺釘9-4組成，取樣器9-2通過固定螺釘9-4固定在測試桶外殼9-1上，并保持水密。[0006]進一步的(如圖3所不)，取樣桶9-2是由外緣9-2-1,桶體9-2-2和刃角9-2-3組成，它可以直接將刃角壓入土體中取樣。
[0007](3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其特征在于，是由壓力傳感器(I) 8，壓力傳感器(2) 11，電磁流量計6，數(shù)據(jù)線7，計算機10組成。
[0008]進一步的，壓力傳感器和流量傳感器均可以將所采集數(shù)據(jù)實時傳送到計算機上存儲并顯示，采樣頻率可以人為的設定。
[0009]本發(fā)明還提供根據(jù)上述實驗裝置測試土樣，計算原理如圖3所示，土樣的長度為L,內(nèi)部孔的直徑為D，土樣兩端的水頭差為H。本設備的測試原理是根據(jù)管狀侵蝕過程中管
道直徑(土樣中孔的直徑)D(t)變化與侵蝕速度E(t)的關系
【權利要求】
1.一種土壤侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)測試設備，其測試原理是利用:(1)圓管流動中流量與管徑的關系；(2)壁面剪力與壓力降、管徑、管道的長度關系；(3) 土壤侵蝕方程，求出所要測試的土壤侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)。
2.一種土壤侵蝕臨界剪切應力和侵蝕常數(shù)測試設備，其特征在于包括以下三個部分:(I)水壓提供系統(tǒng)，由活動支架、恒壓供水箱、恒壓排水箱、水泵、管路組成；(2) 土樣測試系統(tǒng)，由穩(wěn)流桶、測試桶、排水桶、管路組成；(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由壓力傳感器、流量傳感器、計算機組成。
3.根據(jù)權利要求2所述水壓提供系統(tǒng)其特征在于，由水源、水泵、恒壓供水箱、恒壓排水箱、管路、活動支架構成，其中供水箱和排水箱中間都安置隔板，以確保水頭在實驗中不變化；通過調(diào)節(jié)恒壓供水箱與恒壓排水箱的高度差，來調(diào)節(jié)作用在土樣上的水力梯度。
4.根據(jù)權利要求2中所述活動支架，是由支架、滑輪、鏈條、手輪、剎車卡板組成，通過搖動手輪，在調(diào)節(jié)供水箱的高度，剎車卡板用來固定恒壓供水箱高度。
5.根據(jù)權利要求2所述土樣測試設備其特征在于，由穩(wěn)流筒、測試桶、排水桶組成，土樣放置在測試桶內(nèi)，其中穩(wěn)流桶由桶體和內(nèi)部穩(wěn)流卵石組成，使得流入測試桶的水流穩(wěn)定。
6.根據(jù)權利要求5所述測試桶其特征在于，是由測試桶殼、取樣桶、密封圈和固定螺釘組成，取樣桶通過螺栓固定在測試桶殼上，中間有密封圈。
7.根據(jù)權利要求6所述的取樣桶其特征在于，是由固定端、桶體、刃口組成，土樣取樣桶可以直接從土樣中割取原狀土樣，進行測試，測試結束可以通過更換取樣桶，很快進行下一次測試。
8.根據(jù)權利要求2所述壓力、流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其特征在于，由兩個壓力傳感器和一個流量傳感器和計算機組成，壓力傳感器分別安裝在土樣測試桶的入口和出口處，以測試土樣兩側的壓力差，流量傳感器安裝在土樣測試桶的入口一段，以測試流入測試桶的水流量，壓力傳感器和流量傳感器可以根據(jù)計算機指令以一定的頻率采樣，并存貯在計算機中。
9.根據(jù)權利要求1~8所述測試設備的測試與計算方法，其特征在于包括如下步驟: 第一，用取樣桶采取要測試的土樣，并在其中心鉆取直徑為D的小孔，并連同取樣桶安裝在測試桶中，儀器連接完畢后，關閉閥門； 第二，搖動手輪將水箱調(diào)整到需要的高度； 第二，打開水泵，為土樣供給高度h的水頭，并將測試桶內(nèi)空氣排出； 第三，打開閥門，同時計算機開始按一定頻率讀取壓力傳感器和流量傳感的數(shù)據(jù)，并存儲在計算機中，土樣在水流作用下不斷侵蝕，中間孔徑不斷擴大，表現(xiàn)為流量不斷增大； 第四，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，當流量不再增大時，停止試驗； 第五，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，流量隨時間的變換函數(shù)Q(t)，和水頭隨時間變換的函數(shù)H(t)，以及土樣的干密度ft ,求出任意時刻t的侵蝕速度E (t)和作用在土樣上的剪切力τι? ； 第六，以作用在土樣上的剪切力均)為橫軸，以侵蝕速度E(t)為縱軸，將所得數(shù)據(jù)點繪制在坐標平面上； 第七，利用最小二乘法擬合出一條直線，這條直線與橫軸的交點坐標值即為土壤侵蝕臨界剪 切應力「直線的斜率即為侵蝕常數(shù)Μ。
【文檔編號】G01N33/24GK103969129SQ201310034879
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月30日 優(yōu)先權日:2013年1月30日
【發(fā)明者】張樹森 申請人:張樹森