人工模擬降雨機(jī)裝置的研究與制作★

林凱 姜靜 李雄威 李行之

(常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州 213002)

由于人類社會(huì)活動(dòng)的增加導(dǎo)致大氣變化反復(fù)無(wú)常，各種自然災(zāi)害威脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)安全，其中降雨是引發(fā)泥石流、山體滑坡、道路邊坡失穩(wěn)等自然災(zāi)害的原因之一，尤其是針對(duì)一些例如膨脹土這樣的特殊土體，一旦遭受降雨的影響，發(fā)生上述自然災(zāi)害的可能性就會(huì)大大提高。李雄威等［1］在對(duì)氣候影響下膨脹土工程性質(zhì)的原位響應(yīng)特征試驗(yàn)研究中得出:降雨是引起膨脹土邊坡失穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)生漸進(jìn)性地質(zhì)災(zāi)害的直接誘因，因此在降雨的條件下研究膨脹土發(fā)生水土流失導(dǎo)致道路邊坡失穩(wěn)等內(nèi)在機(jī)理的變化，對(duì)于人工預(yù)防減災(zāi)有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而天然降雨對(duì)于研究膨脹土土體在自然條件下內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化而引發(fā)的災(zāi)害有著時(shí)間和地域的局限性，所以研究制作人工模擬降雨裝置是科學(xué)試驗(yàn)當(dāng)中的重要一環(huán)。利用人工模擬降雨，不僅可以進(jìn)行各種下墊面條件下土壤侵蝕與水土保持實(shí)驗(yàn)研究［2］，而且可以科學(xué)研究膨脹土土體內(nèi)在的基本物理性質(zhì)，以便分析水土流失的規(guī)律。

1 人工模擬降雨裝置制作

目前國(guó)際上人工模擬降雨裝置的制作形式歸納起來(lái)主要有四種:噴嘴式，管網(wǎng)式，懸線式，針頭式。為了有效配合膨脹土的室內(nèi)試驗(yàn)的需要，本次模擬降雨裝置的研制選用針頭式降雨。

1.1 降雨水箱

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)膨脹土的土樣尺寸，選用材質(zhì)厚度為1 mm，總面積為6 400 cm2不銹鋼皮焊接圍成體積為40 cm(L)×40 cm(W)×30 cm(H)上端無(wú)蓋的水箱(見(jiàn)圖1)。底部組合安裝內(nèi)徑為1 mm，間距20 mm，總計(jì)324根鋼釘針頭(見(jiàn)圖2)，并在水箱底部孔與鋼釘接觸周圍用玻璃膠密封，保證水滴直徑盡可能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)，為了控制雨滴的均勻性，選用20 mm厚，50 kg/m3高密度海綿鋪設(shè)在水箱內(nèi)部，海綿緊貼水箱底部及四壁，且高密度海綿四周截?cái)嗵幘哂谒涞撞?0 cm。

圖1 降雨水箱裝置

圖2 針頭式降雨裝置

1.2 不銹鋼支架

人工模擬降雨水箱支架分為上下兩部分:基礎(chǔ)固定部分與可升降調(diào)節(jié)部分。固定支架使用截面邊長(zhǎng)為30 mm的正方形不銹鋼空心鋼管，焊接組合成邊長(zhǎng)為1 000 mm正方形支架，在支架上部四角處預(yù)留升降調(diào)節(jié)部分接口。可升降調(diào)節(jié)支架選用空心不銹鋼鋼管，其邊長(zhǎng)為25 mm，上端與基礎(chǔ)固定支架相同，下端焊接成可順利插入固定支架內(nèi)的長(zhǎng)度為80 mm四肢獨(dú)立懸空的支架。固定支架上端與可移動(dòng)支架下部每間隔100 mm位置處打直徑5 mm小孔，當(dāng)可調(diào)節(jié)支架四肢豎向插入預(yù)留固定支架空心鋼管同一高度開(kāi)孔處時(shí)，可用自制鋼釘錨固鎖緊，使兩者組合成可調(diào)節(jié)高度的降雨裝置支架。

2 人工模擬降雨裝置調(diào)試

根據(jù)任樹(shù)梅等［3］在水土保持和降雨入滲研究中對(duì)模擬降雨裝置的研究，本文檢驗(yàn)了自制模擬降雨裝置的主要評(píng)價(jià)特征值:降雨的強(qiáng)度，雨滴分布的均勻性，以及雨滴直徑的大小等。

2.1 降雨強(qiáng)度

選用直徑為20 cm的雨量筒與直徑為4 cm的量杯組合裝置，在雨量筒內(nèi)裝一個(gè)漏斗和一個(gè)儲(chǔ)水瓶，先將雨量筒放在距離地面40 cm高度處的降雨水箱正下方。打開(kāi)水源并將水流引入水箱，人工降雨1 h后，將儲(chǔ)水瓶里面的水全部倒入量杯中，觀測(cè)量杯內(nèi)的讀數(shù)，調(diào)節(jié)水源出水的動(dòng)力大小與水箱垂直高度，保證1 h內(nèi)量杯中水量高度小于1 mm，達(dá)到小雨降雨的水平要求。

2.2 降雨均勻性與直徑大小

選取邊長(zhǎng)為60 cm×60 cm薄木板，放在距離地面40 cm處水箱下方，將雨量筒放在木板上，根據(jù)測(cè)量的降雨量，采用我國(guó)模擬降雨裝置均勻性公式得出:

3 結(jié)語(yǔ)

膨脹土道路邊坡的失穩(wěn)與土體中裂隙的發(fā)展緊密相關(guān)，降雨入滲造成土體中水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力比顯著增加，致軟化的土體有可能沿著裂隙面發(fā)生局部被動(dòng)破壞，最后發(fā)展成為膨脹土中常見(jiàn)的漸進(jìn)式滑坡［4］。人工模擬降雨裝置制作簡(jiǎn)單，操作方便，縮短了試驗(yàn)周期，對(duì)于降雨的強(qiáng)度大小有很好的調(diào)控性，不受時(shí)間與地域的局限性，能夠卓有成效的開(kāi)展膨脹土研究試驗(yàn)。同時(shí)，其為膨脹土在蒸發(fā)降雨條件下的濕熱耦合與裂隙發(fā)展提供了良好的硬件設(shè)施，對(duì)于降雨引發(fā)的地面水土流失規(guī)律以及道路邊坡失穩(wěn)、山體滑坡等特殊土體內(nèi)在基本性質(zhì)室內(nèi)研究有很好的使用與推廣價(jià)值。

［1］李雄威，孔令偉，郭愛(ài)國(guó).氣候影響下膨脹土工程性質(zhì)的原位響應(yīng)特征試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009(7):2069-2074.

［2］張光輝，劉寶元，李平康.槽式人工模擬降雨機(jī)的工作原理與特性［J］.水土保持通報(bào)，2007(12):56-60.

［3］任樹(shù)梅，劉洪祿，顧 濤.人工模擬降雨技術(shù)研究綜述［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2003(3):73-75.

［4］詹良通，吳宏偉，包承綱，等.降雨入滲條件下非飽和膨脹土邊坡原位監(jiān)測(cè)［J］.巖土力學(xué)，2003(4):151-158.