一种室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统

1.本发明属于人工降雨模拟技术领域，具体涉及一种室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统。


背景技术：

2.近年来，随着我国基础设施建设的逐步开展，造成了许多工程创面，不仅给各种地质灾害孕育提供了有利条件，同时加剧了边坡生态的退化。其中，由降雨诱发的边坡水土流失则是边坡生态修复研究中重要的课题，水土流失会加剧坡面侵蚀及植生功能退化，而降雨是诱发边坡失稳、泥石流等灾害的主要因素。
3.如要对边坡稳定性进行研究，则需要对边坡进行人工降雨模拟。人工降雨和天然降雨的主要差异主要分为三个方面：首先，人工降雨均匀度是保证在试验范围内降雨参数相同的重要指标。降雨均匀度愈高，人工降雨模拟的准确性愈大，即与天然降雨相似性愈大；其次，天然降雨与人工降雨雨滴大小分布差异十分明显；最后，同一个降雨强度对应的降雨动能是不同的，这主要是由于降雨速度和雨滴大小的差别造成的。在模拟天然降雨时，降雨动能是最好的参量，如果通过调整降雨参数，使两者降雨动能相同，那么就可以比较方便地进行人工降雨的模拟实验。而现有的降雨设备如公开号为cn110133212a的一种用于室内边坡试验的人工降雨系统，主要是通过在支撑架顶部均匀布置降雨喷头，来保证雨量的均匀性，而不能根据实验边坡坡面的高度差来对降雨动能进行调节，最终导致落在实验边坡靠近坡顶和靠近坡地的坡面上的雨滴大小和雨滴终点速度不一，从而对实验结果会造成一定偏差。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于适应边坡生态修复的研究需求，更加准确的对不同因素作用下的边坡进行自然界各种降雨现象的模拟。
5.本发明的实现过程如下：
6.本发明提供了一种室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统，包括支撑架、降雨系统、中控台、供电系统以及实验边坡组；所述实验边坡组包括多个并排设置的实验边坡；所述降雨系统包括喷淋系统和供水系统，所述喷淋系统用于对实验边坡进行人工降雨，所述供水系统包括储水箱和与之相连的水泵，用于给所述喷淋系统供水；所述中控台用于对整个装置进行控制和协调；所述供电系统用于给整个装置供能；所述喷淋系统包括平行设置在所述支撑架顶面上的第一喷淋单元和第二喷淋单元，所述第一喷淋单元与所述第二喷淋单元分别用于对所述距实验边坡坡面的上半部分和下半部分进行模拟降雨，其中，所述第二喷淋单元通过升降机构设置在所述支撑架上，通过所述升降机构能够将所述第二喷淋单元的垂直高度进行调节，从而保证实验边坡坡面不同位置降雨动能的均匀性，更有效的模拟天然降雨。
7.优选的，所述支撑架为可移动支架，包括安装框架和设置在所述安装框架底部的
移动组件。
8.优选的，所述运动组件包括滑轨和与之配套的滑动平台，所述滑轨平行设置在实验边坡组的上水平面上和下水平面上，所述滑动平台设置在安装框架底部四周的各个脚上，使得所述安装框架能沿着所述滑轨在多个不同的实验边坡之间水平移动进行对照试验。
9.优选的，所述滑动平台内还设有行走轮和电机，所述行走轮与所述电机的输出轴相连，通过所述电机能够驱动所述行走轮转动，从而带动所述安装框架沿着所述滑轨运动到中控台中输入的指定位置。
10.优选的，所述第一喷淋单元包括若干均匀设置的喷头和设置在所述喷头进水端由所述中控台远程控制的阀门；所述第二喷淋单元与所述第一喷淋单元结构相同。
11.优选的，所述喷头旁还设有距离传感器，通过所述距离传感器能够对各个喷头与坡面的垂直距离距离进行检测。
12.优选的，所述升降机构的数量与所述第二喷淋单元的喷头数量相同，所述升降机构包括固定安装在所述安装框架顶部的升降电机和设置在所述升降电机输出端上的升降杆，所述升降杆与地面垂直，其的下端与所述第二喷淋单元的喷头相连。
13.优选的，还包括用于将所述第二喷淋单元的喷头与所述输水管道相连的伸缩导水管，所述伸缩导水管伸缩导水管为具有伸缩性的螺旋管，从而确保喷头的正常升降。
14.优选的，还包括挡雨装置，所述挡雨装置包括：挡雨帘和排水槽，所述挡雨帘设置在在所述安装框架两侧挡雨帘用于防止降雨飞溅到两侧的实验边坡上，所述排水槽设置在所述挡雨帘正下方的用于将飞溅在挡雨帘上的雨水收集并排出。
15.一种基于本发明提供的这种边坡实验用降雨模拟系统的降雨实验方法，包括以下步骤：
16.步骤一：在进行边坡降雨实验前先组装好各结构部件，将各需要电子部件连接供电系统，并对降雨系统进行密封性检测及各结构部件的工作状态检测，提前将本降雨模拟系统中的空气排出并将水充满系统，将挡雨装置展开并安装好；
17.步骤二：将所需工况参数输入中控台，包括所需要降雨的实验边坡的位置和降雨强度。
18.步骤三：根据输入的所需降雨的实验边坡的位置，控制所述滑动平台中的电机运行，通过所述行走轮带动所述安装框架沿着滑轨移动到指定降雨地点；
19.步骤四：通过喷淋系统中距离传感器识别对应喷头与实验边坡坡面的垂直距离并传给中控台，再由中控台计算并控制所述第二喷头升降到指定高度，使所述第一喷头与所述第二喷头连线平行于坡面；
20.步骤五：根据输入的降雨强度，计算出实验所需开启阀门个数和水泵的泵水强度，并将供水系统中水泵的泵水强度调至所需的工况；
21.步骤六：最后开启水泵和喷淋系统中对应的喷头的阀门，将水按指定泵水强度泵入喷淋系统中，通过对应的喷头将雨水均匀的喷淋在实验边坡上，从而实现指定工况下的降雨实验。
22.本发明有益效果是：
23.本发明提供的这种边坡实验用降雨模拟系统满足了边坡降雨研究中多因素作用
下的降雨实验需求，其中包括雨强、坡度、护坡植被类型、护坡基材成分、土质等，能够依次对多个不同因素作用下的实验边坡进行对照实验；而且喷头高度可以针对性的调节，保证了实验边坡坡面不同位置降雨动能的一致性，从而更有效地模拟了天然降雨。
附图说明
24.图1为本发明实施例提供的室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统的整体结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统的俯视图；
26.图3为本发明实施例提供的室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统的侧视图；
27.图4为本发明实施例提供的室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统的第二喷淋单元的结构示意图；
28.图5为本发明实施例提供的室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统的第二喷淋单元下降时的工作状态示意图；
29.图6为本发明实施例提供的室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统的第一喷淋单元的结构示意图；
30.图中：1-实验边坡，2-电源，3-防水电线，4-安装框架，5-滑轨，6-滑动平台，7-储水箱， 8-水泵，9-输水管道，10-第一固定板，11-第一喷头，12-第一阀门，13-第二固定板，14-第二喷头，15-第二阀门，16-升降电机，17-升降杆，18-伸缩导水管，19-挡雨帘，20-钢丝绳，21
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不锈钢环，22-排水槽，23-挂钩，24-中控台，25-距离传感器。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
32.本发明提供了一种室外大型边坡模型实验用降雨模拟系统，包括支撑架、降雨系统、中控台24、供电系统以及实验边坡组；其中，所述实验边坡组包括多个并排设置且具有高度差或者不同坡度的实验边坡1，用于方便进行对照试验；所述降雨系统用于对实验边坡1进行人工降雨；所述中控台24用于对整个装置进行控制和协调；所述供电系统为电源2，通过防水电线3与本系统中的各个电子部件相连从而给整个装置供能。具体的：
33.如图1至图3所示，作为一种优选实施例，所述支撑架为可移动支架，所述支撑架包括采用钢管焊接而成的安装框架4和设置在所述安装框架4底部的运动组件，所述安装框架4 的尺寸与实验边坡1的尺寸相对应，所述安装框架4通过所述运动组件设置在实验边坡组之上。具体的，所述移动组件包括滑轨5和与之配套的滑动平台6，所述滑轨5有两条，平行设置在实验边坡组的上水平面上和下水平面上，所述滑动平台6的上表面与所述安装框架4底部四周的各个支撑脚固定连接，所述滑动平台6的滑动面滑动配合安装在所述滑轨5上，使得所述滑动平台6能沿着所述滑轨5水平移动，进一步地，所述滑动平台6内还设有行走轮和行走电机，所述行走轮与所述行走电机的输出轴相连，通过所述行走电机能够驱动所述行走轮转动，从而使所述安装框架4能够沿着所述滑轨5在多个不同坡度和不同条件的实验边坡1之间移动，方便工作人员高效的对多因素作用下的实验边坡1进行实验研究。
34.显而易见的是，所述运动组件并不限于上述技术方案，所述支撑架也可以采用液
压或人力推动的方式，使所述安装框架4沿着所述滑轨5在多个实验边坡1之间水平移动，来对多个的实验边坡1进行模拟降雨的对照实验。
35.如图1所示，在本实施例中，所述降雨系统包括设置在所述支撑架顶部的喷淋系统和通过输水管道9与所述喷淋系统相连的供水系统。所述喷淋系统包括平行设置在所述支撑架顶面上的第一喷淋单元和第二喷淋单元，所述第一喷淋单元与所述第二喷淋单元分别用于对所述距实验边坡1坡面的上半部分和下半部分进行模拟降雨。具体的：如图6所示，所述第一喷淋单元包括若干第一喷头11和设置在所述第一喷头11进水端上的第一阀门12，所述第一喷头11通过第一固定板10固定安装在所述安装框架4顶部一侧，并通过输水管道9与所述给水系统相连；如图4和图5所示，所述第二喷淋单元通过升降机构设置在所述支撑架上，通过所述升降机构能够将所述第二喷淋单元的垂直高度进行调节，所述第二喷淋单元包括若干第二喷头14和与之相配套的第二阀门15，所述升降机构包括升降电机16、升降杆17以及用于保证第二喷头14能够正常伸缩的伸缩导水管18，所述升降电机16通过第二固定板13 固定安装在所述安装框架4顶部另一侧，升降电机16为贯穿轴式直线步进电机，贯穿轴式直线步进电机的直线运动丝杆即为升降杆17，所述升降杆17为空心丝杆，所述升降杆17设置在所述升降电机16输出端上并与地面垂直，所述第二喷头14通过第二阀门15设置在所述空心丝杆的下端，所述伸缩导水管18一端穿过所述空心丝杆与设置在所述第二喷头14的进水口上的第二阀门15相连，另一端通过输水管道9与所述供水系统相连，并且所述伸缩导水管 18采用的是具有伸缩性的螺旋管，从而确保所述伸缩导水管18能随着所述第二喷头14的升降同步伸缩。通过所述升降机构针对性的对所述第二喷头14的高度进行调节，保证了所述第一喷头11和所述第二喷头在垂直方向上与所示实验边坡1的相对高度相同，从而提高了实验边坡1坡面不同位置降雨动能的一致性，进而更有效地模拟了天然降雨。
36.作为一种优选实施例，所述第一固定板10和所述第二固定板13上还设有距离传感器25，所述距离传感器25通过无线通信模块与中控台24相连，通过所述距离传感器25能够检测上述各个喷头与坡面的垂直距离，并通过所述无线通信模块以电信号形式传输给中控台24，所述中控台24则会根据第一喷头11与坡面的垂直距离计算出第二喷头14需要升降高度，并通过升降电机16控制所述第二喷头14的升降，从而实现第二喷头14与实验边坡1坡面的垂直高度的自动调节。
37.上述第一喷头11与所述第二喷头14结构相同，喷出的雨水均以圆形的形态均匀喷淋在实验边坡1的坡面上，上述第一阀门12与第二阀门15均为电磁阀，通过所述中控台24可对所述喷淋系统上的各个电磁阀的开关远程进行控制，根据多因素作用下的不同工况，由中控台24计算出模拟降雨实验所需开启的喷头的数量，来控制开启水泵8的泵水强度，达到喷头喷出的大中小雨强的控制，不仅实现对雨强的精确控制，还可控制对某段坡面进行单独降雨，从而实现对实验边坡1进行不同工况的喷淋。
38.进一步地，所述输水管道9为pvc水管，通过铁丝绑固在所述安装框架4上。
39.进一步地，所述第一固定板10和第二固定板13均为焊接在所述安装框架4顶部的不锈钢板。
40.如图1所示，所述供水系统用于给所述喷淋系统提供水源，包括储水箱7和水泵8，所述水泵8的抽水口与所述储水箱7相连，所述水泵8的排水口通过输水管道9与所述喷淋系统相连，从而将储水箱7中水泵8入喷淋系统中。
41.如图1和图3所示，作为一种优选实施例，所述支撑架两侧还设有用于保证边坡降雨实验工况统一的挡雨装置，所述挡雨装置包括挡雨帘19和排水槽22。所述挡雨帘19采用预先打孔的透明防水油布制成，所述安装框架4两侧设有用于悬挂所述挡雨帘19的钢丝绳20，所述挡雨帘19通过不锈钢环21悬挂在所述安装框架4两侧，通过所述挡雨帘19可有效避免由于喷头的喷淋范围超过边坡范围飞溅至相邻的其他边坡上而造成实验误差；另外，在特定的实验的需要下，也可以将所述挡雨帘19打开，或者设置在所述安装框架4中间从而将所述安装框架4下方的实验边坡1分隔成两部分来满足特殊实验所需的工况。所述排水槽22则是由不锈钢板焊接而成的v型排水槽22，所述排水槽22通过挂钩23悬挂于挡雨帘19正下方，以将飞溅在所述挡雨帘19上的水进行收集用并引导排出至边坡外。需要注意的是，当需要将所述挡雨帘19打开时，需要先取下所述排水槽22，然后便能拨开所述挡雨帘19。
42.在本实施例中，所述中控台24用于对上述各部件进行调控，保证模拟降雨实验的正常工作进行，所述中控台24通过无线通信模块与上述水泵8、电磁阀以及升降电机16相连，当需要进行不同工况的模拟降雨实验时，所述中控台24会根据实验需要通过所述无线通信模块控制所述水泵8的泵水强度，并通过控制指定喷头阀门的启闭来实现对降雨强度和降雨时间的控制；当需要对多因素作用下的实验边坡1进行实验研究时，所述中控台24会根据设定好的位置信息控制所述电机带动所述行走轮转动，从而驱动所述安装框架4沿着所述滑轨5运动到中控台24中输入的指定位置，进行边坡模拟降雨实验。本系统全程可由中控台24自动控制运行，并在实验过程中实时反馈降雨的雨强和累计降雨量，从而对多因素作用下边坡的水土流失和水分迁移情况进行分析和研究，为边坡生态修复研究提供实验依据。
43.一种基于本发明提供的这种边坡实验用降雨模拟系统的降雨实验方法，包括以下步骤：
44.步骤一：在进行边坡降雨实验前先组装好各结构部件，将各需要电子部件连接供电系统，并对降雨系统进行密封性检测及各结构部件的工作状态检测，提前将本降雨模拟系统中的空气排出并将水充满系统，将挡雨装置展开并安装好。
45.步骤二：将所需工况参数输入中控台24，包括所需要降雨的实验边坡1的位置和降雨强度。
46.步骤三：根据输入的所需降雨的实验边坡1的位置，控制所述滑动平台6中的行走电机运行，通过所述行走轮带动所述安装框架4沿着滑轨5移动到指定降雨地点。
47.步骤四：通过喷淋系统中距离传感器25识别对应喷头与实验边坡1坡面的垂直距离并传给中控台24，再由中控台24计算并控制所述第二喷头14升降到指定高度，使所述第一喷头 11与所述第二喷头14连线平行于坡面。
48.步骤五：根据输入的降雨强度，计算出实验所需开启阀门个数和水泵8的泵水强度，并将供水系统中水泵8的泵水强度调至所需的工况。
49.步骤六：最后开启水泵8和喷淋系统中对应的喷头的阀门，将水按指定泵水强度泵入喷淋系统中，并通过对应的喷头将雨水均匀的喷淋在实验边坡1上，从而实现指定工况下的降雨实验。
50.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、
修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。