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一種用于建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的裝置和方法
【專利摘要】一種用于建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的裝置和方法，包括野外試驗(yàn)室、溝坡地形、降雨模擬裝置和重力侵蝕觀測(cè)裝置四個(gè)部分。野外試驗(yàn)室包括可組裝的野外試驗(yàn)室和放置在試驗(yàn)室內(nèi)的可移動(dòng)防雨觀測(cè)室。溝坡地形為根據(jù)研究區(qū)域典型地貌特征在現(xiàn)場(chǎng)“切”出的概化坡面，并用鋼板樁邊墻將此概化地形與周圍環(huán)境隔開。降雨模擬裝置包括三桶穩(wěn)壓供水器、可移動(dòng)可組裝多微噴頭組合式降雨器和集水槽等構(gòu)件。重力侵蝕觀測(cè)裝置包括地貌儀主機(jī)、可移動(dòng)可組裝的崩滑面觀測(cè)支架和視線校準(zhǔn)器。本發(fā)明的試驗(yàn)室為地貌儀的觀測(cè)創(chuàng)造了良好的觀測(cè)環(huán)境；主要建筑構(gòu)件均為可組裝可移動(dòng)設(shè)施，保證模擬和觀測(cè)裝置不收擾動(dòng)，確保觀測(cè)的精確性。
【專利說明】一種用于建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水土保持研究裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的裝置和方法，是一套對(duì)野外溝坡崩滑過程降雨進(jìn)行模擬和觀測(cè)的試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置可以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溝坡在降雨過程中歷次崩滑事件的重力侵蝕量、次降雨總的重力侵蝕量、雨后重力侵蝕量以及陡坡任意時(shí)刻的坡度和坡向等數(shù)據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]定量觀測(cè)溝坡重力侵蝕過程，可以深入研究其發(fā)生機(jī)理，并為重力侵蝕預(yù)測(cè)模型的建立和防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策的確定提供科學(xué)依據(jù)。然而，由于重力侵蝕的復(fù)雜性，重力侵蝕的現(xiàn)場(chǎng)定量觀測(cè)一直在探索中，尚未能取得突破性的進(jìn)展。最初的研究是間接地分析重力侵蝕現(xiàn)象與高含沙水流之間的關(guān)系(王興奎，錢寧，胡維德.黃土丘陵溝壑區(qū)高含沙水流的形成及匯流過程[J].水利學(xué)報(bào)，1982，(7):26-35)。目前主要用三種數(shù)據(jù)反映重力侵蝕的強(qiáng)度:一種數(shù)據(jù)是一定區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)遭受重力侵蝕的土方量，二是一定區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生重力侵蝕的面積，三是一定區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生重力侵蝕現(xiàn)象的次數(shù)(王德甫，趙學(xué)英，馬浩祿，等.黃土重力侵蝕及其遙感調(diào)[J].中國(guó)水土保持，1993，(12):26-28)。研究中一般依據(jù)重力侵蝕發(fā)生后的幾何形態(tài)反求重力侵蝕量，如Larsen等(Larsen MC&Torres-SanchezAJ,The frequency and distribution of recent landslides in three montanetropical regions of Puerto Rico[J].Geomorphology, 1998，24，309-331)、Haflidason等(Haflidason H, Lien R, Sejrup HP, et al.The dating and morphometry of the StorregaSlide [J].Marine and Petroleum Geology, 2005，22:187-194)的研究。李裕厚等(李裕厚，康學(xué)林，岳新發(fā).羅玉溝流域重力侵蝕特征研究初報(bào)//黃土丘陵溝壑第三副區(qū)水土流失原型觀測(cè)及規(guī)律研究[C]，鄭州:黃河水利出版社，2004，32-37)采用逐溝幾何形態(tài)測(cè)量的方法,Yamada等(Yamada S.The role of soil creep and slope failure in the landscapeevolution of a head water basin:field measurements in a zero order basin ofnorthern Japan[J].Geomorphology, 1999, 28:329-344)> Iverson 等(Iverson R.M., etal.Acute sensitivity of landslide rates to initial soil porosity[J], Science, 2000，290:513-516)在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)測(cè)針，量測(cè)或預(yù)測(cè)了重力侵蝕的過程。由于在重力侵蝕的過程中，下落的土壤中一部分已被水流沖走，或者從上游輸入的部分土壤沉積在崩落體中，即“崩落體”中包含部分水力侵蝕量。可以看出，上述事后觀測(cè)的方法無法將重力侵蝕過程中的水力輸移量分離出來，更無法表述重力侵蝕的發(fā)生過程。
[0003]近年來，遙感、示蹤元素法等非接觸式測(cè)量方法已經(jīng)運(yùn)用到重力侵蝕觀測(cè)中。然而，由于任何一種遙感影像都有一定的比例尺，實(shí)際上能不能看得清、能不能解譯制圖都有一定條件(郭長(zhǎng)寶，張永雙.陜北砂黃土高邊坡可靠度分析及邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2005，16 (4):5-10);而且，遙感技術(shù)畢竟不能深入到地質(zhì)體的內(nèi)部，它得到的只是表層的信息，因此，遙感技術(shù)無法完全取代現(xiàn)場(chǎng)的勘察、試驗(yàn)工作，而只能作為一種有效的輔助手段(吳圣林.崩塌一推覆滑移地質(zhì)體成因機(jī)理及其穩(wěn)定性研究:[博士學(xué)位論文].江蘇省徐州市:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009)。
[0004]尤其應(yīng)該注意的是，重力地貌過程是一個(gè)非連續(xù)過程，因而其作用強(qiáng)度就成了和頻率密切相關(guān)的問題，為定點(diǎn)觀測(cè)帶來了困難(張春山，張業(yè)成，張立海.中國(guó)崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2004，10(1):27-32)。天然降雨條件下的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的觀測(cè)周期較長(zhǎng)，且受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，難以觀測(cè)到重力侵蝕的發(fā)生過程，不利于探索其微觀機(jī)理。
[0005]本申請(qǐng)者已利用結(jié)構(gòu)光技術(shù)、采用自主設(shè)計(jì)的地貌儀，對(duì)溝坡重力侵蝕過程室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行了定量、動(dòng)態(tài)觀測(cè)。課題組已完成的2009、2010、2012年3年共計(jì)500多次的降雨模擬試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，這種方法能夠較為精確地全程觀測(cè)溝坡重力侵蝕試驗(yàn)中歷次小型重力侵蝕的體積(趙超，王書芳，徐向舟，等.重力侵蝕黃土溝壑區(qū)溝坡產(chǎn)沙特性[J]，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28 (12):140-145 ;趙超，徐向舟，徐飛龍，等.實(shí)驗(yàn)地貌的動(dòng)態(tài)觀測(cè)裝置[J]，中國(guó)水土保持科學(xué)，2012，10(2):65-69)ο但是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的環(huán)境光和場(chǎng)地條件與室內(nèi)試驗(yàn)有很大差異。本申請(qǐng)擬將原有的地貌儀觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，并設(shè)計(jì)了可組裝的野外試驗(yàn)室、可移動(dòng)可組裝的多微噴頭組合式降雨器、可移動(dòng)可組裝的觀測(cè)支架等設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)對(duì)野外溝坡重力侵蝕過程的現(xiàn)場(chǎng)模擬和觀測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的裝置和方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]本發(fā)明的裝置包括野外試驗(yàn)室、溝坡地形、降雨模擬裝置和重力侵蝕觀測(cè)裝置四個(gè)部分。
[0009]野外試驗(yàn)室包括可組裝的野外試驗(yàn)室和放置在試驗(yàn)室內(nèi)的可移動(dòng)防雨觀測(cè)室?？山M裝的野外試驗(yàn)室采用大型的野營(yíng)帳篷改裝。在地勢(shì)較低的坡面上安裝有加長(zhǎng)柱。帳篷柱通過固定螺栓與加長(zhǎng)柱連接。加長(zhǎng)柱沿高度方向上有多個(gè)等距的連接孔。當(dāng)帳篷柱與加長(zhǎng)柱不同位置的連接孔固定，就可獲得多種加長(zhǎng)效果。
[0010]溝坡地形在野外溝坡侵蝕現(xiàn)場(chǎng)的可組裝的野外試驗(yàn)室內(nèi)，根據(jù)研究區(qū)域典型地貌特征，“切”出概化的坡面，并用鋼板樁邊墻將此概化地形與周圍環(huán)境隔開。鋼板樁邊墻之間用螺栓連接，且連接處嵌入止水的密封條。以可插入、拔出式組合鋼板樁為邊墻，分隔出一定尺度的觀測(cè)面，防止該觀測(cè)面與觀測(cè)區(qū)域外的地表徑流和地下水交流；一組試驗(yàn)面的降雨模擬試驗(yàn)結(jié)束后，鋼板樁可拔出，供以后重復(fù)使用。鋼板樁面向溝坡地形的內(nèi)側(cè)面上標(biāo)注有長(zhǎng)度刻度，以供地形數(shù)據(jù)處理建模時(shí)定位。
[0011]降雨模擬裝置包括三桶穩(wěn)壓供水器、可移動(dòng)可組裝多微噴頭組合式降雨器和集水槽等構(gòu)件。三桶穩(wěn)壓供水器中的大桶放在地勢(shì)較高的位置，用于沉淀和儲(chǔ)存清水，并通過連通管將清水輸入中桶。作為穩(wěn)壓水箱的小桶容積較小，置于中桶內(nèi)。當(dāng)潛水泵B將清水由中桶內(nèi)輸運(yùn)到小桶中時(shí)，部分清水溢出，其余部分由潛水泵A供給到降雨器中，以保持固定的水位向降雨器供水。降雨器由多個(gè)獨(dú)立、可組裝的單體構(gòu)成，每個(gè)單體包括降雨器支架和降雨器管網(wǎng)。降雨器支架包括2個(gè)門形的立式支架和I個(gè)帶卡口的水平支架。立式支架通過螺栓固定在柱墩上。水平支架通過支架四角的倒U形卡口與立式支架相連。降雨器管網(wǎng)綁扎在水平支架下方，管網(wǎng)上均布下噴式微噴頭。集水槽由鍍鋅鐵皮制成。
[0012]重力侵蝕觀測(cè)裝置包括地貌儀主機(jī)、可移動(dòng)可組裝的崩滑面觀測(cè)支架和視線校準(zhǔn)器。觀測(cè)支架通過螺栓固定在柱墩上，觀測(cè)支架上均布一字線激光器。視線校準(zhǔn)器由校準(zhǔn)器支架和帶滑輪的集光盒組成。帶滑輪的集光盒安裝在視線校準(zhǔn)器的橫桿上，集光盒可沿著橫桿的滑槽移動(dòng)。集光盒的底部安裝有反射鏡；側(cè)壁由透明材料制作，且在離地貌儀較遠(yuǎn)的一側(cè)畫有等距的不透明的平行線。一字線激光器上發(fā)出豎直且平行于陡坡坡向的激光平面，用于標(biāo)示降雨過程中陡坡的崩滑面形態(tài)。觀測(cè)支架上方正中固定有支撐桿，支撐桿上有安裝有DV攝像機(jī)。打點(diǎn)激光器與DV固定，且發(fā)出的激光線與DV視線平行。
[0013]調(diào)整DV的視線角度，使DV視線與地貌儀主機(jī)發(fā)出的激光平面垂直，并用視線校準(zhǔn)器進(jìn)行檢驗(yàn)。視線校準(zhǔn)器是用于驗(yàn)證地貌儀主機(jī)發(fā)出的激光平面與DV視線是否垂直的裝置。在每次降雨前檢驗(yàn)DV視線與激光平面是否垂直。調(diào)整視線校準(zhǔn)器支架上的固定螺栓，可以實(shí)現(xiàn)集光盒在豎直方向上的上下移動(dòng)。。當(dāng)主機(jī)發(fā)出的激光平面與DV視線垂直時(shí)，激光平面在集光盒側(cè)壁上的投影與集光盒側(cè)壁上的不透明平行線重合，且打點(diǎn)激光器發(fā)出的激光線經(jīng)鏡面反射后，正好返回到打點(diǎn)激光器上。
[0014]可移動(dòng)防雨觀測(cè)室的框架采用金屬結(jié)構(gòu)、用螺栓連接。觀測(cè)室上部和頂棚不透水，地貌儀的主機(jī)和監(jiān)視器等儀器都放在該觀測(cè)室中，從而使地貌儀主機(jī)的發(fā)光面不至于沾上雨水，以保證投射在陡坡地形激光線的清晰度。
[0015]降雨開始前，在DV鏡頭上安裝防霧濾鏡，并調(diào)整試驗(yàn)室內(nèi)光線強(qiáng)度，以使DV的觀測(cè)效果達(dá)到最佳。每次侵蝕試驗(yàn)前，先把試驗(yàn)區(qū)鋪上塑料布，率定降雨強(qiáng)度。然后開啟地貌儀，揭開塑料布，開始計(jì)時(shí)，正式進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)中觀測(cè)陡坡的崩滑過程，同時(shí)拍攝崩滑面的特寫照片。每次試驗(yàn)結(jié)束，將DV上的觀測(cè)錄像拷貝到計(jì)算機(jī)中，以作下一步分析處理。
[0016]本發(fā)明的效果和益處是:1)通過組裝的輕便試驗(yàn)室，創(chuàng)造了室內(nèi)觀測(cè)環(huán)境。室內(nèi)光線強(qiáng)弱的調(diào)節(jié)可以通過開關(guān)試驗(yàn)室的窗戶以及調(diào)整室內(nèi)燈光來實(shí)現(xiàn)，以確保地貌儀獲得最佳觀測(cè)環(huán)境，并獲得最清晰的地貌圖像。2)本發(fā)明的主要建筑構(gòu)件，如野外試驗(yàn)室、降雨器、觀測(cè)支架、觀測(cè)室均為適于野外操作的可組裝、可移動(dòng)設(shè)施，且輕便易于運(yùn)輸。3)野外試驗(yàn)室、降雨器、觀測(cè)支架結(jié)構(gòu)分離，室外風(fēng)雨不會(huì)擾動(dòng)試驗(yàn)室內(nèi)的模擬和觀測(cè)裝置，降雨器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)也不會(huì)影響到觀測(cè)裝置。
[0017]使用本裝置能方便迅速地在野外現(xiàn)場(chǎng)展開試驗(yàn)，模擬和測(cè)量溝坡重力侵蝕的發(fā)展過程，試驗(yàn)完成后能夠迅速撤離。該發(fā)明能夠?qū)⑺η治g量和重力侵蝕量分離，定量觀測(cè)降雨過程中和降雨后的重力侵蝕量；而且觀測(cè)精確度高、可移動(dòng)性好、運(yùn)行成本較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是試驗(yàn)設(shè)備布置圖。
[0019]圖2是可組裝野外試驗(yàn)室外觀效果圖。
[0020]圖3是底柱與帳篷柱的連接。
[0021]圖4是可移動(dòng)、可組裝的多微噴頭組合式降雨器。
[0022]圖5是三桶穩(wěn)壓供水器。
[0023]圖6是可移動(dòng)、可組裝的防雨觀測(cè)室。
[0024]圖7是可移動(dòng)、可組裝的觀測(cè)支架。[0025]圖8是DV視線校準(zhǔn)器在試驗(yàn)場(chǎng)中的位置。
[0026]圖9是DV視線校準(zhǔn)器。
[0027]圖中:1三桶穩(wěn)壓供水器；2可移動(dòng)、可組裝多微噴頭組合式降雨器；
[0028]3可移動(dòng)、可組裝崩滑面觀測(cè)支架；4可組裝野外試驗(yàn)室；
[0029]5可移動(dòng)防雨觀測(cè)室；6地貌儀主機(jī)；7溝坡地形；8集水槽；
[0030]9鋼板樁邊墻；
[0031]4-1可調(diào)亮度防水照明燈；4_2窗戶；4_3拉繩；4_4錨石；4_5墊層；
[0032]4-6柱墩；4_7固定螺栓2 ;4_8加長(zhǎng)柱；4_9連接孔；4_10固定螺栓I ;
[0033]4-11木楔子；4_12帳篷柱；
[0034]2-1墊層'2-2柱墩；2_3降雨器支架；2_4降雨器管網(wǎng)；2_5微噴頭；
[0035]2-6 倒 U 型卡 口 ；
[0036]1-1大桶；1-2連通管；1_3小桶；1_4潛水泵A ;1_5潛水泵B ;1_6中桶；
[0037]5-1金屬支架；5_2透明防水薄膜；5_3不透明屋面；
[0038]3-1墊層；3_2柱墩；3_3金屬支架；3_4 —字線激光器；3_5DV ；
[0039]3-6打點(diǎn)激光器；3_7云臺(tái)；3_8支撐桿；
[0040]11視線校準(zhǔn)器；11_1視線校準(zhǔn)器支架；11_2帶滑輪的集光盒；
[0041]11-3反射鏡；11_4不透光的等距線；11_5帶滑槽的橫桿；11_6固定螺栓。
【具體實(shí)施方式】
[0042]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0043]實(shí)施例1
[0044]以黃土溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為例，說明用于建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的裝置實(shí)施的具體步驟。試驗(yàn)在黃土高原神木縣六道溝流域進(jìn)行。
[0045]步驟1:初步整理地形
[0046]根據(jù)黃土溝坡典型地貌特征設(shè)計(jì)概化坡面7。模型沿坡向和垂直于坡向的平面投影尺寸分別為300cm和400cm。整個(gè)坡面由3°的緩坡和60°?80°的陡坡組成，陡坡段高度1.5m。在易于發(fā)生重力侵蝕的溝坡現(xiàn)場(chǎng)初步整理出概化坡面。步驟2:搭建可移動(dòng)試
驗(yàn)室
[0047]在現(xiàn)場(chǎng)搭制組裝野外試驗(yàn)室4。試驗(yàn)室長(zhǎng)Sm、寬5m ;屋脊距緩坡面高約3m，距陡坡面底部高約4.5m。在地勢(shì)較高的位置預(yù)埋用于固定帳篷柱的柱墩2-6 ;在地勢(shì)較低的位置預(yù)埋用于固定加長(zhǎng)柱4-8的柱墩，并將加長(zhǎng)柱和柱墩通過螺栓連接。然后安裝帳篷。在平地上預(yù)先把帳篷支架搭建、連接，并固定到上述帳篷柱柱墩和加長(zhǎng)柱上。然后將帆布從移至屋頂，從一側(cè)推至全屋面。最后安裝加長(zhǎng)部分的帆布?jí)烷T簾。帳篷通過多重拉繩4-3和錨石4-4錨固。帳篷柱通過固定螺栓4-10與加長(zhǎng)柱連接。加長(zhǎng)柱沿高度方向上有多個(gè)等距的連接孔4-9。當(dāng)帳篷柱與加長(zhǎng)柱不同位置的連接孔固定，就可獲得多種加長(zhǎng)效果。
[0048]試驗(yàn)室的外墻上有多個(gè)窗戶4-2，用于通風(fēng)和阻擋室外強(qiáng)烈的陽光；試驗(yàn)室內(nèi)中有防水照明燈4-1，其亮度可以根據(jù)觀測(cè)需要調(diào)整。
[0049]步驟3:精制地形并搭建降雨模擬和地貌觀測(cè)裝置
[0050]根據(jù)設(shè)計(jì)的地貌特征，在試驗(yàn)面上精心“切”出概化的坡面7。概化坡面各點(diǎn)平面坐標(biāo)、高程校核無誤后，埋置鋼板樁邊墻9。鋼板樁面向溝坡地形的內(nèi)側(cè)面上標(biāo)注有長(zhǎng)度刻度，以供地形數(shù)據(jù)處理建模時(shí)定位。陡坡下方埋置加強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)擋墻，
[0051]在邊墻外側(cè)地面上設(shè)定位置預(yù)埋降雨模擬器支架2-3和觀測(cè)支架3的柱墩。組裝降雨器支架、綁扎降雨器管網(wǎng)2-4 ;安裝觀測(cè)支架，固定云臺(tái)。將降雨模擬器支架和觀測(cè)支架安裝到指定柱墩上、并用固定螺栓連接。在陡坡下方埋置集水槽8。降雨過程中，坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙通過集水槽輸出。
[0052]步驟4:降雨模擬試驗(yàn)和重力侵蝕過程定量觀測(cè)
[0053]每組地形降雨6?10次。每次降雨歷時(shí)30min,雨強(qiáng)為2.0mm/min,與黃土高原地區(qū)A型暴雨接近。每場(chǎng)降雨后間隔約24h再進(jìn)行下一場(chǎng)降雨。當(dāng)降雨侵蝕后模型坡度較小，次降雨重力侵蝕量趨于某一穩(wěn)定值時(shí)，即停止試驗(yàn)，重新構(gòu)筑地形，進(jìn)行下一組地形的降雨試驗(yàn)。
[0054]采用地貌儀實(shí)時(shí)觀測(cè)降雨過程中溝坡地形的動(dòng)態(tài)變化，并定量評(píng)價(jià)降雨過程中和降雨后重力侵蝕的演變過程。降雨過程中，在DV3-5上安裝防霧濾鏡，并調(diào)整試驗(yàn)室內(nèi)光線強(qiáng)度，以使DV的觀測(cè)效果達(dá)到最佳。試驗(yàn)中觀測(cè)陡坡的崩滑過程，同時(shí)拍攝崩滑面的特寫照片。每次試驗(yàn)結(jié)束，將DV上的觀測(cè)錄像拷貝到計(jì)算機(jī)中，以作下一步分析處理。
[0055]根據(jù)試驗(yàn)過程錄像，截取所需時(shí)段的視頻截圖；再用R2V軟件將截圖中的等高線矢量化、并賦予實(shí)際高程，然后調(diào)入到ArcGIS軟件中，形成立體的tin文件，就可獲得坡體體積信息。重力侵蝕過程的計(jì)算分析詳細(xì)內(nèi)容如下:1)計(jì)算本次降雨過程中溝坡上發(fā)生的歷次重力侵蝕量和次降雨總侵蝕量。根據(jù)DV錄制的降雨過程錄像，可以判斷歷次重力侵蝕事件。將每次重力侵蝕事件崩滑前和崩滑后瞬間的錄像截圖，并框定出崩滑范圍，根據(jù)框選范圍內(nèi)的等高線圖，在GIS軟件中賦值形成三維立體圖，進(jìn)而可提供該崩滑體的體積、投影面積和各點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)。重力侵蝕發(fā)生前、后瞬間坡體的體積差，就是該次重力侵蝕量。本次降雨中歷次重力侵蝕量的和就是本次降雨的重力侵蝕總量。2)計(jì)算次降雨的總侵蝕量和水力侵蝕量。本次降雨前坡體的總體積和本次降雨結(jié)束時(shí)坡體的總體積之差，為次降雨的總侵蝕量。次降雨總侵蝕量減去次降雨重力侵蝕總量，即為該次降雨的水力侵蝕總量。3)計(jì)算降雨結(jié)束后發(fā)生的重力侵蝕量。將本次降雨后坡體的總體積減去下次降雨前坡體的總體積，即可得本次降雨后的重力侵蝕量。4)根據(jù)觀測(cè)截圖獲得的坡體三維模型，還可以獲得陡坡在任何時(shí)刻、任何位置的坡向、坡度等參數(shù)的變化，將這些參數(shù)與當(dāng)時(shí)發(fā)生的重力侵蝕量結(jié)合在一起分析，可以深入分析重力侵蝕與溝坡地形參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系。5)根據(jù)崩滑面特寫照片中激光線顯示的崩滑面縱剖面形狀，結(jié)合全程錄像，可以判斷崩塌、滑坡、泥流等各種崩滑形式的崩滑面形態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的裝置，其特征在于，該裝置包括本發(fā)明的裝置包括野外試驗(yàn)室、溝坡地形、降雨模擬裝置和重力侵蝕觀測(cè)裝置四個(gè)部分； 野外試驗(yàn)室:包括可組裝的野外試驗(yàn)室和放置在試驗(yàn)室內(nèi)的可移動(dòng)防雨觀測(cè)室； 溝坡地形:溝坡地形在野外溝坡侵蝕現(xiàn)場(chǎng)的可組裝試驗(yàn)室內(nèi)，根據(jù)研究區(qū)域典型地貌特征，“切”出概化的坡面，并用鋼板樁邊墻將此概化地形與周圍環(huán)境隔開；鋼板樁邊墻之間用螺栓連接，且連接處嵌入止水的密封條；以可插入、拔出式組合鋼板樁為邊墻，分隔出一定尺度的觀測(cè)面，防止該觀測(cè)面與觀測(cè)區(qū)域外的地表徑流和地下水交流；鋼板樁面向溝坡地形的內(nèi)側(cè)面上標(biāo)注有長(zhǎng)度刻度，以供地形數(shù)據(jù)處理建模時(shí)定位； 降雨模擬裝置:包括三桶穩(wěn)壓供水器、可移動(dòng)可組裝多微噴頭組合式降雨器和集水槽等構(gòu)件；三桶穩(wěn)壓供水器中的大桶放在地勢(shì)較高的位置，用于沉淀和儲(chǔ)存清水，并通過連通管將清水輸入中桶；作為穩(wěn)壓水箱的小桶容積較小，置于中桶內(nèi)；當(dāng)潛水泵B將清水由中桶內(nèi)輸運(yùn)到小桶中時(shí)，部分清水溢出，其余部分由潛水泵A供給到降雨器中，以保持固定的水位向降雨器供水；集水槽由鍍鋅鐵皮制成； 重力侵蝕觀測(cè)裝置:包括地貌儀主機(jī)、可移動(dòng)可組裝的崩滑面觀測(cè)支架和視線校準(zhǔn)器；觀測(cè)支架通過螺栓固定在柱墩上，觀測(cè)支架上均布一字線激光器；一字線激光器上發(fā)出豎直且平行于陡坡坡向的激光平面，用于標(biāo)示降雨過程中陡坡的崩滑面形態(tài)；觀測(cè)支架上方正中固定有支撐桿，支撐桿上有安裝有DV攝像機(jī)；打點(diǎn)激光器與DV固定，且發(fā)出的激光線與DV視線平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，視線校準(zhǔn)器由校準(zhǔn)器支架(11-1)和帶滑輪的集光盒(11-2)組成；帶滑輪的集光盒安裝在校準(zhǔn)器的橫桿上，集光盒可沿著橫桿的滑槽移動(dòng)；集光盒的底部安裝有反射鏡(11-3);側(cè)壁由透明材料制作，且在離地貌儀較遠(yuǎn)的一側(cè)畫有等距的不透明的平行線(11-4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，在地勢(shì)較低的坡面上安裝有加長(zhǎng)柱(4-8)，帳篷柱通過固定螺栓(4-10)與加長(zhǎng)柱連接；加長(zhǎng)柱沿高度方向上有多個(gè)等距的連接孔(4-9)，當(dāng)帳篷柱與加長(zhǎng)柱不同位置的連接孔固定，獲得多種加長(zhǎng)效果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，降雨器由多個(gè)獨(dú)立、可組裝的單體構(gòu)成；每個(gè)單體包括降雨器支架(2-3)和降雨器管網(wǎng)(2-4);降雨器支架包括2個(gè)門形的立式支架和I個(gè)帶卡口的水平支架；立式支架通過螺栓固定在柱墩上；水平支架通過支架四角的倒U形卡口與立式支架相連；降雨器管網(wǎng)綁扎在水平支架下方，管網(wǎng)上均布下噴式微噴頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，降雨器由多個(gè)獨(dú)立、可組裝的單體構(gòu)成；每個(gè)單體包括降雨器支架(2-3)和降雨器管網(wǎng)(2-4);降雨器支架包括2個(gè)門形的立式支架和I個(gè)帶卡口的水平支架；立式支架通過螺栓固定在柱墩上；水平支架通過支架四角的倒U形卡口與立式支架相連；降雨器管網(wǎng)綁扎在水平支架下方，管網(wǎng)上均布下噴式微噴頭。
6.用權(quán)利要求1、2或5所述的裝置建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，其特征在于以下步驟， 調(diào)整DV的視線角度，使DV視線與地貌儀主機(jī)發(fā)出的激光平面垂直，并用視線校準(zhǔn)器進(jìn)行檢驗(yàn)；視線校準(zhǔn)器是用于驗(yàn)證地貌儀主機(jī)發(fā)出的激光平面與DV視線是否垂直的裝置，在每次降雨前檢驗(yàn)DV視線與激光平面是否垂直；帶滑輪的集光盒安裝在校準(zhǔn)器的橫桿上，集光盒可沿著橫桿的滑槽移動(dòng)；調(diào)整校準(zhǔn)器支架上的固定螺栓，實(shí)現(xiàn)集光盒在豎直方向上的上下移動(dòng)；集光盒的底部安裝有反射鏡；側(cè)壁由透明材料制作，且在離地貌儀較遠(yuǎn)的一側(cè)畫有等距的不透明的平行線，平行線的間距與地貌儀激光平面間距一致；激光盒底部安裝有反射鏡；當(dāng)主機(jī)發(fā)出的激光平面與DV視線垂直時(shí)，激光平面在集光盒側(cè)壁上的投影與集光盒側(cè)壁上的不透明平行線重合，且打點(diǎn)激光器發(fā)出的激光線經(jīng)鏡面反射后，正好返回到打點(diǎn)激光器上； 可移動(dòng)防雨觀測(cè)室的框架采用金屬結(jié)構(gòu)、用螺栓連接；觀測(cè)室上部和頂棚不透水，地貌儀的主機(jī)和監(jiān)視器等儀器都放在該觀測(cè)室中，從而使地貌儀主機(jī)的發(fā)光面不至于沾上雨水，以保證投射在陡坡地形激光線的清晰度； 降雨開始前，在DV鏡頭上安裝防霧濾鏡，并調(diào)整試驗(yàn)室內(nèi)光線強(qiáng)度，以使DV的觀測(cè)效果達(dá)到最佳；每次侵蝕試驗(yàn)前，先把試驗(yàn)區(qū)鋪上塑料布，率定降雨強(qiáng)度；然后開啟地貌儀，揭開塑料布，開始計(jì)時(shí)，正式進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)；試驗(yàn)中觀測(cè)陡坡的崩滑過程，同時(shí)拍攝崩滑面的特寫照片；每次試驗(yàn)結(jié)束，將DV上的觀測(cè)錄像拷貝到計(jì)算機(jī)中，以作下一步分析處理。
7.用權(quán)利要求3所述的裝置建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，其特征在于以下步驟， 調(diào)整DV的視線角度，使DV視線與地貌儀主機(jī)發(fā)出的激光平面垂直，并用視線校準(zhǔn)器進(jìn)行檢驗(yàn)；視線校準(zhǔn)器是用于驗(yàn)證地貌儀主機(jī)發(fā)出的激光平面與DV視線是否垂直的裝置，在每次降雨前檢驗(yàn)DV視線與激光平面是否垂直；帶滑輪的集光盒安裝在校準(zhǔn)器的橫桿上，集光盒可沿著橫桿的滑槽移動(dòng)；調(diào)整校準(zhǔn)器支架上的固定螺栓，實(shí)現(xiàn)集光盒在豎直方向上的上下移動(dòng)；集光盒的底部安裝有反射鏡；側(cè)壁由透明材料制作，且在離地貌儀較遠(yuǎn)的一側(cè)畫有等距的不透明的平行線，平行線的間距與地貌儀激光平面間距一致；激光盒底部安裝有反射鏡；當(dāng)主機(jī)發(fā)出的激光平面與DV視線垂直時(shí)，激光平面在集光盒側(cè)壁上的投影與集光盒側(cè)壁上的不透明平行線重合，且打點(diǎn)激光器發(fā)出的激光線經(jīng)鏡面反射后，正好返回到打點(diǎn)激光器上； 可移動(dòng)防雨觀測(cè)室的框架`采用金屬結(jié)構(gòu)、用螺栓連接；觀測(cè)室上部和頂棚不透水，地貌儀的主機(jī)和監(jiān)視器等儀器都放在該觀測(cè)室中，從而使地貌儀主機(jī)的發(fā)光面不至于沾上雨水，以保證投射在陡坡地形激光線的清晰度； 降雨開始前，在DV鏡頭上安裝防霧濾鏡，并調(diào)整試驗(yàn)室內(nèi)光線強(qiáng)度，以使DV的觀測(cè)效果達(dá)到最佳；每次侵蝕試驗(yàn)前，先把試驗(yàn)區(qū)鋪上塑料布，率定降雨強(qiáng)度；然后開啟地貌儀，揭開塑料布，開始計(jì)時(shí)，正式進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)；試驗(yàn)中觀測(cè)陡坡的崩滑過程，同時(shí)拍攝崩滑面的特寫照片；每次試驗(yàn)結(jié)束，將DV上的觀測(cè)錄像拷貝到計(jì)算機(jī)中，以作下一步分析處理。
8.用權(quán)利要求4所述的裝置建立溝坡重力侵蝕過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，其特征在于以下步驟， 調(diào)整DV的視線角度，使DV視線與地貌儀主機(jī)發(fā)出的激光平面垂直，并用視線校準(zhǔn)器進(jìn)行檢驗(yàn)；視線校準(zhǔn)器是用于驗(yàn)證地貌儀主機(jī)發(fā)出的激光平面與DV視線是否垂直的裝置，在每次降雨前檢驗(yàn)DV視線與激光平面是否垂直；帶滑輪的集光盒安裝在校準(zhǔn)器的橫桿上，集光盒可沿著橫桿的滑槽移動(dòng)；調(diào)整校準(zhǔn)器支架上的固定螺栓，實(shí)現(xiàn)集光盒在豎直方向上的上下移動(dòng)；集光盒的底部安裝有反射鏡；側(cè)壁由透明材料制作，且在離地貌儀較遠(yuǎn)的一側(cè)畫有等距的不透明的平行線，平行線的間距與地貌儀激光平面間距一致；激光盒底部安裝有反射鏡；當(dāng)主機(jī)發(fā)出的激光平面與DV視線垂直時(shí)，激光平面在集光盒側(cè)壁上的投影與集光盒側(cè)壁上的不透明平行線重合，且打點(diǎn)激光器發(fā)出的激光線經(jīng)鏡面反射后，正好返回到打點(diǎn)激光器上； 可移動(dòng)防雨觀測(cè)室的框架采用金屬結(jié)構(gòu)、用螺栓連接；觀測(cè)室上部和頂棚不透水，地貌儀的主機(jī)和監(jiān)視器等儀器都放在該觀測(cè)室中，從而使地貌儀主機(jī)的發(fā)光面不至于沾上雨水，以保證投射在陡坡地形激光線的清晰度； 降雨開始前，在DV鏡頭上安裝防霧濾鏡，并調(diào)整試驗(yàn)室內(nèi)光線強(qiáng)度，以使DV的觀測(cè)效果達(dá)到最佳；每次侵蝕試驗(yàn)前，先把試驗(yàn)區(qū)鋪上塑料布，率定降雨強(qiáng)度；然后開啟地貌儀，揭開塑料布，開始計(jì)時(shí)，正式進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)；試驗(yàn)中觀測(cè)陡坡的崩滑過程，同時(shí)拍攝崩滑面的特寫照片；每次試驗(yàn)結(jié) 束，將DV上的觀測(cè)錄像拷貝到計(jì)算機(jī)中，以作下一步分析處理。
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK103487567SQ201310422836
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】徐向舟, 趙蕊 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)