[发明专利]土壤侵蚀临界剪切应力与侵蚀常数的测试设备与方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种在水利工程、港口航道工程、农业中的土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数的测试设备和方法，具体是一套测试土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数的设备，与计算方法。

背景技术

土壤的侵蚀作为自然界中广泛发生的现象，在水利、港口、以及农业、交通设施中有着广泛的影响。在预测河道冲刷、水土流失以及海岸线演变时，都需要临界侵蚀应力和侵蚀常数两个参数，在以往一般都是通过经验公式间接获取，或者通过水槽实验。经过对现有的技术检索发现，中国专利号 99248672.6，利用斜坡流动来测定土壤的临界剪切应力，需要较大的测试装置，而且只能够测试侵蚀临界剪应力，不能测试侵蚀常数，需要土样多测试费用高。因此迫切需要一种能方便测试土壤侵蚀常数的方法和设备。

发明内容

本发明针对现有的土壤侵蚀测试技术的不足，提出了一种新的土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数的测试方法和设备，该测试设备利用管道侵蚀的原理，通过测量流量Q的变化间接测试管道侵蚀中的直径D变化（间接换算出侵蚀速度），通过测量侵蚀管道两端的水头差H来计算侵蚀管道内的剪切应力τ，再通过土壤侵蚀速度与剪切应力关系，E(t)和τ(t)分别为t时刻的土壤侵蚀速度和剪切应力，从而求出土壤侵蚀临界剪切应力τ_cr和侵蚀常数M。其中流量变化通过电磁流量传感器，压力变化通过压力传感器测量，并实时显示在计算机屏幕上。

本发明中的测试设备包括三个部分：

(1)水压提供系统，主要由恒压供水箱4，恒压排水箱20，水泵14，管路5，支架19，水源13组成。其中供水箱4和恒压排水箱20都安装有隔水板3，为水箱提供恒压。

进一步的，水头差H是通过调整供水箱4在支架19上的高度来实现的，供水箱4固定在链条3上；

进一步的，支架19上除支架本身外还有齿轮1，链条2，手轮18，刹车卡板17；工作时，通过摇动手轮18来调整供水箱4的高度，当达到要求高度时，用卡板17来固定手轮18，从而固定恒压供水箱4的高度；

进一步的，恒压供水箱4中的水是通过水泵14提供的，水泵14的供水流量始终大于测试时流过测试桶9的流量，使得恒压供水箱4的水头能保持稳定；

(2)土样测试系统，其特征在于是由稳流筒15，测试桶9和排水桶12组成，各个部件通过螺栓链接。稳流筒15中装有卵石，使得流入稳流筒的水不会产生二次流；

进一步的（如图2所示），测试桶9是由测试桶外壳9-1，取样桶9-2,密封圈9-3，固定螺钉9-4组成，取样桶9-2通过固定螺钉9-4固定在测试桶外壳9-1上，并保持水密。

进一步的（如图2所示），取样桶9-2是由外缘9-2-1，桶体9-2-2和刃角9-2-3组成，它可以直接将刃角压入土体中取样。

(3)数据采集系统其特征在于，是由压力传感器（1）8，压力传感器（2）11，电磁流量传感器6，数据线7，计算机10组成。

进一步的，压力传感器和流量传感器均可以将所采集数据实时传送到计算机上存储并显示，采样频率可以人为的设定。

本发明还提供根据上述实验装置测试土样，计算原理图如图3所示，土样的长度为L,内部孔的直径为D，土样两端的水头差为H。本设备的测试原理是根据管状侵蚀过程中管道直径（土样中孔的直径）D(t)变化与侵蚀速度E(t)的关系，，t为时间，ρ_d被测试土壤的干密度，上式的意义是管径对时间的导数就是管道（土样）的侵蚀速度。管径D、管道两端水头差H与流过管道的流量Q的关系 (流动为层流时)；（流动为湍流时），f_l(t)和f_t(t)分别为t时刻管道的层流摩擦系数和湍流摩擦系数，在测试开始和结束时均可以通过传感器读数计算出。管道流壁面剪切力τ(t)与管径D、管道长度L、水头差H的关系，。在根据粘性土壤侵蚀公式，土壤的侵蚀速度E与所受到的剪力τ(t)成正比，与土壤侵蚀临界剪切应力τ_cr成反比，即E(t)=M[τ(t)- τ_cr]。根据上述四个公式和实验中测试的各个时间点的流量值Q(t)水头差H(t)，即可求出任意时刻的土壤侵蚀临界剪力τ_cr和侵蚀常数M。

附图说明

图1总体结构图；

图2测试桶剖面图（A-A’剖面）

图3参数计算说明图

具体实施方式

实施例1土样临界侵蚀剪切应力与侵蚀常数测试方法