[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

摘要

本发明公开一种可应用在水利工程、港口工程、农业领域中的土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数的测试设备与测试方法。测试设备由水压提供系统、土样测试系统、和压力与流量压力数据采集系统组成。水压提供系统由恒压供水箱、管路、水泵、支架组成；土样测试系统由稳流桶、测试桶、排水桶、管路、阀门组成；数据采集系统由两个压力传感器和一个流量传感器和计算机组成。本设备利用管道流中流量与直径的对应关系，测试土壤中的冲刷孔随着水头的变化而变化的规律，求出土壤的侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数。本发明可以快速测定粘性土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数，所需的土样少，方便快捷，测试成本低，有着良好的应用前景。

主权项

一种土壤侵蚀临界剪切应力和侵蚀常数测试方法，其特征在于：所采用的测试设备包括以下三个部分：水压提供系统，土样测试系统，数据采集系统；水压提供系统，由恒压供水箱、恒压排水箱、水泵、管路、支架、水源组成；其中供水箱和排水箱都安装有隔水板，为水箱提供恒压；水头差H通过调整供水箱在支架上的高度来实现，供水箱固定在链条上；支架上还有齿轮、链条、手轮、刹车卡板；工作时，通过摇动手轮来调整供水箱的高度，当达到要求高度时，用卡板来固定手轮，从而固定恒压供水箱的高度；恒压供水箱中的水通过水泵提供，水泵的供水流量始终大于测试时流过测试桶的流量，使得恒压供水箱的水头能保持稳定；土样测试系统，由稳流筒、测试桶和排水桶组成，稳流筒中装有卵石，使得流入稳流筒的水不会产生二次流；测试桶是由测试桶外壳、取样桶、密封圈、固定螺钉组成，取样桶通过固定螺钉固定在测试桶外壳上，并保持水密；取样桶由外缘、桶体和刃角组成，取样桶可以直接将刃角压入土体中取样；数据采集系统由两个压力传感器、一个电磁流量传感器、数据线、计算机组成，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；该测试方法通过测量流量Q的变化间接测试管道侵蚀中的直径D变化，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E与剪切应力τ的关系，从而求出土壤侵蚀临界剪切应力τcr和侵蚀常数M，其中E(t)和τ(t)分别为t时刻的土壤侵蚀速度和剪力；该测试方法依次包括如下步骤：用取样桶割取原状土样，割取时取样桶垂直向下，将刃口端压入土体，保持土样未收到扰动和破坏，并且完全充满取样桶，没有空隙；在土样的中心钻取直径为D的孔，孔的中心在圆柱土样的中心，上下畅通；将取样桶固定在测试桶外壳上，拧紧固定螺钉，保持水密，并将稳流筒、测试桶、排水桶以及管路和各传感器连接好；摇动手轮，使得恒压供水箱达到预定高度；关闭阀门，开启水泵，为测试设备供水，同时排出测试设备中的空气；当水压达到要求值后，开启数据采集程序，计算机开始采集各个传感器的数据，开启阀门，测试开始；测试开始后，流量传感器读数会不断增大，达到稳定后，关闭数据采集程序，数据采集结束；依次关闭阀门、水泵；根据测试数据得到的流量随时间变化的函数Q(t)和水头随时间变化的函数H(t)，以及土样的干密度ρd，求出任意时刻t的侵蚀速度E(t)和作用在土样上的剪切力τ(t)，以作用在土样上的剪切力τ(t)为横轴，以侵蚀速度E(t)为纵轴，将所得数据点绘制在坐标平面上，其中t为时间；利用最小二乘法拟合出一条直线，这条直线与横轴的交点坐标即为土壤侵蚀临界剪切应力τcr，直线的斜率即为侵蚀常数M。