人工模拟降雨机装置的研究与制作★

林凯 姜静 李雄威 李行之

(常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州 213002)

由于人类社会活动的增加导致大气变化反复无常，各种自然灾害威胁着人类的生命财产安全，其中降雨是引发泥石流、山体滑坡、道路边坡失稳等自然灾害的原因之一，尤其是针对一些例如膨胀土这样的特殊土体，一旦遭受降雨的影响，发生上述自然灾害的可能性就会大大提高。李雄威等［1］在对气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究中得出:降雨是引起膨胀土边坡失稳，进而发生渐进性地质灾害的直接诱因，因此在降雨的条件下研究膨胀土发生水土流失导致道路边坡失稳等内在机理的变化，对于人工预防减灾有着极为重要的现实意义。然而天然降雨对于研究膨胀土土体在自然条件下内部结构变化而引发的灾害有着时间和地域的局限性，所以研究制作人工模拟降雨装置是科学试验当中的重要一环。利用人工模拟降雨，不仅可以进行各种下垫面条件下土壤侵蚀与水土保持实验研究［2］，而且可以科学研究膨胀土土体内在的基本物理性质，以便分析水土流失的规律。

1 人工模拟降雨装置制作

目前国际上人工模拟降雨装置的制作形式归纳起来主要有四种:喷嘴式，管网式，悬线式，针头式。为了有效配合膨胀土的室内试验的需要，本次模拟降雨装置的研制选用针头式降雨。

1.1 降雨水箱

根据室内实验膨胀土的土样尺寸，选用材质厚度为1 mm，总面积为6 400 cm2不锈钢皮焊接围成体积为40 cm(L)×40 cm(W)×30 cm(H)上端无盖的水箱(见图1)。底部组合安装内径为1 mm，间距20 mm，总计324根钢钉针头(见图2)，并在水箱底部孔与钢钉接触周围用玻璃胶密封，保证水滴直径尽可能达到实验要求。同时，为了控制雨滴的均匀性，选用20 mm厚，50 kg/m3高密度海绵铺设在水箱内部，海绵紧贴水箱底部及四壁，且高密度海绵四周截断处均高于水箱底部10 cm。

图1 降雨水箱装置

图2 针头式降雨装置

1.2 不锈钢支架

人工模拟降雨水箱支架分为上下两部分:基础固定部分与可升降调节部分。固定支架使用截面边长为30 mm的正方形不锈钢空心钢管，焊接组合成边长为1 000 mm正方形支架，在支架上部四角处预留升降调节部分接口。可升降调节支架选用空心不锈钢钢管，其边长为25 mm，上端与基础固定支架相同，下端焊接成可顺利插入固定支架内的长度为80 mm四肢独立悬空的支架。固定支架上端与可移动支架下部每间隔100 mm位置处打直径5 mm小孔，当可调节支架四肢竖向插入预留固定支架空心钢管同一高度开孔处时，可用自制钢钉锚固锁紧，使两者组合成可调节高度的降雨装置支架。

2 人工模拟降雨装置调试

根据任树梅等［3］在水土保持和降雨入渗研究中对模拟降雨装置的研究，本文检验了自制模拟降雨装置的主要评价特征值:降雨的强度，雨滴分布的均匀性，以及雨滴直径的大小等。

2.1 降雨强度

选用直径为20 cm的雨量筒与直径为4 cm的量杯组合装置，在雨量筒内装一个漏斗和一个储水瓶，先将雨量筒放在距离地面40 cm高度处的降雨水箱正下方。打开水源并将水流引入水箱，人工降雨1 h后，将储水瓶里面的水全部倒入量杯中，观测量杯内的读数，调节水源出水的动力大小与水箱垂直高度，保证1 h内量杯中水量高度小于1 mm，达到小雨降雨的水平要求。

2.2 降雨均匀性与直径大小

选取边长为60 cm×60 cm薄木板，放在距离地面40 cm处水箱下方，将雨量筒放在木板上，根据测量的降雨量，采用我国模拟降雨装置均匀性公式得出:

3 结语

膨胀土道路边坡的失稳与土体中裂隙的发展紧密相关，降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加，致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏，最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡［4］。人工模拟降雨装置制作简单，操作方便，缩短了试验周期，对于降雨的强度大小有很好的调控性，不受时间与地域的局限性，能够卓有成效的开展膨胀土研究试验。同时，其为膨胀土在蒸发降雨条件下的湿热耦合与裂隙发展提供了良好的硬件设施，对于降雨引发的地面水土流失规律以及道路边坡失稳、山体滑坡等特殊土体内在基本性质室内研究有很好的使用与推广价值。

［1］李雄威，孔令伟，郭爱国.气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究［J］.岩土力学，2009(7):2069-2074.

［2］张光辉，刘宝元，李平康.槽式人工模拟降雨机的工作原理与特性［J］.水土保持通报，2007(12):56-60.

［3］任树梅，刘洪禄，顾 涛.人工模拟降雨技术研究综述［J］.中国农村水利水电，2003(3):73-75.

［4］詹良通，吴宏伟，包承纲，等.降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测［J］.岩土力学，2003(4):151-158.