边坡足尺模型试验人工模拟降雨装置的设计与参数率定

孙狂飙,罗 易,袁 超,米 敏,程保民,张家铭

(1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；3.辽宁路桥集团有限公司，辽宁 沈阳 110020)

近年来，国内对雨水利用、水土保持方面的研究逐步深入，而此方面研究都需要以大量的试验数据为基础，然而降雨的不确定性给研究工作带来了很大的困难。此外，在研究土壤侵蚀、坡面径流、土壤入渗等时，利用天然降雨进行研究的周期长，受环境的影响大，很难获得理想的效果。通过人工模拟降雨的方法可以方便地控制试验进程，缩短试验周期，有效克服了天然降雨在研究水土保持方面的缺陷[1-2]。

降雨的主要特性包括降雨强度、降雨分布的均匀性、雨滴直径和雨滴终点速度[3]。在水土保持研究领域，国内外很早就认识到人工模拟降雨装置的降雨特性是影响试验结果准确性的关键因素，并相继研制了一批具有不同性能的人工模拟降雨装置。按照雨滴形成的方式，人工模拟降雨装置可分为悬线式、针头式、管网式和喷头式[4]。其中，悬线式和针头式降雨模拟器可模拟小强度降雨，且降雨分布的均匀性好，但具有控制面积小、雨滴直径偏大且单一、雨滴终点速度与天然降雨相差较大等缺陷，所以目前的应用研究逐渐减少[5]；管网式和喷头式降雨模拟器在雨滴直径和雨滴终点速度上与天然降雨更为接近，目前已广泛应用于土壤侵蚀试验的研究中。

在岩土工程领域，降雨是诱发滑坡的主要因素之一[6]。对于由降雨因素导致的边坡失稳机理研究，国内外开展了一系列有针对性的现场试验[7-9]和物理模型试验[10-15]，但由于对天然降雨特性认识的不足，大多岩土工作者对人工模拟降雨装置的准确性关注较少，自行设计的降雨装置多数只关注了降雨强度与水压之间的率定关系，忽视了降雨参数中其他指标的重要性。部分试验虽然考虑到了降雨特性对坡体水分入渗及坡面侵蚀的影响[16-18]，但由于雨滴发生器的选择欠考虑，导致不能得到可靠的人工模拟降雨参数。此外，目前虽然已有成熟的人工模拟降雨装置，但普遍存在操作复杂、价格昂贵、体积较大及移动性差等问题。

鉴于此，本文针对当前人工模拟降雨装置存在的问题，参照国内外人工模拟降雨装置设计的经验[19-25]，设计了一种应用于边坡足尺模型试验的可循环、可移动式人工模拟降雨装置，并对该装置进行了降雨特性率定试验，以验证装置的可靠性。

1 人工模拟降雨装置的结构和工作原理

本文设计的人工模拟降雨装置如图1所示，其由供水系统、喷淋系统、可移动支架和雨水回流系统四部分组成。供水系统的功能是为整个装置提供水源和水压，主要由水箱、输水管、变频自吸泵、流量表、止回阀、活接头和主供水管道组成，其中水箱通过输水管与变频自吸泵相连，然后依次经过流量表、止回阀、活接头后与主供水管道相连，通过转动活接头即可分离供水系统与喷淋系统；喷淋系统用于控制和产生模拟降雨，由支流管、阀门、顶部水管、喷头和翻斗式雨量筒组成，其中支流管包括若干个，与主供水管道通过三通相连，支流管与顶部水管以弯管接头相连，顶部水管通过三通与喷头连接，支流管和顶部水管上均装有阀门，用于控制不同类型喷头的启闭，翻斗式雨量筒用于实时反馈降雨强度值；可移动支架用于支撑输水管道，遮挡天然降雨，主要由移动式雨棚、轨道和雨幕组成，其中移动式雨棚为铝合金框架结构，顶部横梁用于放置顶部水管，框架两侧底部横梁焊接有滑轮，可沿轨道移动，雨幕用来收集喷往模型箱外的雨水，并汇集到模型框架顶部的槽钢中排出，再通过雨水回流系统流至水箱内，不仅能减小模型边界雨水集中带来的影响，同时可统计外排雨量，提高水的循环利用效率；雨水回流系统由自吸泵、沉淀池、滤网、回流槽、回水管组成，该回流系统除回收模型箱边界雨水外，还将坡面及坡脚流出的雨水汇入沉淀池，经滤网过滤后由自吸泵将水重新抽进水箱。

图1 人工模拟降雨装置图Fig.1 Pattern of artificially simulated rainfall device

本文设计的人工模拟降雨装置总高4.6 m，长6.0 m，宽4.0 m，轨道长12.0 m，可配合移动式雨棚进行移动。整个装置采用下喷式喷头作为雨滴发生器，通过控制输水管道压力和启闭不同类型的喷头，实现不同降雨强度、不同历时的人工模拟降雨过程。

1.1 喷淋系统

1.1.1 喷头选型

喷头是人工模拟降雨装置的核心部分，决定了该装置的可靠性。本试验研制的人工模拟降雨装置的雨滴发生器是美国Spaying System公司生产的Fulljet旋转下喷式喷头，该喷头在雨滴直径和雨滴能量上与天然降雨高度相似，已在国内一些较为先进的人工模拟降雨装置上配置，如锦州利成自动化设备有限公司的NTS-YJ103、JLC-RY2，西安清远测控技术有限公司的QYJY-503C以及中国科学院水利部水土保持研究所的人工模拟降雨大厅。本试验中选择的3种喷头性能参数，见表1。

表1 喷头的性能参数

注：1 bar=100 kPa。

1.1.2 喷头布设

为保证雨滴的终点速度接近天然降雨，喷头固定在坡顶面以上2 m处[24]。按照图2所示计算单个喷头在最小喷射角度下的降雨覆盖范围，可计算得1#、2#、3#三种喷头的最小降雨覆盖直径分别为221.72 cm、195.09 cm、492.87 cm。

图2 喷头实物图及喷头最小降雨范围示意图(单位：cm)Fig.2 Physical map of the nozzle and the minimum rainfall area of the nozzle (unit:cm)

通过给定的压力和流量数据，按下式可计算单个喷头的理论降雨强度范围：

I=Q/S

(1)

式中：I为降雨强度(mm/h)；Q为单个喷头某一压力下的流量(mm3/h)；S为单个喷头某一压力对应喷射角度下的降雨覆盖范围(mm2)。

经计算后，可得到在0～6.0 bar压力下1#、2#、3#三种喷头理论降雨强度范围分别为45.14～140.60 mm/h、17.69～46.31 mm/h、2.55～13.80 mm/h。由于喷头下方不同位置处的降雨强度不一致，越靠近喷头下方降雨强度越大，因此喷头的实际降雨强度范围要比理论值偏大。合理的喷头叠加布置可有效地减小降雨覆盖范围内降雨强度的不均匀性，模型试验的降雨覆盖范围为5 m×3 m，将三种喷头按最小降雨覆盖直径布置， 设计使用1#喷头9个、2#喷头9个、3#喷头2个，通过各管道上的控制阀，可分别开启不同类型的喷头，且均能在模型箱内实现全面降雨，见图3。

图3 喷头布设图(单位：cm)Fig.3 Layout of nozzles (unit:cm)

1.2 供水系统

供水系统的主要功能是利用水泵将水箱里的水经供水管道以一定压力送至喷头处。本次设计的供水系统主要由水箱、输水管、变频自吸泵、流量表、止回阀、活接头和主供水管道组成。其中，输水管和主供水管道采用内径为25 mm的PPR管，连接喷头的顶部8根水管为内径20 mm的PPR管；竖直方向水管的高度为4.6 m，水流到达顶部各支流管时，水压将会损失约0.46 bar，底部横向水管为5 m，因管道内摩擦引起的水压损失忽略不计。因此，要使各喷头达到正常工作状态，设置水泵出水口压力最小应为0.9 bar。

水泵是供水系统的核心部件，为整个人工模拟降雨装置提供压力来源，其选型主要考虑流量、扬程和压力可调三个因素。

(1) 流量：水泵流量的选择以单次降雨的最大用水量作为主要参考对象，按有效降雨面积5 m×3 m、最大降雨强度300 mm/h计算，则每小时的最大用水量为4.5 m3。

(2) 扬程：水泵位于喷头以下4.6 m位置处，其扬程至少应大于4.6 m，同时本试验所需喷头的工作压力为0～5.0 bar，10 m扬程一般对应1.0 bar的水压，因此考虑顶部喷头高度和管道压力损失后，水泵最大扬程应不小于60 m。

(3) 压力可调：由于模拟降雨时需要实时监测管道压力，并在一定范围内进行调节，因此所选水泵应为变频泵，使得供水管道内的压力可以根据降雨强度实时调节。

综上所述，本文设计的人工模拟降雨装置供水系统中的水泵选用江苏威乐泵业科技有限公司生产的SD-1500型变频恒压单相自吸增压泵，具体参数为：工作电压220 V、额定功率1.5 kW、最大扬程65 m、最大流量8 m3/h、额定扬程50 m、额定流量5 m3/h、最大吸程9～15 m、可调压力0～6.5 bar。该泵为智能变频恒压水泵，其自带的压力传感器可实时监测出水管道压力，并通过调整电机运转速度使出水的管道压力稳定在所需的压力。调整降雨强度时，只需调节控制面板上的按钮，即可实现整个降雨装置的压力控制，相比通过更换变径头、读取水压表的方式调节压力，该泵不仅可调压力范围广，而且对于整个人工模拟降雨装置的控制更加快捷、高效。此外，与目前带数控功能的人工模拟降雨装置的动力系统相比，该泵操作简单、价格低廉，可大幅降低制作成本。

2 降雨特性参数率定试验

2.1 降雨强度的率定

采用翻斗式雨量筒在喷头下方中心位置进行单喷头降雨强度率定试验。喷头组合时的降雨强度测定选择将雨量计放置在喷头最小降雨覆盖范围的交汇处，其高度为2.6 m，见图4。雨量筒每0.2 ms发射一次脉冲信号，分别开启3种喷头，测定不同类型喷头的降雨强度率定值，然后将不同类型喷头进行组合，测定其在相同供水压力下的降雨强度。试验得到各种不同类型喷头降雨强度的率定值，见表2。

图4 人工模拟降雨装置的率定Fig.4 Calibration of artificially simulated rainfall device

管道压力/(bar)不同类型喷头的降雨强度1#2#3#1#、2#2#、3#1#、3#1#、2#、3#0.9316.874.460.0----1.0271.272.033.6----1.286.433.610.446.813.244.454.81.498.438.411.863.221.458.671.41.6110.448.013.475.831.871.484.81.8120.050.414.586.535.482.296.62.0139.260.015.2106.446.2102.6117.82.2146.464.817.6116.052.8111.6129.22.4168.067.220.0140.058.4136.4156.42.6172.869.622.4147.262.6143.0165.42.8189.669.622.4166.464.6161.8186.63.0196.874.424.8173.669.6169.2194.03.2206.476.824.8180.871.6178.4200.83.4220.876.827.2200.075.0196.2223.43.6237.679.229.6219.278.8214.4244.03.8244.881.632.0228.884.4224.8256.8

由表2可知，喷头的类型决定了降雨强度的极值，随着管道压力的增加，各喷头中心的降雨强度逐渐增大；低起喷压力下，由于喷头喷洒范围主要集中在喷头中心位置，且雨滴粒径较大，导致雨量计测得的降雨强度值偏大，因此后续试验采用的管道压力均大于1.2 bar；此外，当将喷头两两组合时，交汇区域的降雨强度介于两个喷头中心降雨强度值之间，如在1.6 bar管道压力下，1#、2#喷头组合的降雨强度介于48.0～110.4 mm/h之间，2#、3#喷头组合的降雨强度介于13.4～48.0 mm/h之间，1#、3#喷头组合的降雨强度介于13.4～110.4 mm/h之间；三种喷头同时使用时，在大部分测试的管道压力下，其降雨强度仍然满足上述规律，只有当管道压力大于3.2 bar时，才会出现降雨强度超过单喷头中心降雨强度的现象；同一起喷压力下，喷头喷洒区域的降雨强度与到喷头中心的距离有关，越靠近喷洒区域边缘，降雨强度值越小。本试验测试中，由于雨量计放置的位置正处于喷洒区域边缘附近，因此其叠加的降雨强度也难以超过单喷头中心区域的降雨强度。

综上所述，本装置最终确定的可调降雨强度范围为10.4～256.8 mm/h。

2.2 降雨分布均匀性的率定

降雨分布的均匀性可用降雨均匀系数K来评价，K值越大，说明降雨分布的均匀性越好。降雨均匀系数K值可用布置在降雨平面的多组雨量筒进行测定，并将各雨量筒的值按下式进行计算:

(2)

本试验对管道压力分别为1.2 bar、1.6 bar、2.0 bar、2.4 bar下的降雨均匀系数进行了测试，采用100个100 mL量筒布置在5 m×3 m的范围内，横向间距为50 cm,纵向间距为50 cm，试验时，分别开启单喷头和所有喷头的组合类型来研究降雨分布均匀性的变化。根据降雨覆盖范围内每个测点的雨量，按照公式(2)可计算得到降雨均匀度的率定值，见表3。

由表3可知，当管道压力达到1.2 bar时，各喷头及其组合形式下的降雨均匀度均能达到80%左右，且随着管道压力的增加，降雨均匀度也有所增加。其中，3#广角喷头由于其喷洒范围较大，导致在相同水压下降雨均匀度较低。天然降雨的均匀度一般大于80%[20]，测试结果表明本文研制的人工模拟降雨分布装置在降雨均匀性上满足要求。

表3 降雨强度均匀度的率定值(%)

2.3 雨滴中数直径的率定

目前普遍采用滤纸色斑法研究雨滴的大小[26-27]。本试验中，使用新华造纸厂生产的直径为150 mm的中性定性滤纸，将曙红与滑石粉按质量比1∶10均匀混合后涂抹于滤纸表面，用于产生雨滴色斑；分别选择1.2 bar、1.6 bar、2.0 bar管道压力下三种喷头的雨滴直径大小作为研究对象，每种降雨强度下用5张滤纸收集雨滴；最终雨滴的直径大小按照下式进行换算：

d′=0.356D0.712(R2=0.998 7)

(3)

式中:d′为雨滴直径(mm)；D为色斑直径(mm)。

雨滴采集结束后，色斑大小的统计采用专业图像处理软件Image Pro 6.0进行处理；再利用公式(3)求得三种喷头雨滴直径，并计算相应雨滴直径的体积，绘制不同管道压力下各喷头雨滴直径的体积的累计曲线(见图 5)，进而得到实测雨滴中数直径D50。理论雨滴中数直径D50，可由相关研究[27]得出的降雨强度与雨滴中数直径的拟合公式得到：

D50=1.006×I0.221(R2=0.853 1)

(4)

式中:D50为雨滴中数直径(mm)；I为降雨强度(mm/h)。

通过公式(4)，可计算得到不同管道压力下各喷头对应降雨强度的理论雨滴中数直径D50值，再将由图5得到的实测雨滴中数直径D50值与之相比较(见表4)，进一步评价该降雨装置的性能。

表4 雨滴中数直径的率定值(mm)

由表4可知，该降雨装置在不同管道压力下各喷头实测雨滴中数直径D50值分布在1.4～2.5 mm之间，理论值比实测值分别高12.6%、12.4%、10.8%、20.4%、22.7%、22.5%、11.7%、12.7%、12.9%，即该降雨装置产生的雨滴中数直径约为天然雨滴中数直径的80%左右，满足人工模拟降雨的要求。

图5 不同管道压力下各喷头雨滴直径的体积的累计曲线Fig.5 Cumulative curves of raindrop diameter of each nozzle under different pipeline pressures

2.4 雨滴终点速度的率定

韩文霆等[28]针对喷口直径为2 mm、3 mm、4 mm的Fulljet旋转下喷式喷头的雨滴平均直径与垂直降落速度之间的关系进行了研究，结果表明：在喷头高度为2 m的条件下，平均直径为0～2.0 mm的雨滴垂直速度分布在2.0～6.0 m/s的范围内。本文的人工模拟降雨装置的喷头与韩文霆等[28]所用的喷头规格相近，实测雨滴的垂直降落速度对本文有一定代表性。而前人的研究结果表明，天然降雨雨滴直径大小的分布一般波动在0.1～6.0 mm范围内，其相应的雨滴终点速度为2.0～2.9 m/s。同时，根据美国、澳大利亚等国家一些学者对雨滴下落速度的研究，具有初速度的下喷式喷头，当降雨高度达2 m时，即可满足不同直径雨滴获得2.0～2.9 m/s的终点速度[24]。本降雨装置喷头固定在坡面以上2 m处，雨滴直径大小波动在0.1～4.8 mm范围内，因此能使不同直径的雨滴获得2.0～2.9 m/s的终点速度。

3 结 论

本文基于边坡足尺模型试验设计了一种可循环、可移动式的人工模拟降雨装置，该装置操作简便，易于拆卸，制作成本低。该装置采用3种不同规格的下喷式喷头进行组合，降雨高度距离坡面为2 m，降雨特性参数率定试验结果表明：在管道压力为1.2～3.8 bar时，通过开启不同类型的喷头，可实现降雨强度为10.4～256.8 mm/h的模拟降雨；在试验测试的3组管道压力下，整个装置降雨分布的均匀度基本能保持在80%以上；雨滴直径分布在0.1～4.8 mm之间，实测雨滴中数直径的大小约为同等条件下天然降雨雨滴中数直径的80%；2 m的降雨高度以及不同直径的雨滴能获得2.0～2.9 m/s的终点速度。人工模拟降雨装置产生的模拟降雨与天然降雨相似度高，可满足边坡模型试验的要求。