邊坡足尺模型試驗人工模擬降雨裝置的設(shè)計與參數(shù)率定

孫狂飆,羅 易,袁 超,米 敏,程保民,張家銘

(1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.遼寧路橋集團有限公司，遼寧 沈陽 110020)

近年來，國內(nèi)對雨水利用、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試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，然而降雨的不確定性給研究工作帶來了很大的困難。此外，在研究土壤侵蝕、坡面徑流、土壤入滲等時，利用天然降雨進行研究的周期長，受環(huán)境的影響大，很難獲得理想的效果。通過人工模擬降雨的方法可以方便地控制試驗進程，縮短試驗周期，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強度、降雨分布的均勻性、雨滴直徑和雨滴終點速度[3]。在水土保持研究領(lǐng)域，國內(nèi)外很早就認識到人工模擬降雨裝置的降雨特性是影響試驗結(jié)果準確性的關(guān)鍵因素，并相繼研制了一批具有不同性能的人工模擬降雨裝置。按照雨滴形成的方式，人工模擬降雨裝置可分為懸線式、針頭式、管網(wǎng)式和噴頭式[4]。其中，懸線式和針頭式降雨模擬器可模擬小強度降雨，且降雨分布的均勻性好，但具有控制面積小、雨滴直徑偏大且單一、雨滴終點速度與天然降雨相差較大等缺陷，所以目前的應(yīng)用研究逐漸減少[5]；管網(wǎng)式和噴頭式降雨模擬器在雨滴直徑和雨滴終點速度上與天然降雨更為接近，目前已廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕試驗的研究中。

在巖土工程領(lǐng)域，降雨是誘發(fā)滑坡的主要因素之一[6]。對于由降雨因素導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)機理研究，國內(nèi)外開展了一系列有針對性的現(xiàn)場試驗[7-9]和物理模型試驗[10-15]，但由于對天然降雨特性認識的不足，大多巖土工作者對人工模擬降雨裝置的準確性關(guān)注較少，自行設(shè)計的降雨裝置多數(shù)只關(guān)注了降雨強度與水壓之間的率定關(guān)系，忽視了降雨參數(shù)中其他指標的重要性。部分試驗雖然考慮到了降雨特性對坡體水分入滲及坡面侵蝕的影響[16-18]，但由于雨滴發(fā)生器的選擇欠考慮，導(dǎo)致不能得到可靠的人工模擬降雨參數(shù)。此外，目前雖然已有成熟的人工模擬降雨裝置，但普遍存在操作復(fù)雜、價格昂貴、體積較大及移動性差等問題。

鑒于此，本文針對當前人工模擬降雨裝置存在的問題，參照國內(nèi)外人工模擬降雨裝置設(shè)計的經(jīng)驗[19-25]，設(shè)計了一種應(yīng)用于邊坡足尺模型試驗的可循環(huán)、可移動式人工模擬降雨裝置，并對該裝置進行了降雨特性率定試驗，以驗證裝置的可靠性。

1 人工模擬降雨裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

本文設(shè)計的人工模擬降雨裝置如圖1所示，其由供水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、可移動支架和雨水回流系統(tǒng)四部分組成。供水系統(tǒng)的功能是為整個裝置提供水源和水壓，主要由水箱、輸水管、變頻自吸泵、流量表、止回閥、活接頭和主供水管道組成，其中水箱通過輸水管與變頻自吸泵相連，然后依次經(jīng)過流量表、止回閥、活接頭后與主供水管道相連，通過轉(zhuǎn)動活接頭即可分離供水系統(tǒng)與噴淋系統(tǒng)；噴淋系統(tǒng)用于控制和產(chǎn)生模擬降雨，由支流管、閥門、頂部水管、噴頭和翻斗式雨量筒組成，其中支流管包括若干個，與主供水管道通過三通相連，支流管與頂部水管以彎管接頭相連，頂部水管通過三通與噴頭連接，支流管和頂部水管上均裝有閥門，用于控制不同類型噴頭的啟閉，翻斗式雨量筒用于實時反饋降雨強度值；可移動支架用于支撐輸水管道，遮擋天然降雨，主要由移動式雨棚、軌道和雨幕組成，其中移動式雨棚為鋁合金框架結(jié)構(gòu)，頂部橫梁用于放置頂部水管，框架兩側(cè)底部橫梁焊接有滑輪，可沿軌道移動，雨幕用來收集噴往模型箱外的雨水，并匯集到模型框架頂部的槽鋼中排出，再通過雨水回流系統(tǒng)流至水箱內(nèi)，不僅能減小模型邊界雨水集中帶來的影響，同時可統(tǒng)計外排雨量，提高水的循環(huán)利用效率；雨水回流系統(tǒng)由自吸泵、沉淀池、濾網(wǎng)、回流槽、回水管組成，該回流系統(tǒng)除回收模型箱邊界雨水外，還將坡面及坡腳流出的雨水匯入沉淀池，經(jīng)濾網(wǎng)過濾后由自吸泵將水重新抽進水箱。

圖1 人工模擬降雨裝置圖Fig.1 Pattern of artificially simulated rainfall device

本文設(shè)計的人工模擬降雨裝置總高4.6 m，長6.0 m，寬4.0 m，軌道長12.0 m，可配合移動式雨棚進行移動。整個裝置采用下噴式噴頭作為雨滴發(fā)生器，通過控制輸水管道壓力和啟閉不同類型的噴頭，實現(xiàn)不同降雨強度、不同歷時的人工模擬降雨過程。

1.1 噴淋系統(tǒng)

1.1.1 噴頭選型

噴頭是人工模擬降雨裝置的核心部分，決定了該裝置的可靠性。本試驗研制的人工模擬降雨裝置的雨滴發(fā)生器是美國Spaying System公司生產(chǎn)的Fulljet旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭，該噴頭在雨滴直徑和雨滴能量上與天然降雨高度相似，已在國內(nèi)一些較為先進的人工模擬降雨裝置上配置，如錦州利成自動化設(shè)備有限公司的NTS-YJ103、JLC-RY2，西安清遠測控技術(shù)有限公司的QYJY-503C以及中國科學(xué)院水利部水土保持研究所的人工模擬降雨大廳。本試驗中選擇的3種噴頭性能參數(shù)，見表1。

表1 噴頭的性能參數(shù)

注：1 bar=100 kPa。

1.1.2 噴頭布設(shè)

為保證雨滴的終點速度接近天然降雨，噴頭固定在坡頂面以上2 m處[24]。按照圖2所示計算單個噴頭在最小噴射角度下的降雨覆蓋范圍，可計算得1#、2#、3#三種噴頭的最小降雨覆蓋直徑分別為221.72 cm、195.09 cm、492.87 cm。

圖2 噴頭實物圖及噴頭最小降雨范圍示意圖(單位：cm)Fig.2 Physical map of the nozzle and the minimum rainfall area of the nozzle (unit:cm)

通過給定的壓力和流量數(shù)據(jù)，按下式可計算單個噴頭的理論降雨強度范圍：

I=Q/S

(1)

式中：I為降雨強度(mm/h)；Q為單個噴頭某一壓力下的流量(mm3/h)；S為單個噴頭某一壓力對應(yīng)噴射角度下的降雨覆蓋范圍(mm2)。

經(jīng)計算后，可得到在0～6.0 bar壓力下1#、2#、3#三種噴頭理論降雨強度范圍分別為45.14～140.60 mm/h、17.69～46.31 mm/h、2.55～13.80 mm/h。由于噴頭下方不同位置處的降雨強度不一致，越靠近噴頭下方降雨強度越大，因此噴頭的實際降雨強度范圍要比理論值偏大。合理的噴頭疊加布置可有效地減小降雨覆蓋范圍內(nèi)降雨強度的不均勻性，模型試驗的降雨覆蓋范圍為5 m×3 m，將三種噴頭按最小降雨覆蓋直徑布置， 設(shè)計使用1#噴頭9個、2#噴頭9個、3#噴頭2個，通過各管道上的控制閥，可分別開啟不同類型的噴頭，且均能在模型箱內(nèi)實現(xiàn)全面降雨，見圖3。

圖3 噴頭布設(shè)圖(單位：cm)Fig.3 Layout of nozzles (unit:cm)

1.2 供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)的主要功能是利用水泵將水箱里的水經(jīng)供水管道以一定壓力送至噴頭處。本次設(shè)計的供水系統(tǒng)主要由水箱、輸水管、變頻自吸泵、流量表、止回閥、活接頭和主供水管道組成。其中，輸水管和主供水管道采用內(nèi)徑為25 mm的PPR管，連接噴頭的頂部8根水管為內(nèi)徑20 mm的PPR管；豎直方向水管的高度為4.6 m，水流到達頂部各支流管時，水壓將會損失約0.46 bar，底部橫向水管為5 m，因管道內(nèi)摩擦引起的水壓損失忽略不計。因此，要使各噴頭達到正常工作狀態(tài)，設(shè)置水泵出水口壓力最小應(yīng)為0.9 bar。

水泵是供水系統(tǒng)的核心部件，為整個人工模擬降雨裝置提供壓力來源，其選型主要考慮流量、揚程和壓力可調(diào)三個因素。

(1) 流量：水泵流量的選擇以單次降雨的最大用水量作為主要參考對象，按有效降雨面積5 m×3 m、最大降雨強度300 mm/h計算，則每小時的最大用水量為4.5 m3。

(2) 揚程：水泵位于噴頭以下4.6 m位置處，其揚程至少應(yīng)大于4.6 m，同時本試驗所需噴頭的工作壓力為0～5.0 bar，10 m揚程一般對應(yīng)1.0 bar的水壓，因此考慮頂部噴頭高度和管道壓力損失后，水泵最大揚程應(yīng)不小于60 m。

(3) 壓力可調(diào)：由于模擬降雨時需要實時監(jiān)測管道壓力，并在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，因此所選水泵應(yīng)為變頻泵，使得供水管道內(nèi)的壓力可以根據(jù)降雨強度實時調(diào)節(jié)。

綜上所述，本文設(shè)計的人工模擬降雨裝置供水系統(tǒng)中的水泵選用江蘇威樂泵業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的SD-1500型變頻恒壓單相自吸增壓泵，具體參數(shù)為：工作電壓220 V、額定功率1.5 kW、最大揚程65 m、最大流量8 m3/h、額定揚程50 m、額定流量5 m3/h、最大吸程9～15 m、可調(diào)壓力0～6.5 bar。該泵為智能變頻恒壓水泵，其自帶的壓力傳感器可實時監(jiān)測出水管道壓力，并通過調(diào)整電機運轉(zhuǎn)速度使出水的管道壓力穩(wěn)定在所需的壓力。調(diào)整降雨強度時，只需調(diào)節(jié)控制面板上的按鈕，即可實現(xiàn)整個降雨裝置的壓力控制，相比通過更換變徑頭、讀取水壓表的方式調(diào)節(jié)壓力，該泵不僅可調(diào)壓力范圍廣，而且對于整個人工模擬降雨裝置的控制更加快捷、高效。此外，與目前帶數(shù)控功能的人工模擬降雨裝置的動力系統(tǒng)相比，該泵操作簡單、價格低廉，可大幅降低制作成本。

2 降雨特性參數(shù)率定試驗

2.1 降雨強度的率定

采用翻斗式雨量筒在噴頭下方中心位置進行單噴頭降雨強度率定試驗。噴頭組合時的降雨強度測定選擇將雨量計放置在噴頭最小降雨覆蓋范圍的交匯處，其高度為2.6 m，見圖4。雨量筒每0.2 ms發(fā)射一次脈沖信號，分別開啟3種噴頭，測定不同類型噴頭的降雨強度率定值，然后將不同類型噴頭進行組合，測定其在相同供水壓力下的降雨強度。試驗得到各種不同類型噴頭降雨強度的率定值，見表2。

圖4 人工模擬降雨裝置的率定Fig.4 Calibration of artificially simulated rainfall device

管道壓力/(bar)不同類型噴頭的降雨強度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，噴頭的類型決定了降雨強度的極值，隨著管道壓力的增加，各噴頭中心的降雨強度逐漸增大；低起噴壓力下，由于噴頭噴灑范圍主要集中在噴頭中心位置，且雨滴粒徑較大，導(dǎo)致雨量計測得的降雨強度值偏大，因此后續(xù)試驗采用的管道壓力均大于1.2 bar；此外，當將噴頭兩兩組合時，交匯區(qū)域的降雨強度介于兩個噴頭中心降雨強度值之間，如在1.6 bar管道壓力下，1#、2#噴頭組合的降雨強度介于48.0～110.4 mm/h之間，2#、3#噴頭組合的降雨強度介于13.4～48.0 mm/h之間，1#、3#噴頭組合的降雨強度介于13.4～110.4 mm/h之間；三種噴頭同時使用時，在大部分測試的管道壓力下，其降雨強度仍然滿足上述規(guī)律，只有當管道壓力大于3.2 bar時，才會出現(xiàn)降雨強度超過單噴頭中心降雨強度的現(xiàn)象；同一起噴壓力下，噴頭噴灑區(qū)域的降雨強度與到噴頭中心的距離有關(guān)，越靠近噴灑區(qū)域邊緣，降雨強度值越小。本試驗測試中，由于雨量計放置的位置正處于噴灑區(qū)域邊緣附近，因此其疊加的降雨強度也難以超過單噴頭中心區(qū)域的降雨強度。

綜上所述，本裝置最終確定的可調(diào)降雨強度范圍為10.4～256.8 mm/h。

2.2 降雨分布均勻性的率定

降雨分布的均勻性可用降雨均勻系數(shù)K來評價，K值越大，說明降雨分布的均勻性越好。降雨均勻系數(shù)K值可用布置在降雨平面的多組雨量筒進行測定，并將各雨量筒的值按下式進行計算:

(2)

本試驗對管道壓力分別為1.2 bar、1.6 bar、2.0 bar、2.4 bar下的降雨均勻系數(shù)進行了測試，采用100個100 mL量筒布置在5 m×3 m的范圍內(nèi)，橫向間距為50 cm,縱向間距為50 cm，試驗時，分別開啟單噴頭和所有噴頭的組合類型來研究降雨分布均勻性的變化。根據(jù)降雨覆蓋范圍內(nèi)每個測點的雨量，按照公式(2)可計算得到降雨均勻度的率定值，見表3。

由表3可知，當管道壓力達到1.2 bar時，各噴頭及其組合形式下的降雨均勻度均能達到80%左右，且隨著管道壓力的增加，降雨均勻度也有所增加。其中，3#廣角噴頭由于其噴灑范圍較大，導(dǎo)致在相同水壓下降雨均勻度較低。天然降雨的均勻度一般大于80%[20]，測試結(jié)果表明本文研制的人工模擬降雨分布裝置在降雨均勻性上滿足要求。

表3 降雨強度均勻度的率定值(%)

2.3 雨滴中數(shù)直徑的率定

目前普遍采用濾紙色斑法研究雨滴的大小[26-27]。本試驗中，使用新華造紙廠生產(chǎn)的直徑為150 mm的中性定性濾紙，將曙紅與滑石粉按質(zhì)量比1∶10均勻混合后涂抹于濾紙表面，用于產(chǎn)生雨滴色斑；分別選擇1.2 bar、1.6 bar、2.0 bar管道壓力下三種噴頭的雨滴直徑大小作為研究對象，每種降雨強度下用5張濾紙收集雨滴；最終雨滴的直徑大小按照下式進行換算：

d′=0.356D0.712(R2=0.998 7)

(3)

式中:d′為雨滴直徑(mm)；D為色斑直徑(mm)。

雨滴采集結(jié)束后，色斑大小的統(tǒng)計采用專業(yè)圖像處理軟件Image Pro 6.0進行處理；再利用公式(3)求得三種噴頭雨滴直徑，并計算相應(yīng)雨滴直徑的體積，繪制不同管道壓力下各噴頭雨滴直徑的體積的累計曲線(見圖 5)，進而得到實測雨滴中數(shù)直徑D50。理論雨滴中數(shù)直徑D50，可由相關(guān)研究[27]得出的降雨強度與雨滴中數(shù)直徑的擬合公式得到：

D50=1.006×I0.221(R2=0.853 1)

(4)

式中:D50為雨滴中數(shù)直徑(mm)；I為降雨強度(mm/h)。

通過公式(4)，可計算得到不同管道壓力下各噴頭對應(yīng)降雨強度的理論雨滴中數(shù)直徑D50值，再將由圖5得到的實測雨滴中數(shù)直徑D50值與之相比較(見表4)，進一步評價該降雨裝置的性能。

表4 雨滴中數(shù)直徑的率定值(mm)

由表4可知，該降雨裝置在不同管道壓力下各噴頭實測雨滴中數(shù)直徑D50值分布在1.4～2.5 mm之間，理論值比實測值分別高12.6%、12.4%、10.8%、20.4%、22.7%、22.5%、11.7%、12.7%、12.9%，即該降雨裝置產(chǎn)生的雨滴中數(shù)直徑約為天然雨滴中數(shù)直徑的80%左右，滿足人工模擬降雨的要求。

圖5 不同管道壓力下各噴頭雨滴直徑的體積的累計曲線Fig.5 Cumulative curves of raindrop diameter of each nozzle under different pipeline pressures

2.4 雨滴終點速度的率定

韓文霆等[28]針對噴口直徑為2 mm、3 mm、4 mm的Fulljet旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭的雨滴平均直徑與垂直降落速度之間的關(guān)系進行了研究，結(jié)果表明：在噴頭高度為2 m的條件下，平均直徑為0～2.0 mm的雨滴垂直速度分布在2.0～6.0 m/s的范圍內(nèi)。本文的人工模擬降雨裝置的噴頭與韓文霆等[28]所用的噴頭規(guī)格相近，實測雨滴的垂直降落速度對本文有一定代表性。而前人的研究結(jié)果表明，天然降雨雨滴直徑大小的分布一般波動在0.1～6.0 mm范圍內(nèi)，其相應(yīng)的雨滴終點速度為2.0～2.9 m/s。同時，根據(jù)美國、澳大利亞等國家一些學(xué)者對雨滴下落速度的研究，具有初速度的下噴式噴頭，當降雨高度達2 m時，即可滿足不同直徑雨滴獲得2.0～2.9 m/s的終點速度[24]。本降雨裝置噴頭固定在坡面以上2 m處，雨滴直徑大小波動在0.1～4.8 mm范圍內(nèi)，因此能使不同直徑的雨滴獲得2.0～2.9 m/s的終點速度。

3 結(jié) 論

本文基于邊坡足尺模型試驗設(shè)計了一種可循環(huán)、可移動式的人工模擬降雨裝置，該裝置操作簡便，易于拆卸，制作成本低。該裝置采用3種不同規(guī)格的下噴式噴頭進行組合，降雨高度距離坡面為2 m，降雨特性參數(shù)率定試驗結(jié)果表明：在管道壓力為1.2～3.8 bar時，通過開啟不同類型的噴頭，可實現(xiàn)降雨強度為10.4～256.8 mm/h的模擬降雨；在試驗測試的3組管道壓力下，整個裝置降雨分布的均勻度基本能保持在80%以上；雨滴直徑分布在0.1～4.8 mm之間，實測雨滴中數(shù)直徑的大小約為同等條件下天然降雨雨滴中數(shù)直徑的80%；2 m的降雨高度以及不同直徑的雨滴能獲得2.0～2.9 m/s的終點速度。人工模擬降雨裝置產(chǎn)生的模擬降雨與天然降雨相似度高，可滿足邊坡模型試驗的要求。