大型自然環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)——0-300mm降雨量條件下堤壩及護(hù)坡模擬沖刷試驗(yàn)研究方案

一、研究背景與意義

堤壩及護(hù)坡是水利工程的核心防護(hù)結(jié)構(gòu)，其抗沖刷性能直接影響工程安全性與耐久性。實(shí)際環(huán)境中，降雨（尤其是短時(shí)強(qiáng)降雨）是誘發(fā)堤壩坡面侵蝕、護(hù)坡結(jié)構(gòu)破壞的關(guān)鍵因素之一：降雨形成的地表徑流會(huì)沖刷坡面土體，導(dǎo)致表層土壤流失、結(jié)構(gòu)層裸露，進(jìn)而引發(fā)局部塌陷或整體失穩(wěn)。然而，自然降雨具有隨機(jī)性強(qiáng)、時(shí)空分布不均的特點(diǎn)，難以通過現(xiàn)場觀測直接獲取不同降雨強(qiáng)度（0-300mm降雨量）與沖刷效應(yīng)的定量關(guān)系。

為此，本研究依托大型自然環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)控制0-300mm降雨量（模擬小雨至特大暴雨工況），結(jié)合動(dòng)態(tài)水流沖刷加載，系統(tǒng)研究堤壩及護(hù)坡在不同降雨條件下的沖刷破壞機(jī)制、臨界失穩(wěn)閾值及防護(hù)措施有效性，為工程設(shè)計(jì)、材料選型及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

二、試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

定量分析：明確0-300mm降雨量范圍內(nèi)，降雨強(qiáng)度（mm/h）、降雨歷時(shí)（h）與堤壩/護(hù)坡坡面沖刷深度、侵蝕面積、土體流失量的定量關(guān)系。

機(jī)制揭示：探究不同降雨強(qiáng)度下坡面水流流態(tài)（層流/紊流）、徑流沖刷力（剪切應(yīng)力）、土體抗剪強(qiáng)度（黏聚力/內(nèi)摩擦角）的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，闡明沖刷破壞的主控因素（如坡度、土質(zhì)類型、護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式）。

驗(yàn)證優(yōu)化：對比不同護(hù)坡材料（如混凝土格柵、生態(tài)植草、土工膜復(fù)合層）及結(jié)構(gòu)（如階梯式護(hù)坡、網(wǎng)格梁護(hù)坡）的抗沖刷性能，提出適用于不同降雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

三、試驗(yàn)系統(tǒng)與技術(shù)參數(shù)

（一）核心試驗(yàn)系統(tǒng)：大型自然環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺

本試驗(yàn)依托自主設(shè)計(jì)的大型環(huán)境模擬系統(tǒng)，集成可控降雨模塊、動(dòng)態(tài)沖刷加載模塊、坡面監(jiān)測模塊及數(shù)據(jù)采集模塊，可實(shí)現(xiàn)0-300mm降雨量（對應(yīng)降雨強(qiáng)度0-300mm/h）的高精度模擬及多場耦合試驗(yàn)。

1.可控降雨模塊

功能：模擬0-300mm降雨量（精度±2mm），覆蓋小雨（<10mm/h）、中雨（10-25mm/h）、大雨（25-50mm/h）、暴雨（50-100mm/h）、特大暴雨（>100mm/h）全工況。

技術(shù)參數(shù)：

降雨高度：≥8m（確保雨滴終末速度接近自然狀態(tài)）；

降雨均勻性：≥90%（通過多噴嘴陣列+風(fēng)幕補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)）；

降雨強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍：0-300mm/h（可調(diào)分辨率1mm/h）；

雨滴直徑模擬：0.5-6mm（通過噴嘴孔徑組合匹配不同雨強(qiáng)下的雨滴特征）；

控制方式：PLC+觸摸屏實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，支持預(yù)設(shè)降雨曲線（如短時(shí)強(qiáng)降雨、持續(xù)小雨）。

2.坡面模型模塊（堤壩/護(hù)坡試驗(yàn)段）

模型尺寸：試驗(yàn)坡面尺寸為長×寬×高=5m×3m×2m（可擴(kuò)展），坡度可調(diào)范圍15°-70°（覆蓋常見堤壩邊坡1:1.5~1:3及護(hù)坡坡度）。

材料模擬：

堤壩土體：采用現(xiàn)場原狀土或重塑土（黏土、砂土、粉質(zhì)黏土等，控制含水率10%-30%）；

護(hù)坡結(jié)構(gòu)：包括混凝土預(yù)制塊護(hù)坡、生態(tài)植草護(hù)坡（草種+基質(zhì)層）、土工格柵復(fù)合土體、格賓石籠護(hù)坡等（尺寸與實(shí)際工程一致）。

邊界條件：坡腳設(shè)置集水槽（收集沖刷流失的土體與徑流），側(cè)壁采用透明亞克力板（便于觀測內(nèi)部沖刷過程）或剛性擋墻（模擬無限邊坡）。

3.動(dòng)態(tài)沖刷與監(jiān)測模塊

水流沖刷加載：在降雨基礎(chǔ)上疊加可控地表徑流（流量0-50L/s），模擬“降雨+坡面匯流”的復(fù)合沖刷工況。

實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)：

坡面沖刷形貌：高清工業(yè)相機(jī)（1000萬像素，幀率30fps）+激光三維掃描儀（精度±0.1mm），記錄沖刷坑深度、范圍隨時(shí)間的變化；

水流參數(shù)：畢托管/壓力傳感器（測量坡面水流流速0-5m/s）、剪切力傳感器（測量土體表面剪切應(yīng)力0-50kPa）；

土體響應(yīng)：孔隙水壓力計(jì)（監(jiān)測坡體內(nèi)部滲透壓力）、土壓力計(jì)（測量坡面垂直應(yīng)力）、含水率傳感器（實(shí)時(shí)反饋土體濕度變化）；

降雨參數(shù)：雨量計(jì)（校準(zhǔn)降雨強(qiáng)度）、雨滴譜儀（分析雨滴粒徑分布）。

4.數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

采用分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)+工業(yè)計(jì)算機(jī)，采樣頻率≥1Hz，同步采集降雨強(qiáng)度、水流流速、剪切應(yīng)力、沖刷深度等20+項(xiàng)參數(shù)，數(shù)據(jù)存儲至云端數(shù)據(jù)庫，支持實(shí)時(shí)可視化分析與歷史回溯。

四、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）試驗(yàn)工況分類

基于GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》及實(shí)際工程常見降雨風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)以下四組典型工況：

注：每組工況下進(jìn)一步細(xì)分變量（如坡度15°/30°/45°、土質(zhì)類型黏土/砂土、護(hù)坡結(jié)構(gòu)類型），單組試驗(yàn)重復(fù)3次以保證數(shù)據(jù)可靠性。

（二）試驗(yàn)流程

模型制備：根據(jù)目標(biāo)土質(zhì)類型（如黏土含水率20%、砂土相對密度Dr=0.6），分層填筑坡面模型（每層厚度10-15cm，壓實(shí)度控制與實(shí)際工程一致），鋪設(shè)護(hù)坡結(jié)構(gòu)（如混凝土塊拼接、植草層播種后養(yǎng)護(hù)7天）。

系統(tǒng)調(diào)試：校準(zhǔn)降雨模塊（通過標(biāo)準(zhǔn)雨量筒驗(yàn)證降雨強(qiáng)度精度）、初始化傳感器（檢查零點(diǎn)漂移）、設(shè)置坡度（電動(dòng)調(diào)節(jié)平臺控制角度）。

預(yù)試驗(yàn)：以低強(qiáng)度降雨（5mm/h）運(yùn)行30min，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性（如降雨均勻性、坡面初始滲流）。

正式試驗(yàn)：按預(yù)設(shè)工況啟動(dòng)降雨（逐步增加至目標(biāo)強(qiáng)度），同步開啟水流沖刷加載（若為復(fù)合工況），實(shí)時(shí)監(jiān)測坡面沖刷形貌、水流參數(shù)及土體響應(yīng)，持續(xù)至沖刷穩(wěn)定（連續(xù)30min沖刷深度增量<1mm）或坡面發(fā)生明顯失穩(wěn)（如局部塌陷、護(hù)坡結(jié)構(gòu)脫落）。

數(shù)據(jù)記錄與取樣：試驗(yàn)結(jié)束后，采集沖刷區(qū)土體樣本（分析顆粒級配變化）、測量最終沖刷坑幾何參數(shù)（深度/寬度/體積），導(dǎo)出傳感器全時(shí)段數(shù)據(jù)。

五、關(guān)鍵科學(xué)問題與分析方法

（一）關(guān)鍵科學(xué)問題

不同降雨強(qiáng)度下，坡面水流沖刷力（剪切應(yīng)力）與土體抗沖性（抗剪強(qiáng)度）的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系如何？臨界失穩(wěn)的閾值條件（如流速≥？m/s、剪切力≥？kPa）是什么？

護(hù)坡結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能受哪些因素主導(dǎo)（如材料粗糙度、孔隙率、根系固土效應(yīng)）？不同結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣排序及適用場景是什么？

降雨-徑流-土體三者耦合過程中，滲透壓力與表面沖刷的協(xié)同作用如何加劇坡體失穩(wěn)？

（二）分析方法

定量關(guān)系建模：基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合降雨強(qiáng)度（I）、降雨歷時(shí)（t）、沖刷深度（h）的數(shù)學(xué)模型（如冪函數(shù)h=aI^b t^c），明確各參數(shù)敏感性（通過方差分析）。

流體力學(xué)分析：結(jié)合PIV（粒子圖像測速技術(shù)）或理論公式（如曼寧公式計(jì)算徑流流速，庫侖公式計(jì)算剪切應(yīng)力τ=γRJ，其中γ為水容重，R為水力半徑，J為坡面坡降），驗(yàn)證監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性。

微觀機(jī)制驗(yàn)證：通過掃描電鏡（SEM）觀察沖刷后土體顆粒表面形態(tài)（如是否發(fā)生團(tuán)聚體破碎），X射線衍射（XRD）分析礦物成分變化，輔助解釋宏觀沖刷現(xiàn)象。

六、預(yù)期成果

數(shù)據(jù)成果：建立0-300mm降雨量范圍內(nèi)堤壩/護(hù)坡沖刷效應(yīng)數(shù)據(jù)庫（含沖刷深度-降雨強(qiáng)度曲線、臨界失穩(wěn)閾值表等）。

理論成果：揭示降雨強(qiáng)度-沖刷力-土體響應(yīng)的耦合機(jī)制，提出“降雨強(qiáng)度-坡度-土質(zhì)-護(hù)坡結(jié)構(gòu)”四維抗沖刷性能評價(jià)體系。

應(yīng)用成果：形成適用于不同降雨風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（如南方多雨區(qū)、北方季節(jié)性暴雨區(qū)）的護(hù)坡設(shè)計(jì)指南（推薦材料類型、坡度控制范圍、排水設(shè)施配置方案），為《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂提供試驗(yàn)支撐。

七、試驗(yàn)進(jìn)度安排

八、注意事項(xiàng)

安全防護(hù)：試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置防水圍堰（防止徑流外溢），高壓噴頭及傳感器接線需絕緣處理，操作人員穿戴防滑雨靴與安全帽。

環(huán)境控制：試驗(yàn)前后監(jiān)測室內(nèi)溫濕度（避免土體含水率因環(huán)境波動(dòng)失真），必要時(shí)啟動(dòng)除濕設(shè)備。

設(shè)備維護(hù)：試驗(yàn)后及時(shí)清理噴嘴堵塞物（如泥沙沉積），校準(zhǔn)傳感器零點(diǎn)，定期潤滑電動(dòng)調(diào)節(jié)平臺導(dǎo)軌。

本方案可根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)需求調(diào)整參數(shù)（如降雨量上限擴(kuò)展至500mm、坡度范圍細(xì)化至5°-80°），確保研究目標(biāo)的針對性與科學(xué)性。