大型自然环境模拟试验系统——0-300mm降雨量条件下堤坝及护坡模拟冲刷试验研究方案

一、研究背景与意义

堤坝及护坡是水利工程的核心防护结构，其抗冲刷性能直接影响工程安全性与耐久性。实际环境中，降雨（尤其是短时强降雨）是诱发堤坝坡面侵蚀、护坡结构破坏的关键因素之一：降雨形成的地表径流会冲刷坡面土体，导致表层土壤流失、结构层裸露，进而引发局部塌陷或整体失稳。然而，自然降雨具有随机性强、时空分布不均的特点，难以通过现场观测直接获取不同降雨强度（0-300mm降雨量）与冲刷效应的定量关系。

为此，本研究依托大型自然环境模拟试验系统，通过精准控制0-300mm降雨量（模拟小雨至特大暴雨工况），结合动态水流冲刷加载，系统研究堤坝及护坡在不同降雨条件下的冲刷破坏机制、临界失稳阈值及防护措施有效性，为工程设计、材料选型及防灾减灾提供科学依据。

二、试验目标

定量分析：明确0-300mm降雨量范围内，降雨强度（mm/h）、降雨历时（h）与堤坝/护坡坡面冲刷深度、侵蚀面积、土体流失量的定量关系。

机制揭示：探究不同降雨强度下坡面水流流态（层流/紊流）、径流冲刷力（剪切应力）、土体抗剪强度（黏聚力/内摩擦角）的动态变化规律，阐明冲刷破坏的主控因素（如坡度、土质类型、护坡结构形式）。

验证优化：对比不同护坡材料（如混凝土格栅、生态植草、土工膜复合层）及结构（如阶梯式护坡、网格梁护坡）的抗冲刷性能，提出适用于不同降雨风险区的优化设计方案。

三、试验系统与技术参数

（一）核心试验系统：大型自然环境模拟试验平台

本试验依托自主设计的大型环境模拟系统，集成可控降雨模块、动态冲刷加载模块、坡面监测模块及数据采集模块，可实现0-300mm降雨量（对应降雨强度0-300mm/h）的高精度模拟及多场耦合试验。

1.可控降雨模块

功能：模拟0-300mm降雨量（精度±2mm），覆盖小雨（<10mm/h）、中雨（10-25mm/h）、大雨（25-50mm/h）、暴雨（50-100mm/h）、特大暴雨（>100mm/h）全工况。

技术参数：

降雨高度：≥8m（确保雨滴终末速度接近自然状态）；

降雨均匀性：≥90%（通过多喷嘴阵列+风幕补偿技术实现）；

降雨强度调节范围：0-300mm/h（可调分辨率1mm/h）；

雨滴直径模拟：0.5-6mm（通过喷嘴孔径组合匹配不同雨强下的雨滴特征）；

控制方式：PLC+触摸屏实时调节，支持预设降雨曲线（如短时强降雨、持续小雨）。

2.坡面模型模块（堤坝/护坡试验段）

模型尺寸：试验坡面尺寸为长×宽×高=5m×3m×2m（可扩展），坡度可调范围15°-70°（覆盖常见堤坝边坡1:1.5~1:3及护坡坡度）。

材料模拟：

堤坝土体：采用现场原状土或重塑土（黏土、砂土、粉质黏土等，控制含水率10%-30%）；

护坡结构：包括混凝土预制块护坡、生态植草护坡（草种+基质层）、土工格栅复合土体、格宾石笼护坡等（尺寸与实际工程一致）。

边界条件：坡脚设置集水槽（收集冲刷流失的土体与径流），侧壁采用透明亚克力板（便于观测内部冲刷过程）或刚性挡墙（模拟无限边坡）。

3.动态冲刷与监测模块

水流冲刷加载：在降雨基础上叠加可控地表径流（流量0-50L/s），模拟“降雨+坡面汇流”的复合冲刷工况。

实时监测系统：

坡面冲刷形貌：高清工业相机（1000万像素，帧率30fps）+激光三维扫描仪（精度±0.1mm），记录冲刷坑深度、范围随时间的变化；

水流参数：毕托管/压力传感器（测量坡面水流流速0-5m/s）、剪切力传感器（测量土体表面剪切应力0-50kPa）；

土体响应：孔隙水压力计（监测坡体内部渗透压力）、土压力计（测量坡面垂直应力）、含水率传感器（实时反馈土体湿度变化）；

降雨参数：雨量计（校准降雨强度）、雨滴谱仪（分析雨滴粒径分布）。

4.数据采集与控制系统

采用分布式传感器网络+工业计算机，采样频率≥1Hz，同步采集降雨强度、水流流速、剪切应力、冲刷深度等20+项参数，数据存储至云端数据库，支持实时可视化分析与历史回溯。

四、试验设计

（一）试验工况分类

基于GB 50286-2013《堤防工程设计规范》及实际工程常见降雨风险，设计以下四组典型工况：

注：每组工况下进一步细分变量（如坡度15°/30°/45°、土质类型黏土/砂土、护坡结构类型），单组试验重复3次以保证数据可靠性。

（二）试验流程

模型制备：根据目标土质类型（如黏土含水率20%、砂土相对密度Dr=0.6），分层填筑坡面模型（每层厚度10-15cm，压实度控制与实际工程一致），铺设护坡结构（如混凝土块拼接、植草层播种后养护7天）。

系统调试：校准降雨模块（通过标准雨量筒验证降雨强度精度）、初始化传感器（检查零点漂移）、设置坡度（电动调节平台控制角度）。

预试验：以低强度降雨（5mm/h）运行30min，观察系统稳定性（如降雨均匀性、坡面初始渗流）。

正式试验：按预设工况启动降雨（逐步增加至目标强度），同步开启水流冲刷加载（若为复合工况），实时监测坡面冲刷形貌、水流参数及土体响应，持续至冲刷稳定（连续30min冲刷深度增量<1mm）或坡面发生明显失稳（如局部塌陷、护坡结构脱落）。

数据记录与取样：试验结束后，采集冲刷区土体样本（分析颗粒级配变化）、测量最终冲刷坑几何参数（深度/宽度/体积），导出传感器全时段数据。

五、关键科学问题与分析方法

（一）关键科学问题

不同降雨强度下，坡面水流冲刷力（剪切应力）与土体抗冲性（抗剪强度）的动态平衡关系如何？临界失稳的阈值条件（如流速≥？m/s、剪切力≥？kPa）是什么？

护坡结构的抗冲刷性能受哪些因素主导（如材料粗糙度、孔隙率、根系固土效应）？不同结构形式的优劣排序及适用场景是什么？

降雨-径流-土体三者耦合过程中，渗透压力与表面冲刷的协同作用如何加剧坡体失稳？

（二）分析方法

定量关系建模：基于试验数据，拟合降雨强度（I）、降雨历时（t）、冲刷深度（h）的数学模型（如幂函数h=aI^b t^c），明确各参数敏感性（通过方差分析）。

流体力学分析：结合PIV（粒子图像测速技术）或理论公式（如曼宁公式计算径流流速，库仑公式计算剪切应力τ=γRJ，其中γ为水容重，R为水力半径，J为坡面坡降），验证监测数据的合理性。

微观机制验证：通过扫描电镜（SEM）观察冲刷后土体颗粒表面形态（如是否发生团聚体破碎），X射线衍射（XRD）分析矿物成分变化，辅助解释宏观冲刷现象。

六、预期成果

数据成果：建立0-300mm降雨量范围内堤坝/护坡冲刷效应数据库（含冲刷深度-降雨强度曲线、临界失稳阈值表等）。

理论成果：揭示降雨强度-冲刷力-土体响应的耦合机制，提出“降雨强度-坡度-土质-护坡结构”四维抗冲刷性能评价体系。

应用成果：形成适用于不同降雨风险区（如南方多雨区、北方季节性暴雨区）的护坡设计指南（推荐材料类型、坡度控制范围、排水设施配置方案），为《堤防工程设计规范》修订提供试验支撑。

七、试验进度安排

八、注意事项

安全防护：试验区域设置防水围堰（防止径流外溢），高压喷头及传感器接线需绝缘处理，操作人员穿戴防滑雨靴与安全帽。

环境控制：试验前后监测室内温湿度（避免土体含水率因环境波动失真），必要时启动除湿设备。

设备维护：试验后及时清理喷嘴堵塞物（如泥沙沉积），校准传感器零点，定期润滑电动调节平台导轨。

本方案可根据实际试验需求调整参数（如降雨量上限扩展至500mm、坡度范围细化至5°-80°），确保研究目标的针对性与科学性。