[发明专利]一种用于模拟基于微生物矿化修建生态渠道的试验装置及方法

权利要求书

1.一种用于模拟基于微生物矿化修建生态渠道的室内试验装置，其特征在于，包括依次连接的供水系统、生态渠道试验系统以及量测系统；其中，所述供水系统用于提供稳定的流量，模拟渠道水流；所述生态渠道试验系统用于模拟渠道在不同微生物矿化材料和施工工艺下的运行状态；所述量测系统用于测试微生物矿化处理前后土体的渗透性、抗冲刷性和强度；

所述生态渠道试验系统包括水槽、土样箱、消能池、水槽出水闸、调节支架、铰支座；其中，所述水槽用于承接水流形成渠道模型，表面粘有一层土颗粒，用于模拟天然条件下土壤糙率状况；所述土样箱位于水槽端部附近，是一个可拆卸、底面为多孔板的梯形凹槽，用于模拟渠道的土体放置于土样箱中；所述消能池位于水槽另一端，用于承接高位水箱水流，同时作为储水容器，提供一定流速的水流；所述水槽出水闸设于水槽端部，用于与流量控制阀一起调节水槽中的水深和流速；所述调节支架位于消能池附近，与所述铰支座配合可用于调节水槽坡度；

所述供水系统包括自来水管、支撑钢架、高位水箱、溢流管、供水管、流量计、流量控制阀；其中，所述支撑钢架将高位水箱支撑在一定高度；所述溢流管位于高位水箱顶部侧壁，使高位水箱水位恒定；所述供水管装在高位水箱侧壁，且低于溢流管高度，另一端伸入消能池中，使高位水箱中的水可依靠重力自行流入消能池中；所述流量控制阀和流量计设在供水管上；

所述量测系统包括便携式十字剪切仪、渗流量量测子系统和泥沙量量测子系统；其中，所述便携式十字剪切仪，用于测试土体抗剪强度；所述渗流量量测子系统包括渗流收集筒，放置于土样箱正下方；所述泥沙量量测子系统包括泥沙收集筒，放置于水槽水流出口处。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟基于微生物矿化修建生态渠道室内试验装置对应的试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

第一步：取渠道基面的土体，分别放置于每一个土样箱中；

第二步：对每个土样箱中的土体进行不同微生物矿化材料和施工工艺的处理，待处理完毕后养护一段时间至土体表面硬化；

第三步：将土样箱安装在水槽中，调节调节支架使水槽水平，关闭水槽出水闸，并打开流量控制阀进行供水，待水平面浸没渠道模型土体一定深度后关闭供水设备，静置一段时间，使土体得到充分饱和；

第四步：渗透性测试，土体饱和一段时间后，打开流量控制阀继续进行供水，同时保持水槽出水闸关闭，使水流装满水槽，测量渗流收集筒中的水流渗流量；然后根据以下公式计算土体渗透系数：

式中，k为土体渗透系数，m/s；Q为流量，m³/s；H为水面高度，m；L为土样箱底边宽度，m；d为土样箱长度，m；t为土体厚度，m；α为土样箱边壁与水平面夹角，°；

第五步：抗冲刷性测试，打开水槽出水闸排尽水槽中的水，调节调节支架至不同的坡度后，再打开供水系统中的设备，通过流量控制阀及水槽出水闸调节水槽中的水深和流速；待冲刷一段时间后，将泥沙收集筒中收集所得的泥沙采用烘干法进行烘干，测量冲刷的泥沙质量；然后根据公式计算土壤分离能力：

式中，D为土壤分离能力值，g/(m²·s)；m1为土壤湿重量，g；m2为土壤水分质量，g；m3为试验结束时土体干重量，g；t为冲刷时间，s；A为渠道表面面积，m²；

第六步：强度测试，用便携式十字剪切仪对处理后的土体进行抗剪强度的测试；

第七步：更换土样箱，对装有不同微生物矿化材料和施工工艺处理的土体，重复第三步至第六步；

第八步：通过对比不同参数和工艺处理后土体的透水性、抗剪强度和抗冲性，确定基于微生物矿化修建生态渠道的材料及施工工艺。