CN113605349A - 一种新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法 - Google Patents

一种新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法 Download PDF

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CN113605349A CN202111074019.7A CN202111074019A CN113605349A CN 113605349 A CN113605349 A CN 113605349A CN 202111074019 A CN202111074019 A CN 202111074019A CN 113605349 A CN113605349 A CN 113605349A
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杨森林
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Abstract

本发明公开了一种新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法，属于地质保护材料技术领域，包括水溶液以及固体物料，所述固体物料为沙质材料以及高聚物纳米材料，所述水溶液为自来水，所述水溶液以及固体物料的液固比为1:2，所述水溶液以及固体物料通过基质胶结作用形成网膜，所述网膜铺设于沙质斜坡的坡表，所述网膜厚2cm，将沙质斜坡的表面进行包裹并且自然风干形成固化体。该新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法，通过按照沙质斜坡的理论冲刷量以及试验冲刷量进行水溶液质量与固体物料质量的比值调配，并根据理论冲刷量以及试验冲刷量两者进行对比，合理选择液固比，使得固沙材料的防护效果达到最大限度的体现。

Description

一种新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法
技术领域
本发明属于地质保护材料技术领域，具体为一种新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法。
背景技术
沙漠坡面的冲刷是个极其复杂的物理过程、化学过程以及生物过程。它受到来至外界很多自然因素的影响，如沙土、地形、气候、植被等，同时还受到人类行为的干扰，各因素之间存在着错综复杂的相互作用。其影响结果有径流量大小，降雨对沙表的溅蚀能力的大小等，这些参数又取决于降雨特征、地质特点、地形地貌、以及植被发育等。
现有技术中，固沙材料在选用上并不是采取因地制宜的方式进行选择，往往不会按照当地的斜坡环境进行先期计算以及试验，容易导致固沙材料无法达到预期理想的效果。为了解决上述问题，我们提出了一种新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型高聚物纳米生态固沙材料，包括水溶液以及固体物料，所述固体物料为沙质材料以及高聚物纳米材料，所述水溶液为自来水，所述沙质材料、高聚物纳米材料以及自来水按照沙质斜坡的理论冲刷量以及试验冲刷量进行水溶液质量与固体物料质量的比值调配，所述水溶液以及固体物料的液固比为1:2，所述水溶液以及固体物料通过基质胶结作用形成网膜，所述网膜铺设于沙质斜坡的坡表，所述网膜厚2cm，将沙质斜坡的表面进行包裹并且自然风干形成固化体。
进一步优化本技术方案，所述沙质斜坡的理论冲刷量按照以下方式进行计算：
通过长度Δx的坡面水沙流单元体(横断面积为1cm×1cm)单宽径流量变化为
Figure BDA0003261427330000021
而在降雨和入渗因素影响下长度Δx的坡面水沙流单元体单宽径流量为(Q-I)cosθΔx，则坡长S处的单宽径流量为：
Figure BDA0003261427330000022
式中：q为水沙流单元体单宽流量(m2/s)；Q为单宽降雨强度(m/s)；I为单宽入渗系数(m/s)；S为坡长(m)；θ为坡度(°)；
通过曼宁公式可得坡长S处的水沙流流速v为：
Figure BDA0003261427330000023
式中：v为水沙流流速(m/s)；h为水流入渗平均深度(m)；θ为坡度(°)；n为坡面等效粗糙系数；
结合式(1)和式(2)，得到式(3)：
Figure BDA0003261427330000024
根据能量守恒定律，水沙流的冲刷作用可以通过能量转换来分析，通过分析水沙流在坡面流动过程中的物质变化和能量转换，建立水沙体冲刷能量平衡方程为：
Figure BDA0003261427330000025
式中：Eh为水沙流单元在坡顶的初始势能(J)；E1 v为水沙流单元在坡顶的动能(J)；Ef为水沙流单元流经坡面时的摩擦耗能(J)；E2 v为水沙流单元在坡脚的动能(J)；
因自然沙漠斜坡不存在坡面汇水条件，即坡顶的水沙流单元体初始速度为0，根据公式(4)，即E1 v为零；在坡顶的初始势能Eh计算见式(5)：
Eh＝mgH＝mgS sinθ (5)
式中：m为水沙流单元初始质量(kg)；H为水沙流单元初始坡高(m)；
对于水沙流单元流经坡面时的摩擦耗能与单元体的质量变化有关；从式(1)可以看出坡面流量变化与坡长成线性关系，同时含沙量要比水流量小得多，因此近似认为水沙流变化量与坡长成线性关系，于是在坡面任意距离x处的水沙流质量为
Figure BDA0003261427330000031
摩擦耗能与摩擦力相关，即摩擦力
Figure BDA0003261427330000032
则摩擦能计算式为：
Figure BDA0003261427330000033
式中：Δm为水沙流变化量(kg)；
联立式(4)(5)和式(6)得到水沙体冲刷能量平衡方程：
mgSsinθ＝ngS(m+0.5Δm)cosθ+0.5(m+Δm)v2 (7)
式中：v为水沙流在坡脚的速度(m/s)；
通过式(7)得到水沙流变化量计算式：
Figure BDA0003261427330000034
由于水沙流变化量Δm为水变化量ΔQ和沙变化量Δmˊ之和，则
Δmˊ＝Δm-ΔQ (9)
式中：ΔQ为水的变化量(kg)；Δmˊ为沙的变化量(kg)；
式(9)中水的变化量ΔQ与水流量q和时间t相关，时间t为：
Figure BDA0003261427330000035
式中：t为坡面汇水时间(s)；
结合式(1)、(3)、(9)和(10)，得到下式：
Figure BDA0003261427330000041
式(11)中的Δmˊ为沙的变化量，总的冲沙量要结合水的总流量来考虑；坡面上的汇水量近似等于坡脚处的总流量，即
M＝ρVB (12)
式中：ρ为水的密度(kg/m3)；V为水的体积(m3)；可通过流量和时间换算；B为斜坡宽度(m)；
根据式(11)和(12)，可得到总的冲沙量，即：
Figure BDA0003261427330000042
式中：Mˊ为总的冲刷量(g)；m为水沙流初始单元质量，0.1kg。
进一步优化本技术方案，通过对坡面冲刷影响，对降雨强度、降雨持时、坡度、等效粗糙系数和渗透系数的参数进行合理选取，并带入式(13)中，得到不同条件下冲刷量的理论计算结果。
进一步优化本技术方案，所述沙质斜坡的试验冲刷量按照以下方式进行计算：
选取雨强、坡度、持时和不同液固比四个因素进行室内冲刷模拟试验，试验降雨强度为150mm/h、200mm/h、250mm/h，通过雨强公式换算降雨量分别为3.5L/min、4.6L/min、5.8L/min；降雨持时为10min、20min、30min；坡度为30°、40°、50°；液固比为0:0、1:2、1:3；通过正交方法分别设计九组试验，通过九组试验的冲刷量值和下渗速率变化，了解不同影响因子对模拟斜坡坡面冲刷的影响。
一种新型高聚物纳米生态固沙材料的加固方法，基于上述的一种新型高聚物纳米生态固沙材料进行加固，包括以下具体加固步骤：
S1、按照液固比为1:2对水溶液以及固体物料进行混合制备，所述水溶液以及固体物料通过基质胶结作用形成网膜；
S2、在沙质斜坡的表面采用C25混凝土肋条骨架进行铺设；
S3、安设锚杆并进行挂网，将S1中的网膜进行铺设；
S4、后期进行定期养护。
进一步优化本技术方案，所述S3中，网膜铺设厚度为2cm，将沙质斜坡的表面进行包裹并且自然风干形成固化体。
与现有技术相比，本发明提供了一种新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法，具备以下有益效果：
该新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法，通过按照沙质斜坡的理论冲刷量以及试验冲刷量进行水溶液质量与固体物料质量的比值调配，并根据理论冲刷量以及试验冲刷量两者进行对比，合理选择液固比，使得固沙材料的防护效果达到最大限度的体现。
附图说明
图1为本发明提出的一种新型高聚物纳米生态固沙材料加固方法的流程示意图；
图2为本发明提出的一种新型高聚物纳米生态固沙材料的试验模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
一种新型高聚物纳米生态固沙材料，包括水溶液以及固体物料，所述固体物料为沙质材料以及高聚物纳米材料，所述水溶液为自来水，所述沙质材料、高聚物纳米材料以及自来水按照沙质斜坡的理论冲刷量以及试验冲刷量进行水溶液质量与固体物料质量的比值调配，所述水溶液以及固体物料的液固比为1:2，所述水溶液以及固体物料通过基质胶结作用形成网膜，所述网膜铺设于沙质斜坡的坡表，所述网膜厚2cm，将沙质斜坡的表面进行包裹并且自然风干形成固化体。
具体的，所述沙质斜坡的理论冲刷量按照以下方式进行计算：
通过长度Δx的坡面水沙流单元体(横断面积为1cm×1cm)单宽径流量变化为
Figure BDA0003261427330000061
而在降雨和入渗因素影响下长度Δx的坡面水沙流单元体单宽径流量为(Q-I)cosθΔx，则坡长S处的单宽径流量为：
Figure BDA0003261427330000062
式中：q为水沙流单元体单宽流量(m2/s)；Q为单宽降雨强度(m/s)；I为单宽入渗系数(m/s)；S为坡长(m)；θ为坡度(°)；
通过曼宁公式可得坡长S处的水沙流流速v为：
Figure BDA0003261427330000063
式中：v为水沙流流速(m/s)；h为水流入渗平均深度(m)；θ为坡度(°)；n为坡面等效粗糙系数；
结合式(1)和式(2)，得到式(3)：
Figure BDA0003261427330000064
根据能量守恒定律，水沙流的冲刷作用可以通过能量转换来分析，通过分析水沙流在坡面流动过程中的物质变化和能量转换，建立水沙体冲刷能量平衡方程为：
Figure BDA0003261427330000065
式中：Eh为水沙流单元在坡顶的初始势能(J)；E1 v为水沙流单元在坡顶的动能(J)；Ef为水沙流单元流经坡面时的摩擦耗能(J)；E2 v为水沙流单元在坡脚的动能(J)；
因自然沙漠斜坡不存在坡面汇水条件，即坡顶的水沙流单元体初始速度为0，根据公式(4)，即E1 v为零；在坡顶的初始势能Eh计算见式(5)：
Eh＝mgH＝mgS sinθ (5)
式中：m为水沙流单元初始质量(kg)；H为水沙流单元初始坡高(m)；
对于水沙流单元流经坡面时的摩擦耗能与单元体的质量变化有关；从式(1)可以看出坡面流量变化与坡长成线性关系，同时含沙量要比水流量小得多，因此近似认为水沙流变化量与坡长成线性关系，于是在坡面任意距离x处的水沙流质量为
Figure BDA0003261427330000071
摩擦耗能与摩擦力相关，即摩擦力
Figure BDA0003261427330000072
则摩擦能计算式为：
Figure BDA0003261427330000073
式中：Δm为水沙流变化量(kg)；
联立式(4)(5)和式(6)得到水沙体冲刷能量平衡方程：
mgSsinθ＝ngS(m+0.5Δm)cosθ+0.5(m+Δm)v2 (7)
式中：v为水沙流在坡脚的速度(m/s)；
通过式(7)得到水沙流变化量计算式：
Figure BDA0003261427330000074
由于水沙流变化量Δm为水变化量ΔQ和沙变化量Δmˊ之和，则
Δmˊ＝Δm-ΔQ (9)
式中：ΔQ为水的变化量(kg)；Δmˊ为沙的变化量(kg)；
式(9)中水的变化量ΔQ与水流量q和时间t相关，时间t为：
Figure BDA0003261427330000081
式中：t为坡面汇水时间(s)；
结合式(1)、(3)、(9)和(10)，得到下式：
Figure BDA0003261427330000082
式(11)中的Δmˊ为沙的变化量，总的冲沙量要结合水的总流量来考虑；坡面上的汇水量近似等于坡脚处的总流量，即
M＝ρVB (12)
式中：ρ为水的密度(kg/m3)；V为水的体积(m3)；可通过流量和时间换算；B为斜坡宽度(m)；
根据式(11)和(12)，可得到总的冲沙量，即：
Figure BDA0003261427330000083
式中：Mˊ为总的冲刷量(g)；m为水沙流初始单元质量，0.1kg。
具体的，通过对坡面冲刷影响，对降雨强度、降雨持时、坡度、等效粗糙系数和渗透系数的参数进行合理选取，并带入式(13)中，得到不同条件下冲刷量的理论计算结果。
具体的，所述沙质斜坡的试验冲刷量按照以下方式进行计算：
如图2所示，在该试验模型中，选取雨强、坡度、持时和不同液固比四个因素进行室内冲刷模拟试验，试验降雨强度为150mm/h、200mm/h、250mm/h，通过雨强公式换算降雨量分别为3.5L/min、4.6L/min、5.8L/min；降雨持时为10min、20min、30min；坡度为30°、40°、50°；液固比为0:0、1:2、1:3；通过正交方法分别设计九组试验，通过九组试验的冲刷量值和下渗速率变化，了解不同影响因子对模拟斜坡坡面冲刷的影响。九组模拟试验的计算结果见表1。
表1降雨冲刷模拟试验理论计算与试验对比
Figure BDA0003261427330000091
Figure BDA0003261427330000101
从表1中可以看出，通过分析试验值和计算值比较接近，但等效粗糙系数随着降雨冲刷试验参数的变化而变化，经过对比，1:2液固比加固材料的斜坡产生的径流量更多，裹着沙土颗粒的量更大，其相应的冲刷量也较大。
实施例二：
请参阅图1，一种新型高聚物纳米生态固沙材料的加固方法，基于实施例一所述的一种新型高聚物纳米生态固沙材料进行加固，包括以下具体加固步骤：
S1、按照液固比为1:2对水溶液以及固体物料进行混合制备，所述水溶液以及固体物料通过基质胶结作用形成网膜；
S2、在沙质斜坡的表面采用C25混凝土肋条骨架进行铺设；
S3、安设锚杆并进行挂网，将S1中的网膜进行铺设；
S4、后期进行定期养护。
具体的，所述S3中，网膜铺设厚度为2cm，将沙质斜坡的表面进行包裹并且自然风干形成固化体。
本发明的有益效果是：该新型高聚物纳米生态固沙材料及其加固方法，通过按照沙质斜坡的理论冲刷量以及试验冲刷量进行水溶液质量与固体物料质量的比值调配，并根据理论冲刷量以及试验冲刷量两者进行对比，合理选择液固比，使得固沙材料的防护效果达到最大限度的体现。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种新型高聚物纳米生态固沙材料，包括水溶液以及固体物料，其特征在于，所述固体物料为沙质材料以及高聚物纳米材料，所述水溶液为自来水，所述沙质材料、高聚物纳米材料以及自来水按照沙质斜坡的理论冲刷量以及试验冲刷量进行水溶液质量与固体物料质量的比值调配，所述水溶液以及固体物料的液固比为1:2，所述水溶液以及固体物料通过基质胶结作用形成网膜，所述网膜铺设于沙质斜坡的坡表，所述网膜厚2cm，将沙质斜坡的表面进行包裹并且自然风干形成固化体。
2.根据权利要求1所述的一种新型高聚物纳米生态固沙材料，其特征在于，所述沙质斜坡的理论冲刷量按照以下方式进行计算：
通过长度Δx的坡面水沙流单元体(横断面积为1cm×1cm)单宽径流量变化为
Figure FDA0003261427320000011
而在降雨和入渗因素影响下长度Δx的坡面水沙流单元体单宽径流量为(Q-I)cosθΔx，则坡长S处的单宽径流量为：
Figure FDA0003261427320000012
式中：q为水沙流单元体单宽流量(m2/s)；Q为单宽降雨强度(m/s)；I为单宽入渗系数(m/s)；S为坡长(m)；θ为坡度(°)；
通过曼宁公式可得坡长S处的水沙流流速v为：
Figure FDA0003261427320000013
式中：v为水沙流流速(m/s)；h为水流入渗平均深度(m)；θ为坡度(°)；n为坡面等效粗糙系数；
结合式(1)和式(2)，得到式(3)：
Figure FDA0003261427320000014
根据能量守恒定律，水沙流的冲刷作用可以通过能量转换来分析，通过分析水沙流在坡面流动过程中的物质变化和能量转换，建立水沙体冲刷能量平衡方程为：
Figure FDA0003261427320000021
式中：Eh为水沙流单元在坡顶的初始势能(J)；E1 v为水沙流单元在坡顶的动能(J)；Ef为水沙流单元流经坡面时的摩擦耗能(J)；E2 v为水沙流单元在坡脚的动能(J)；
因自然沙质斜坡不存在坡面汇水条件，即坡顶的水沙流单元体初始速度为0，根据公式(4)，即E1 v为零；在坡顶的初始势能Eh计算见式(5)：
Eh＝mgH＝mgS sinθ (5)
式中：m为水沙流单元初始质量(kg)；H为水沙流单元初始坡高(m)；
对于水沙流单元流经坡面时的摩擦耗能与单元体的质量变化有关；从式(1)可以看出坡面流量变化与坡长成线性关系，同时含沙量要比水流量小得多，因此近似认为水沙流变化量与坡长成线性关系，于是在坡面任意距离x处的水沙流质量为
Figure FDA0003261427320000022
摩擦耗能与摩擦力相关，即摩擦力
Figure FDA0003261427320000023
则摩擦能计算式为：
Figure FDA0003261427320000024
式中：Δm为水沙流变化量(kg)；
联立式(4)(5)和式(6)得到水沙体冲刷能量平衡方程：
mgS sinθ＝ngS(m+0.5Δm)cosθ+0.5(m+Δm)v2 (7)
式中：v为水沙流在坡脚的速度(m/s)；
通过式(7)得到水沙流变化量计算式：
Figure FDA0003261427320000025
由于水沙流变化量Δm为水变化量ΔQ和沙变化量Δmˊ之和，则
Δmˊ＝Δm-ΔQ (9)
式中：ΔQ为水的变化量(kg)；Δmˊ为沙的变化量(kg)；
式(9)中水的变化量ΔQ与水流量q和时间t相关，时间t为：
Figure FDA0003261427320000031
式中：t为坡面汇水时间(s)；
结合式(1)、(3)、(9)和(10)，得到下式：
Figure FDA0003261427320000032
式(11)中的Δmˊ为沙的变化量，总的冲沙量要结合水的总流量来考虑；坡面上的汇水量近似等于坡脚处的总流量，即
M＝ρVB (12)
式中：ρ为水的密度(kg/m3)；V为水的体积(m3)；可通过流量和时间换算；B为斜坡宽度(m)；
根据式(11)和(12)，可得到总的冲沙量，即：
Figure FDA0003261427320000033
式中：Mˊ为总的冲刷量(g)；m为水沙流初始单元质量，0.1kg。
3.根据权利要求2所述的一种新型高聚物纳米生态固沙材料，其特征在于，通过对坡面冲刷影响，对降雨强度、降雨持时、坡度、等效粗糙系数和渗透系数的参数进行合理选取，并带入式(13)中，得到不同条件下冲刷量的理论计算结果。
4.根据权利要求1所述的一种新型高聚物纳米生态固沙材料，其特征在于，所述沙质斜坡的试验冲刷量按照以下方式进行计算：
选取雨强、坡度、持时和不同液固比四个因素进行室内冲刷模拟试验，试验降雨强度为150mm/h、200mm/h、250mm/h，通过雨强公式换算降雨量分别为3.5L/min、4.6L/min、5.8L/min；降雨持时为10min、20min、30min；坡度为30°、40°、50°；液固比为0:0、1:2、1:3；通过正交方法分别设计九组试验，通过九组试验的冲刷量值和下渗速率变化，了解不同影响因子对模拟斜坡坡面冲刷的影响。
5.一种新型高聚物纳米生态固沙材料的加固方法，其特征在于，基于权利要求1-4所述的一种新型高聚物纳米生态固沙材料进行加固，包括以下具体加固步骤：
S1、按照液固比为1:2对水溶液以及固体物料进行混合制备，所述水溶液以及固体物料通过基质胶结作用形成网膜；
S2、在沙质斜坡的表面采用C25混凝土肋条骨架进行铺设；
S3、安设锚杆并进行挂网，将S1中的网膜进行铺设；
S4、后期进行定期养护。
6.根据权利要求5所述的一种新型高聚物纳米生态固沙材料的加固方法，其特征在于，所述S3中，网膜铺设厚度为2cm，将沙质斜坡的表面进行包裹并且自然风干形成固化体。
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