CN102680663A - 滑坡物理模型试验水位自动化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，包括水槽、控制柜和坡表信息采集装置；水槽为两个，分别用于设置在滑坡物理模型试验框架的前部和后部；两个水槽与滑坡模型接触的侧面分别设有若干组给排水孔；每一水槽的底部分别连接有进出水管道，在进水管道上设有水泵和进水电磁阀，在出水管道上设有排水电磁阀；两个水槽内分别设有液位变送器，用于监测水槽内的水位；控制柜与全部液位变送器、水泵、进水电磁阀和排水电磁阀分别连接，用于接收水位信号并控制各水泵和电磁阀的开关；坡表信息采集装置设置于滑坡物理模型试验框架前部的水槽上方。本系统能够高精度、全方位地监测库水位变化条件下滑坡坡表位移等参数，为滑坡稳定性研究提供重要依据。

Description

滑坡物理模型试验水位自动化控制系统

技术领域

本发明属于地质灾害模型试验领域，具体的指一种滑坡物理模型试验水位自动化控制系统。

背景技术

因水库调度运营需要，库水位长期处于升降变动之中，库岸边坡内外水体的相互补给使其内部渗流场发生变化，因而孔隙水压力场也处在不断变化之中，这影响了库岸边坡的稳定性，往往会加剧甚至诱发滑坡。

在国外，F. O. Jones等人（1961）调查并研究了Roosevelt湖周边1941~1953年间发生的滑坡，研究结果表明，49%的滑坡发生在1941~1942年蓄水初期，30%的滑坡在水位骤降10~20m的情况下发生，其余为发生在其它时间段的小型滑坡；日本学者经统计发现，大约60%的水库滑坡发生在库水位骤降时期，其余近40%的水库滑坡发生在水位上升时期，包括蓄水初期。

国内方面，随着三峡水库蓄水以及蓄水后的正常运行，库区水位变化对库区内滑坡的稳定性产生着重要影响。根据三峡水库的调控方案，每年库水位将在145~175m范围内周期性波动，极大地改变了滑坡体内的水文地质条件，降低了滑坡稳定性。例如：滑坡涉水段在水的浸泡下发生软化作用，使岩土体抗剪强度大大下降；库水位骤降引起滑体内孔隙中地下水渗流，会产生指向坡外的动水压力；水库蓄水使滑坡浸没水中，有效应力减小使得滑坡阻滑段抗滑力大大降低。此外，水库运营过程中，大量边坡和滑坡的加固治理工程全部或部分浸没在水下，抗滑桩和地质体的相互作用在很大程度上也受到库区蓄水和长期库水位升降作用的影响。

因此，对于库区边坡、滑坡而言，在进行滑坡稳定性评价、成因机制分析、防治工程设计等过程中，必须考虑库区蓄水和水位循环涨落这一重要影响因素。

目前，库区滑坡稳定性研究方法主要有工程地质分析法、刚体极限平衡法、数值模拟方法和物理模型试验等。其中：工程地质分析法只能对滑坡稳定性进行定性评价；刚体极限平衡法过于简化，且不能给出滑坡的变形和位移状态；数值模拟方法在建模、参数选取方面与实际情况很难相符，本构模型高度概化，难以准确描述滑坡变形特征。而物理模型试验可同时考虑多种因素及复杂的边界条件，能够直观地模拟岩土体的变形和破坏机理，被广泛用于重大工程和复杂、特殊结构的建筑物。滑坡物理模型试验属于地质力学模型试验的范畴，早在80年代，国内外的学者就开始采用该方法研究滑坡的稳定性，21世纪以来，研究人员在考虑水位作用的滑坡物理模型试验研究方面取得了一些研究成果，其具有代表性的研究成果简介如下。

2004年，张均锋等人以箱体、透水板、挡网、插板为主要构件公开了一种水诱发滑坡模拟试验装置，用于模拟库水位涨落、上游供水、地下水位变化对滑坡的影响，并在此基础上提出了具体的试验方法。

同年，李世海等人发展了水诱发滑坡模型试验，该实验装置主要包括试验台、试验箱、供水系统和设置在试验箱上的滑坡体，可对滑坡失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面积之间的关系开展研究。

2006年，罗先启等人研发了一种可考虑降雨作用的大型滑坡物理模型试验系统，该系统集起降系统、降雨系统、监测系统于一体，实现了系统集成化、自动化。

2008年，李邵军等人以离心模型试验为手段，基于三峡库区典型滑坡的工程地质特征，建立相应的土质边坡离心模型，模拟库区边坡在水位升降作用下的失稳过程，获取了该试验条件下的土坡在水位升降过程中典型位置的孔隙水压力变化、全断面位移矢量演化、滑面形态及裂缝形成发展过程，并详细分析了边坡在这种外部水环境影响下的变形演化、失稳和破坏模式。

2009年，贾官伟等人通过水位控制系统实现坡外水位的骤降，利用仪器设备详细记录水位骤降过程中边坡内的孔隙水压力、土水总压力，滑动面形态及坡面裂缝的形成和发展过程，揭示水位骤降引起边坡失稳的原因及模式。

2011年，王世梅等人发明了一种由前面板、后面板、左面板、右面板组成的滑坡模型试验装置，其最大的优点在于便于调节、拆卸组装、方便搬运移动及试验后的改装。

2012年，范永波等人公开了一种多因素作用下的大型滑坡物理模型试验系统，具有大尺度、高精度、分段式特点，并且考虑了多种水动力耦合作用，利用多场测试手段获取滑坡各阶段的关键参数。

虽然上述研究成果中关于水位模拟系统或装置的研发在一定程度上促进了滑坡物理模型试验的发展，但分析上述多个水位模拟系统或装置，发现均存在一定程度的局限或缺陷：

（1）考虑库水作用的传统滑坡物理模型装置一般将滑坡体后部渗流边界设为定水头边界条件，与实际滑坡变化的渗流场特征不符；

（2）模拟滑坡内部地下水位是通过在滑坡后缘安装马氏管供水系统，根据马氏管的位置高度来控制滑坡后缘补给水位的方式，虽然其具备控制水位或提供稳定流量的功能，但不能实时动态模拟滑坡不同阶段的地下水位；

（3）库水位升降模拟时，水位控制的自动化程度低，需要试验员在试验过程中不间断的进行补、排水调控，工作量巨大；同时，人工进行补、排水工作，很难满足水位高度的精确控制，并且难以保持稳定的水位高度和实现水位的动态调整；

（4）传统试验中，滑坡物理模型加载需用液压千斤顶提供动力，其控制系统复杂、操作繁琐，一般需要额外设计和制作反力装置，设计复杂、试验的成本较高；

（5）传统试验中，一般通过普通数字摄像方法实现对滑坡模型坡表信息的采集，但是普通数字摄像精度较低，很难反映滑坡表面局部细微变形，也不能够三维重现滑坡发展、破坏过程中坡表变形情况；另一方面，由于水面的反射，采用普通数字摄像方法无法采集水位以下滑体段的位移数据，而滑坡涉水部分的数据缺失，将影响到库水位作用下滑坡的演化过程分析；再者，普通数字摄像方法图像采集效率低、图像处理难度大，需要耗费大量时间进行数据整理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，能够高精度、全方位地监测库水位变化条件下滑坡坡表位移等参数，为滑坡稳定性研究提供重要依据。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，包括水槽、控制柜和坡表信息采集装置；所述水槽为两个，分别用于设置在滑坡物理模型试验框架的前部和后部；两个水槽与滑坡模型接触的侧面分别设有若干组给排水孔；每一水槽的底部分别连接有进出水管道，在进水管道上设有水泵和进水电磁阀，在出水管道上设有排水电磁阀；两个水槽内分别设有液位变送器，用于监测水槽内的水位；所述控制柜与全部液位变送器、水泵、进水电磁阀和排水电磁阀分别连接，用于接收水位信号并控制各水泵和电磁阀的开关；所述坡表信息采集装置设置于滑坡物理模型试验框架前部的水槽上方。

上述技术方案中，所述控制系统还包括自重式水平加载机构，设置于滑坡物理模型试验框架后部的水槽上方；所述自重式水平加载机构包括下滑平台和承载平台，下滑平台通过支撑杆支撑于水槽上方并向滑坡物理模型试验框架倾斜，倾斜方向与滑坡物理模型滑面方向一致，承载平台的底面与下滑平台相配置、可沿下滑平台的倾斜方向自由滑动。

进一步地，所述下滑平台上沿其倾斜方向设有至少一排金属滑珠，所述承载平台的底面对应设有滑槽，滑槽与滑珠配合，用于承载平台的导向。

上述技术方案中，所述水槽外壁设有给排水孔的侧面固定有反滤网，用于阻挡滑坡模型中固体颗粒的流失。

进一步地，所述反滤网为覆盖有纱布的金属网。

上述技术方案中，所述滑坡物理模型试验框架前部的水槽上设有监测平台，所述坡表信息采集装置放置于监测平台顶面的凹槽上。

上述技术方案中，所述坡表信息采集装置为三维激光扫描仪。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本系统能够通过控制柜的控制完全实现动态模拟库水位及地下水位波动过程的自动化，符合滑坡实际的渗流场；同时，相对人工控制水位升降而言，其能实现无人值守情况下，自动按预先设定的库水位升降过程进行调控，有利于将试验研究人员从复杂、繁琐的重复劳动中解放出来并极大地提高了控制效率和精度；

（2）本系统能够通过自重式水平加载机构实现滑坡非完整地质力学模型的研究，极大的减少了完整地质力学模型制作的工作量，自重式加载方式简单，且加载大小和方向与滑坡模型的实际应力边界一致，其加载过程较液压千斤顶等设备稳定，无需额外设计和制作反力装置，降低了模型试验研究费用；

（3）本系统采用三维激光扫描仪用于坡表信息采集。三维激光扫描仪能够全程自动化采集滑坡模型表面各点的位移，其数据精度高，能够反映滑坡表面局部细微变形，三维重现滑坡发展、破坏过程中坡表变形情况，并且能透过水面监测滑坡涉水段位移数据；

（4）液位变送器的使用，能够实时监测水位，以实现水位的精确控制，控制精度可达毫米级；

（5）反滤网的设置，能够在实现不影响滑坡物理模型水源补给的情况下，防止固体颗粒土体在水流补给或排放中流失；

（6）整个水位自动化控制系统与滑坡物理模型试验框架独立，需要进行库水位模拟时将本系统与试验框架拼接安装即可，操作便捷；整个系统的耐久性好，可多次重复使用，也易于修理或更换，可广泛运用于包括土质滑坡、岩质滑坡等在内的各类地质力学模型试验研究中，其应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为图1中前缘水槽处的结构放大图。

图3为图2的右视图。

图4为图1中后缘水槽的结构示意图。

图5为图4的左视图。

图中：1—三维激光扫描仪，2—监测平台，3—水槽，4—液位变送器，5—标准施重块，6—承载平台，7—滑槽，8—滑珠，9—下滑平台，10—支撑杆，11—反滤网，12—进水电磁阀，13—排水电磁阀，14—水泵，15—水管，16—控制柜，17—触摸屏，18—给排水孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

如图1至图5所示，本发明提供的一种滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，包括水槽3、控制柜16、自重式水平加载机构和坡表信息采集装置。

水槽3为两个，可称为前缘水槽和后缘水槽，分别设置在滑坡物理模型试验框架的前部和后部。两个水槽3与滑坡接触的侧面分别设有若干组给排水孔18，用于通过调节水槽3内的水位设定试验框架内的水位，在水槽3外壁设有给排水孔18的侧面还固定有反滤网11，用于阻挡滑坡模型中固体颗粒的流失。每一水槽3的底部分别连接有进出水管道，在进水管道上设有水泵14和进水电磁阀12，在出水管道上设有排水电磁阀13，进出水管道外接水池。在两个水槽3内分别设有液位变送器4，用于监测水槽3内的水位。

控制柜16与全部液位变送器4、水泵14、进水电磁阀12和排水电磁阀13分别连接，用于接收水位信号并控制各水泵14和电磁阀的开关，控制柜16主要由控制器、继电器、接触器、断路器、连接线路及金属外壳构成，当相应水槽3内的水位高于或低于设定水位时，控制器将控制排水电磁阀13、水泵14和进水电磁阀12对水槽3内的水位进行调整，本实施例的控制柜16采用触摸屏17，并支持自动模式和手动模式，其中自动模式是通过触摸屏17设定所需模拟的水位及维持时间，以自动模拟在一种或多种水位状态条件下水位的波动；手动模式可根据试验需求手动快速排水或补水，例如试验前水槽3充水、试验后水槽3排水、试验中快速调整水位等情况。

自重式水平加载机构设置于上述后缘水槽的上方，它包括下滑平台9和承载平台6，下滑平台9通过支撑杆10支撑于该水槽3上方并向滑坡物理模型试验框架倾斜，倾斜方向与滑坡物理模型滑面方向一致，下滑平台9上沿其倾斜方向设有两排金属滑珠8，承载平台6的底面对应设有两条滑槽7，滑槽7与滑珠8配合，用于承载平台6的导向，使承载平台6可沿下滑平台9的倾斜方向自由滑动。承载平台6的顶面用于承载标准施重块5等重物，实现对滑坡模型的作用力加载。支撑杆10可配置不同长度的多对，用于改变下滑平台9的倾角，实现不同的加载角度。

坡表信息采集装置设置于上述前缘水槽的上方，本实施例的坡表信息采集装置为三维激光扫描仪1。前缘水槽上通过卡口固定有一个监测平台2，三维激光扫描仪1放置于监测平台2顶面的凹槽上。

应用上述控制系统进行试验的大致过程为：

1、制作滑坡物理模型。在滑坡物理模型试验框架内部按照设计坡形制作完成滑坡物理模型；

2、固定反滤网11。将反滤网11通过粘胶分别固定在两水槽3的给排水孔18一侧，防止在渗流过程中固体颗粒在水流补给或排放中流失；

3、拼接水槽3与滑坡物理模型试验框架。将水槽3和滑坡物理模型试验框架通过水槽卡口拼装成整体，中间接触部分用止水胶条粘结，以增加连接处的防水性能；

4、安装控制设备。将液位变送器4、进水电磁阀12、排水电磁阀13和水泵14通过控制缆线连接到控制柜16；

5、调试控制设备。通过触摸屏17的手动模式检测液位变送器4是否能够正确在触摸屏17上显示水槽3内的水位高度，确保水泵14能够正常进行抽水、进水电磁阀12和排水电磁阀13能够正常开启和关闭；

6、安装坡表信息采集装置。将三维激光扫描仪1固定在监测平台2上；

7、调试坡表信息采集装置。人工调试三维激光扫描仪1，确定其扫描的范围和扫描图像的精度；

8、进行水槽3初始充水。通过触摸屏17的手动模式开启水泵14完成水槽3的初始充水，充水高度低于所需模拟的最低水位高度；

9、安装自重式水平加载机构。将标准施重块5呈层状堆放在承载平台6上，调整下滑平台9的倾角，满足承载平台6作用在滑坡后缘的作用力与实际所需加载的荷载大小与方向一致；

10、设定控制程序。通过触摸屏17的自动模式输入需要模拟的不同水位条件，包括水位高度与持续时间；

11、开始试验。通过触摸屏17启动设定的控制程序，开始试验；

12、停止试验。当控制程序运行结束后，自动停止试验；

13、水槽3排水。通过触摸屏17的手动模式启动排水电磁阀13排出水槽3内的水；

14、拆除自重式水平加载机构。拆卸堆放在承载平台6上的标准施重块5；

15、拆除坡表信息采集装置。拆卸安装在监测平台2上的三维激光扫描仪1；

16、拆除控制设备。将液位变送器4、进水电磁阀12、排水电磁阀13、水泵14的控制缆线与控制柜16断开；

17、拆卸水槽3。将水槽3通过卡口与滑坡物理模型试验框架分离，并拆除反滤网11；

18、清理滑坡物理模型；

19、结束试验，整理数据。

本发明的核心在于设置了独立于滑坡物理试验框架的水槽3及其水位自动调节系统，可通过组装、拼接与模型试验框架配套使用，能够动态模拟水位波动条件下滑坡内部水位的变化，进一步地，自重式水平加载机构可实现滑坡模型后缘水平向加载；通过监测平台2上安装的三维激光扫描仪1，全程自动化采集滑坡模型表面各点的位移，提高了数据采集的效率与精度，所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：自重式水平加载机构不限于上述承载平台6和下滑平台9的组合，只要能够加载所需的推力于滑坡模型即可；承载平台6和下滑平台9的配合方式也不限于实施例所述，只要便于二者的相对滑动即可；坡表信息采集装置的设置方式也不限于监测平台2,等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于，它包括水槽（3）、控制柜（16）和坡表信息采集装置；所述水槽（3）为两个，分别用于设置在滑坡物理模型试验框架的前部和后部；两个水槽（3）与滑坡模型接触的侧面分别设有若干组给排水孔（18）；每一水槽（3）的底部分别连接有进出水管道，在进水管道上设有水泵（14）和进水电磁阀（12），在出水管道上设有排水电磁阀（13）；两个水槽（3）内分别设有液位变送器（4），用于监测水槽（3）内的水位；所述控制柜（16）与全部液位变送器（4）、水泵（14）、进水电磁阀（12）和排水电磁阀（13）分别连接，用于接收水位信号并控制各水泵（14）和电磁阀的开关；所述坡表信息采集装置设置于滑坡物理模型试验框架前部的水槽（3）上方。

2.根据权利要求1所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：还包括自重式水平加载机构，设置于滑坡物理模型试验框架后部的水槽（3）上方；所述自重式水平加载机构包括下滑平台（9）和承载平台（6），下滑平台（9）通过支撑杆（10）支撑于水槽（3）上方并向滑坡物理模型试验框架倾斜，倾斜方向与滑坡物理模型滑面方向一致，承载平台（6）的底面与下滑平台（9）相配置、可沿下滑平台（9）的倾斜方向自由滑动。

3.根据权利要求2所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：所述下滑平台（9）上沿其倾斜方向设有至少一排金属滑珠（8），所述承载平台（6）的底面对应设有滑槽（7），滑槽（7）与滑珠（8）配合，用于承载平台（6）的导向。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：所述水槽（3）外壁设有给排水孔（18）的侧面固定有反滤网（11），用于阻挡滑坡模型中固体颗粒的流失。

5.根据权利要求4所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：所述反滤网（11）为覆盖有纱布的金属网。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：所述滑坡物理模型试验框架前部的水槽（3）上设有监测平台（2），所述坡表信息采集装置放置于监测平台（2）顶面的凹槽上。

7.根据权利要求4所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：所述滑坡物理模型试验框架前部的水槽（3）上设有监测平台（2），所述坡表信息采集装置放置于监测平台（2）顶面的凹槽上。

8.根据权利要求5所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：所述滑坡物理模型试验框架前部的水槽（3）上设有监测平台（2），所述坡表信息采集装置放置于监测平台（2）顶面的凹槽上。

9.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：所述坡表信息采集装置为三维激光扫描仪（1）。

10.根据权利要求4所述的滑坡物理模型试验水位自动化控制系统，其特征在于：所述坡表信息采集装置为三维激光扫描仪（1）。

Images