CN103592424B - 顺层岸坡承压水物理模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顺层岸坡承压水物理模型试验装置，涉及岩土工程技术领域，提供一种有助于分析不同外界条件对顺层滑坡承压水影响的顺层岸坡承压水物理模型试验装置。顺层岸坡承压水物理模型试验装置包括地表水入渗模拟单元、透水层试验槽段、库水位涨落模拟单元、测量单元；透水层试验槽段倾斜设置，透水层试验槽段内部填充有砂土；地表水入渗模拟单元具有储水功能，地表水入渗模拟单元包括排水管，排水管插入透水层试验槽段较高一端内部的砂土中；库水位涨落模拟单元具有储水功能，库水位涨落模拟单元包括渗流口，渗流口与透水层试验槽段较低一端连接；测量单元检测砂土内的承压水头值。本发明能够模拟出承压水现象的产生和变化过程，各影响因素的变化规律，和岸坡的结构特性与环境之间的相互作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种考虑地质结构条件（透水层倾角、渗透性）和岸坡环境条件（水库蓄泄水速率、水位、岸坡地下水补给条件）对顺层滑坡承压水影响的试验装置，主要用于进行不同渗透性、不同坡角、不同水位升降速度、不同补给条件下承压水变化模拟实验研究，同时研究承压水对于顺层岸坡的作用机理，属于岩土工程技术领域。
背景技术
水库滑坡问题一直受到政府、工程界和学术界等的高度重视，我国在库区滑坡灾害管理、滑坡机制研究和滑坡治理等方面取得了长足的进步，但是岸坡失稳事件仍时有发生，造成了严重的人身和财产损失。这种局面的形成，一方面反映了水库滑坡问题的复杂性；另一方面也说明水库滑坡理论研究欠深入，或者说理论模型与工程实践之间差距较大。
Kenney于1967年利用双滑块模型解释水库岸坡的失稳机制。该模型实际上是一个浮力模型，可以解释由于水库蓄水滑坡体浸水部分容重降低，导致部分滑坡的抗滑力下降现象。Kenney模型适用于渗透性良好的岸坡稳定评价，但是难以解释泄水引起的透水性弱的岸坡失稳问题。基于饱和非饱和渗流理论的岸坡稳定分析模型是目前最常使用的模型。该模型可以模拟降雨和水库蓄泄水引起的岸坡水动力学演变过程，也可与变形进行耦合分析。但是，该模型在结构性强的岸坡中适用性差，也无法解释大部分滑坡或岸坡变形出现在水库的蓄水期的现象。按该理论，蓄水产生的逆向渗透应该有利于岸坡稳定。
对于古滑坡和沉积岩顺层滑坡而言，存在如下根本性差异：(1)滑体的渗透系数很大，水库蓄水期间滑体内水位基本与库水位同步；(2)透水层由于粘粒含量较高，同时埋深较大，即使在旱季其含水量也接近饱和，同时其渗透系数较小（10-2-10-4cm/s量级），相对于滑体而言要小几个数量级。对于这类具有二元结构特征的滑坡而言，透水层的性状对滑坡的变形与稳定起控制作用，滑坡变形和失稳主要由透水层以下的承压水控制。承压水的产生可以是降雨作用，也可以是水库的蓄泄水作用。故顺层岸坡的承压水模型可以定性地解释泄滩滑坡和茅坪滑坡的稳定问题，以及三峡库区千将坪滑坡的失稳现象。
发明内容
为了克服现有岸坡稳定性模型：Kenney模型和基于饱和非饱和渗流理论的 岸坡稳定分析模型，无法解释水库顺层岸坡失稳的现象，在国际上提出一种新的水库岸坡失稳机制模型——承压水模型。
本发明要解决的技术问题是：提供一种有助于分析不同地质结构条件（透水层倾角、渗透性）和岸坡环境条件（水库蓄泄水速率、水位、岸坡地下水补给条件）对岸坡承压水影响的顺层岸坡承压水物理模型试验装置。
为解决上述问题采用的技术方案是：顺层岸坡承压水物理模型试验装置包括地表水入渗模拟单元、透水层试验槽段、库水位涨落模拟单元、测量单元；透水层试验槽段倾斜设置，透水层试验槽段内部填充有砂土；地表水入渗模拟单元具有储水功能，地表水入渗模拟单元包括排水管，排水管插入透水层试验槽段较高一端内部的砂土中；库水位涨落模拟单元具有储水功能，库水位涨落模拟单元包括渗流口，渗流口与透水层试验槽段较低一端连接；测量单元检测砂土内的承压水头值。
进一步的是：包括支架，支架包括试验槽支撑件和间隔设置的低支架和高支架，试验槽支撑件倾斜设置，试验槽支撑件低端放置在低支架上，高支架包括高度不同的至少两层放置板试验槽支撑件高端放置在放置板上，透水层试验槽段与试验槽支撑件连接，地表水入渗模拟单元与高支架连接。
进一步的是：透水层试验槽段包括槽盖、滤板和横截面形状为U形的槽体，槽盖与槽体连接并封闭槽体的开口，槽盖与槽体之间形成密闭的砂土空间，砂土设置于砂土空间内，砂土为河砂和黏土的混合物，滤板包括设置有若干小孔的板体和铺设在板体表面的土工布，滤板与槽体连接并覆盖渗流口。
进一步的是：地表水入渗模拟单元包括进水管，进水阀、水箱和出水阀，进水管通过进水阀与水箱连接，排水管通过出水阀与水箱连接，水箱上设置有溢流口。
进一步的是：排水管管口封闭，排水管插入砂土部分的管壁上均匀设置有若干小孔且该部分排水管的管壁上覆盖有土工布。
进一步的是：测量单元包括相互连接的渗压计和数据自动采集器，渗压计设置于砂土内，槽体的侧壁上设置有出线孔，连接渗压计和数据自动采集器的线缆穿过出线孔。
进一步的是：测量单元包括竖直设置的测压管，槽体的侧壁上设置有测压孔，测压管的检测端位于测压孔内，测压管的读数部分位于透水层试验槽段外部，槽体内部设置有覆盖测压孔的土工布。
进一步的是：渗压计数量至少为三件，各件渗压计沿透水层试验槽段长度方向均匀设置；测压管数量至少为三件，各件测压管沿透水层试验槽段长度方向均匀设置。
进一步的是：库水位涨落模拟单元包括水箱、水位观测管、水位阀和进出水阀，水位观测管显示水箱的水位，渗流口设置于水箱上，水位阀和进出水阀与水箱连接。
进一步的是：水位阀数量为至少两件，各件水位阀高度均不相同。
本发明的有益效果是：测量单元可以测得砂土内的承压水头值。
通过观察库水位涨落模拟单元的蓄水高度变化对应的砂土内的承压水头值变化，可以分析不同水库水位时顺层岸坡承压水头的变化情况；观察库水位涨落模拟单元泄水速率变化对应的砂土内的承压水头值变化，可以分析不同水库蓄泄水速率时顺层岸坡承压水头的变化情况。
通过观察地表水入渗模拟单元水位变化对应的砂土内的承压水头值变化，可以分析岸坡地下水补给条件对顺层岸坡承压水头的影响。
改变砂土的配方，即砂土的配比，改变砂土的渗透性，通过观察砂土不同渗透性对应的承压水头值变化，可以分析砂土渗透性对承压水头的影响。
通过观察不同透水层试验槽段的倾斜角度时砂土内的承压水头值变化，可以分析不同透水层倾角时，顺层岸坡承压水头的变化情况。
本发明能够模拟出承压水现象的产生和变化过程，各影响因素的变化规律，和岸坡的结构特性与环境之间的相互作用。
附图说明
图1是顺层岸坡承压水物理模型试验装置侧视图；
图2是顺层岸坡承压水物理模型试验装置俯视图；
图3是地表水入渗模拟单元结构示意图；
图4是透水层试验槽段的横截面图；
图中标记为：地表水入渗模拟单元1、进水阀101、地表水箱103、出水阀104、排水管105、透水层试验槽段2、测压孔201、槽盖202、砂土203、滤板204、出线孔205、槽体206、库水位涨落模拟单元3、水位观测管301、库位水箱302、水位阀303、进出水阀304、渗流口305、测量单元4、渗压计401、测压管402、数据自动采集器403、支架5、低支架501、试验槽支撑件502、高支架503、放置板504。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
顺层岸坡承压水物理模型试验装置包括地表水入渗模拟单元1、透水层试验槽段2、库水位涨落模拟单元3、测量单元4；透水层试验槽段2倾斜设置，透水层试验槽段2内部填充有砂土203；地表水入渗模拟单元1具有储水功能，地表水入渗模拟单元1包括排水管105，排水管105插入透水层试验槽段2较高一端内部的砂土203中；库水位涨落模拟单元3具有储水功能，库水位涨落模拟单元3包括渗流口305、渗流口305与透水层试验槽段2较低一端连接；测量单元4检测砂土203内的承压水头值。地表水入渗模拟单元1用于实现地表水入渗（到水库岸坡）模拟；透水层试验槽段2用于模拟水库岸坡；库水位涨落模拟单元3用于模拟水库，其水位涨落模拟水库水位涨落；测量单元4用于测量透水层试验槽段2内的砂土203的承压水头值。
通过观察库水位涨落模拟单元3的蓄水高度变化对应的砂土203内的承压水头值变化，可以分析不同水库水位时顺层岸坡承压水头的变化情况；观察库水位涨落模拟单元3泄水速率变化对应的砂土203内的承压水头值变化，可以分析不同水库蓄泄水速率变化时顺层岸坡承压水头的变化情况。通过观察部地表水入渗模拟单元1水位变化对应的改变砂土203内的承压水头值变化，可以分析岸坡地下水补给条件对顺层岸坡承压水头的影响。改变砂土203的配方，即砂土203的配比，改变砂土203的渗透性，通过观察砂土203不同渗透性对应的承压水头值变化，可以分析砂土203渗透性对承压水头的影响。通过观察不同透水层试验槽段2的倾斜角度时砂土203内的承压水头值变化，可以分析不同透水层倾角时，顺层岸坡承压水头的变化情况。本发明能够模拟出承压水现象的产生和变化过程，各影响因素的变化规律，和岸坡的结构特性与环境之间的相互作用。
为了实现透水层试验槽段2倾斜设置2，透水层试验槽段2应放置于倾斜的物体上，本发明设置了支架5，用于放置透水层试验槽段2并保证其倾斜，为了观察不同透水层试验槽段2的倾斜角度时砂土203内的承压水头值变化，透水层试验槽段2的倾角应可调。具体的是：顺层岸坡承压水物理模型试验装置包括支架5，支架5包括试验槽支撑件502和间隔设置的低支架501和高支架503，试验槽支撑件502倾斜设置，试验槽支撑件502低端放置在低支架501上，高支架503包括高度不同的至少两层放置板504，试验槽支撑件502高端放置在放置板503上，透水层试验槽段2与试验槽支撑件502连接，地表水入渗模拟 单元1与高支架502连接。将透水层试验槽段2放置于高度不同的放置板504上可改变其倾角，放置板504可根据需要设置多个。
透水层试验槽段2具体结构可以如下：透水层试验槽段2包括槽盖202、滤板204和横截面形状为U形的槽体206，槽盖202与槽体206连接并封闭槽体206的开口，槽盖202与槽体206之间形成密闭的砂土空间，砂土203设置于砂土空间内，砂土203为河砂和黏土的混合物，滤板204包括设置有若干小孔的板体和铺设在板体表面的土工布，滤板204与槽体206连接并覆盖渗流口305。槽盖202和槽体206用有机玻璃制成，槽盖202和槽体206连接后总尺寸为：长5m、宽0.2m、高0.3m，在槽盖202较高一端设置一小孔，以便地表水入渗模拟单元1的排水管105伸入，设置滤板204可以防止砂土203进入库水位涨落模拟单元3。
砂土203用于模拟岸坡的土壤，采用粉细砂和粘土按一定比例进行拌合而成，拌合料的渗透系数通过渗透试验确定，控制在10-2～10-4cm/s量级。砂土203配置成功后，采用分层分段对槽体206进行填筑。槽体206长度方向每0.5m为一段。槽体206高度方向共分三层填筑，每层按之前渗透试验拌合料密实度进行铺设，保证砂样的均匀性，并将测量单元4（渗压计（401））用土工布包裹埋设于第二层。砂土203装样完毕后，在砂土203的全断面人工洒水，使砂土203充分沉降，再对沉降量较大的部分砂土203进行补平，为防止砂土203和有机玻璃板制成的槽体206之间在试验过程中形成优势渗流通道，在砂土203表面涂抹一层1cm厚的粘性土，在安装槽盖202时，为保证密闭性，槽盖202与槽体206间涂一层玻璃胶，并以螺栓连接，如图4所示。
地表水入渗模拟单元1具体结构可以如下：地表水入渗模拟单元1包括进水管，进水阀101、地表水箱103和出水阀104，进水管通过进水阀101与地表水箱103连接，排水管105通过出水阀104与地表水箱103连接，地表水箱103上设置有溢流口102。进水管连接自来水管，进水阀101为进水的开关，用于控制进水量；地表水箱103用于储水；出水阀104为排水的开关，用于控制排水管105是否往砂土203中渗水；溢流口102在地表水箱103内水位到达一定高度后自动溢流，保证地表水箱103内水头不变。
为了便于水均匀渗入砂土203，排水管105管口封闭，排水管105插入砂土203部分的管壁上均匀设置有若干小孔且该部分排水管105的管壁上覆盖有土工布。土工布用于防止小孔堵塞，小孔数量推荐为四十个。
测量单元4具体结构可以如下：测量单元4包括相互连接的渗压计401和数据自动采集器403，渗压计401设置于砂土203内，槽体206的侧壁上设置有出线孔205，连接渗压计401和数据自动采集器403的线缆穿过出线孔205。通过数据自动采集器403可以自动记录渗压计401测得的砂土203内的承压水头值。
为了便于人工即时直观读取砂土203内的承压水头值，测量单元4包括竖直设置的测压管402，槽体206的侧壁上设置有测压孔201，测压管402的检测端位于测压孔201内，测压管402的读数部分位于透水层试验槽段2外部，槽体206内部设置有覆盖测压孔201的土工布。测压管402能够直接读数。
为了能够同时检测多个位置砂土203内的承压水头值：渗压计401数量至少为三件，各件渗压计401沿透水层试验槽段2长度方向均匀设置；测压管402数量至少为三件，各件测压管402沿透水层试验槽段2长度方向均匀设置。推荐渗压计401数量为六件，测压管402数量为十八件。
库水位涨落模拟单元具体结构可以如下：库水位涨落模拟单元包括库位水箱302、水位观测管301、水位阀303和进出水阀304，水位观测管301显示库位水箱302的水位，渗流口305设置于库位水箱302上，水位阀303和进出水阀304与库位水箱302连接。库位水箱302用于储水；通过水位观测管301可直观看到库位水箱302内水位；水位阀303实际为溢流装置，当库位水箱302内水位到达水位阀303时，水位阀303溢流，使库位水箱302内水位保持恒定；进出水阀304用于控制往库位水箱302内注水或库位水箱302排水，并能控制注水和排水速度。
为了库位水箱302水位能够保持在不同的位置，水位阀303数量为至少两件，各件水位阀303高度均不相同。推荐设置十件水位阀303，水位阀303具体布置方式参见图1。
Claims (9)
1.顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：包括地表水入渗模拟单元(1)、透水层试验槽段(2)、库水位涨落模拟单元(3)、测量单元(4)；透水层试验槽段(2)倾斜设置，透水层试验槽段(2)内部填充有砂土(203)；地表水入渗模拟单元(1)具有储水功能，地表水入渗模拟单元(1)包括排水管(105)，排水管(105)插入透水层试验槽段(2)较高一端内部的砂土(203)中；库水位涨落模拟单元(3)具有储水功能，库水位涨落模拟单元(3)包括渗流口(305)，渗流口(305)与透水层试验槽段(2)较低一端连接；测量单元(4)检测砂土(203)内的承压水头值；
透水层试验槽段(2)包括槽盖(202)、滤板(204)和横截面形状为U形的槽体(206)，槽盖(202)与槽体(206)连接并封闭槽体(206)的开口，槽盖(202)与槽体(206)之间形成密闭的砂土空间，砂土(203)设置于砂土空间内，砂土(203)为河砂和黏土的混合物，滤板(204)包括设置有若干小孔的板体和铺设在板体表面的土工布，滤板(204)与槽体(206)连接并覆盖渗流口(305)。
2.根据权利要求1所述的顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：包括支架(5)，支架(5)包括试验槽支撑件(502)和间隔设置的低支架(501)和高支架(503)，试验槽支撑件(502)倾斜设置，试验槽支撑件(502)低端放置在低支架(501)上，高支架(503)包括高度不同的至少两层放置板(504)，试验槽支撑件(502)高端放置在放置板(503)上，透水层试验槽段(2)与试验槽支撑件(502)连接，地表水入渗模拟单元(1)与高支架(502)连接。
3.根据权利要求1所述的顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：地表水入渗模拟单元(1)包括进水管，进水阀(101)、地表水箱(103)和出水阀(104)，进水管通过进水阀(101)与地表水箱(103)连接，排水管(105)通过出水阀(104)与地表水箱(103)连接，地表水箱(103)上设置有溢流口(102)。
4.根据权利要求1所述的顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：排水管(105)管口封闭，排水管(105)插入砂土(203)部分的管壁上均匀设置有若干小孔且该部分排水管(105)的管壁上覆盖有土工布。
5.根据权利要求1所述的顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：测量单元(4)包括相互连接的渗压计(401)和数据自动采集器(403)，渗压计(401)设置于砂土(203)内，槽体(206)的侧壁上设置有出线孔(205)，连接渗压计(401)和数据自动采集器(403)的线缆穿过出线孔(205)。
6.根据权利要求5所述的顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：测量单元(4)包括竖直设置的测压管(402)，槽体(206)的侧壁上设置有测压孔(201)，测压管(402)的检测端位于测压孔(201)内，测压管(402)的读数部分位于透水层试验槽段(2)外部，槽体(206)内部设置有覆盖测压孔(201)的土工布。
7.根据权利要求6所述的顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：渗压计(401)数量至少为三件，各件渗压计(401)沿透水层试验槽段(2)长度方向均匀设置；测压管(402)数量至少为三件，各件测压管(402)沿透水层试验槽段(2)长度方向均匀设置。
8.根据权利要求1或2所述的顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：库水位涨落模拟单元包括库位水箱(302)、水位观测管(301)、水位阀(303)和进出水阀(304)，水位观测管(301)显示库位水箱(302)的水位，渗流口(305)设置于库位水箱(302)上，水位阀(303)和进出水阀(304)与库位水箱(302)连接。
9.根据权利要求8所述的顺层岸坡承压水物理模型试验装置，其特征在于：水位阀(303)数量为至少两件，各件水位阀(303)高度均不相同。
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