CN106124739A - 一种多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，包括支撑座以及顺序连接的上滑段、过渡段和下滑段，支撑座为高度调节机构，高度调节机构的顶端与上滑段入口端的下表面连接；上滑段包括上滑槽、挡板和转动连接件，挡板安装于上滑槽中；过渡段为与转动连接相匹配的弧形滑槽，过渡段与转动连接件铰接；下滑段包括下滑槽和调节模块，下滑段的其中一个槽壁与过渡段铰接、另一个槽壁通过调节模块与过渡段连接；本发明可以开展多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验，主要包括滑坡高度、滑坡体积与地形条件三大因素，而其中的地形条件因素又包括坡度、基底和滑移路径走向，并且可以根据不同的地质条件进行往复试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种滑坡动力学过程物理模型试验装置，属于地质灾害模型试验技术领域。
背景技术
高速远程滑坡动力学过程一直是国内外学者研究的热点问题。按照高速远程滑坡演化规律，可将动力学过程划分为启程、近程与远程三个阶段。滑体从剪出口滑出至最终停止堆积整个过程涉及近程与远程两个阶段，可统称为运动堆积阶段。由于高速远程滑坡运动堆积过程具有独特的动力学规律，能够以极高速度短时间内滑动超远距离，在滑坡体滑移的路径上往往都会演化为灾难性事件。高速远程滑坡作为一种常见地质灾害，严重威胁人民生命财产安全，开展高速远程滑坡动力学过程物理模型试验研究十分重要。
高速远程滑坡的研究方法主要有：现场勘察与监测、物理模型试验、数值模拟分析等。在众多方法中，相比较而言，现场勘察与实时监测最准确，但由于该方法实施难度比较大且需要大量的时间、人力和物力，且演化过程迅速，所以很难进行现场实施；采用数值模拟方法分析滑坡动力学特征实施起来较为简单，但建立滑坡模型时往往进行简化处理，不够精确，与滑坡的实际情况有一定的差异；室内物理模拟试验能够较好地反映滑坡灾害体发生时所处的地质特征，所得结果就相对精确，且在室内实验室就可以完成，降低了时间、人力、物力的消耗，故室内物理模拟试验被广大研究和工程技术人员用于高速远程滑坡的稳定性评价研究中。
物理模型试验以相似原理为理论基础，是验证新理论和新方法可靠性的实践基础。长期以来，物理模型试验在国内外地质工程、岩土工程、土木工程以及采矿工程等研究中得到了广泛应用，是解决大型复杂工程课题的重要手段。现有的高速远程滑坡物理模型试验普遍存在着某一特定装置一般只能研究一个影响因素，而且存在单个试验周期长，成本较高，重复利用性能较差等问题。由于高速远程滑坡动力学过程影响因素众多，主要包括滑坡高度、滑坡体积与地形条件三大因素，而其中的地形条件因素又包括坡度、基底与滑移路径走向子因素。物理模型试验装置需要综合考虑上述因素，才能达到全面系统地开展高速远程滑坡动力学过程影响研究效果。
综上所述，物理模型试验可以直观地观察高速远程滑坡动力学全过程，能够弥补现场监测与数值模拟方法的不足。物理模型试验研究势必成为研究高速远程滑坡动力学过程的重要手段之一。
目前，在室内进行滑坡模拟实验时大都是结合某一个滑坡事件的现场调查地质资料设计实验，该方法虽然可以做到较为准确，但这种实验方法往往也会存在以下几点问题：(1)功能单一，针对某一特定装置一般只能研究一个影响因素；(2)试验周期长，成本较高；(3)重复利用性能较差；(4)对于大型物理模型试验装置，拆卸困难，不便于搬运组装。
发明内容
本发明的内容在于克服现有技术的不足，并提供一种多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，可以开展多个条件因素下不同的高速远程滑坡动力学过程物理模型试验。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，至少包括支撑座以及顺序连接的上滑段、过渡段和下滑段，所述支撑座为高度调节机构，高度调节机构的顶端与上滑段入口端的下表面连接；所述上滑段包括上滑槽、挡板和转动连接件，挡板垂直于上滑槽轴线安装于上滑槽中并且与上滑槽过盈配合，所述转动连接件为弧形槽，转动连接件固定于上滑槽的出口端上；所述过渡段为与转动连接相匹配的弧形滑槽，过渡段与转动连接件铰接并且转动连接件可在铅锤面上转动；所述下滑段包括下滑槽和调节模块，下滑段入口端的其中一个槽壁与过渡段对应的槽壁铰接并且下滑段可在水平面上转动，下滑段入口端的另一个槽壁通过调节模块与过渡段对应的槽壁连接，所述调节模块为长度调节组件。
过渡段与转动连接件均由弧形滑道和位于弧形滑道两侧的扇形板构成，扇形板的圆心处开设有销孔，过渡段与转动连接件通过水平布置的销轴铰接。
过渡段套于转动连接件外并且转动连接件的外表面上设有角度刻度；或者转动连接件套于过渡段外并且过渡段的外表面上设有角度刻度。
所述调节模块包括1块以上榫卯连接的挡块，榫头和榫眼分别位于挡块的两相对竖直侧面上，下滑段和过渡段均与挡块榫卯连接。
所述调节模块由导向板和1块以上挡块构成，导向板位于下滑段入口端的下方，导向板的上表面上开设有圆弧形的导槽，挡块的底面上设有与导槽间隙配合的楔块，楔块嵌于导槽中。
所述导槽上设有角度刻度；下滑段的下方设有与导向板厚度相同的垫块。
所述支撑座由顺序连接的受力底板、千斤顶和触地底板构成，受力底板的下表面上设有球槽，千斤顶的活塞顶部设有球头，球头与球槽间隙配合。
上滑槽和下滑槽均由直线滑道和位于直线滑道两侧的约束板构成，其中一侧的约束板为透明板，透明板位于上滑槽和下滑槽的同侧。
所述下滑槽的直线滑道中开设有填充槽。
所述下滑段与过渡段通过竖直布置的铰链铰接。
由上述技术方案可知，本发明提供的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，主体包括支撑座以及顺序连接的上滑段、过渡段和下滑段四个部分，上滑段、过渡段和下滑段分别用于模拟滑坡启程、近程与远程三个阶段的滑坡体移动路径，本发明对现有四个部分进行改进，整体可实现启动高度调节、启动体积调节和地形条件调节三个功能：
1、启动高度调节，用于模拟滑坡高度对高速远程滑坡动力学过程的影响研究，由上滑段实现，通过将挡板调节到上滑槽的不同位置使所要模拟的滑坡体初始滑动位置处于不同的高度，从而实现滑坡高度影响因素的变化；
2、启动体积调节，用于模拟滑坡体积对高速远程滑坡动力学过程的影响研究，由上滑段实现，挡板调节到上滑槽的不同位置，挡板上方所能放置的滑体体积量就会相应改变，从而实现滑坡体积影响因素的变化；
3、地形条件调节，用于模拟地形条件对高速远程滑坡动力学过程的影响研究，由于实际高速远程滑坡动力学过程中地形条件影响因素较为复杂，因此本发明对装置进行创新，从而可以实现坡度调节、基底调节与滑移路径走向调节三个子功能；
①坡度调节，用于研究滑坡坡角对高速远程滑坡动力学过程的影响，由支撑座实现，通过改变支撑座的支撑长度(高度)可以改变上滑段的坡度状态，上滑段的转动连接件与过渡段转动连接件铰接并且转动连接件可在铅锤面上转动，从而实现滑坡坡度影响因素的变化；
②基底调节，由下滑段实现，高速远程滑坡演化过程中滑体与运移路径之间存在剧烈摩擦与碰撞，表现为强烈的铲刮效应，下滑段槽底开设有一定高度的填充槽，槽内可以选择不同的材料(面粉、砂石、平板等)研究基底材料物质对动力学过程的影响，通过变化基底材料的含水率、密实度等参数研究相同基底材料不同性质条件下的高速远程滑坡动力学过程特征；
③滑移路径走向调节，用于研究滑移路径走向对高速远程滑坡动力学过程的影响，由调节模块实现，由于真实滑移路径走向较为复杂，本发明进行简化处理，在过渡段处增加一长度调节组件，下滑段出口端的其中一个槽壁直接与过渡段铰接、另一个槽壁通过调节模块与过渡段对应的槽壁连接，当调节模块的横向长度改变时，下滑段则偏移上滑段和过渡段所在铅锤面，使得滑坡体的移动路径改变。
调节模块由导向板和1块以上挡块构成，榫卯连接的挡块，榫头和榫眼分别位于挡块的两相对竖直侧面上，过渡段与挡块、下滑段与挡块以及相邻两块挡块均采用榫卯连接，结构简单并且角度调节方便，设置每块挡块均呈弧形并且弧度恒定，通过安装的挡块的数量即可简单计算下滑段的偏移角度；导向板位于下滑段入口端的下方，导向板的上表面上开设有圆弧形的导槽，挡块的底面上设有与导槽间隙配合的楔块，楔块嵌于导槽中，通过楔块与导槽配合保证下滑段偏移角度的精度，同时导槽通过楔块对挡块起到限位作用，使调节模块维持一固定形状，避免滑坡体在过渡段滑移方向改变时冲开调节模块，保证试验成功率；导槽上设有角度刻度，通过导槽的角度刻度可直接获取下滑段的偏移角度，垫块将下滑段托起一定高度，在对下滑段向左调整时提供空间，且可以保证下滑段处于水平状态。
支撑座由顺序连接的受力底板、千斤顶和触地底板构成，受力底板与千斤顶通过间隙配合的球头与球槽实现力传递，球头与球槽间隙配合，二者可相对转动并且摩擦阻力小，保证支撑力的均匀施加，过渡段与转动连接件通过水平布置的销轴铰接，过渡段与转动连接件中位于内部的零件上设有角度刻度，可直接获取上滑段的坡度。
上滑段与下滑段的其中一侧约束板采用高强度的透明材料制成，另一侧的约束板由高强度不透明材料制成，在开展滑坡模拟实验时可利用高速摄像机对滑坡发生的过程做数据采集。
与现有技术相比，本发明提供的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，具体如下优势：
(1)本发明可以开展多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验，主要包括滑坡高度、滑坡体积与地形条件三大因素，而其中的地形条件因素又包括坡度、基底和滑移路径走向，并且可以根据不同的地质条件进行往复试验。
(2)本发明采用较为简单的结构设计和高强度轻质材料，在保证试验效果的同时也很大程度上简化了制作与操作难度，既方便拆卸搬运，又利于组装。
(3)本发明研发的试验装置具有超高性价比，能够以合理成本实现多功能特征，能够重复使用，很大程度上降低了试验成本。
附图说明
图1为本发明提供的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置的整体结构示意图。
图2为支撑座的结构示意图。
图3为上滑段的结构示意图。
图4为过渡段的结构示意图。
图5为下滑段的结构示意图。
图6为下滑槽横截面的结构图。
图7为调节模块的结构示意图。
图8为导向板的结构示意图。
图9为挡块的结构示意图。
图10为下滑段摆动不同角度时装置的整体结构示意图。
其中，1-支撑座，11-受力底板，12-千斤顶，13-触地底板，14-球槽，15-球头，2-上滑段，21-上滑槽，211-上滑道透明约束板，22-挡板，23-转动连接件，3-过渡段，31-弧形滑道，32-扇形板，33-销轴，4-下滑段，41-下滑槽，411-下滑道透明约束板，42-调节模块，421-导向板，422-挡块，423-榫眼，424-榫头，425-导槽，426-楔块，427-挡边，43-铰链，44-垫块，45-填充槽，5-填充物。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
本发明提供的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其结构如图1所示，包括支撑座1以及顺序连接的上滑段2、过渡段3和下滑段4四个组成单元，四个组成单元的详细结构如下：
参见图2，所述支撑座1由顺序连接的受力底板11、千斤顶12和触地底板13构成，受力底板11的上表面与上滑段2背面直接接触、下表面上设有球槽14，千斤顶12的活塞顶部设有球头15，球头15与球槽间隙14配合，可以进行一定的角度融合，再配合受力底板的板状结构，保证支撑力的均匀施加，千斤顶12可以自身施加支撑力并且可以改变支撑长度，该功能在做对比实验时发挥着重要的作用，触地底板13采用圆盘状结构设计，增大接触地面面积，防止在实验过程中支撑座1受到压力而产生下陷造成实验不准确；
参见图3，所述上滑段2包括上滑槽21、挡板22和转动连接件23，挡板垂直于上滑槽轴线安装于上滑槽中并且与上滑槽过盈配合，上滑槽21由直线滑道和位于直线滑道两侧的约束板构成，其中一侧的约束板为透明板，即上滑道透明约束板211，转动连接件固定于上滑槽的出口端上，所述转动连接件23由弧形滑道和位于弧形滑道两侧的扇形板构成，扇形板的圆心处开设有销孔；
参见图4，所述过渡段为与转动连接件相匹配的弧形滑槽，过渡段由弧形滑道31和位于弧形滑道两侧的扇形板32构成，扇形板32的圆心处开设有销孔，销孔中安装有水平布置的销轴33，过渡段3与转动连接件23通过销轴33铰接并且转动连接件可在铅锤面上转动；过渡段3套于转动连接件23外并且转动连接件23的外表面上设有角度刻度；也可将转动连接件23套于过渡段3外，此时过渡段3的外表面上设有角度刻度；
参见图5，所述下滑段包括下滑槽41和调节模块42，下滑槽41由直线滑道和位于直线滑道两侧的约束板构成，其中一侧的约束板为透明板，即下滑道透明约束板411，上滑道透明约束板211与下滑道透明约束板411位于同一侧，二者均由高强度的透明材料制成，另一侧的约束板由高强度不透明材料制成，下滑槽41入口端的其中一个约束板与过渡段3对应的槽壁通过竖直布置的铰链43铰接并且下滑段可在水平面上转动，下滑段入口端的另一个约束板通过调节模块42与过渡段对应的槽壁连接，下滑段的下方设有垫块44，参见图6，下滑槽41的直线滑道中开设有填充槽45，开展不同实验时可以在填充槽内填充不同材料的填充物5，模拟滑坡运移路径上不同地质环境下的实验；
参见图7，所述调节模块42由导向板421和1块以上榫卯连接的挡块422构成，榫头424和榫眼423分别位于挡块422的两相对竖直侧面上，下滑槽41和过渡段3均与挡块422榫卯连接，导向板421位于下滑槽41入口端的下方，参见图8，所述导向板421为扇形板，导向板与垫块的厚度相同，导向板421其中一条边上设有挡边427，导向板421的上表面上开设有圆弧形的导槽425，参见图9，挡块422的底面上设有与导槽间隙配合的楔块426，楔块426嵌于导槽中，导槽上设有角度刻度；
调节模块是下滑段可以在水平面上摆动的核心所在，主要作用为改变滑移路径的走向，在设计过程中设定每一个挡块均为弧形板，对应的角度为10°，所以每加一块挡块，下滑段便可向左摆动10°，参见图10，从左到右依次为摆动0°，摆动10°，摆动20°。
Claims (10)
1.一种多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，至少包括支撑座以及顺序连接的上滑段、过渡段和下滑段，其特征在于：所述支撑座为高度调节机构，高度调节机构的顶端与上滑段入口端的下表面连接；所述上滑段包括上滑槽、挡板和转动连接件，挡板垂直于上滑槽轴线安装于上滑槽中并且与上滑槽过盈配合，所述转动连接件为弧形槽，转动连接件固定于上滑槽的出口端上；所述过渡段为与转动连接相匹配的弧形滑槽，过渡段与转动连接件铰接并且转动连接件可在铅锤面上转动；所述下滑段包括下滑槽和调节模块，下滑段入口端的其中一个槽壁与过渡段对应的槽壁铰接并且下滑段可在水平面上转动，下滑段入口端的另一个槽壁通过调节模块与过渡段对应的槽壁连接，所述调节模块为长度调节组件。
2.根据权利要求1所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：过渡段与转动连接件均由弧形滑道和位于弧形滑道两侧的扇形板构成，扇形板的圆心处开设有销孔，过渡段与转动连接件通过水平布置的销轴铰接。
3.根据权利要求2所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：过渡段套于转动连接件外并且转动连接件的外表面上设有角度刻度；或者转动连接件套于过渡段外并且过渡段的外表面上设有角度刻度。
4.根据权利要求1所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：所述调节模块包括1块以上榫卯连接的挡块，榫头和榫眼分别位于挡块的两相对竖直侧面上，下滑段和过渡段均与挡块榫卯连接。
5.根据权利要求4所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：所述调节模块由导向板和1块以上挡块构成，导向板位于下滑段入口端的下方，导向板的上表面上开设有圆弧形的导槽，挡块的底面上设有与导槽间隙配合的楔块，楔块嵌于导槽中。
6.根据权利要求5所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：所述导槽上设有角度刻度；下滑段的下方设有与导向板厚度相同的垫块。
7.根据权利要求1所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：所述支撑座由顺序连接的受力底板、千斤顶和触地底板构成，受力底板的下表面上设有球槽，千斤顶的活塞顶部设有球头，球头与球槽间隙配合。
8.根据权利要求1所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：上滑槽和下滑槽均由直线滑道和位于直线滑道两侧的约束板构成，其中一侧的约束板为透明板，透明板位于上滑槽和下滑槽的同侧。
9.根据权利要求8所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：所述下滑槽的直线滑道中开设有填充槽。
10.根据权利要求1所述的多功能高速远程滑坡动力学过程物理模型试验装置，其特征在于：所述下滑段与过渡段通过竖直布置的铰链铰接。
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