CN107037195A - 水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置及方法 - Google Patents

水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种库水位波动对下卧冰层岩堆边坡变形物理模型试验模型及试验方法，包括顶部设有开口的透明模型试验箱，所述透明模型试验箱内设有混凝土基岩，所述混凝土基岩的上表面的水平最低端设有水龙头，所述混凝土基岩的上表面上设有岩堆边坡模型，所述岩堆边坡模型和混凝土基岩之间设有多个电热片和多个制冷片，所述混凝土基岩的水平最高端上设有加载装置、土压力盒，所述岩堆边坡模型的上表面上设有多个百分表，所述透明模型试验箱外设有高速摄像机。本发明在水位波动的过程中会对下卧冰层岩堆边坡造成影响，通过在透明模型试验箱设置混凝土基岩以及岩堆边坡模型，通过土压力盒、百分表进行测量以进行模拟试验。

Description

水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种库水位波动对下卧冰层岩堆边坡变形物理模型试验模型及试验方法，属于土木工程及地质工程领域，特别是涉及库水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验方法，适用于我国辽宁等东北地区水库型含下卧冰层岩堆边坡的稳定性分析与研究。
背景技术
岩堆是指陡峻的岩质边坡失稳，产生塌滑、剥落，形成大小不一的岩块、岩屑，在自然力作用下搬运、堆积形成的松散堆积体。岩堆具有空隙发育、结构松散、稳定性差等特点，通常处于临界稳定状态，在自然或人为因素影响下岩堆易产生滑坡地质灾害，属于典型的不良工程地质现象之一。我国辽宁地区田师傅-桓仁段铁路大前石岭隧道进口段为岩堆边坡，最大厚度近50m，且岩堆边坡前缘靠近大雅河附近下卧深厚的冰层。由于大雅河下游修建大坝，大雅河水位上升近20m，在库水升降作用下，下卧冰层必将融化，岩堆边坡稳定性平衡状态被打破，向不稳定方向发展。由于岩堆地质条件复杂，冰土及水土作用机理不清楚，且无类似边坡工程处理经验可借鉴，因此研究库水蓄水及泄洪情况下含有下卧冰层岩堆边坡稳定性成为一个急需解决的问题。采用物理模拟试验模型研究库水波动对含下卧冰层岩堆边坡的稳定性影响，具有操作方便，针对性强，能准确测量岩堆边坡变形及土压力变化，直观观察坡体变形、破坏及冰层融化状态等优点，对指导后续岩堆工程处治具有重要意义。
当前，对于库水位波动对下卧冰层岩堆边坡变形物理模型试验研究相对较少，大部分为研究库水或库水与降雨联合作用下土质边坡稳定性的影响，如中国发明专利“降雨与库水联合作用下大型滑坡智能模型试验系统”(授权公告号：CN103531071B，授权公告日：2016.2.17)，公开了一种降雨与库水联合作用下大型滑坡智能模型试验系统，该系统包括柔性坡面试验槽和分布式喷洒降雨模拟装置，适用于我国雨水充沛地区的水库型土质边坡稳定性研究。中国发明专利“一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备”(授权公告号：CN103616493B，授权公告日：2015.10.21)，公开了一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，能够集多种物理量测量与控制系统、人工降雨系统、库水控制系统。光电非接触测试系统与TDR水分测试系统于一体的大型岩堆边坡模型试验平台。中国专利“一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法”(授权公告号：CN104807975B公布日期：2016-8-17)，公开了一种岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验装置及试验方法，适应于我国北方极寒地区的岩堆边坡变形破坏机理分析及稳定性研究。
目前，已有库水作用土质或岩质边坡模型试验中，边坡体均无下卧冰层，故边坡模型试验不能模拟北方地区含下卧冰层边坡，也不能适用于北方地区冬季开展模型试验。已有岩堆边坡冻融循环作用变形物理模型试验中，主要考虑边坡冰层全部融化或冻结对岩堆稳定性的影响，未考虑水库蓄水导致水库型岩堆边坡含下卧冰层局部融化对岩堆边坡的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种库水位波动对下卧冰层岩堆边坡变形物理模型试验模型及试验方法，能够改善现有物理模拟实验考虑的工况少，不能模拟北方地区含下卧冰层滑坡，也不能适用于北方地区冬季开展模型试验，未考虑水库蓄水导致水库型岩堆边坡含下卧冰层局部融化对岩堆边坡的影响等问题，具有操作方便，针对性强，能准确测量岩堆边坡变形及土压力变化，直观观察坡体变形、破坏及冰层融化状态等优点，为水库变化对下卧冰层岩堆边坡变形破坏模拟研究提供了一种可行的装置和方法，对指导后续岩堆工程处治具有重要意义。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，包括顶部设有开口的透明模型试验箱，所述透明模型试验箱内设有用于模拟岩堆边坡基岩的混凝土基岩，所述混凝土基岩铺设在所述透明模型试验箱的底部且呈斜坡设置，所述混凝土基岩的上表面的水平最低端设有与所述透明模型试验箱外部连通的水龙头，所述混凝土基岩的上表面上设有用于模拟基岩上的滑坡的岩堆边坡模型，所述岩堆边坡模型和所述混凝土基岩之间设有多个电热片和多个制冷片，所述混凝土基岩的水平最高端上设有对所述岩堆边坡模型顶部进行加载负荷的加载装置，所述岩堆边坡模型内设有多个用于检测所述岩堆边坡模型的内部压力的土压力盒，所述土压力盒的数量为三个以上，所述岩堆边坡模型的上表面上设有多个用于检测所述岩堆边坡模型的沉降与膨胀的百分表，所述百分表的测头抵接所述岩堆边坡模型的上表面，所述百分表的数量为三个以上，所述透明模型试验箱外设有用于监测所述岩堆边坡模型的高速摄像机。
本发明的有益效果是：在水位波动的过程中会对下卧冰层岩堆边坡造成影响，本发明通过在透明模型试验箱设置混凝土基岩以及岩堆边坡模型，在岩堆边坡模型下方的混凝土基岩上设置制冷片和电热片，并且在岩堆边坡模型上设有土压力盒、百分表，在透明模型试验箱外设置高速摄像机，通过加载装置对岩堆边坡模型进行荷载，在试验过程中，通过将水位旁的岩堆边坡模型进行冻胀，通过往透明模型试验箱加注水和排水、控制制冷片和电热片进行加热制冷以控制冻胀后的冰层的融化，通过加载装置进行加载力，在此过程中通过土压力盒、百分表进行测量。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述透明模型试验箱包括工字型钢框架以及设置在所述工字型钢框架的各个面上的透明玻璃板，所述工字型钢框架与所述透明玻璃边密封连接，在连接处填充有防渗胶带，防止模拟水库蓄水过程发生渗漏，影响试验试验结果。
进一步，所述岩堆边坡模型包括用于模拟岩堆边坡的碎石层、用于模拟冲洪积层的碎石与粉质粘土混合物、用于模拟崩坡积层的砂土与粘土以及碎石混合物，所述碎石与粉质粘土混合物、所述砂土与粘土以及碎石混合物和所述碎石层在所述混凝土基岩的上表面上由水平最低端至水平高端依次分段分区分布，所述加载装置沿所述混凝土基岩的倾斜方向向下抵压所述碎石层。
采用上述进一步方案的有益效果是：根据实际常见的基岩上的滑坡成分，采用不同的物质组成进行模拟。
进一步，所述加载装置包括千斤顶，所述千斤顶的一端与所述透明模型试验箱固定连接，另一端通过钢板沿所述混凝土基岩的倾斜方向向下抵压所述岩堆边坡模型。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用千斤顶作为加载装置，可以根据需要调节加载的荷载的强度。
进一步，所述透明模型试验箱上焊接有牛腿，所述千斤顶的一端通过钢垫板与所述牛脚连接。
采用上述进一步的有益效果是：牛脚作为千斤顶的反力装置。
进一步，所述透明模型试验箱上设有高度刻度，所述高度刻度设在所述混凝土基岩的水平低端的所述透明模型试验箱的外壁上。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过观测高度刻度判定库水位的高度。
进一步，所述岩堆边坡模型内设有竖直设置的用于检测岩堆边坡模型内的渗透水位高度的PVC软管，所述PVC软管的管壁上均匀设有若干透水孔，PVC软管预埋于最高水位线附近但未被库水淹没的坡体内，PVC软管应尽量分散铺设，应尽量避免成“一”字形排列，减少对影响模型试验造成不利影响。在试验开始前，将PVC软管内部及透水孔内充填的耐低温黄油轻轻掏出，即可实现观测库水水位变化时岩堆边坡内部水位的变化情况。
采用上述进一步方案的有益效果是：PVC软管设置在岩堆边坡模型内，岩堆边坡模型内的含有的水分通过透水孔渗透入PVC软管，即可观察岩堆边坡模型中水量深度。
进一步，所述电热片的一面朝向所述混凝土基岩平铺在所述混凝土基岩的上表面，所述制冷片竖直嵌入在所述混凝土基岩的上表面内，且所述制冷片的一面朝向所述混凝土基岩的坡面，所述电热片和所述制冷片间隔布置。
采用上述进一步方案的有益效果是：电热片和制冷片的布置能方便控制冰层的融化速度和融化范围。
进一步，各个所述电热片分别连接一个用于控制所述电热片开启和关闭的控制开关，在横向方向上呈排状设置的所述制冷片通过同一个用于控制所述制冷片开启和关闭的控制开关控制。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过控制开关分别控制各个电热片的开启和关闭，将混凝土基岩上呈横向一排设置的制冷片通过同一个控制开关控制，能实现分段控制冻胀后的冰层的融化。
进一步，还包括两个支撑杆，所述支撑杆的顶部设有可在所述支撑杆上上下移动的横梁，所述横梁设在所述岩堆边坡模型的上方，所述横梁上套有套筒A，所述套筒A可沿所述横梁的长度方向来回移动，所述套筒A上设有竖直设置的连接杆，所述连接杆的底部设有所述百分表。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过支撑杆以及横梁对百分表进行固定，能方便调节百分表的位置。
进一步，所述横梁上设有刻度线。
采用上述进一步方案的有益效果是：刻度线的设置能准确调节相邻的两个百分表之间的距离。
进一步，所述支撑杆的顶部套设有套筒B，所述套筒B通过锁紧螺钉固定在所述套筒B上，所述套筒B上固定有套筒C，所述横梁的端部插在所述套筒C内，通过锁紧螺钉固定。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过套筒B和套筒C组成的联合套筒，可改变横梁的高度及跨度，以适应不同大小的模型试验箱的使用，也方便支撑杆和横梁的安装和拆卸。
进一步，所述支撑杆的底端固定连接有用于支撑所述支撑杆的稳定盘。
采用上述进一步方案的有益效果是：稳定盘的设置能确保支撑杆固定的稳定性。
一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验方法，包括以下步骤：
步骤一，确定模型试验的相似比：根据野外地质调查及地质勘查资料，确定模型试验的相似比；其中，包括掌握岩堆边坡工程地质条件及下卧冰层的空间展布，根据实地调研、勘察、测绘，掌握岩堆边坡各地层的地质特征及空间展布，尤其是要摸清边坡体内下卧冰层的位置及冰层的厚度。
步骤二，浇筑混凝土基岩：在透明模型试验箱内浇筑混凝土基岩来模拟岩堆边坡基岩，并在混凝土基岩上铺设电热片、制冷片以及连接导线；
步骤三，构建岩堆边坡模型：在混凝土基岩上由下往上、分段分区填筑碎石与粉质粘土混合物、砂土与粘土以及碎石混合物、碎石，在位于水平低端的岩堆边坡模型上浇洒水，且在填筑的过程中在岩堆边坡模型内铺设土压力盒，并将土压力盒与静态应变测试分析仪进行电路连接；根据相似比，筛选碎石模拟岩堆边坡，筛选少量粒径小于5mm碎石与粉质粘土混合物模拟冲洪积层，混合少量砂土、粘土与碎石混合物用于模拟崩坡积层。在冰面以下土体分层铺设，分层厚度为5～10mm，每铺设一层，在该层洒水使其充分饱和，继续铺设下一层。在模拟库水波动区域范围内的岩堆边坡内，预先置入含有透水孔的PVC软管，PVC软管及透水孔内填充耐低温黄油。
连接土压力盒与静态应变测试分析仪，通过导线连接土压力盒与静态应变测试分析仪，读取土压力盒的应变值直至试验结束，通过以下公式计算土压力的大小：
P＝με*K；
P--为土压力值(单位为：kPa)；
K--为土压力盒标定系数；
ε--为测定应变值。
步骤四，设置百分表和高速摄像机：在填筑的岩堆边坡模型的表面设置用于检测所述岩堆边坡模型的沉降与膨胀的百分表，根据模型箱的大小，调节连环套筒及螺杆，改变横梁的高度及跨度，以适应本模型试验箱的使用，通过螺杆将百分表下部固定在连接杆上，调整连接杆的上下位置，使百分表与不同高程的边坡表面更好接触，沿主滑面以一定的间距布置百分表，在透明模型试验箱外设有用于监测所述岩堆边坡模型的高速摄像机；
步骤五，形成岩堆体中的下卧冰层：冻胀浇洒水后的位于水平低端的岩堆边坡模型，形成冰层，读取百分表数值，作为初始值；
步骤六，开启高速摄像机：开启高速摄像机，准备监测在水位波动及后缘加载工况下整个含下卧冰层岩堆边坡的变形破坏特征；
步骤七，模拟库水位上升：关闭透明模型试验箱上用于排水的水龙头，在岩堆边坡前缘的透明模型试验箱内缓慢注入热盐水，通过高度刻度观察模拟库水位线的变化，当水位达到模拟水位线后，停止注水，通过控制开关开启水位以下的全部电热片，水位临界处的制冷片打开，尽量使库水位线下的岩堆下卧的冰层融化，库水位以上的冰层不融化或少融化，并读取百分表和土压力盒的监测数据；
为了更好的实现本发明，为保证水位变化时下卧冰层充分融化，用热盐水模拟库水。不同浓度的食盐溶液的冰点相对于纯水冰点的降低值△T，可用如下公式计算：
△T＝1.86*2B；
△T--食盐溶液冰点的降低值(单位：℃)；
B--食盐溶液的质量摩尔浓度(单位：mol/kg)。
B＝1000*W/M
B--食盐溶液的质量摩尔浓度(单位：mol/kg)；
W--溶液的质量分数；
M--溶质的物质的摩尔质量(单位：g/mol)。
步骤八，模拟库水位下降：待岩堆边坡变形及土压力稳定后，打开透明模型试验箱上的水龙头，岩堆边坡前缘的透明模型试验箱内水位缓缓下降，读取百分表和土压力盒监测数据；
步骤九，整理并分析数据：对各类百分表和土压力盒监测数据进行整理，并结合地表变形破坏情况，研究库水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性的影响。
采用上述方案的有益效果是：本发明方法在水位波动的过程中会对下卧冰层岩堆边坡造成影响，本发明通过在透明模型试验箱设置混凝土基岩以及岩堆边坡模型，在岩堆边坡模型下方的混凝土基岩上设置制冷片和电热片，并且在岩堆边坡模型上设有土压力盒、百分表，在透明模型试验箱外设置高速摄像机，通过加载装置对岩堆边坡模型进行荷载，在试验过程中，通过将水位旁的岩堆边坡模型进行冻胀，通过往透明模型试验箱加注水和排水、控制制冷片和电热片进行加热制冷以控制冻胀后的冰层的融化，通过加载装置进行加载力，在此过程中通过土压力盒、百分表进行测量，能准确对水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验。
进一步，为了更好的实现本发明，通过一系列百分表测量岩堆边坡表面的沉降与膨胀，百分表通过螺杆固定在连接杆上，连接杆通过连接套筒及螺杆固定在横梁上，横梁两端通过连环套筒及螺杆固定接在支撑杆上，支撑杆固定在稳定圆盘。通过调节连环套筒及螺杆，可改变横梁的高度及跨度，以适应不同大小的模型试验箱的使用；通过调节连接套筒及螺杆，可改变连接杆的位置，从而改变百分表的上下位置，以利于百分表与边坡表面更好接触；连接杆底部有一圆孔，百分表下部穿过圆孔，可通过螺杆将百分表下部固定在连接杆上，共同组成地表变形监测系统。
进一步，横梁上带有刻度，以便于快速按照一定的间距布置百分表；百分表布置在边坡的主剖面上，即平行模型箱长度方向的边坡体中线上。
进一步，为了更好的实现本发明，土压力盒位于百分表的正下方的堆积层与混凝土附近，其中最高库水位线以下及最低库水位线以上所对应的坡体内位置各布置一个土压力盒，用于测量库水诱发下卧冰层融化导致岩堆边坡内部土压力的变化及冰层内部应力的变化。土压力盒导线先沿边坡倾向引出边坡，然后将连接导线引致模型箱中部的工字型钢上，最后与静态应变测试分析仪连接。
进一步，土压力盒与应变仪的接线方法为：红色线(E+)接全桥的正激励；黑色线(E-)接全桥的负激励；黄色线(S+)接全桥的信号正输出端；白色线(S-)接全桥的信号负输出端。如果测得的应变值为负值，说明信号线接反，将S+、S-连线对调即可。
进一步，土压力盒的光面为受力面，此面向上放置，另一面有2个孔和编号的面为支撑面。
进一步，所述步骤七和所述步骤八中，通过加载装置对岩堆边坡模型的上部施加平行所述混凝土基岩的荷载，直至破坏，观察并分析岩堆边坡破坏特征。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过加载装置对岩堆边坡模型施以荷载，可对岩堆边坡有荷载力时水位波动对岩堆边坡的影响力进行试验。
附图说明
图1为本发明的侧视图；
图2为本发明的正视图；
图3为本发明的俯视图；
图4为电热片和制冷片布置侧视图；
图5为电热片和制冷片布置俯视图；
图6为百分表固定支架结构主视图；
图7为百分表连接装置主视图；
图8为PVC软管主视图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、透明模型试验箱，2、透明玻璃板，3、百分表，4、碎石层，5、砂土与粘土以及碎石混合物，6、碎石与粉质粘土混合物，7、混凝土基岩，8、刻度线，9、高速摄像机，10、电热片，11、制冷片，12、最低库水位线，13、最高库水位线，14、水龙头，15、下卧冰层，16、套筒A，17、土压力盒，18、千斤顶，19、牛腿，20、钢板，21、PVC软管，22、工字型钢，23、连接导线，24、钢垫板，25、横梁，26、支撑杆，27、套筒B，28、锁紧螺钉，29、稳定圆盘，30、连接杆，31、高度刻度，32、透水孔，33、套筒C。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
本实施例中，以辽宁省本溪市桓仁县田师傅-桓仁铁路大前石岭隧道进口附近岩堆边坡为例，通过实地调研、测绘，岩堆边坡坡向NE30°，坡长800-1000m，坡脚海拔高程410m左右，沿上坡方向坡度略有起伏，总体在26-38°之间变化。
本实施例中，通过岩土工程勘察，从坡顶往坡脚下，地层依次为岩堆，崩坡积层，冲洪积层，基岩。岩堆由石英砂岩及含砾石英砂岩块石堆积而成，块石直径多在0.2-1.5m之间，大者2-3m，呈架空结构，无碎块石及细粒土充填；崩坡积层由碎块石夹土组成；冲洪积物为块石-卵砾石夹砂砾石层，块石-卵砾石呈次棱角状，含砾砂土含量在10％左右，呈稍密状态；基岩为青灰-浅灰色震旦系钓鱼台组石英砂岩。
本实施例中，冻土层上界位于崩坡积层与冲洪积层的分界线附近，冰层15顶面埋深2.5-14.7m，大部分下卧冰层15位于冲洪积层之中。
本实施例中，岩堆边坡前方大雅河正常水位为406米，水库正常蓄水水位为425米，即水库蓄水后，水位上升19m。
如图1、图2、图3所示，本实施例包括顶部设有开口的透明模型试验箱1，所述透明模型试验箱1内设有用于模拟岩堆边坡基岩的混凝土基岩7，所述混凝土基岩7铺设在所述透明模型试验箱1的底部且呈斜坡设置，所述混凝土基岩7的上表面的水平最低端设有与所述透明模型试验箱1外部连通的水龙头14，所述混凝土基岩7的上表面上设有用于模拟基岩上的滑坡的岩堆边坡模型，所述岩堆边坡模型和所述混凝土基岩7之间设有多个电热片10和多个制冷片11，所述混凝土基岩7的水平最高端上设有对所述岩堆边坡模型顶部进行加载的加载装置，所述岩堆边坡模型内设有多个用于检测所述岩堆边坡模型的内部压力的土压力盒17，所述土压力盒17的数量为三个以上，所述岩堆边坡模型的上表面上设有多个用于检测所述岩堆边坡模型的沉降与膨胀的百分表3，所述百分表3的测头抵接所述岩堆边坡模型的上表面，所述百分表3的数量为三个以上，所述透明模型试验箱1外设有用于监测所述岩堆边坡模型的高速摄像机9。
优选的，在透明模型试验箱1内设有最低库水位线12和最高库水位线13，用于在试验过程中作为限位标注线。
如图6、图7所示，优选的，还包括两个支撑杆26，所述支撑杆26的顶部设有可在所述支撑杆26上上下移动的横梁25，所述横梁25设在所述岩堆边坡模型的上方，所述横梁25上套有套筒A16，所述套筒A16可沿所述横梁25的长度方向来回移动，所述套筒A16上设有竖直设置的连接杆30，所述连接杆30的底部设有所述百分表3。所述横梁25上设有刻度线8。
所述支撑杆26的顶部套设有套筒B27，所述套筒B27通过锁紧螺钉28固定在所述套筒B27上，所述套筒B27上固定有套筒C33，所述横梁25的端部插在所述套筒C33内，通过锁紧螺钉28固定。
如图4、图5所示，优选的，所述电热片10的一面朝向所述混凝土基岩7平铺在所述混凝土基岩7的上表面，所述制冷片11竖直嵌入在所述混凝土基岩7的上表面内，且所述制冷片11的一面朝向所述混凝土基岩7的坡面，所述电热片10和所述制冷片11间隔布置。各个所述电热片10分别连接一个用于控制所述电热片10开启和关闭的控制开关，在横向方向上呈排状设置的所述制冷片11通过同一个用于控制所述制冷片11开启和关闭的控制开关控制。
优选的，所述加载装置包括千斤顶18，所述千斤顶18的一端与所述透明模型试验箱1固定连接，另一端通过钢板20沿所述混凝土基岩7的倾斜方向向下抵压所述岩堆边坡模型。所述透明模型试验箱1上焊接有牛腿19，所述千斤顶的一端通过钢垫板24与所述牛脚19连接。
优选的，所述透明模型试验箱1上设有高度刻度31，所述高度刻度31设在所述混凝土基岩7的水平低端的所述透明模型试验箱1的外壁上。
优选地，在本实施例中，模型缩尺比例为1:200，采用F100抗冻混凝土基岩7来模拟基岩面，岩堆的模拟厚度为10cm，崩坡积层的模拟厚度为5cm左右，冲洪层的模拟厚度为5cm左右，模拟最高库水位与最低库水位之差为10cm。
优选地，在本实施例中，选用内摩擦角、休止角和空隙率与实际地质条件相似的材料来模拟岩堆边坡各地层。根据当地实际条件，选用相似比为约1:40，岩堆体选用15-25mm的碎石作为模拟材料，崩坡积层选用少量砂土与5-15mm的碎石混合作为模拟材料；冲洪积层选用黏土、煤灰及少量粒径小于5mm的碎石作为模拟材料。
优选地，在本实施例中，整个模拟边坡分成三段，总坡面长210cm，其中第一段坡面坡角19°，坡面长60cm；第二段坡面坡角23°、坡面长80cm；第三段坡面坡角30°，坡面长70cm，在边坡后部安装有千斤顶18，作为岩堆边坡的加载装置。
本发明中，透明模型试验箱1由工字型钢22焊接组成的尺寸为210cm×100cm×200cm的金属框架，通过螺杆将后1cm透明玻璃板2固定在金属框架上。箱内铺设F100抗冻混凝土基岩7模拟岩堆边坡的基岩，并在混凝土基岩7的表面预埋电热片10和制冷片11，分层铺设碎石，冰层15，碎石与粉质粘土混合物6，少量砂土、粘土与碎石混合物组成滑坡模型，在冰面以下土体分层铺设使其充分饱和，冻胀后形成含冰下卧层，最低库水位线12下设有水龙头14，关闭水龙头14后往试验箱前部的玻璃槽内缓慢注入热盐水模拟库水位上升，开启水龙头14模拟库水位下降。
优选地，在本实施例中，在试验箱前方透明玻璃板2外壁上设置1个高度刻度31，用于量测库水水位的变化。
优选地，在本实施例中，在含下卧冰层15岩堆边坡体内设置有3个PVC软管21，用于观测库水水位变化时岩堆边坡内部水位的变化。
优选地，在本实施例中，在含下卧冰层15岩堆边坡体内设置有8个土压力盒17，用于量测岩堆边坡内部土压力的变化及冰层15内部应力的变化。
优选地，在本实施例中，在含下卧冰层15岩堆边坡坡面设置有5个百分表3，用于量测岩堆边坡表面的沉降与膨胀。
优选地，在本实施例中，在模型试验箱正前方放置有1台高速摄像机9，实时监测在水位波动及后缘加载工况下整个含下卧冰层15岩堆边坡的变形破坏特征。
实施例2：
本实施例中，公开了一种库水位波动对含下卧冰层15岩堆边坡变形物理模型试验方法，包括以下步骤：
步骤一，确定模型试验的相似比：根据野外地质调查及地质勘查资料，确定模型试验的相似比；其中，包括掌握岩堆边坡工程地质条件及下卧冰层15的空间展布，根据实地调研、勘察、测绘，掌握岩堆边坡各地层的地质特征及空间展布，尤其是要摸清边坡体内下卧冰层15的位置及冰层15的厚度。
步骤二，浇筑混凝土基岩7：在透明模型试验箱1内浇筑混凝土基岩7来模拟岩堆边坡基岩，并在混凝土基岩7上铺设电热片10、制冷片11以及连接导线23；
步骤三，构建岩堆边坡模型：在混凝土基岩7上由下往上、分段分区填筑碎石与粉质粘土混合物6、砂土与粘土以及碎石混合物5、碎石，在位于水平低端的岩堆边坡模型上浇洒水，且在填筑的过程中在岩堆边坡模型内铺设土压力盒17，并将土压力盒17与静态应变测试分析仪进行电路连接；根据相似比，筛选碎石模拟岩堆边坡，筛选少量粒径小于5mm碎石与粉质粘土混合物6模拟冲洪积层，混合少量砂土、粘土与碎石混合物用于模拟崩坡积层。在冰面以下土体分层铺设，分层厚度为5～10mm，每铺设一层，在该层洒水使其充分饱和，继续铺设下一层。在模拟库水波动区域范围内的岩堆边坡内，预先置入含有透水孔32的PVC软管21，PVC软管21及透水孔32内填充耐低温黄油。
连接土压力盒17通过连接导线23与静态应变测试分析仪，通过导线连接土压力盒17与静态应变测试分析仪，读取土压力盒17的应变值直至试验结束，通过以下公式计算土压力的大小：
P＝με*K；
P--为土压力值单位为：kPa；
K--为土压力盒17标定系数；
ε--为测定应变值。
步骤四，设置百分表3和高速摄像机9：在填筑的岩堆边坡模型的表面设置用于检测所述岩堆边坡模型的沉降与膨胀的百分表3，根据模型箱的大小，调节连环套筒及螺杆，改变横梁25的高度及跨度，以适应本模型试验箱的使用，通过螺杆将百分表3下部固定在连接杆30上，调整连接杆30的上下位置，使百分表3与不同高程的边坡表面更好接触，沿主滑面以一定的间距布置百分表3，在透明模型试验箱1外设有用于监测所述岩堆边坡模型的高速摄像机9；百分表3从上往下依次编号为B-1#、B-2#、B-3#、B-4#、B-5#。
步骤五，形成岩堆体中的下卧冰层15：冻胀浇洒水后的位于水平低端的岩堆边坡模型，形成冰层15，读取百分表3数值，作为初始值；
步骤六，开启高速摄像机9：开启高速摄像机9，准备监测在水位波动及后缘加载工况下整个含下卧冰层15岩堆边坡的变形破坏特征；
步骤七，模拟库水位上升：关闭透明模型试验箱1上用于排水的水龙头14，在岩堆边坡前缘的透明模型试验箱1内缓慢注入热盐水，通过高度刻度31观察模拟库水位线的变化，当水位达到模拟水位线后，停止注水，通过控制开关开启水位以下的全部电热片10，水位临界处的制冷片11打开，尽量使最低库水位线13下的岩堆下卧的冰层15融化，库水位以上的冰层15不融化或少融化，并读取百分表3和土压力盒17的监测数据；
为了更好的实现本发明，为保证水位变化时下卧冰层15充分融化，用热盐水模拟库水。不同浓度的食盐溶液的冰点相对于纯水冰点的降低值△T，可用如下公式计算：
△T＝1.86*2B；
△T--食盐溶液冰点的降低值单位：℃；
B--食盐溶液的质量摩尔浓度单位：mol/kg。
B＝1000*W/M
B--食盐溶液的质量摩尔浓度单位：mol/kg；
W--溶液的质量分数；
M--溶质的物质的摩尔质量单位：g/mol。
步骤八，模拟库水位下降：待岩堆边坡变形及土压力稳定后，打开透明模型试验箱1上的水龙头14，岩堆边坡前缘的透明模型试验箱1内水位缓缓下降，读取百分表3和土压力盒17监测数据；
步骤九，整理并分析数据：对各类百分表3和土压力盒17监测数据进行整理，并结合地表变形破坏情况，研究库水位波动对下卧冰层15岩堆边坡稳定性的影响。
通过本实施例，以辽宁省本溪市桓仁县田师傅-桓仁铁路大前石岭隧道进口附近岩堆边坡为例，得到如下试验现象：水库蓄水所淹没的边坡前缘发生2次滑坡，第一次形成的滑坡体长8cm、宽11cm，第二次形成的滑坡体长15cm、宽17cm，两次形成的滑坡的后缘及两侧逐渐向外扩展，形成长22cm、宽30cm的更大滑坡体。坡面上个别岩块发生滚动，运动距离约21cm，B-1#～B-5#百分表3的读数见附图。库水水位下降时，岩堆边坡无明显变形，百分表3无基本变化。
在本实施例中百分表测量的数据如下：
第一次库水位上升岩堆边坡百分表3读数值单位:mm
百分表3编号 初始读数 最后读数 变化值绝对值
B-1# 3.33 3.16 0.17
B-2# 0.29 过载 9.71
B-3# 4.09 1.65 2.44
B-4# 1.68 过载 8.32
B-5# 2.96 9.73 3.23
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，其特征在于，包括顶部设有开口的透明模型试验箱(1)，所述透明模型试验箱(1)内设有用于模拟岩堆边坡基岩的混凝土基岩(7)，所述混凝土基岩(7)铺设在所述透明模型试验箱(1)的底部且呈斜坡设置，所述混凝土基岩(7)的上表面的水平最低端设有与所述透明模型试验箱(1)外部连通的水龙头(14)，所述混凝土基岩(7)的上表面上设有用于模拟基岩上的滑坡的岩堆边坡模型，所述岩堆边坡模型和所述混凝土基岩(7)之间设有多个电热片(10)和多个制冷片(11)，所述混凝土基岩(7)的水平最高端上设有对所述岩堆边坡模型顶部进行加载负荷的加载装置，所述岩堆边坡模型内设有多个用于检测所述岩堆边坡模型的内部压力的土压力盒(17)，所述岩堆边坡模型的上表面上设有多个用于检测所述岩堆边坡模型的沉降与膨胀的百分表(3)，所述百分表(3)的测头抵接所述岩堆边坡模型的上表面，所述透明模型试验箱(1)外设有用于监测所述岩堆边坡模型的高速摄像机(9)。
2.根据权利要求1所述的一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，其特征在于，所述岩堆边坡模型包括用于模拟岩堆边坡的百分表(3)、用于模拟冲洪积层的碎石与粉质粘土混合物(6)、用于模拟崩坡积层的砂土与粘土以及碎石混合物(5)，所述碎石与粉质粘土混合物(6)、所述砂土与粘土以及碎石混合物(5)和所述百分表(3)在所述混凝土基岩(7)的上表面上由水平最低端至水平高端依次分段分区分布，所述加载装置沿所述混凝土基岩(7)的倾斜方向向下抵压所述百分表(3)。
3.根据权利要求1所述的一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，其特征在于，所述加载装置包括千斤顶(18)，所述千斤顶(18)的一端与所述透明模型试验箱(1)固定连接，另一端通过钢板(20)沿所述混凝土基岩(7)的倾斜方向向下抵压所述岩堆边坡模型。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，其特征在于，所述透明模型试验箱(1)上设有高度刻度(31)，所述高度刻度(31)设在所述混凝土基岩(7)的水平低端的所述透明模型试验箱(1)的外壁上。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，其特征在于，所述岩堆边坡模型内设有竖直设置的用于检测岩堆边坡模型内的渗透水位高度的PVC软管(21)，所述PVC软管(21)的管壁上均匀设有若干透水孔(32)。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，其特征在于，所述电热片(10)的一面朝向所述混凝土基岩(7)平铺在所述混凝土基岩(7)的上表面，所述制冷片(11)竖直嵌入在所述混凝土基岩(7)的上表面内，且所述制冷片(11)的一面朝向所述混凝土基岩(7)的坡面，所述电热片(10)和所述制冷片(11)间隔布置，各个所述电热片(10)分别连接一个用于控制所述电热片(10)开启和关闭的控制开关，在横向方向上呈排状设置的所述制冷片(11)通过同一个用于控制所述制冷片(11)开启和关闭的控制开关控制。
7.根据权利要求6所述的一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，其特征在于，还包括两个支撑杆(26)，所述支撑杆(26)的顶部设有可在所述支撑杆(26)上上下移动的横梁(25)，所述横梁(25)设在所述岩堆边坡模型的上方，所述横梁(25)上套有套筒A(16)，所述套筒A(16)可沿所述横梁(25)的长度方向来回移动，所述套筒A(16)上设有竖直设置的连接杆(30)，所述连接杆(30)的底部设有所述百分表(3)。
8.根据权利要求7所述的一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验装置，其特征在于，所述支撑杆(26)的顶部套设有套筒B(27)，所述套筒B(27)通过锁紧螺钉(28)固定在所述套筒B(27)上，所述套筒B(27)上固定有套筒C(33)，所述横梁(25)的端部插在所述套筒C(33)内，通过锁紧螺钉(28)固定，所述支撑杆(26)的底端固定连接有用于支撑所述支撑杆(26)的稳定盘。
9.一种水位波动对下卧冰层岩堆边坡稳定性影响试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，确定模型试验的相似比：根据野外地质调查及地质勘查资料，确定模型试验的相似比；
步骤二，浇筑混凝土基岩(7)：在透明模型试验箱(1)内浇筑混凝土基岩(7)来模拟岩堆边坡基岩，并在混凝土基岩(7)上铺设电热片(10)、制冷片(11)以及连接导线；
步骤三，构建岩堆边坡模型：在混凝土基岩(7)上由下往上、分段分区填筑碎石与粉质粘土混合物(6)、砂土与粘土以及碎石混合物、碎石，在位于水平低端的岩堆边坡模型上浇洒水，且在填筑的过程中在岩堆边坡模型内铺设土压力盒(17)，并将土压力盒(17)与静态应变测试分析仪进行电路连接；
步骤四，设置百分表(3)和高速摄像机(9)：在填筑的岩堆边坡模型的表面设置用于检测所述岩堆边坡模型的沉降与膨胀的百分表(3)，在透明模型试验箱(1)外设有用于监测所述岩堆边坡模型的高速摄像机(9)；
步骤五，形成岩堆体中的下卧冰层(15)：冻胀浇洒水后的位于水平低端的岩堆边坡模型，形成冰层(15)，读取百分表(3)数值，作为初始值；
步骤六，开启高速摄像机(9)：开启高速摄像机(9)，准备监测在水位波动及后缘加载工况下整个含下卧冰层(15)岩堆边坡的变形破坏特征；
步骤七，模拟库水位上升：关闭透明模型试验箱(1)上用于排水的水龙头(14)，在岩堆边坡前缘的透明模型试验箱(1)内缓慢注入热盐水，通过高度刻度(31)观察模拟库水位线的变化，当水位达到模拟水位线后，停止注水，通过控制开关开启水位以下的全部电热片(10)，水位临界处的制冷片(11)打开，尽量使库水位线下的岩堆下卧的冰层(15)融化，库水位以上的冰层(15)不融化或少融化，并读取百分表(3)和土压力盒(17)的监测数据；
步骤八，模拟库水位下降：待岩堆边坡变形及土压力稳定后，打开透明模型试验箱(1)上的水龙头(14)，岩堆边坡前缘的透明模型试验箱(1)内水位缓缓下降，读取百分表(3)和土压力盒(17)监测数据；
步骤九，整理并分析数据：对各类百分表(3)和土压力盒(17)监测数据进行整理，并结合地表变形破坏情况，研究库水位波动对下卧冰层(15)岩堆边坡稳定性的影响。
10.根据权利要求9所述的一种水位波动对下卧冰层(15)岩堆边坡稳定性影响试验方法，其特征在于，所述步骤七和所述步骤八中，通过加载装置对岩堆边坡模型的上部施加沿所述混凝土基岩(7)的倾斜方向向下的荷载，直至破坏，观察并分析岩堆边坡破坏特征。
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