CN107367599A - 水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，属于水利水电工程库区滑坡机理研究领域，可以应用在研究水位波动及降雨共同作用下引起的边坡失稳问题。本发明通过调节边坡模型的旋转角度及支撑垫板的高度，即可灵活调节边坡模型的边坡角度。通过进水阀门和出水阀门即可调节水槽内部水位的变化速率。而在边坡模型的上部安装降雨模拟装置，通过调节水压的大小，可以灵活控制降雨速率。最后通过调节角度、水位波动速率、降雨速率即可实现单一因素或多因素耦合作用下边坡的失稳过程。对于监测装置，采用微型孔隙水压力计测试孔隙水压力随降雨或库水位波动的变化过程曲线；采用红外摄像机可以全天不间断记录边坡的失稳过程。

Description

水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统

技术领域

本发明涉及一种水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，属于水利水电工程库区滑坡机理研究领域，可以应用在研究水位波动及降雨共同作用下引起的边坡失稳问题。

背景技术

水库蓄水将会迅速改变库区自然地质环境的平衡状态，尤其是库岸老滑坡的应力状态和岩土体的物理力学性质，因而诱发大量老滑坡的复活。库区的小区域气候湿润化，往往降雨强度增大，或是因库区同地区的强暴雨范围重叠，常出现强降雨过程，这将使库岸滑坡稳定性进一步恶化，加速滑坡失稳进程、或加剧滑坡活动强度。库区滑坡不仅威胁、危害库区居民的生命财产安全，而且影响水库的正常运营。国内外大量水库滑坡实例证实，水岩耦合作用是导致水库滑坡发生的最主要原因，这是因为大型水电工程由于运行、防洪等要求不可避免会导致库水位发生长期的周期性变化，由此引起的强烈水岩作用势必影响库区岩质边坡的稳定性，特别是顺层岩质边坡对库水位的周期性变化尤为敏感，上部岩土体往往沿着基岩面进行滑移。水对库岸边坡是否能破坏并形成顺层岩质滑坡起关键作用，因此研究降雨和库水位变化对库岸边坡的作用机理是非常有必要的。

库区滑坡影响重大，众多研究者对其触发机制做了大量研究，如杨海巍与冯永借助于有限差分模拟软件，计算分析了不同水位工况下滑坡体的稳定性变化规律，从而揭示了库水位下降对库岸边坡稳定性的影响[参考文献：杨海巍，冯永.库水位下降对库岸滑坡稳定性的影响[J].铁道建筑，2007，8：74-77.]；姜晨光等以大量监测数据为基础借助于计算机建模技术，研究了水位变化与库岸滑坡体稳定的关系，并建立了相应的经验型数学模型[参考文献：姜晨光，李少红，贺勇，等.地下水位变化与库岸滑坡体稳定性关系的研究[J].岩土力学，2008，24(增刊)：403-406.]；张桂荣与程伟分析了降雨和库水位联合作用下库岸边坡的暂态渗流场，并确定了不同降雨强度下滑坡的稳定性[参考文献：张桂荣，程伟.降雨及库水位联合作用下秭归八字门滑坡稳定性预测[J].岩土力学，2011，32(增刊1)：476-482.]；邓宏艳和孔纪名两位学者，通过对某大型水库近坝滑坡8年的监测数据分析研究，得到了此滑坡变形的时空分布特征，从而预测了该滑坡未来的发展趋势[参考文献：邓宏艳，孔纪名.降雨主导型库岸滑坡变形时空分布特征[J].自然灾害学报，2012，21(1)：148-154.]；宋丹青与王志强结合库水位变化及降雨等影响因素，定量分析研究了蓄水条件下库岸滑坡的触发机制，揭示了燕子坪滑坡的触发因素[参考文献：宋丹青，王志强.蓄水条件下库岸滑坡形成机制研究[J].水利水电技术，2016，47(9)：101-105.]，等等。最后，研究者普遍认为库区滑坡发生主要是降雨和库水位变化单一因素或者两者相互耦合作用的结果。

然而，目前对于库区滑坡触发机制的研究往往集中于单一因素，而对于两个或多个因素耦合作用的研究相对较少。因此，设计一套模拟库水位变化及降雨耦合作用的库区边坡试验系统对多因素耦合作用的研究可以起到很好的补充。

目前已找到的试验方法，下面两种技术较接近：

技术一[参考文献：姜海西，沈明荣，陈建峰，等.升降水作用下岩质边坡模型试验研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2008，24(6)：963-969.]：姜海西和沈明荣等设计的升降水岩质边坡模型试验系统，其是通过将结构面为30°和50°的两种边坡模型布置在人工水槽中，利用波流系统进行升降水位，量测并分析岩质边坡各测点的应力变化。模型试验通过将30°和50°结构面倾角的顺层岩质边坡置于装有造波机的人工水槽中，进行升降水位试验。将模型离散单元化，划分成小的长方形单元试块，最终利用角度构造板将这些单元试块搭砌成30°和50°两种结构面倾角的模型整体，坡后用混凝土挡块限制边坡整体位移。

技术二[参考文献：黄康鑫，郝明辉，徐富刚，等.水位骤变触发库岸堆积层滑坡的物理模型试验及机理分析[J].工程地质学报，2014，22(Suppl.)：232-237.]：黄康鑫和郝明辉等设计的水位骤变触发库岸堆积层滑坡的物理模型试验系统，主要是设计模型箱内净空尺寸为100cm×60cm×60cm(长×宽×高)，内设不透水底板模拟基岩体，通过水闸可以实现水位的骤降。在不透水底板上填筑有厚度约为20cm的堆积层，并在堆积层内部埋设传感器，用于测量土压力和孔隙水压力的变化过程，并在试验全过程中用摄像机记录了滑坡的变形位移情况。

技术一的缺点为：堆砌一定角度的边坡比较麻烦，另外使用波流系统进行水位升降相对成本比较高，另外边坡角度不可调整。

技术二的缺点为：水位下降的速度不好调节，另外模型制作不太方便。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有背景技术中存在的不足之处，提供一种水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，模拟的工况更多样，制作成本相对较低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，包括水槽和边坡模型，边坡模型设于水槽内，边坡模型内安置有微型孔隙水压力计，水槽配设有进水阀门和出水阀门，边坡模型底部配设有旋转支座，边坡模型通过转轴与旋转支座转动连接，转轴沿着边坡模型的宽度方向水平设置，边坡模型的端部通过支撑垫座支撑固定。

进一步的是：边坡模型由下朝上依次包括基岩层、软弱夹层、覆盖层，微型孔隙水压力计安置于软弱夹层内。

进一步的是：进水阀门设有水槽的侧板顶部，出水阀门设于水槽的侧板底部。

进一步的是：水槽采用钢结构框架，四周的侧面板采用透明材料制作。

进一步的是：水槽配设有红外摄像机。

进一步的是：水槽上方配设有降雨模拟装置，降雨模拟装置包括平行设置的多根水管，水管具有进水口，水管底部沿着长度方向间隔设置多个出水孔。

进一步的是：相邻两水管之间的间距相同，出水孔在水管长度方向上均匀间隔设置。

进一步的是：多根水管的进水口均连接于进水总管，进水总管上设置有进水阀门。

进一步的是：在水管的纵向断面上，出水孔在水管底部沿圆周方向设置为多个。

进一步的是：在水管的纵向断面上，出水孔在水管底部沿圆周方向设置为3个，其中一个位于底部正中、另外两个分设两侧并对称设置。

本发明的有益效果是：通过调节边坡模型的旋转角度(0～50°)及支撑垫板的高度，即可灵活调节边坡模型的边坡角度。通过进水阀门和出水阀门即可调节水槽内部水位的变化速率。而在边坡模型的上部安装降雨模拟装置，通过调节水压的大小，可以灵活控制降雨速率。最后通过调节角度、水位波动速率、降雨速率即可实现单一因素或多因素耦合作用下边坡的失稳过程。

对于监测装置，主要在软弱夹层相应的位置安置微型孔隙水压力计，测试软弱夹层处孔隙水压力随降雨或库水位波动的变化过程曲线；另外，采用红外摄像机可以全天不间断记录边坡的失稳过程。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为降雨模拟装置的平面示意图；

图3为图2的A-A视图；

图4为出水孔的纵向分布示意图；

图中标记为：1-水槽、2-边坡模型、3-微型孔隙水压力计、4-进水阀门、5-出水阀门、6-进水筒体、7-支撑垫座、8-降雨模拟装置、9-水管、10-出水孔、11-进水总管、12-进水阀门。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明包括水槽1和边坡模型2，边坡模型2设于水槽1内，边坡模型2内安置有微型孔隙水压力计3，水槽1配设有进水阀门4和出水阀门5，边坡模型2底部配设有旋转支座6，边坡模型2通过转轴与旋转支座6转动连接，转轴沿着边坡模型2的宽度方向水平设置，边坡模型2的端部通过支撑垫座7支撑固定。通过调节边坡模型2的旋转角度(0～50°)及支撑垫板7的高度，即可灵活调节边坡模型2的边坡角度。旋转角度为0时，是指边坡模型2的底面水平设置，在本实施例中，边坡模型2的坡脚一端可朝下旋转50°。通过进水阀门4和出水阀门5即可调节水槽1内部水位的变化速率。通过微型孔隙水压力计3，测试孔隙水压力随库水位波动的变化过程曲线。

本发明中边坡模型2的优选结构为：由下朝上依次包括基岩层、软弱夹层、覆盖层，微型孔隙水压力计3安置于软弱夹层内。

进水阀门4设有水槽1的侧板顶部，出水阀门5设于水槽1的侧板底部。

为方便观测边坡模型2的滑坡情况，同时保证整体结构稳定，本发明中的水槽1采用钢结构框架，四周的侧面板采用透明材料制作。此外，水槽1还配设有红外摄像机，可以全天不间断记录边坡的失稳过程。

水槽1上方配设有降雨模拟装置8，降雨模拟装置8包括平行设置的多根水管9，水管9具有进水口，水管9底部沿着长度方向间隔设置多个出水孔10。此时可通过微型孔隙水压力计3测试孔隙水压力随降雨的变化过程曲线。

降雨模拟装置8优选实施方式为：多根水管9的进水口均连接于进水总管11，进水总管11上设置有进水阀门12。通过进水阀门12可调节水压大小，从而可以灵活控制降雨速率。

为准确模拟降雨工况，降雨模拟装置8优选实施方式为：相邻两水管9之间的间距相同，出水孔10在水管9长度方向上均匀间隔设置。在水管9的纵向断面上，出水孔10在水管9底部沿圆周方向设置为多个，出水孔10的纵向分布优选设置为3个，其中一个位于底部正中、另外两个分设两侧并对称设置。

Claims (10)

1.水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，包括水槽(1)和边坡模型(2)，边坡模型(2)设于水槽(1)内，边坡模型(2)内安置有微型孔隙水压力计(3)，水槽(1)配设有进水阀门(4)和出水阀门(5)，其特征在于：边坡模型(2)底部配设有旋转支座(6)，边坡模型(2)通过转轴与旋转支座(6)转动连接，转轴沿着边坡模型(2)的宽度方向水平设置，边坡模型(2)的端部通过支撑垫座(7)支撑固定。

2.如权利要求1所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：边坡模型(2)由下朝上依次包括基岩层、软弱夹层、覆盖层，微型孔隙水压力计(3)安置于软弱夹层内。

3.如权利要求1所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：进水阀门(4)设有水槽(1)的侧板顶部，出水阀门(5)设于水槽(1)的侧板底部。

4.如权利要求1所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：水槽(1)采用钢结构框架，四周的侧面板采用透明材料制作。

5.如权利要求1所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：水槽(1)配设有红外摄像机。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：水槽(1)上方配设有降雨模拟装置(8)，降雨模拟装置(8)包括平行设置的多根水管(9)，水管(9)具有进水口，水管(9)底部沿着长度方向间隔设置多个出水孔(10)。

7.如权利要求6所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：相邻两水管(9)之间的间距相同，出水孔(10)在水管(9)长度方向上均匀间隔设置。

8.如权利要求6所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：多根水管(9)的进水口均连接于进水总管(11)，进水总管(11)上设置有进水阀门(12)。

9.如权利要求6所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：在水管(9)的纵向断面上，出水孔(10)在水管(9)底部沿圆周方向设置为多个。

10.如权利要求9所述的水电库区顺层岩质边坡试验模拟系统，其特征在于：在水管(9)的纵向断面上，出水孔(10)在水管(9)底部沿圆周方向设置为3个，其中一个位于底部正中、另外两个分设两侧并对称设置。