CN107422098B - 一种边坡稳定性测试评价系统及测试评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种边坡稳定性测试评价系统及测试评价方法，其测试评价系统包括边坡装置、地下水装置、降雨装置、振动装置、监测装置和评价装置，所述边坡装置包括支撑框架、挡板、坡度调节装置和凹槽；所述地下水装置包括左水箱和右水箱；所述降雨装置包括水管、降雨器、阀门和压力表；所述振动装置包括振动台；所述监测装置包括摄影设备和光纤；所述评价装置包括数据转换器和评价模块；所述评价模块包括计算机和处理软件；所述摄影设备和凹槽分别通过数据线与数据转换器连接，所述光纤与数据转换器连接；所述数据转换器通过数据线将转换后的数据传输给评价模块；所述评价模块对接收到的边坡监测信号进行分析处理并形成评价结果。
Description
技术领域
本发明属于边坡工程技术领域，特别是涉及一种边坡稳定性测试评价系统及测试评价方法。
背景技术
滑坡是我国常见的主要地质灾害之一，根据中国地质灾害网资料，从1949年到2011年，全国范围内共发现较大型崩塌3000多处，滑坡2000多处，泥石流2000多处，中小型的崩塌，滑坡，泥石流则高达十多万处。根据统计资料：在1951年-1991年之间，因为人类工程活动引起的滑坡导致至少1169人死亡，经济损失更是无法估量。
目前，边坡稳定性分析的方法主要有数值模拟，这种方法主要是通过建立物理模型，调整物理参数来模拟评价边坡的稳定性，但这种方法只是在理论上对边坡稳定性进行分析，结果与实际情况有出入，不能准确的反应边坡的稳定状态。而室内模拟试验则可以模拟现场边坡情况，并且对边坡的变化进行监测，在短时间内获得大量资料，可以有效的对边坡稳定性进行分析，近年来越来越多的学者对室内物理模型模拟进行研究。
中国专利申请201610296535.7公开了一种边坡表层土抗侵蚀能力的测试装置及其测试评价方法，所述测试装置包括盛土装置、可模拟不同强度降雨情况的降雨装置、承压装置、出水装置和雨水冲刷结果的分析装置，所述盛土装置的出水口分布有出水装置，所述盛土装置的上方设有降雨装置，所述盛土装置在靠近供水源的部分设有承压装置，所述盛土装置的后端设有分析装置。虽然该装置能够在室内模拟抗侵蚀能力并为确定边坡坡面加固方案提供参考依据，但还存在以下不足：一是该装置只考虑了边坡表层对边坡整体稳定性的影响，对于坡体的变化对边坡稳定性的影响未进行考虑。二是该装置只模拟了现场边坡情况，而对于现场边坡发生破坏时的临界状态未进行模拟，这对评价边坡的稳定性存在一定误差。三是测试评价方法存在考虑工况单一，只有降雨工况，而对地下水以及地震工况对边坡稳定性的影响未做考虑。
综上所述，深入研发一种可在室内模拟边坡现场情况和边坡在不同工况破坏时的临界状态，同时对边坡表层和坡体的变化进行监测的装置，并提供一种边坡稳定性测试评价系统是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种边坡稳定性测试评价系统及测试评价方法，本发明能够对某一现场碎石土边坡在自然工况、有地下水工况、降雨工况和地震工况下的稳定性进行测试评价。
根据本发明提出的一种边坡稳定性测试评价系统，其特征在于，包括边坡装置、地下水装置、降雨装置、振动装置、监测装置和评价装置，所述边坡装置包括支撑框架、挡板、坡度调节装置和凹槽；所述地下水装置包括左水箱和右水箱；所述降雨装置包括水管、降雨器、阀门和压力表；所述振动装置包括振动台；所述监测装置包括摄影设备和光纤；所述评价装置包括数据转换器和评价模块；所述评价模块包括计算机和处理软件；所述摄影设备和凹槽分别通过数据线与数据转换器连接，所述光纤与数据转换器连接；所述数据转换器通过数据线将转换后的数据传输给评价模块；所述评价模块对接收到的边坡监测信号进行分析处理并形成评价结果。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明模拟某一现场边坡情况，并对该现场边坡在自然工况、有地下水工况、降雨工况和地震工况下的状态进行仿真模拟；二是本发明对现场边坡在不同工况下破坏时的临界状态可进行仿真模拟并有效的进行测试评价；三是本发明不仅考虑了边坡在不同工况时表层的变化，且对坡体的变化能够进行监测，从而更全面地分析边坡整体的稳定性。
附图说明
图1是本发明提出的一种边坡稳定性测试评价系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
结合图1，本发明提出的一种边坡稳定性测试评价系统，包括边坡装置、地下水装置、降雨装置、振动装置、监测装置和评价装置，所述边坡装置包括支撑框架(6)、挡板(15)、坡度调节装置(12)和凹槽(11)；所述地下水装置包括左水箱(9)和右水箱(7)；所述降雨装置包括水管(3)、降雨器(4)、阀门(2)和压力表(1)；所述振动装置包括振动台(8)；所述监测装置包括摄影设备(5)和光纤(13)；所述评价装置包括数据转换器(17)和评价模块；所述评价模块包括计算机(14)和处理软件；所述摄影设备(5)和凹槽(11)分别通过数据线(16)与数据转换器(17)连接，所述光纤(13)与数据转换器(17)连接；所述数据转换器(17)通过数据线(16)将转换后的数据传输给评价模块；所述评价模块对接收到的边坡监测信号进行分析处理并形成评价结果。
本发明提出的一种边坡稳定性测试评价系统的进一步优选方案是：
所述边坡装置包括支撑框架(6)、挡板(15)、坡度调节装置(12)和凹槽(11)；所述支撑框架(6)前端设有自动采集坡面冲刷泥沙和冲刷物质量的凹槽(11)；所述凹槽(11)下端设有排泄侧向水流的小滤网(18)；所述支撑框架(6)的左右两侧分别设有挡板(15)。
所述地下水装置包括左水箱(9)和右水箱(7)；所述左水箱(9)和右水箱(7)分别位于支撑框架(6)的左端和右端；所述左水箱(9)的前端设有一面排泄侧向水流的滤网(10)；所述右水箱(7)的前端与凹槽(11)连接。
所述降雨装置包括水管(3)、降雨器(4)、阀门(2)和压力表(1)；所述水管(3)的下段设有控制水流开关的阀门(2)和调节水压大小的压力表(1)。
所述振动装置包括振动台(8)；所述振动台(8)位于支撑框架(6)、左水箱(7)和右水箱(9)的底部。
所述监测装置包括可拍摄坡面冲刷状态的摄影设备(5)和可感知土体物理性质变化的光纤(13)。
本发明的具体实施例。以本发明提出的一种边坡稳定性测试评价系统的测试评价方法为具体应用实施例，具体实施方式如下：
根据上述本发明公开的一种边坡稳定性测试评价系统的测试评价方法，其特征在于，将所述测试评价系统用于评价某一现场碎石土边坡在自然工况、地下水工况、降雨工况和地震工况下的稳定性，具体步骤包括如下：
步骤1，条件准备阶段：
步骤1.1，用于试验的土样准备；
步骤1.2，确定土样的级配情况：良好或者不良好；
步骤1.3，确定现场边坡的特征参数：包括坡度、土样密度、地下水位、边坡表层含水率，坡底含水率、边坡表层应力、坡底应力、边坡表层位移、坡底位移和当地的地震资料；
步骤1.4，保证水源正常供水；
步骤2，自然工况的试验阶段：
步骤2.1，将所述系统放置平稳，检查各部分是否正常；
步骤2.2，在支撑框架(6)中按现场边坡的土样密度逐层装入土样，并在模拟边坡底部和表层埋设两层光纤(13)，保证光纤(13)均匀地分布在土层中且绕成回路；
步骤2.3，将边坡角度调节到现场边坡坡度；
步骤2.3，利用坡度调节装置(12)逐渐改变边坡的角度；
步骤2.4，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据变化情况，记录模拟边坡破坏时的临界角θ；
步骤2.5，将模拟边坡角度固定在现场边坡坡度；
步骤3，地下水工况的试验阶段：
步骤3.1，启动降雨装置进行降雨，同时向左水箱(9)和右水箱(7)缓慢注水，到达现场边坡的地下水位；
步骤3.2，关闭降雨装置，同时停止向左水箱(9)和右水箱(7)中注水；
步骤3.3，静置至左水箱(9)和右水箱(7)里的水位稳定；
步骤3.4，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据并记录；
步骤3.5，重复步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3，改变左水箱(9)和右水箱(7)的水位至模拟边坡发生滑动；
步骤3.6，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据变化情况，记录模拟边坡破坏时的左水箱(9)和右水箱(7)水位均为h1、边坡表层含水率为w1和坡底含水率为w2，边坡表层应力为σ1和坡底应力为σ2，边坡表层位移为γ1和坡底位移为γ2；
步骤4，降雨工况的试验阶段：
步骤4.1，将左水箱(9)和右水箱(7)中的水排出；
步骤4.2，根据现场边坡的降雨强度确定降雨时间和压力表(1)大小，打开降雨装置的阀门(2)，进行降雨；
步骤4.3，降雨时间达到要求时间后关闭降雨装置；
步骤4.4，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据并记录；
步骤4.5，重复步骤4.2和步骤4.3，改变降雨强度至模拟边坡发生滑动；
步骤4.6，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据变化情况，记录模拟边坡破坏时坡面冲刷泥沙质量为m1、坡面冲刷物质量为m2、坡面冲刷率为x、左水箱(9)和右水箱 (7)的水位均为h2、边坡表层含水率为w3和坡底含水率为w4、边坡表层应力为σ3和坡底应力为σ4、边坡表层位移为γ3和坡底位移为γ4；
步骤5，地震工况的试验阶段：
步骤5.1，将左水箱(9)和右水箱(7)中的水排出；
步骤5.2，按现场边坡震动等级调整振动台(8)的参数，开始模拟地震；
步骤5.3，持续时间约1min后关闭振动装置；
步骤5.4，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据并记录；
步骤5.5，重复步骤5.2和步骤5.3，改变震动等级至模拟边坡开始发生滑动；
步骤5.6，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据变化情况，记录模拟边坡破坏时震动等级为M，边坡表层应力为σ5和坡底应力为σ6，边坡表层位移为γ5和坡底位移为γ6；
步骤6，整理实验仪器；
步骤7，整理实验数据；
步骤8，评价阶段；
步骤8.1，采用赋分法，对每一工况中的每一参数划分的区间赋不同的分数，并计算总分；
步骤8.2，自然工况赋分表如表1所示；
表1 自然工况赋分表
说明：表1中的Λ为土样的级配情况；θ'为现场边坡的坡脚(单位：°)；
步骤8.3，根据参数Λ、θ'所处的区间确定各参数的赋分分数，并计算总分S1；
步骤8.4，地下水工况赋分表如表2所示；
表2 地下水工况赋分表
说明：表2中的h1'为现场边坡的地下水位(单位为：m)；w1'为现场边坡表层的含水率与w1的比值；w2'为现场边坡坡底含水率与w2的比值；σ1'为现场边坡表层的应力与σ1比值；σ2'为现场边坡坡底的应力与σ2的比值；γ1'为现场边坡表层的位移与γ1的比值；γ2'为现场边坡坡底的位移与γ2的比值；
步骤8.5，根据参数h1'、w1'、w2'、σ1'、σ2'、γ1'、γ2'所处的区间确定各参数的赋分分数，并计算总分S2；
步骤8.6，降雨工况赋分表如表3所示；
表3 降雨工况赋分表
说明：表3中m'为坡面冲刷泥沙质量与坡面冲刷物质量的比值；x为模拟边坡破坏时坡面冲刷率；w3'为现场边坡表层含水率与w3的比值；w4'为现场边坡坡底含水率与w4的比值；σ3'为现场边坡表层应力与σ3的比值；σ4'为现场边坡坡底应力与σ4的比值；γ3'为现场边坡表层位移与γ3的比值；γ4'为现场边坡坡底位移与γ4的比值；
步骤8.7，根据参数m'、x、h1'、w3'、w4'、σ3'、σ4'、γ3'、γ4'所处的区间确定各参数的赋分分数，并计算总分S3；
步骤8.8，地震工况赋分表如表4所示；
表4 地震工况赋分表
说明：表4中M’为现场边坡近50年来遇到的最大震级(单位：级)；σ5'为现场边坡表层应力与σ5的比值；σ6'为现场边坡坡底应力与σ6的比值；γ5'现场边坡表层位移与γ5的比值为；γ6'现场边坡坡底位移与γ6的比值为；；
步骤8.9，根据参数M'、σ5'、σ6'、γ5'、γ6'所处的区间确定各参数的赋分分数，并计算总分S4；
步骤8.10，结合现场边坡的工况并考虑各工况对边坡稳定性影响的大小，计算最后得分S：
1)自然工况S＝S1；
2)地下水工况S＝0.5×S1+0.5×S2；
3)降雨工况S＝0.4×S1+0.6×S3；
4)地震工况S＝0.3×S1+0.7×S4；
5)地下水工况和降雨工况S＝0.3×S1+0.3×S2+0.4×S3；
7)地下水情况和地震工况S＝0.2×S1+0.3×S2+0.5×S4；
7)地下水工况、降雨工况和地震工况S＝0.1×S1+0.2×S2+0.3×S4+0.5×S4；
步骤8.11，根据最后得分S判定现场边坡的稳状态，如表5所示。
表5 边坡稳定状态
| 边坡稳定状态 | 稳定状态 | 潜在不稳定状态 | 临界状态 |
| S(分) | 81—100 | 21—80 | 1-20 |
本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种边坡稳定性测试评价系统及测试评价方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (1)
1.一种边坡稳定性测试评价系统的测试评价方法，所述边坡稳定性测试评价系统包括边坡装置、地下水装置、降雨装置、振动装置、监测装置和评价装置；所述边坡装置包括支撑框架(6)、挡板(15)、坡度调节装置(12)和凹槽(11)；所述支撑框架(6)的前端设有自动采集坡面冲刷泥沙和冲刷物质量的凹槽(11)；所述凹槽(11)下端设有排泄侧向水流的小滤网(18)；所述支撑框架(6)的左右两侧分别设有挡板(15)；所述地下水装置包括左水箱(9)和右水箱(7)，所述左水箱(9)和右水箱(7)分别位于支撑框架(6)的左端和右端；所述左水箱(9)的前端设有一面排泄侧向水流的滤网(10)，所述右水箱(7)的前端与凹槽(11)连接；所述降雨装置包括水管(3)、降雨器(4)、阀门(2)和压力表(1)，所述水管(3)的下段设有控制水流开关的阀门(2)和调节水压大小的压力表(1)；所述振动装置包括振动台(8)，所述振动台(8)位于支撑框架(6)、左水箱(9 )和右水箱(7 )的底部；所述监测装置包括可拍摄坡面冲刷状态的摄影设备(5)和可感知土体物理性质变化的光纤(13)；所述评价装置包括数据转换器(17)和评价模块；所述评价模块包括计算机(14)和处理软件；所述摄影设备(5)和凹槽(11)分别通过数据线(16)与数据转换器(17)连接，所述光纤(13)与数据转换器(17)连接；所述数据转换器(17)通过数据线(16)将转换后的数据传输给评价模块；所述评价模块对接收到的边坡监测信号进行分析处理并形成评价结果；
其特征在于，将所述边坡稳定性测试评价系统用于评价某一现场碎石土边坡在自然工况、地下水工况、降雨工况和地震工况下的稳定性，具体步骤包括如下：
步骤1，条件准备阶段：
步骤1.1，用于试验的土样准备；
步骤1.2，确定土样的级配情况：良好或者不良好；
步骤1.3，确定现场边坡的特征参数：包括坡度、土样密度、地下水位、边坡表层含水率，坡底含水率、边坡表层应力、坡底应力、边坡表层位移、坡底位移和当地的地震资料；
步骤1.4，保证水源正常供水；
步骤2，自然工况的试验阶段：
步骤2.1，将所述系统放置平稳，检查各部分是否正常；
步骤2.2，在支撑框架(6)中按现场边坡的土样密度逐层装入土样，并在模拟边坡底部和表层埋设两层光纤(13)，保证光纤(13)均匀地分布在土层中且绕成回路；
步骤2.3，将边坡角度调节到现场边坡坡度；
步骤2.3，利用坡度调节装置(12)逐渐改变边坡的角度；
步骤2.4，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据变化情况，记录模拟边坡破坏时的临界角θ；
步骤2.5，将模拟边坡角度固定在现场边坡坡度；
步骤3，地下水工况的试验阶段：
步骤3.1，启动降雨装置进行降雨，同时向左水箱(9)和右水箱(7)缓慢注水，到达现场边坡的地下水位；
步骤3.2，关闭降雨装置，同时停止向左水箱(9)和右水箱(7)中注水；
步骤3.3，静置至左水箱(9)和右水箱(7)里的水位稳定；
步骤3.4，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据并记录；
步骤3.5，重复步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3，改变左水箱(9)和右水箱(7)的水位至模拟边坡发生滑动；
步骤3.6，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据变化情况，记录模拟边坡破坏时的左水箱(9)和右水箱(7)水位均为h1、边坡表层含水率为w1和坡底含水率为w2，边坡表层应力为σ1和坡底应力为σ2，边坡表层位移为γ1和坡底位移为γ2；
步骤4，降雨工况的试验阶段：
步骤4.1，将左水箱(9)和右水箱(7)中的水排出；
步骤4.2，根据现场边坡的降雨强度确定降雨时间和压力表(1)大小，打开降雨装置的阀门(2)，进行降雨；
步骤4.3，降雨时间达到要求时间后关闭降雨装置；
步骤4.4，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据并记录；
步骤4.5，重复步骤4.2和步骤4.3，改变降雨强度至模拟边坡发生滑动；
步骤4.6，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据变化情况，记录模拟边坡破坏时坡面冲刷泥沙质量为m1、坡面冲刷物质量为m2、坡面冲刷率为x、左水箱(9)和右水箱(7)的水位均为h2、边坡表层含水率为w3和坡底含水率为w4、边坡表层应力为σ3和坡底应力为σ4、边坡表层位移为γ3和坡底位移为γ4；
步骤5，地震工况的试验阶段：
步骤5.1，将左水箱(9)和右水箱(7)中的水排出；
步骤5.2，按现场边坡震动等级调整振动台(8)的参数，开始模拟地震；
步骤5.3，持续时间约1min后关闭振动装置；
步骤5.4，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据并记录；
步骤5.5，重复步骤5.2和步骤5.3，改变震动等级至模拟边坡开始发生滑动；
步骤5.6，在评价模块上观察数据转换器(17)传输的数据变化情况，记录模拟边坡破坏时震动等级为M，边坡表层应力为σ5和坡底应力为σ6，边坡表层位移为γ5和坡底位移为γ6；
步骤6，整理实验仪器；
步骤7，整理实验数据；
步骤8，评价阶段；
步骤8.1，采用赋分法，对每一工况中的每一参数划分的区间赋不同的分数，并计算总分；
步骤8.2，自然工况赋分表如表1所示；
表1自然工况赋分表
说明：表1中的Λ为土样的级配情况；θ'为现场边坡的坡脚、单位为：°；
步骤8.3，根据参数Λ、θ'所处的区间确定各参数的赋分分数，并计算总分S1；
步骤8.4，地下水工况赋分表如表2所示；
表2地下水工况赋分表
说明：表2中的h1'为现场边坡的地下水位、单位为：m；w1'为现场边坡表层的含水率与w1的比值；w2'为现场边坡坡底含水率与w2的比值；σ1'为现场边坡表层的应力与σ1比值；σ2'为现场边坡坡底的应力与σ2的比值；γ1'为现场边坡表层的位移与γ1的比值；γ2'为现场边坡坡底的位移与γ2的比值；
步骤8.5，根据参数h1'、w1'、w2'、σ1'、σ2'、γ1'、γ2'所处的区间确定各参数的赋分分数，并计算总分S2；
步骤8.6，降雨工况赋分表如表3所示；
表3降雨工况赋分表
说明：表3中m'为坡面冲刷泥沙质量与坡面冲刷物质量的比值；x为模拟边坡破坏时坡面冲刷率；w3'为现场边坡表层含水率与w3的比值；w4'为现场边坡坡底含水率与w4的比值；σ3'为现场边坡表层应力与σ3的比值；σ4'为现场边坡坡底应力与σ4的比值；γ3'为现场边坡表层位移与γ3的比值；γ4'为现场边坡坡底位移与γ4的比值；
步骤8.7，根据参数m'、x、h1'、w3'、w4'、σ3'、σ4'、γ3'、γ4'所处的区间确定各参数的赋分分数，并计算总分S3；
步骤8.8，地震工况赋分表如表4所示；
表4地震工况赋分表
说明：表4中M’为现场边坡近50年来遇到的最大震级、单位：级；σ5'为现场边坡表层应力与σ5的比值；σ6'为现场边坡坡底应力与σ6的比值；γ5'为现场边坡表层位移与γ5的比值；γ6'为现场边坡坡底位移与γ6的比值；
步骤8.9，根据参数M'、σ5'、σ6'、γ5'、γ6'所处的区间确定各参数的赋分分数，并计算总分S4；
步骤8.10，结合现场边坡的工况并考虑各工况对边坡稳定性影响的大小，计算最后得分S：
1)自然工况S＝S1；
2)地下水工况S＝0.5×S1+0.5×S2；
3)降雨工况S＝0.4×S1+0.6×S3；
4)地震工况S＝0.3×S1+0.7×S4；
5)地下水工况和降雨工况S＝0.3×S1+0.3×S2+0.4×S3；
6)地下水情况和地震工况S＝0.2×S1+0.3×S2+0.5×S4；
7)地下水工况、降雨工况和地震工况S＝0.1×S1+0.2×S2+0.3×S4+0.5×S4；
步骤8.11，根据最后得分S判定现场边坡的稳状态，如表5所示：
表5边坡稳定状态
。
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