CN108828189A - 一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于，包括以下步骤：a、将物理模型置于离心机上；b、升高外置水箱的高度，打开出水阀门和进水阀门，根据饱和的土层厚度向土层中渗水，完成土体饱和过程；c、关闭进水阀门，降低外置水箱高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散；d、固结完成后，打开进水阀门，根据内置水箱的预设水位高度，将外置水箱升高到对应高度，内置水箱内的水渗至土层内，在不同高度停留得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况。本发明能够实时精确的调节地下水位高度，防止水流对坡体造成冲刷，整个试验过程操作性强，可靠性高，试验效果好。

Description

一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法

技术领域

本发明涉及到物理模型试验领域，尤其涉及一种在离心机上模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法。

背景技术

在土质边坡中，人为扰动、降雨、灌溉及地下水等是影响边坡稳定性的主要因素。

现在开挖、堆载等人为扰动及降雨对土质边坡稳定性的影响通过室内试验、数值模拟及模型试验已得到较为系统的研究，而地下水对土质边坡稳定性的研究受到地下水模拟和水位控制技术的限制，对其研究较多的集中在室内试验及数值模拟方面。

因此，实现控制地下水位是通过模型试验研究地下水诱发土质边坡稳定性的最关键前提。离心机模型试验是目前一种最佳的模型试验手段，通过离心力来模拟重力，根据相似理论，设计合适的离心加速度，能够真实的再现边坡的实际应力状态。土质边坡中的地下水位受外界影响较大，例如，农业灌溉、季节降雨、工程活动人为改变地下水排泄通道、人为抽取地下水等。因此地下水的活动是复杂的，不是单纯的升高或者降低。目前，离心机试验中模拟地下水位的方法主要是通过向水箱中注水或排水，再经过渗水孔向模型箱内渗水，从而抬高或降低模型箱地下水位，实时模拟地下水位的升降工况。

公开号为CN 107152038A，公开日为2017年09月12日的中国专利文献公开了一种土工离心模型试验设备，包括模型箱，其特征在于：所述模型箱内底部设有储水箱，中上部位于储水箱上通过立设的地连墙板隔出基坑腔和填设有土料的填土腔，所述填土腔内设有通过导管一与所述储水箱连接的用于控制填土腔的水位升降的水位水箱，所述水位水箱与填土腔之间通过密布的渗水孔连通，所述基坑腔与所述储水箱之间通过导管二连接，所述地连墙板上设有用于监测基坑开挖、地下水位变化对地连墙板所承受内力的应变片和侧向土压力变化的土压传感器。

该专利文献公开的土工离心模型试验设备，不能实现精确、持续的水位控制，无法得到保持某一水位高度时对坡体的入渗量，并且在离心力下，水会通过渗水孔对模型箱内的模型产生一个冲刷作用，离心力越大，冲刷作用越明显，会对模型产生严重的损毁，不能实现理想的控制地下水位，达不到预期的试验效果。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，本发明能够实时精确的调节地下水位高度，有效防止水流对坡体造成冲刷，整个试验过程操作性强，试验可靠性高，试验效果好。

本发明通过下述技术方案实现：

一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层底部的土体进行饱和；

b、升高外置水箱的高度，打开出水阀门和进水阀门，根据饱和的土层厚度，通过水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水，完成整个土层的土体饱和过程；

c、关闭进水阀门，降低外置水箱的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层内的孔隙水压力传感器判断固结是否完成；

d、固结完成后，打开进水阀门，根据内置水箱的预设水位高度，将外置水箱升高到对应高度，内置水箱内的水经渗水孔透过透水石和土工布均匀入渗至土层内，在不同高度停留通过水流量传感器得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程。

所述步骤b中，水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30 cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层中渗入。

所述物理模型包括模型箱、外置水箱和升降器，外置水箱通过升降器与模型箱连接，模型箱包括钢框架和与钢框架连接的透明有机玻璃，模型箱的内底壁上固定有基座，基座上固定有不透水层，不透水层上设置有土层，土层内置有孔隙水压力传感器、土压力传感器和差动位移传感器，基座一侧设置有内置水箱，内置水箱固定在模型箱的内底壁上，内置水箱的一侧壁上刻有水位刻度线，另一侧壁上开有多个渗水孔，多个渗水孔沿侧壁从下到上间隔均匀布置，渗水孔与土层之间依次设置有透水石和土工布，外置水箱上连接有进水管和出水管，进水管上设置有进水阀门，出水管上设置有出水阀门，内置水箱上连接有不锈钢软管，外置水箱通过不锈钢软管与内置水箱连通，不锈钢软管上固定有水流量传感器。

所述孔隙水压力传感器，用于监测地下水升降过程中的孔隙水压力变化，孔隙水压力传感器为10个；土压力传感器，用于监测地下水升降过程中的土压力变化，土压力传感器为7个；差动位移传感器，用于监测土质边坡的位移变化，差动位移传感器为4个。

所述渗水孔分布成7排，位于内置水箱侧壁底端的渗水孔的高度与土层底部的高度相齐平。

所述透水石的长度与土工布的长度相同，土工布的长度大于土层的高度，土工布的顶端与土层的顶端相齐平，土层的顶端与透水石的顶端相齐平。

所述模型箱的顶部固定有横截面呈“H”形的安装架，安装架上固定有第一多角度摄像机，第一多角度摄像机位于土层的正上方，模型箱的底部连接有横截面呈“L”形的支座，支座上固定有第二多角度摄像机，第二多角度摄像机位于透明有机玻璃一侧。

所述透明有机玻璃的内表面上涂有凡士林层，凡士林层的厚度为0.3毫米，透明有机玻璃的外表面上标注有标记网格。

所述钢框架上刻有用于显示外置水箱升降高度的刻度条，刻度条位于内置水箱与升降器之间。

所述基座包括水泥层和红砖、砂浆及石膏混合而成的混合层，水泥层位于混合层上方，基座通过混合层和水泥层堆砌而成。

所述不透水层为堵漏剂，堵漏剂均匀铺设在水泥层上，不透水层的厚度为1厘米。

本发明的工作原理如下：

在已有的地下水诱发土质边坡失稳的离心试验中，难点是控制地下水位高度和保证地下水的均匀入渗。在试验时，由于土质边坡的坡体各部位的基质吸力不同，用传统的水力学知识无法较好的计算出对某一密度的土体在一定水位高度及离心力下的渗透量，所以在控制地下水水位高度时较为困难，且在高离心力下，通过水箱渗水孔向土质边坡的坡体入渗极易产生冲刷，产生外力影响下的坡体变形，产生极大的试验误差。本发明试验在离心机作用下，外置水箱通过不锈钢软管与内置水箱连通，形成连通器，利用连通器原理，将主动控制地下水位高度转变为间接控制地下水位高度，通过调整外置水箱的高度，间接调节内置水箱的水位高度，从而控制地下水位达到设计水位高度，实现实时模拟地下水位的目的；同时，利用水流量传感器可以准确监测不同水位高度下坡体的入渗量，对后续的试验分析提供数据。在渗水孔与土层之间依次设置透水石和土工布，可最大程度的对坡体保持均匀的渗透速率，防止对坡体后壁产生冲刷，减小外力对试验的影响。通过在土层内置入孔隙水压力传感器、土压力传感器和差动位移传感器，完成饱和、固结过程，监测整个试验过程中的坡体内部的土压力、含水率变化和整个坡体的变形趋势，真实模拟边坡的应力状态。最后再综合地下水位变化过程、地下水入渗过程及各传感器的监测数据来分析地下水诱发土质边坡失稳全过程，能够有效保障试验准确性。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

一、本发明，“a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层底部的土体进行饱和；b、升高外置水箱的高度，打开出水阀门和进水阀门，根据饱和的土层厚度，通过水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水，完成整个土层的土体饱和过程；c、关闭进水阀门，降低外置水箱的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层内的孔隙水压力传感器判断固结是否完成；d、固结完成后，打开进水阀门，根据内置水箱的预设水位高度，将外置水箱升高到对应高度，内置水箱内的水经渗水孔透过透水石和土工布均匀入渗至土层内，在不同高度停留通过水流量传感器得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程”，作为一个完整的技术方案，贴近坡体实际情况，增加了坡体部分位置的饱和及全坡体的固结过程，能真实再现土质边坡受地下水影响的全过程，能够对地下水位实时做出调整，可全程观测到地下水位的变化以及对土质边坡的入渗情况，增加透水石和土工布，能够有效防止水流对坡体造成冲刷，整个试验过程操作性强，试验可靠性高，试验效果好。

二、本发明，步骤b中，水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30 cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层中渗入，能够快速的完成整个饱和过程，缩短试验时间，提高试验效率。

三、本发明，外置水箱通过升降器与模型箱连接，模型箱包括钢框架和与钢框架连接的透明有机玻璃，模型箱的内底壁上固定有基座，基座上固定有不透水层，不透水层上设置有土层，土层内置有孔隙水压力传感器、土压力传感器和差动位移传感器，基座一侧设置有内置水箱，内置水箱固定在模型箱的内底壁上，内置水箱的一侧壁上刻有水位刻度线，另一侧壁上开有多个渗水孔，多个渗水孔沿侧壁从下到上间隔均匀布置，渗水孔与土层之间依次设置有透水石和土工布，外置水箱上连接有进水管和出水管，进水管上设置有进水阀门，出水管上设置有出水阀门，内置水箱上连接有不锈钢软管，外置水箱通过不锈钢软管与内置水箱连通，不锈钢软管上固定有水流量传感器，使用时，通过调整外置水箱的高度，间接调节内置水箱的水位高度，从而控制地下水位达到设计水位高度，能够实时精确的调节地下水位高度；通过在地下水位升降及稳定过程中的流量变化，利用水流量传感器可以准确监测不同水位高度下坡体的入渗量，在渗水孔与土层之间依次设置透水石和土工布，可最大程度的对坡体保持均匀的渗透速率，防止对坡体后壁产生冲刷，有效保障了试验的可靠性和准确性，达到了良好的试验效果。

四、本发明，所述孔隙水压力传感器，用于监测地下水升降过程中的孔隙水压力变化，孔隙水压力传感器为10个；土压力传感器，用于监测地下水升降过程中的土压力变化，土压力传感器为7个；差动位移传感器，用于监测土质边坡的位移变化，差动位移传感器为4个，能够全面有效的监测整个试验过程中的坡体内部的土压力、含水率变化和整个坡体的变形趋势，真实模拟边坡的应力状态。

五、本发明，渗水孔分布成7排，位于内置水箱侧壁底端的渗水孔的高度与土层底部的高度相齐平，能够保障内置水箱内部水体在设计高度范围内均匀入渗至土质边坡的坡体内部，减小冲刷侵蚀。

六、本发明，透水石的长度与土工布的长度相同，土工布的长度大于土层的高度，土工布的顶端与土层的顶端相齐平，土层的顶端与透水石的顶端相齐平，透过渗水孔的水直接接触坡体会产生严重的冲刷，经过透水石后会将水压力均匀分散至坡体内，而土工布也可减轻冲刷效果，同时能够防止坡体材料透过透水石堵塞渗水孔，避免污染内置水箱，利于提高试验可靠性。

七、本发明，模型箱的顶部固定有横截面呈“H”形的安装架，安装架上固定有第一多角度摄像机，第一多角度摄像机位于土层的正上方，模型箱的底部连接有横截面呈“L”形的支座，支座上固定有第二多角度摄像机，第二多角度摄像机位于透明有机玻璃一侧，通过多角度的拍摄，可以监测到在试验过程中坡体的变形阶段，还能够选取有机玻璃一侧的剖面来进行定量的变形监测，实现全程观测地下水位的变化以及对土质边坡的入渗情况，进而能够对地下水位实时的做出调整，为地下水诱发土质边坡的稳定性问题研究提供最真实的物理模型。

八、本发明，透明有机玻璃的内表面上涂有凡士林层，凡士林层的厚度为0.3毫米，透明有机玻璃的外表面上标注有标记网格，透明有机玻璃与土层接触面若不做处理，由于边界效应，会产生明显的沿优势入渗通道排水，通过在透明有机玻璃的内表面上涂凡士林层，就能够消除透明有机玻璃与土层接触面之间的边界效应，防止试验过程中产生隙壁流，影响试验效果；透明有机玻璃的外表面上标注标记网格，在坡体变形破坏过程中，配合第一多角度摄像机和第二多角度摄像机的拍摄能够得到整个试验过程中的边坡变形量，保证定量测量效果。

九、本发明，钢框架上刻有用于显示外置水箱升降高度的刻度条，刻度条位于内置水箱与升降器之间，在试验过程中，调节外置水箱升降时，通过刻度条能够辅助观察外置水箱的高度。

十、本发明，基座包括水泥层和红砖、砂浆及石膏混合而成的混合层，水泥层位于混合层上方，基座通过混合层和水泥层堆砌而成，能够形成隔水性好的稳固基座，进而能够保障试验的可靠性。

十一、本发明，不透水层为堵漏剂，堵漏剂均匀铺设在水泥层上，不透水层的厚度为1厘米，具有良好的隔水防漏效果，能够有效防止水透过土层渗入基座内，进而能保障基座长期使用稳定性。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明，其中：

图1为本发明实施例3中物理模型的结构示意图；

图2为本发明实施例5中物理模型的结构示意图；

图3为本发明实施例6中物理模型的结构示意图；

图中标记：1、外置水箱，2、升降器，3、钢框架，4、透明有机玻璃，5、基座，6、不透水层，7、土层，8、孔隙水压力传感器，9、土压力传感器，10、差动位移传感器，11、内置水箱，12、水位刻度线，13、渗水孔，14、透水石，15、土工布，16、进水管，17、出水管，18、进水阀门，19、出水阀门，20、不锈钢软管，21、水流量传感器，22、安装架，23、第一多角度摄像机，24、支座，25、第二多角度摄像机，26、标记网格，27、刻度条，28、水泥层，29、混合层。

具体实施方式

实施例1

一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，包括以下步骤：

a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层7底部的土体进行饱和；

b、升高外置水箱1的高度，打开出水阀门19和进水阀门18，根据饱和的土层7厚度，通过水流量传感器21控制注水量缓慢向土层7中渗水，完成整个土层7的土体饱和过程；

c、关闭进水阀门18，降低外置水箱1的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层7内的孔隙水压力传感器8判断固结是否完成；

d、固结完成后，打开进水阀门18，根据内置水箱11的预设水位高度，将外置水箱1升高到对应高度，内置水箱11内的水经渗水孔13透过透水石14和土工布15均匀入渗至土层7内，在不同高度停留通过水流量传感器21得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程。

本实施例为最基本的实施方式，“a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层底部的土体进行饱和；b、升高外置水箱的高度，打开出水阀门和进水阀门，根据饱和的土层厚度，通过水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水，完成整个土层的土体饱和过程；c、关闭进水阀门，降低外置水箱的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层内的孔隙水压力传感器判断固结是否完成；d、固结完成后，打开进水阀门，根据内置水箱的预设水位高度，将外置水箱升高到对应高度，内置水箱内的水经渗水孔透过透水石和土工布均匀入渗至土层内，在不同高度停留通过水流量传感器得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程”，作为一个完整的技术方案，贴近坡体实际情况，增加了坡体部分位置的饱和及全坡体的固结过程，能真实再现土质边坡受地下水影响的全过程，能够对地下水位实时做出调整，可全程观测到地下水位的变化以及对土质边坡的入渗情况，增加透水石和土工布，能够有效防止水流对坡体造成冲刷，整个试验过程操作性强，试验可靠性高，试验效果好。

实施例2

一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，包括以下步骤：

a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层7底部的土体进行饱和；

b、升高外置水箱1的高度，打开出水阀门19和进水阀门18，根据饱和的土层7厚度，通过水流量传感器21控制注水量缓慢向土层7中渗水，完成整个土层7的土体饱和过程；

c、关闭进水阀门18，降低外置水箱1的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层7内的孔隙水压力传感器8判断固结是否完成；

d、固结完成后，打开进水阀门18，根据内置水箱11的预设水位高度，将外置水箱1升高到对应高度，内置水箱11内的水经渗水孔13透过透水石14和土工布15均匀入渗至土层7内，在不同高度停留通过水流量传感器21得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程。

所述步骤b中，水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30 cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层中渗入。

本实施例为一较佳实施方式，步骤b中，水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层中渗入，能够快速的完成整个饱和过程，缩短试验时间，提高试验效率。

实施例3

一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，包括以下步骤：

a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层7底部的土体进行饱和；

b、升高外置水箱1的高度，打开出水阀门19和进水阀门18，根据饱和的土层7厚度，通过水流量传感器21控制注水量缓慢向土层7中渗水，完成整个土层7的土体饱和过程；

c、关闭进水阀门18，降低外置水箱1的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层7内的孔隙水压力传感器8判断固结是否完成；

d、固结完成后，打开进水阀门18，根据内置水箱11的预设水位高度，将外置水箱1升高到对应高度，内置水箱11内的水经渗水孔13透过透水石14和土工布15均匀入渗至土层7内，在不同高度停留通过水流量传感器21得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程。

所述步骤b中，水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30 cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层中渗入。

所述物理模型包括模型箱、外置水箱1和升降器2，外置水箱1通过升降器2与模型箱连接，模型箱包括钢框架3和与钢框架3连接的透明有机玻璃4，模型箱的内底壁上固定有基座5，基座5上固定有不透水层6，不透水层6上设置有土层7，土层7内置有孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和差动位移传感器10，基座5一侧设置有内置水箱11，内置水箱11固定在模型箱的内底壁上，内置水箱11的一侧壁上刻有水位刻度线12，另一侧壁上开有多个渗水孔13，多个渗水孔13沿侧壁从下到上间隔均匀布置，渗水孔13与土层7之间依次设置有透水石14和土工布15，外置水箱1上连接有进水管16和出水管17，进水管16上设置有进水阀门18，出水管17上设置有出水阀门19，内置水箱11上连接有不锈钢软管20，外置水箱1通过不锈钢软管20与内置水箱11连通，不锈钢软管20上固定有水流量传感器21。

本实施例为又一较佳实施方式，外置水箱通过升降器与模型箱连接，模型箱包括钢框架和与钢框架连接的透明有机玻璃，模型箱的内底壁上固定有基座，基座上固定有不透水层，不透水层上设置有土层，土层内置有孔隙水压力传感器、土压力传感器和差动位移传感器，基座一侧设置有内置水箱，内置水箱固定在模型箱的内底壁上，内置水箱的一侧壁上刻有水位刻度线，另一侧壁上开有多个渗水孔，多个渗水孔沿侧壁从下到上间隔均匀布置，渗水孔与土层之间依次设置有透水石和土工布，外置水箱上连接有进水管和出水管，进水管上设置有进水阀门，出水管上设置有出水阀门，内置水箱上连接有不锈钢软管，外置水箱通过不锈钢软管与内置水箱连通，不锈钢软管上固定有水流量传感器，使用时，通过调整外置水箱的高度，间接调节内置水箱的水位高度，从而控制地下水位达到设计水位高度，能够实时精确的调节地下水位高度；通过在地下水位升降及稳定过程中的流量变化，利用水流量传感器可以准确监测不同水位高度下坡体的入渗量，在渗水孔与土层之间依次设置透水石和土工布，可最大程度的对坡体保持均匀的渗透速率，防止对坡体后壁产生冲刷，有效保障了试验的可靠性和准确性，达到了良好的试验效果。

实施例4

一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，包括以下步骤：

a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层7底部的土体进行饱和；

b、升高外置水箱1的高度，打开出水阀门19和进水阀门18，根据饱和的土层7厚度，通过水流量传感器21控制注水量缓慢向土层7中渗水，完成整个土层7的土体饱和过程；

c、关闭进水阀门18，降低外置水箱1的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层7内的孔隙水压力传感器8判断固结是否完成；

d、固结完成后，打开进水阀门18，根据内置水箱11的预设水位高度，将外置水箱1升高到对应高度，内置水箱11内的水经渗水孔13透过透水石14和土工布15均匀入渗至土层7内，在不同高度停留通过水流量传感器21得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程。

所述步骤b中，水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30 cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层中渗入。

所述物理模型包括模型箱、外置水箱1和升降器2，外置水箱1通过升降器2与模型箱连接，模型箱包括钢框架3和与钢框架3连接的透明有机玻璃4，模型箱的内底壁上固定有基座5，基座5上固定有不透水层6，不透水层6上设置有土层7，土层7内置有孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和差动位移传感器10，基座5一侧设置有内置水箱11，内置水箱11固定在模型箱的内底壁上，内置水箱11的一侧壁上刻有水位刻度线12，另一侧壁上开有多个渗水孔13，多个渗水孔13沿侧壁从下到上间隔均匀布置，渗水孔13与土层7之间依次设置有透水石14和土工布15，外置水箱1上连接有进水管16和出水管17，进水管16上设置有进水阀门18，出水管17上设置有出水阀门19，内置水箱11上连接有不锈钢软管20，外置水箱1通过不锈钢软管20与内置水箱11连通，不锈钢软管20上固定有水流量传感器21。

所述孔隙水压力传感器8，用于监测地下水升降过程中的孔隙水压力变化，孔隙水压力传感器8为10个；土压力传感器9，用于监测地下水升降过程中的土压力变化，土压力传感器9为7个；差动位移传感器10，用于监测土质边坡的位移变化，差动位移传感器10为4个。

所述渗水孔13分布成7排，位于内置水箱11侧壁底端的渗水孔13的高度与土层7底部的高度相齐平。

所述透水石14的长度与土工布15的长度相同，土工布15的长度大于土层7的高度，土工布15的顶端与土层7的顶端相齐平，土层7的顶端与透水石14的顶端相齐平。

本实施例为又一较佳实施方式，孔隙水压力传感器，用于监测地下水升降过程中的孔隙水压力变化，孔隙水压力传感器为10个；土压力传感器，用于监测地下水升降过程中的土压力变化，土压力传感器为7个；差动位移传感器，用于监测土质边坡的位移变化，差动位移传感器为4个，能够全面有效的监测整个试验过程中的坡体内部的土压力、含水率变化和整个坡体的变形趋势，真实模拟边坡的应力状态。

渗水孔分布成7排，位于内置水箱侧壁底端的渗水孔的高度与土层底部的高度相齐平，能够保障内置水箱内部水体在设计高度范围内均匀入渗至土质边坡的坡体内部，减小冲刷侵蚀。

透水石的长度与土工布的长度相同，土工布的长度大于土层的高度，土工布的顶端与土层的顶端相齐平，土层的顶端与透水石的顶端相齐平，透过渗水孔的水直接接触坡体会产生严重的冲刷，经过透水石后会将水压力均匀分散至坡体内，而土工布也可减轻冲刷效果，同时能够防止坡体材料透过透水石堵塞渗水孔，避免污染内置水箱，利于提高试验可靠性。

实施例5

一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，包括以下步骤：

a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层7底部的土体进行饱和；

b、升高外置水箱1的高度，打开出水阀门19和进水阀门18，根据饱和的土层7厚度，通过水流量传感器21控制注水量缓慢向土层7中渗水，完成整个土层7的土体饱和过程；

c、关闭进水阀门18，降低外置水箱1的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层7内的孔隙水压力传感器8判断固结是否完成；

d、固结完成后，打开进水阀门18，根据内置水箱11的预设水位高度，将外置水箱1升高到对应高度，内置水箱11内的水经渗水孔13透过透水石14和土工布15均匀入渗至土层7内，在不同高度停留通过水流量传感器21得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程。

所述步骤b中，水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30 cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层中渗入。

所述物理模型包括模型箱、外置水箱1和升降器2，外置水箱1通过升降器2与模型箱连接，模型箱包括钢框架3和与钢框架3连接的透明有机玻璃4，模型箱的内底壁上固定有基座5，基座5上固定有不透水层6，不透水层6上设置有土层7，土层7内置有孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和差动位移传感器10，基座5一侧设置有内置水箱11，内置水箱11固定在模型箱的内底壁上，内置水箱11的一侧壁上刻有水位刻度线12，另一侧壁上开有多个渗水孔13，多个渗水孔13沿侧壁从下到上间隔均匀布置，渗水孔13与土层7之间依次设置有透水石14和土工布15，外置水箱1上连接有进水管16和出水管17，进水管16上设置有进水阀门18，出水管17上设置有出水阀门19，内置水箱11上连接有不锈钢软管20，外置水箱1通过不锈钢软管20与内置水箱11连通，不锈钢软管20上固定有水流量传感器21。

所述孔隙水压力传感器8，用于监测地下水升降过程中的孔隙水压力变化，孔隙水压力传感器8为10个；土压力传感器9，用于监测地下水升降过程中的土压力变化，土压力传感器9为7个；差动位移传感器10，用于监测土质边坡的位移变化，差动位移传感器10为4个。

所述渗水孔13分布成7排，位于内置水箱11侧壁底端的渗水孔13的高度与土层7底部的高度相齐平。

所述透水石14的长度与土工布15的长度相同，土工布15的长度大于土层7的高度，土工布15的顶端与土层7的顶端相齐平，土层7的顶端与透水石14的顶端相齐平。

所述模型箱的顶部固定有横截面呈“H”形的安装架22，安装架22上固定有第一多角度摄像机23，第一多角度摄像机23位于土层7的正上方，模型箱的底部连接有横截面呈“L”形的支座24，支座24上固定有第二多角度摄像机25，第二多角度摄像机25位于透明有机玻璃4一侧。

本实施例为又一较佳实施方式，模型箱的顶部固定有横截面呈“H”形的安装架，安装架上固定有第一多角度摄像机，第一多角度摄像机位于土层的正上方，模型箱的底部连接有横截面呈“L”形的支座，支座上固定有第二多角度摄像机，第二多角度摄像机位于透明有机玻璃一侧，通过多角度的拍摄，可以监测到在试验过程中坡体的变形阶段，还能够选取有机玻璃一侧的剖面来进行定量的变形监测，实现全程观测地下水位的变化以及对土质边坡的入渗情况，进而能够对地下水位实时的做出调整，为地下水诱发土质边坡的稳定性问题研究提供最真实的物理模型。

实施例6

一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，包括以下步骤：

a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层7底部的土体进行饱和；

b、升高外置水箱1的高度，打开出水阀门19和进水阀门18，根据饱和的土层7厚度，通过水流量传感器21控制注水量缓慢向土层7中渗水，完成整个土层7的土体饱和过程；

c、关闭进水阀门18，降低外置水箱1的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层7内的孔隙水压力传感器8判断固结是否完成；

d、固结完成后，打开进水阀门18，根据内置水箱11的预设水位高度，将外置水箱1升高到对应高度，内置水箱11内的水经渗水孔13透过透水石14和土工布15均匀入渗至土层7内，在不同高度停留通过水流量传感器21得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程。

所述步骤b中，水流量传感器控制注水量缓慢向土层中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30 cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层中渗入。

所述物理模型包括模型箱、外置水箱1和升降器2，外置水箱1通过升降器2与模型箱连接，模型箱包括钢框架3和与钢框架3连接的透明有机玻璃4，模型箱的内底壁上固定有基座5，基座5上固定有不透水层6，不透水层6上设置有土层7，土层7内置有孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和差动位移传感器10，基座5一侧设置有内置水箱11，内置水箱11固定在模型箱的内底壁上，内置水箱11的一侧壁上刻有水位刻度线12，另一侧壁上开有多个渗水孔13，多个渗水孔13沿侧壁从下到上间隔均匀布置，渗水孔13与土层7之间依次设置有透水石14和土工布15，外置水箱1上连接有进水管16和出水管17，进水管16上设置有进水阀门18，出水管17上设置有出水阀门19，内置水箱11上连接有不锈钢软管20，外置水箱1通过不锈钢软管20与内置水箱11连通，不锈钢软管20上固定有水流量传感器21。

所述孔隙水压力传感器8，用于监测地下水升降过程中的孔隙水压力变化，孔隙水压力传感器8为10个；土压力传感器9，用于监测地下水升降过程中的土压力变化，土压力传感器9为7个；差动位移传感器10，用于监测土质边坡的位移变化，差动位移传感器10为4个。

所述渗水孔13分布成7排，位于内置水箱11侧壁底端的渗水孔13的高度与土层7底部的高度相齐平。

所述透水石14的长度与土工布15的长度相同，土工布15的长度大于土层7的高度，土工布15的顶端与土层7的顶端相齐平，土层7的顶端与透水石14的顶端相齐平。

所述模型箱的顶部固定有横截面呈“H”形的安装架22，安装架22上固定有第一多角度摄像机23，第一多角度摄像机23位于土层7的正上方，模型箱的底部连接有横截面呈“L”形的支座24，支座24上固定有第二多角度摄像机25，第二多角度摄像机25位于透明有机玻璃4一侧。

所述透明有机玻璃4的内表面上涂有凡士林层，凡士林层的厚度为0.3毫米，透明有机玻璃4的外表面上标注有标记网格26。

所述钢框架3上刻有用于显示外置水箱1升降高度的刻度条27，刻度条27位于内置水箱11与升降器2之间。

所述基座5包括水泥层28和红砖、砂浆及石膏混合而成的混合层29，水泥层28位于混合层29上方，基座5通过混合层29和水泥层28堆砌而成。

所述不透水层6为堵漏剂，堵漏剂均匀铺设在水泥层28上，不透水层6的厚度为1厘米。

本实施例为最佳实施方式，透明有机玻璃的内表面上涂有凡士林层，凡士林层的厚度为0.3毫米，透明有机玻璃的外表面上标注有标记网格，透明有机玻璃与土层接触面若不做处理，由于边界效应，会产生明显的沿优势入渗通道排水，通过在透明有机玻璃的内表面上涂凡士林层，就能够消除透明有机玻璃与土层接触面之间的边界效应，防止试验过程中产生隙壁流，影响试验效果；透明有机玻璃的外表面上标注标记网格，在坡体变形破坏过程中，配合第一多角度摄像机和第二多角度摄像机的拍摄能够得到整个试验过程中的边坡变形量，保证定量测量效果。

钢框架上刻有用于显示外置水箱升降高度的刻度条，刻度条位于内置水箱与升降器之间，在试验过程中，调节外置水箱升降时，通过刻度条能够辅助观察外置水箱的高度。

基座包括水泥层和红砖、砂浆及石膏混合而成的混合层，水泥层位于混合层上方，基座通过混合层和水泥层堆砌而成，能够形成隔水性好的稳固基座，进而能够保障试验的可靠性。

不透水层为堵漏剂，堵漏剂均匀铺设在水泥层上，不透水层的厚度为1厘米，具有良好的隔水防漏效果，能够有效防止水透过土层渗入基座内，进而能保障基座长期使用稳定性。

试验具体步骤如下：

物理模型采用离心机实验室的刚性模型箱，试验按照1:200的比例制备，模型箱内径长1.0m，宽0.6m，高1.0m，物理模型的规格为长×宽×高=0.5m×0.6m×0.3m，前后、左右四侧边界采用透明有机玻璃。根据试验所用的吊斗的尺寸大小、承载能力、模型箱的尺寸以及试验选取的地质原型参数，确定物理模型与原型之间的几何比尺，从而确定离心机模拟试验的重力比尺。以滑坡地质原型的三维地质结构为基础，采用配比试验得到的相似材料进行物理模型的设计。

在试验开始前，检查孔隙水压力传感器、土压力传感器、差动位移传感器和水流量传感器是否正常工作，外置水箱和内置水箱的密封性是否良好，各管道是否漏水，多角度摄像机能否清晰拍摄到水位高度。

具体操作如下：

1、给模型箱一个20g的初始加速度，稳定运行10min，使得物理模型内部应力自动调整，生成均恒约束应力场，再打开进水阀门和出水阀门，通过升降器控制外置水箱到一定高度，利用连通器原理来间接控制内置水箱的液面高度，根据水流量传感器的数据，注入采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度30 cst，密度0.96 g/cm³的混合液，完成饱和过程；

2、关闭进水阀门，迅速降低外置水箱的高度，逐级增加离心加速度至50g，经一段时间，当土层顶部的差动位移传感器监测到的变形值趋于稳定，且孔隙水压力消散，直至孔压曲线平稳后完成固结过程；

3、逐级增加离心加速度至200g，打开进水阀门，利用升降器控制外置水箱至设计高度来间接控制内置水箱的液面高度，稳定一段时间，通过水流量传感器测量稳定在该水位高度时水对坡体的入渗量，经摄像观察水位高度及地下水入渗至土质边坡后湿润锋的变化，通过孔隙水压力传感器、土压力传感器、差动位移传感器分别测量孔压、土压力及位移数据。然后根据设计水位高度及入渗量，利用升降器调整外置水箱的高度与稳定的时间，以此完成控制地下水位变化过程，深入分析地下水位升降对土质边坡稳定性影响的响应过程。

Claims (10)

1.一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将物理模型放置于离心机吊篮底座上，开启离心机，离心机给物理模型一个离心加速度，对土层（7）底部的土体进行饱和；

b、升高外置水箱（1）的高度，打开出水阀门（19）和进水阀门（18），根据饱和的土层（7）厚度，通过水流量传感器（21）控制注水量缓慢向土层（7）中渗水，完成整个土层（7）的土体饱和过程；

c、关闭进水阀门（18），降低外置水箱（1）的高度，提高离心加速度，使物理模型内孔隙水压力固结消散，通过土层（7）内的孔隙水压力传感器（8）判断固结是否完成；

d、固结完成后，打开进水阀门（18），根据内置水箱（11）的预设水位高度，将外置水箱（1）升高到对应高度，内置水箱（11）内的水经渗水孔（13）透过透水石（14）和土工布（15）均匀入渗至土层（7）内，在不同高度停留通过水流量传感器（21）得到不同水位高度时对坡体的入渗量，观察物理模型内湿润锋的变化及坡体变形情况，完成模拟地下水诱发土质边坡的整个失稳过程。

2.根据权利要求1所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述步骤b中，水流量传感器（21）控制注水量缓慢向土层（7）中渗水是指采用钠羧基甲基纤维素或羧丙基甲基木质纤维素加入蒸馏水中，调至黏度为30 cst，密度为0.96 g/cm³的混合液作为孔隙液体向土层（7）中渗入。

3.根据权利要求1所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述物理模型包括模型箱、外置水箱（1）和升降器（2），外置水箱（1）通过升降器（2）与模型箱连接，模型箱包括钢框架（3）和与钢框架（3）连接的透明有机玻璃（4），模型箱的内底壁上固定有基座（5），基座（5）上固定有不透水层（6），不透水层（6）上设置有土层（7），土层（7）内置有孔隙水压力传感器（8）、土压力传感器（9）和差动位移传感器（10），基座（5）一侧设置有内置水箱（11），内置水箱（11）固定在模型箱的内底壁上，内置水箱（11）的一侧壁上刻有水位刻度线（12），另一侧壁上开有多个渗水孔（13），多个渗水孔（13）沿侧壁从下到上间隔均匀布置，渗水孔（13）与土层（7）之间依次设置有透水石（14）和土工布（15），外置水箱（1）上连接有进水管（16）和出水管（17），进水管（16）上设置有进水阀门（18），出水管（17）上设置有出水阀门（19），内置水箱（11）上连接有不锈钢软管（20），外置水箱（1）通过不锈钢软管（20）与内置水箱（11）连通，不锈钢软管（20）上固定有水流量传感器（21）。

4.根据权利要求3所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述孔隙水压力传感器（8），用于监测地下水升降过程中的孔隙水压力变化，孔隙水压力传感器（8）为10个；土压力传感器（9），用于监测地下水升降过程中的土压力变化，土压力传感器（9）为7个；差动位移传感器（10），用于监测土质边坡的位移变化，差动位移传感器（10）为4个。

5.根据权利要求3所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述渗水孔（13）分布成7排，位于内置水箱（11）侧壁底端的渗水孔（13）的高度与土层（7）底部的高度相齐平。

6.根据权利要求3所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述透水石（14）的长度与土工布（15）的长度相同，土工布（15）的长度大于土层（7）的高度，土工布（15）的顶端与土层（7）的顶端相齐平，土层（7）的顶端与透水石（14）的顶端相齐平。

7.根据权利要求3所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述模型箱的顶部固定有横截面呈“H”形的安装架（22），安装架（22）上固定有第一多角度摄像机（23），第一多角度摄像机（23）位于土层（7）的正上方，模型箱的底部连接有横截面呈“L”形的支座（24），支座（24）上固定有第二多角度摄像机（25），第二多角度摄像机（25）位于透明有机玻璃（4）一侧。

8.根据权利要求3所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述透明有机玻璃（4）的内表面上涂有凡士林层，凡士林层的厚度为0.3毫米，透明有机玻璃（4）的外表面上标注有标记网格（26）。

9.根据权利要求3所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述钢框架（3）上刻有用于显示外置水箱（1）升降高度的刻度条（27），刻度条（27）位于内置水箱（11）与升降器（2）之间。

10.根据权利要求3所述的一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的方法，其特征在于：所述基座（5）包括水泥层（28）和红砖、砂浆及石膏混合而成的混合层（29），水泥层（28）位于混合层（29）上方，基座（5）通过混合层（29）和水泥层（28）堆砌而成。