CN109142672B - 一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，包括步骤1，滑坡模拟试验装置搭建；步骤2，滑坡模型构建；步骤3，土料饱和；步骤4，滑坡模拟试验：活动钢板解除水平锁定状态，位于活动钢板上方的部分土料沿着回收槽的弧面以及活动钢板的上表面滑入回收槽中，形成滑坡；滑落后的坡体为滑落坡体，滑落坡体的外坡比为1:0.7；步骤5，滑坡防汛抢险演练；以及步骤6，滑坡模型复原。本发明能在现场实现滑坡险情，并能在滑坡发生和发展过程中开展堤顶减载、堤脚压载等工程措施的抢险演练，抢险演练过程中风险可控，不会造成人员的伤亡。同时演练结束后可快速还原原型的滑坡模型，大量节省了后期维护的人力、物力和财力，试验具有可重复性。

Description

一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程及防灾减灾模型试验技术领域，特别是一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法。

背景技术

随着全球气候变化的影响，极端天气呈现多发、重发的态势，近年来我国长江流域、珠江流域、太湖流域，包括东北的第二松花江流域和海河流域都发生了超标洪水，由此引起了多处堤坝的滑坡，滑坡发生后需要进行应急抢险，但由于缺乏训练，抢险时往往带有一定的盲目性。因此，认识滑坡的危害并能开展针对性的抢险演练对提高滑坡抢险的成效具有重要的意义。

现有的室内滑坡试验，主要分为三大类：框架式模型试验、离心模型试验和地质力学磁力模型试验，由于模型比尺较小且模型箱封闭，主要用于研究滑坡机理及相应的抗滑工程措施，不能用于实战抢险演练。

现有的现场滑坡试验，主要是利用既有的地形研究降雨对堤坝稳定性的影响。由于滑体巨大且动能较大，使得破坏后的风险难以控制，例如1971年在日本进行的足尺降雨滑坡试验造成了15人死亡、11人受伤的重大事故。此外，试验后期恢复需要投入较大的人力和财力，试验具有不可重复性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，该用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法能在现场实现滑坡险情，并能在滑坡发生和发展过程中开展堤顶减载、堤脚压载等工程措施的抢险演练，抢险演练过程中风险可控，不会造成人员的伤亡。同时演练结束后可快速还原原型的滑坡模型，大量节省了后期维护的人力、物力和财力，试验具有可重复性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，包括如下步骤：

步骤1，滑坡模拟试验装置搭建：堆砌截面为扇形的回收槽，回收槽包括弧面和斜面，斜面的倾斜角度为49~50°；固定钢板倾斜固定设置，且坡比为1:1，固定钢板的顶端与坡顶支撑相接触，坡顶支撑水平固定设置；固定钢板上的排水滤管与加压装置相连接；加压装置中的阀门处于关闭状态；活动钢板的铰接端与坡底支撑或坡底基础相铰接，活动钢板在滑坡动力装置的作用下处于水平锁定状态，活动钢板的转动自由端与固定钢板的底部相接触。

步骤2，滑坡模型构建：在坡顶支撑、固定钢板、活动钢板和坡底支撑的上方堆放土料，形成初始斜坡，初始斜坡的外坡比为1:2。

步骤3，土料饱和：加压装置的阀门打开，通过排水滤管，向土料提供压力水，使与固定钢板相接触的土料处于饱和状态。

步骤4，滑坡模拟试验：活动钢板解除水平锁定状态，在滑坡动力装置的作用下向下转动，直至与回收槽的斜面相平行；在活动钢板转动的过程中，位于活动钢板上方的部分土料沿着回收槽的弧面以及活动钢板的上表面滑入回收槽中，形成滑坡；滑落后的坡体为滑落坡体，滑落坡体的外坡比为1:0.7。

步骤5，滑坡防汛抢险演练。

步骤6，滑坡模型复原：活动钢板在滑坡动力装置的作用下，向上转动至水平状态并锁定，使位于回收槽内的土料离开回收槽，形成复原初始斜坡，对复原初始斜坡的外侧进行平整，使复原初始斜坡的外坡比为1:2。

步骤4中，通过控制滑坡动力装置的下降速度，进而控制滑坡速率。

步骤3中，加压装置向土料的通水时间为30分钟，能使位于固定钢板上部2cm的土料处于饱和状态。

步骤1中，斜面的倾斜角度为49.7°。

滑坡动力装置为双层气囊和充放气系统，双层气囊包括堆叠放置的内层气囊和外层气囊；内层气囊的顶部与活动钢板的底部相接触，外层气囊的底部与斜面相接触；在步骤1中，双层气囊处于充气状态，双层气囊的内压为0.2mpa。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的滑坡形式为沿粉砂内部的圆弧式滑动和沿活动钢板接触面的复合式圆弧滑动，滑坡效果逼真。

2、能通过滑坡动力装置控制滑坡速率，为防汛抢险演练提供一定的反应时间。

3、上述回收槽及活动钢板的设计，能在滑坡结束后快速还原至试验前的状态，试验能在短期内重复进行。

附图说明

图1显示了本发明一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法滑坡前的结构示意图。

图2显示了本发明一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法滑坡后的结构示意图。

图3显示了本发明中滑坡动力装置为双层气囊时的结构示意图。

图4显示了滑坡动力装置假设为单层气囊时的结构示意图。

其中有：

10.固定钢板；11.排水滤管；20.加压装置；21.连接管；22.阀门；30.活动钢板；31.铰接点；40.土料；41.外坡；50.坡顶支撑；60.坡底支撑；70.滑坡动力装置；71.内气囊；72.外气囊；73.锚固点；80.回收槽；81.弧面；82.斜面。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种用于均质土坝的滑坡模拟试验装置，包括固定钢板10、排水滤管11、加压装置20、活动钢板30、坡顶支撑50、坡底支撑60、滑坡动力装置70和回收槽80。

固定钢板倾斜固定设置，且坡比为1:1，固定钢板的顶端与坡顶支撑相接触，坡顶支撑水平固定设置。

固定钢板上埋设有若干根排水滤管，每根排水滤管均与加压装置相连接。

加压装置通过连接管21与每根排水滤管相连接，用于向每根排水滤管提供压力水，加压装置上设置有阀门22，压力装置向排水滤管提供的压力水的水压力优选低于25kPa。

活动钢板能在滑坡动力装置的驱动下转动，活动钢板的转动自由端朝向固定钢板的底端方向，活动钢板的铰接端与坡底支撑或坡底基础相铰接，具有一个铰接点31。

坡底支撑水平固定设置在活动钢板铰接端的一侧。

回收槽为截面呈扇形的锥形槽体，回收槽包括弧面81、斜面82和竖向侧挡面。

斜面倾斜设置，且位于活动钢板的下方，斜面的顶端与活动钢板的铰接端相对应，斜面与水平面所呈的夹角为49~50°，优选为49.7°。

弧面的底端与斜面的底端相连接，弧面的顶端与固定钢板的底端相连接；活动钢板的转动自由端能沿弧面滑动；竖向侧挡面为扇形板，将弧面和斜面连接，形成顶部开口的锥形槽体。

如图1所示，当活动钢板转动至水平状态，土料堆放在坡顶支撑、固定钢板、活动钢板和坡底支撑的上方，形成初始斜坡，初始斜坡的外坡比为1:2。

上述土料优选为粉砂，粉砂的渗透系数优选为i×10^-4cm/s，i=1、2、3……9。

如图2所示，当活动钢板转动至斜面时，初始斜坡中的部分土料滑落至回收槽中，滑落后的坡体为滑落坡体，滑落坡体的外坡比为1:0.7。

外摩擦系数随着土体含水量的增加是先增大后减小，即存在一个最优含水量，此时界面的外摩擦系数最大，当土体处于饱和状态时，外摩擦系数最小。本模型的破坏方式为沿土体与钢板接触面的滑动，其是否会发生滑坡破坏与外摩擦角具有重大关系，试验前通过钢板顶部的排水孔使得与钢板接触部位的土体处于饱和状态，从而更易实现滑坡。

上述滑坡动力装置优选有如下两种实施例。

实施例1：滑坡动力装置为千斤顶。

实施例2：滑坡动力装置，也即滑坡演练动力装置，包括双层气囊和充放气系统，充放气系统用于控制双层气囊的充气和放气。

双层气囊设置在活动钢板的下方，活动钢板能沿回收槽中的弧面滑动，且滑动角度为0~50°，优选为49.7°。

回收槽还具有对活动钢板滑动角度进行限位的斜面，活动钢板与坡底支撑或坡底基础相铰接。

双层气囊的一端锚固在坡底支撑或坡底基础上，且锚固点73优选位于铰接点31的正下方。

如图3所示，双层气囊包括堆叠放置的内层气囊71和外层气囊72；内层气囊的顶部与活动钢板的底部相接触，外层气囊的底部与斜面相接触。

内层气囊和外层气囊的长度为活动钢板长度的0.95~1倍，内层气囊和外层气囊的宽度为活动钢板宽度的0.8~0.9倍。

进一步，内层气囊和外层气囊的长度优选为活动钢板长度的0.988倍，内层气囊和外层气囊的宽度优选为活动钢板宽度的0.848倍。

图3中，a表示活动钢板的宽度，b表示双层气囊的宽度，c表示双层气囊的受力臂长度。

活动钢板与内气囊相接触的一侧和/或斜面与外气囊相接触的一侧优选覆盖有降低摩擦系数的材料；降低摩擦系数的材料优选为不锈钢板。

内层气囊和外层气囊的最大承压优选为1.0MPa。

本发明中双层气囊的设计，并不是单层气囊的简单叠加，是经过申请人多次重复试验及推算而得出的。

滑坡动力装置假设为单层气囊时，如图4所示，图4中，d表示单层气囊的宽度，e表示单层气囊的受力臂长度。

与单层气囊相比，本发明具有如下有益效果：

1.气囊承载压力小，安全运行系数提高。采用双囊结构后，双层气囊的囊体与活动钢板的接触面吻合性大幅提高，起降稳定性亦大幅提高。尤其是长度方向接触实际接触长度增加，使整个活动钢板的翻转对于抵抗上方覆土不均匀形成的受力不平衡能力大幅提升。

具体分析为：

如图4所示，单层气囊工作时伸张空间过大，与活动钢板的接触面不吻合，且接触面积过小，当单层气囊顶起活动钢板至水平位置时，其与活动钢板宽度方向接触面积只有1/3不到，而且位于力臂起点处；长度方向为活动钢板由于单层气囊充胀形成的圆弧，实际与活动钢板接触长度约为活动钢板长度2/3左右。

由上述计算，单层气囊与活动钢板实际接触面积约为活动钢板面积2/9左右，且由于力臂较短，而活动钢板受力则相反，由于覆土结构的原因，其受力重心偏向远端，故而单层气囊的实际承载压力更大，能达到0.6mpa，且极易形成偏压，气囊内压较大，气囊一旦承压不够发生爆炸，后果比较严重。

如图3所示，双层气囊与活动钢板宽度方向接触面积约占到3/5以上，其长度方向达到4/5以上，双层气囊的受力力臂位于活动钢板的中心附近，也即双层气囊与活动钢板实际接触面积约为活动钢板面积的一半，故而际承载压力小，气囊工作压力最大只要0.2mpa，大大减少安全运行风险，另外，双层气囊的最大承压能力增大，能达到1.0mpa。

2.气囊充气时间缩短。空载运行状态下由单层气囊的25分钟缩短到9分钟；活动钢板升至平衡位置（气囊内压为0.01MPa），定位销锁死。实载运行状态下，由单层气囊的55分钟缩短到33分钟；活动钢板抬高至设定角度，定位销抽离，开始进行滑坡演练调试。

3.气囊囊内压力变小。空载运行状态下：气囊内压由单层气囊的0.1mpa减小到0.01mpa；活动钢板升至平衡位置，定位销锁死。实载运行状态下：气囊内压由单层气囊的0.6mpa减小到0.2mpa左右；活动钢板抬高至设定角度，定位销抽离，开始进行滑坡演练调试。

4.本发明双层气囊的设计，使密封提升，并防止了局部击穿的可能。

5.上述降低摩擦系数材料的增加以及铰接点与锚固点位置分离，故在双层气囊充胀过程中，尤其是活动钢板落入坑底后恢复至水平位置过程中，双层气囊囊体与活动钢板之间会形成位移摩擦， 降低摩擦系数材料增加后，可使动作过程更流畅，且大幅降低由于摩擦导致的气囊磨损。

一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，包括如下步骤。

步骤1，滑坡模拟试验装置搭建：堆砌截面为扇形的回收槽，回收槽包括弧面和斜面，斜面的倾斜角度为49~50°，优选为49.7°。固定钢板倾斜固定设置，且坡比为1:1，固定钢板的顶端与坡顶支撑相接触，坡顶支撑水平固定设置；固定钢板上的排水滤管与加压装置相连接；加压装置中的阀门处于关闭状态；活动钢板的铰接端与坡底支撑或坡底基础相铰接，活动钢板在滑坡动力装置的作用下处于水平锁定状态，活动钢板的转动自由端与固定钢板的底部相接触。

本步骤中，滑坡动力装置优选为双层气囊和充放气系统，双层气囊处于充气状态，双层气囊的内压为0.2mpa。

步骤2，滑坡模型构建：在坡顶支撑、固定钢板、活动钢板和坡底支撑的上方堆放土料，形成初始斜坡，初始斜坡的外坡比为1:2。

土料优选为粉砂，粉砂的渗透系数为i×10^-4cm/s。非试验条件下，由于初始斜坡的边坡较缓缘且在固定钢板和活动钢板的支撑下具有足够的稳定性，不会发生滑坡。

步骤3，土料饱和：加压装置的阀门打开，通过排水滤管，向土料提供压力水，使与固定钢板相接触的土料处于饱和状态。

加压装置向土料的通水时间控制为30分钟左右，能使位于固定钢板上部2cm的土料处于饱和状态。粉砂的临界比降小于1，为防止粉砂发生渗透破坏，水压力应低于25kPa。

步骤4，滑坡模拟试验：活动钢板解除水平锁定状态，在滑坡动力装置的作用下向下转动，直至与回收槽的斜面相平行；在活动钢板转动的过程中，位于活动钢板上方的部分土料沿着回收槽的弧面以及活动钢板的上表面滑入回收槽中，形成滑坡；滑落后的坡体为滑落坡体，滑落坡体的外坡比为1:0.7。

模型下部的土体随活动钢板一起向下位移并在活动钢板向下转动一定角度后滑入回收槽，此时模型上部的土体处于临空状态也将发生沿滑动并滑入回收槽，即产生滑坡现象。在滑坡过程中，土体会向其滑动方向的两侧解体、崩解。滑移体的解体、崩解程度与构成滑移体的材料、结构和制备等因素有关。由于在活动钢板两侧筑有高于设计边坡的钢筋混凝土防护墙，且下滑的土体均滑入回收槽，故虽然滑体巨大，但不会造成人员伤亡。

步骤4中，通过控制滑坡动力装置的下降速度，进而控制滑坡速率，为防汛抢险演练提供一定的反应时间。

步骤5，滑坡防汛抢险演练。

步骤6，滑坡模型复原：活动钢板在滑坡动力装置的作用下，向上转动至水平状态并锁定，使位于回收槽内的土料离开回收槽，形成复原初始斜坡，对复原初始斜坡的外侧进行平整，使复原初始斜坡的外坡比为1:2。

滑坡试验完成后，采用千斤顶将活动钢板向上顶起，回收槽槽壁及底部同样砌有钢筋混凝土，弧面刚好允许活动钢板向下旋转，而斜面与活动钢板的最大向下旋转工况相契合。从而确保了几乎所有下滑土体都被顶出回收槽。待活动钢板再次回到水平位置，稍加平整外边坡后即可进行下一组滑坡实验。

本发明特别适用于土质边坡滑坡的演示，同时可供防汛机动抢险专业队伍开展滑坡灾害培训及滑坡灾害抢险演练。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，滑坡模拟试验装置搭建：堆砌截面为扇形的回收槽，回收槽包括弧面和斜面，斜面位于活动钢板的下方，斜面的顶端与活动钢板的铰接端相对应，斜面的倾斜角度为49~50°；固定钢板倾斜固定设置，且坡比为1:1，固定钢板的顶端与坡顶支撑相接触，坡顶支撑水平固定设置；固定钢板上的排水滤管与加压装置相连接；加压装置中的阀门处于关闭状态；活动钢板的铰接端与坡底支撑相铰接，活动钢板在滑坡动力装置的作用下处于水平锁定状态，活动钢板的转动自由端与固定钢板的底部相接触；

步骤2，滑坡模型构建：在坡顶支撑、固定钢板、活动钢板和坡底支撑的上方堆放土料，形成初始斜坡，初始斜坡的外坡比为1:2；

步骤3，土料饱和：加压装置的阀门打开，通过排水滤管，向土料提供压力水，使与固定钢板相接触的土料处于饱和状态；

步骤4，滑坡模拟试验：活动钢板解除水平锁定状态，在滑坡动力装置的作用下向下转动，直至与回收槽的斜面相平行；在活动钢板转动的过程中，位于活动钢板上方的部分土料沿着回收槽的弧面以及活动钢板的上表面滑入回收槽中，形成滑坡；滑落后的坡体为滑落坡体，滑落坡体的外坡比为1:0.7；

步骤5，滑坡防汛抢险演练；

步骤6，滑坡模型复原：活动钢板在滑坡动力装置的作用下，向上转动至水平状态并锁定，使位于回收槽内的土料离开回收槽，形成复原初始斜坡，对复原初始斜坡的外侧进行平整，使复原初始斜坡的外坡比为1:2。

2.根据权利要求1所述的用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，其特征在于：步骤4中，通过控制滑坡动力装置的下降速度，进而控制滑坡速率。

3.根据权利要求1所述的用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，其特征在于：步骤3中，加压装置向土料的通水时间为30分钟，能使位于固定钢板上部2cm的土料处于饱和状态。

4.根据权利要求3所述的用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，其特征在于：步骤1中，斜面的倾斜角度为49.7°。

5.根据权利要求1所述的用于防汛抢险演练的滑坡模拟试验方法，其特征在于：滑坡动力装置为双层气囊和充放气系统，双层气囊包括堆叠放置的内层气囊和外层气囊；内层气囊的顶部与活动钢板的底部相接触，外层气囊的底部与斜面相接触；在步骤1中，双层气囊处于充气状态，双层气囊的内压为0.2mpa。