CN110288899B - 均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置和方法，包括离心模型箱、支撑机构、拉拔调节机构、洞穴模拟架和安全检测机构。拉拔调节机构包括滑轨、滑块和水平拉拔驱动装置；洞穴模拟架包括圆环和至少三根直杆；所有直杆的一端沿周向均布在邻近背水坡面的圆环端面上，另一端形成顶点非固定端，并预埋在堤坝中；通过调节每根直杆与圆环之间的夹角，实现不同三维动物洞穴的模拟；安全检测机构包括位移传感器、渗压计、渗流监测传感器和图像测量系统。本发明在堤坝模型达到预定离心加速度后，实现白蚁、獾类等动物的三维洞穴网络的制作模拟，真实地反映堤坝运行过程中动物洞穴的出现，揭示其在复杂水力条件下的致灾过程和致灾机理。

Description

均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置和方法

技术领域

本发明涉及水工堤坝溃决破坏模型试验的技术领域，特别是一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置和方法。

背景技术

离心模型试验具有与原型相同的应力水平，逐渐成为堤坝溃决破坏机理研究领域的重要手段。现有的堤坝离心模型试验集中在漫顶溃坝、水力劈裂破坏等方面。

我国现有江河湖泊堤防29万km，水库大坝9.8万余座。尽管病险堤坝多已实施了达标建设或除险加固，但是由于量多面广，不少堤防和小型水库大坝仍然存在局部质量差、动植物洞穴分布等安全隐患。这些安全隐患是堤坝工程中的薄弱环节，是我国防洪工程体系中的短板。以“2016.7”长江中下游洪水导致的干堤险情为例，动植物洞穴致险占总数的22%。针对堤坝三维动物洞穴，开展离心试验研究，真实地揭示其致灾机理和致灾过程，科学地指导应急抢险和除险加固，是迫切需要解决的问题。

现有技术中，水槽模型试验采取挖槽填糖的方式，可以较好地模拟洞穴的空间形态，但与原型应力水平差异较大。预制洞穴的离心模型试验可能在达到预定离心加速度前堤坝已失稳破坏。根据模型相似律的要求，动物洞穴在堤坝长期运行过程中产生。为此，动物洞穴在离心试验模型中的制作也应当在堤坝模型填筑且变形稳定之后。然而，针对含洞穴尤其是含三维洞穴网络的均质堤坝破坏机理的离心试验装置少见。

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，而提供一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置和方法，该均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置和方法在堤坝模型达到预定离心加速度后，实现白蚁、獾类等动物的三维洞穴网络的制作模拟，真实地反映堤坝运行过程中动物洞穴的出现，揭示其在复杂水力条件下的致灾过程和致灾机理。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，包括离心模型箱、支撑机构、拉拔调节机构、洞穴模拟架和安全检测机构。

离心模型箱能做离心运动，并能形成堤坝；堤坝的迎水坡面与离心模型箱内壁面形成盛水区，堤坝的背水坡面与离心模型箱内壁面形成背水区。

支撑机构包括下层水平支撑板，下层水平支撑板直接或间接与位于背水区的离心模型箱内壁面可拆卸连接，下层水平支撑板的高度能够调节。

拉拔调节机构包括滑轨、滑块和水平拉拔驱动装置；滑轨水平安装在邻近背水坡面的下层支撑板上，滑块滑动套装在滑轨的外周，并与水平拉拔驱动装置相连接。

洞穴模拟架包括圆环和至少三根直杆；圆环可拆卸式套装在滑块的外周，并能随滑块一起沿导轨水平滑移；所有直杆的一端沿周向均布在邻近背水坡面的圆环端面上，所有直杆的另一端形成顶点非固定端，顶点非固定端预埋在堤坝中；每根直杆与圆环端面的连接方式均为铰接且能定位固定；通过调节每根直杆与圆环之间的夹角，实现不同三维动物洞穴的模拟。

安全检测机构包括位移传感器、渗压计、渗流监测传感器和图像测量系统。

位移传感器埋设在堤坝中，用于识别灾变过程中堤坝的变形特征。

渗流监测传感器具有多组，均设置在位于待模拟三维动物洞穴沿程下方的堤坝中，每组渗流监测传感器均包括微型基质吸力传感器和微型孔隙水压力传感器；微型基质吸力传感器用于实时监测邻近三维动物洞穴处堤坝的基质吸力，微型孔隙水压力传感器用于实时监测邻近三维动物洞穴处堤坝的孔隙水压力变化和水力梯度分布特征。

图像测量系统包括CCD摄像机和PIV图像测量系统；CCD摄像机用于多角度监测和摄录堤坝的变形、溃决全过程；PIV图像测量系统用于采集堤坝中坝面颗粒运动过程，以测量堤坝溃决时坝体位移发展变化，以便于分析和掌握堤坝溃决机理。

圆环的直径能够更换调整，从而实现不同空间形态的三维动物洞穴的制作。

通过调节下层水平支撑板的高度，使得每个高度都对应不同的三维动物洞穴所处的堤坝高程。

通过改变滑块所处的初始固定位置，实现三维动物洞穴的不同造穴深度。

支撑机构还包括上层顶板平台和竖向支撑板；竖向支撑板安装在与背水坡面相对的离心模型箱内壁面，竖向支撑板底部具有若干个高度不同的安装孔，安装孔用于下层水平支撑板的安装；上层顶板平台安装在竖向支撑板和离心模型箱顶部。

水平拉拔驱动装置包括牵引钢丝绳、固定滑轮和直线电机；直线电机安装在上层顶板平台上，固定滑轮安装在下层水平支撑板或竖向支撑板上；牵引钢丝绳的一端与直线电机的电机轴相连接，牵引钢丝绳的另一端穿过固定滑轮后，与滑块相连接。

渗流监测传感器具有三组。

一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的方法，包括如下步骤。

步骤1，缩尺参数设置：确定堤坝离心试验模型的缩尺比例，以此确定堤坝模型的尺寸和三维动物洞穴的形态参数，形态参数包括三维动物洞穴的位置、规模和深度。

步骤2，三维动物洞穴致灾机理模拟装置安装：根据步骤1确定的堤坝模型的尺寸和三维动物洞穴的形态参数，确定下层水平支撑板的安装高度、圆环的直径、滑块的初始固定位置、直杆的根数、以及直杆与圆环的铰接角度；其中，下层水平支撑板的安装高度用于模拟三维动物洞穴所处的堤坝高程；直杆的根数用于模拟蚁道的数量，圆环的直径以及直杆与圆环的铰接角度用于模拟三维动物洞穴的空间形态；滑块的初始固定位置的确定，能够确定顶点非固定端在堤坝中的预埋位置，也即模拟三维动物洞穴的造穴深度。

步骤3，堤坝模型填筑：在堤坝离心试验模型中填筑堤坝模型，当堤坝模型填筑至步骤2中的顶点非固定端的下方时，沿洞穴模拟架方向埋设渗流监测传感器；接着继续填筑堤坝模型，使顶点非固定端预埋在堤坝中。

步骤4，位移传感器埋设：当堤坝填筑至坝顶时，将位移传感器埋设在坝顶下游侧、背水坡洞穴上部以及背水坡洞穴下部。

步骤5，图像测量系统安装：图像测量系统包括CCD摄像机和PIV图像测量系统；将CCD摄像机安装在离心机模型箱顶部左上角、堤坝顶部的正上方和右上角，用于多角度监测和摄录土石坝的变形、溃决全过程；离心机模型箱具有透明的有机玻璃面，PIV图像测量系统安装在有机玻璃面的外侧，且正对堤坝的梯形横断面，用于监视堤坝横断面的位移；渗流监测传感器、位移传感器和图像测量系统共同构成安全检测机构。

步骤6，堤坝低压围水：位移传感器埋设完成后，打开离心机，控制离心加速度达到预定值，待堤坝模型稳定后，通过水流控制系统，使盛水区处于低水位工况；低压围水过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据。

步骤7，三维动物洞穴形成：待低水位工况堤坝模型变形稳定后，通过操作拉拔调节机构，将洞穴模拟架中预埋的顶点非固定端拔出，即可获得含三维动物洞穴的堤坝模型；三维动物洞穴形成过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据。

步骤8，堤坝高压围水：再次通过水流控制系统，使堤坝模型中的盛水区处于高水位工况；高压围水过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据；待堤坝模型破坏或变形稳定后，缓慢降低离心机离心加速度至停机，导出所有监测的安全状况数据，试验结束。

步骤5中，PIV图像测量系统安装时，先在离心模型箱的有机玻璃上做好标记点，作为像素坐标与物理坐标转化的依据；PIV图像测量系统的镜头正对做有标记点的有机玻璃面。

步骤2中，当用于模拟獾类三维洞穴时，由于獾类三维洞穴具有多个洞口，故洞穴模拟架和拉拔调节机构的数量与所需模拟的獾类三维洞穴中洞口数量相匹配；一套洞穴模拟架用于模拟一个洞口，每个洞口的空间形态均能按照步骤2进行调整。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明能适用于各种专用的离心模型箱，且充分利用了离心模型箱上方的空闲空间。同时，装置构造简单，能根据不同的堤坝模型，调整相应尺寸即可。

2、本发明中洞穴模拟架的顶点非固定端的预埋设置，以及在离心机加速度达到预定加速度且坝体变形稳定后的拉拔调节机构，既保证了填筑以及达到预定离心加速度前的模型稳定性，又实现了堤坝运行过程中动物侵害洞穴的模拟。

3、本发明中下层水平支撑板的安装高度、直杆的根数及安装角度、圆环的直径及滑块的初始固定位置等均可调整，可根据需要设置不同位置、规模、深度的动物洞穴，便于开展一系列的对比试验。

4、由于本发明可模拟堤坝三维洞穴问题，为研究动物侵害对堤坝工程的影响、破坏和致灾机理的研究提供了途径和方法，得到的试验结果对实际堤坝工程的应急抢险和除险加固具有一定的参考意义。

5、本发明的动物洞穴是在离心试验模型中制作，且是在堤坝模型填筑且变形稳定之后形成。

附图说明

图1显示了本发明一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置的结构示意图。

图2显示了竖向支撑板的结构示意图。

图3显示了洞穴模拟架与下层水平支撑板的安装示意图。

图4显示了洞穴模拟架的结构示意图。

其中有：

1、上层顶板平台；2、下层水平支撑板；3、导轨；4、竖向支撑板；5、中间水平固定用框架；6、离心模型箱；7、钻孔；8、螺帽孔；9、直线电机；10、滑块；11、圆环；12、牵引钢丝绳；13、固定滑轮；14、电机轴；15、直杆。

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。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，包括离心模型箱6、支撑机构、拉拔调节机构、洞穴模拟架和安全检测机构。

离心模型箱能做离心运动，并能形成堤坝。离心模型箱为目前大型土工离心机所使用的通用试验装置。

离心模型箱正面为透明的有机玻璃材料制成，背面、侧面、底板均优选为高强铝合金，面板间通过螺栓连接固定。

本发明中，离心模型箱6的尺寸优选为1200mm×800mm×400mm（长×宽×高）。模拟的堤坝尺寸为，模型的坝顶宽度为7cm，坝高为25cm，上下游坡比分别为1：2、1：2.5。

堤坝的迎水坡面与离心模型箱内壁面形成盛水区，堤坝的背水坡面与离心模型箱内壁面形成背水区。

支撑机构包括：上层顶板平台1、下层水平支撑板2和导轨3、竖向支撑板4、固定用水平框架5。

竖向支撑板是整个支撑机构的骨架，竖向支撑板紧靠离心模型箱的右侧面（也即位于背水区的离心模型箱内壁面），如图2所示，其底端布置一定间隔的安装孔，安装孔包括钻孔7和螺帽孔8，以安装不同高程上的下层水平支撑板。通过调节下层水平支撑板的高度，使得每个高度都对应不同的三维动物洞穴所处的堤坝高程。

固定用水平框架通过螺母与竖向支撑板的顶部紧固，并通过其两纵向凹槽固定于离心模型箱顶部两长铝梁的右侧。

上层顶板平台采用铝合金梁制作，设计强度按其上部负重，即直线电机和附属部件确定。

本发明中，支撑机构的具体设计参数如下：

上层顶板平台1的尺寸为45cm×45cm（长×宽），厚度为2cm，材质为高强度铝合金。

下层水平支撑板2的尺寸为15cm×15cm（长×宽），厚度为1cm，材质为不锈钢板。导轨3的长度为20cm。

中间水平用固定框架的尺寸为25cm×40cm（长×宽），高度为4cm，采用凹槽嵌入专用离心模型箱6顶部两长梁和右侧顶短梁上。

竖向支撑板材质为高强度铝合金，水平方向宽30cm，垂直方向长70cm，厚度为8mm。在底部30cm范围内，布置间隔为5cm的钻孔。

拉拔调节机构包括滑轨、滑块10和水平拉拔驱动装置。

如图3所示，下层水平支撑板朝向背水坡面的一端连接两根导轨，每根导轨上套装一个滑块，且滑块与水平拉拔驱动装置相连接。

水平拉拔驱动装置包括牵引钢丝绳12、固定滑轮13和直线电机9。

直线电机安装在上层顶板平台上，直线电机的尺寸优选为300mm×60mm×60mm（长×宽×高），电机轴为钢材，直径15mm，长30cm，最大行程为300mm，可沿竖直方向直线运动，电机装有刹车装置以在不通电时稳定运行位置。

固定滑轮，直径优选为4cm，安装在下层水平支撑板或竖向支撑板上；牵引钢丝绳的一端与直线电机的电机轴14相连接，牵引钢丝绳的另一端穿过固定滑轮后，与滑块相连接。通过电机轴的竖直方向直线运动，实现钢丝绳的牵引。通过改变滑块所处的初始固定位置，实现三维动物洞穴的不同造穴深度。

上述牵引钢丝绳优选为不锈钢钢丝绳，其直径优选为2mm。

如图4所示，洞穴模拟架包括圆环11和至少三根直杆15。

圆环的直径优选为15cm，可拆卸式套装在滑块的外周，并能随滑块一起沿导轨水平滑移。圆环的直径能够更换调整，从而实现不同空间形态的三维动物洞穴的制作。

本申请中，直杆数量采用三根，每根直杆均为不锈钢的钢管，钢管长度优选为30cm，钢管内径优选为8mm

所有直杆的一端沿周向均布在邻近背水坡面的圆环端面上，所有直杆的另一端形成顶点非固定端，顶点非固定端预埋在堤坝中；每根直杆与圆环端面的连接方式均为铰接且能定位固定；通过调节每根直杆与圆环之间的夹角，实现不同三维动物洞穴的模拟。

针对白蚁、獾类动物洞穴系统主巢/主洞较大，蚁道/洞穴以主巢为中心发散延伸至背水坡的特点，采用的固定支撑机构的下层水平支撑板外延的两条导轨可内外调节，以改变两条平行导轨之间的水平间距，相应地调整圆环的直径，从而实现不同空间形态动物洞穴的制作。

安全检测机构包括位移传感器、渗压计、渗流监测传感器和图像测量系统。

位移传感器埋设在堤坝中，用于识别灾变过程中堤坝的变形特征。

渗流监测传感器具有多组，优选为三组，均设置在位于待模拟三维动物洞穴沿程下方的堤坝中。

每组渗流监测传感器均包括微型基质吸力传感器和微型孔隙水压力传感器。

微型基质吸力传感器用于实时监测邻近三维动物洞穴处堤坝的基质吸力，微型孔隙水压力传感器用于实时监测邻近三维动物洞穴处堤坝的孔隙水压力变化和水力梯度分布特征。

图像测量系统包括CCD摄像机和PIV图像测量系统；CCD摄像机用于多角度监测和摄录堤坝的变形、溃决全过程。

PIV图像测量系统，由相机、相机固定架以及工控机和分析软件等组成，用于采集堤坝中坝面颗粒运动过程，以测量堤坝溃决时坝体位移发展变化，以便于分析和掌握堤坝溃决机理。

一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的方法，包括如下步骤。

步骤1，缩尺参数设置：确定堤坝离心试验模型的缩尺比例，以此确定堤坝模型的尺寸和三维动物洞穴的形态参数，形态参数包括三维动物洞穴的位置、规模和深度。

步骤2，三维动物洞穴致灾机理模拟装置安装：根据步骤1确定的堤坝模型的尺寸和三维动物洞穴的形态参数，确定下层水平支撑板的安装高度、圆环的直径、滑块的初始固定位置、直杆的根数、以及直杆与圆环的铰接角度；其中，下层水平支撑板的安装高度用于模拟三维动物洞穴所处的堤坝高程；直杆的根数用于模拟蚁道的数量，圆环的直径以及直杆与圆环的铰接角度用于模拟三维动物洞穴的空间形态；滑块的初始固定位置的确定，能够确定顶点非固定端在堤坝中的预埋位置，也即模拟三维动物洞穴的造穴深度。

当用于模拟獾类三维洞穴时，由于獾类三维洞穴具有多个洞口，故洞穴模拟架和拉拔调节机构的数量与所需模拟的獾类三维洞穴中洞口数量相匹配；一套洞穴模拟架用于模拟一个洞口，每个洞口的空间形态均能按照本步骤2进行调整。

步骤3，堤坝模型填筑：在堤坝离心试验模型中填筑堤坝模型，当堤坝模型填筑至步骤2中的顶点非固定端的下方时，沿洞穴模拟架方向埋设渗流监测传感器；接着继续填筑堤坝模型，使顶点非固定端预埋在堤坝中。

步骤4，位移传感器埋设：当堤坝填筑至坝顶时，将位移传感器埋设在坝顶下游侧、背水坡洞穴上部以及背水坡洞穴下部。

步骤5，图像测量系统安装：图像测量系统包括CCD摄像机和PIV图像测量系统；将CCD摄像机安装在离心机模型箱顶部左上角、堤坝顶部的正上方和右上角，用于多角度监测和摄录土石坝的变形、溃决全过程；离心机模型箱具有透明的有机玻璃面，PIV图像测量系统安装在有机玻璃面的外侧，且正对堤坝的梯形横断面，用于监视堤坝横断面的位移；渗流监测传感器、位移传感器和图像测量系统共同构成安全检测机构。

上述PIV图像测量系统安装时，先在离心模型箱的有机玻璃上做好标记点，作为像素坐标与物理坐标转化的依据；PIV图像测量系统的镜头正对做有标记点的有机玻璃面。

步骤6，堤坝低压围水：位移传感器埋设完成后，打开离心机，控制离心加速度达到预定值，待堤坝模型稳定后，通过水流控制系统，使盛水区处于低水位工况；低压围水过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据。

步骤7，三维动物洞穴形成：待低水位工况堤坝模型变形稳定后，通过操作拉拔调节机构，将洞穴模拟架中预埋的顶点非固定端拔出，即可获得含三维动物洞穴的堤坝模型；三维动物洞穴形成过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据。

步骤8，堤坝高压围水：再次通过水流控制系统，使堤坝模型中的盛水区处于高水位工况；高压围水过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据；待堤坝模型破坏或变形稳定后，缓慢降低离心机离心加速度至停机，导出所有监测的安全状况数据，试验结束。

试验完成节点判定为：直至坝体最终溃决或者变形达到稳定。具体地，若致灾，则以堤坝溃决破坏为完成节点；若洞穴缺陷不至于导致堤坝溃决，则以位移传感器的监测数据稳定为试验结束的判断依据。

步骤9，数据对比分析：对所有监测的安全状况数据进行分析，科学地揭示三维动物洞穴的致灾机理和致灾过程。具体为：分析基质吸力、渗压计等传感器数据，识别三维动物洞穴产生的优势流效应；依据图像视频，对管涌通道形成、堤坝结构冲蚀、整体破坏全过程进行定性分析，辨识动物洞穴致灾的阶段和过程；进而对典型点的水平和垂直位移资料进行分析，揭示动物洞穴致灾过程中的堤坝空间位移变化规律。

若需模拟不同高程动物洞穴对堤坝渗流性态和稳定性的影响，只需改变下层水平支撑板安装在右侧竖向支撑板上的高度。

下层水平支撑板高度调节的方法为：1、通过在竖向支撑板底端布置一定间隔的钻孔和螺帽孔，以安装不同高程上的下层水平支撑板；2、通过在竖向支撑板底部布置带固定功能的竖向滑块，实现各种不同高程动物洞穴的制作模拟。

若需模拟不同埋深动物洞穴系统对堤坝渗流性态和稳定性的影响，只需调整下层水平支撑板外延的两条平行导轨内滑块的初始位置，来改变预置埋入深度。

若需模拟动物洞穴不同空间形态对堤坝渗流性态和稳定性的影响，只需下层水平支撑板外延的两条平行导轨之间的间距。

本发明得到的试验结果对实际堤坝工程的应急抢险和除险加固具有一定的参考意义。

水利工程中，管涌一般是指在渗流作用下，渗透坡降大于土壤允许值时，土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙被渗流冲刷带走的现象。管涌导致土体形成贯通的渗流通道，造成土体塌陷的现象。针对水利工程常见的管涌，有一套成熟的抢险方法，即临截背导，导压兼施，降低渗压，防止渗流带出泥沙。

动物洞穴管涌则是水位升高超过洞穴高程，因为动物洞穴的存在，缩短了渗透路径，导致渗漏进入洞穴系统发生管涌。为此，将“管涌”更名为“管漏”更名副其实。

可见，动物洞穴的管涌与水利工程中常说的管涌有本质的区别，水利工程技术人员往往将动物洞穴危害土质堤坝酿成的白蚁管涌（准确地说应为管漏），统统误判为常说的管涌。用水利工程管涌抢险去处理动物洞穴诱发的管涌（管漏），导致贻误战机，甚至可能酿成大灾，造成堤坝溃决。通过本试验装置，可真实地揭示致灾机理和致灾过程，可有效地识别动物洞穴诱发的险情、科学地指导应急抢险。

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 (10)

1.一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，其特征在于：包括离心模型箱、支撑机构、拉拔调节机构、洞穴模拟架和安全检测机构；

离心模型箱能做离心运动，并能形成堤坝；堤坝的迎水坡面与离心模型箱内壁面形成盛水区，堤坝的背水坡面与离心模型箱内壁面形成背水区；

支撑机构包括下层水平支撑板，下层水平支撑板直接或间接与位于背水区的离心模型箱内壁面可拆卸连接，下层水平支撑板的高度能够调节；

拉拔调节机构包括滑轨、滑块和水平拉拔驱动装置；滑轨水平安装在邻近背水坡面的下层支撑板上，滑块滑动套装在滑轨的外周，并与水平拉拔驱动装置相连接；

洞穴模拟架包括圆环和至少三根直杆；圆环可拆卸式套装在滑块的外周，并能随滑块一起沿导轨水平滑移；所有直杆的一端沿周向均布在邻近背水坡面的圆环端面上，所有直杆的另一端形成顶点非固定端，顶点非固定端预埋在堤坝中；每根直杆与圆环端面的连接方式均为铰接且能定位固定；通过调节每根直杆与圆环之间的夹角，实现不同三维动物洞穴的模拟；

安全检测机构包括位移传感器、渗压计、渗流监测传感器和图像测量系统；

位移传感器埋设在堤坝中，用于识别灾变过程中堤坝的变形特征；

渗流监测传感器具有多组，均设置在位于待模拟三维动物洞穴沿程下方的堤坝中，每组渗流监测传感器均包括微型基质吸力传感器和微型孔隙水压力传感器；微型基质吸力传感器用于实时监测邻近三维动物洞穴处堤坝的基质吸力，微型孔隙水压力传感器用于实时监测邻近三维动物洞穴处堤坝的孔隙水压力变化和水力梯度分布特征；

图像测量系统包括CCD摄像机和PIV图像测量系统；CCD摄像机用于多角度监测和摄录堤坝的变形、溃决全过程；PIV图像测量系统用于采集堤坝中坝面颗粒运动过程，以测量堤坝溃决时坝体位移发展变化，以便于分析和掌握堤坝溃决机理。

2.根据权利要求1所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，其特征在于：圆环的直径能够更换调整，从而实现不同空间形态的三维动物洞穴的制作。

3.根据权利要求1所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，其特征在于：通过调节下层水平支撑板的高度，使得每个高度都对应不同的三维动物洞穴所处的堤坝高程。

4.根据权利要求1所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，其特征在于：通过改变滑块所处的初始固定位置，实现三维动物洞穴的不同造穴深度。

5.根据权利要求1所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，其特征在于：支撑机构还包括上层顶板平台和竖向支撑板；竖向支撑板安装在与背水坡面相对的离心模型箱内壁面，竖向支撑板底部具有若干个高度不同的安装孔，安装孔用于下层水平支撑板的安装；上层顶板平台安装在竖向支撑板和离心模型箱顶部。

6.根据权利要求5所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，其特征在于：水平拉拔驱动装置包括牵引钢丝绳、固定滑轮和直线电机；直线电机安装在上层顶板平台上，固定滑轮安装在下层水平支撑板或竖向支撑板上；牵引钢丝绳的一端与直线电机的电机轴相连接，牵引钢丝绳的另一端穿过固定滑轮后，与滑块相连接。

7.根据权利要求1所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，其特征在于：渗流监测传感器具有三组。

8.一种均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的方法，基于权利要求1-7任一项所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的装置，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，缩尺参数设置：确定堤坝离心试验模型的缩尺比例，以此确定堤坝模型的尺寸和三维动物洞穴的形态参数，形态参数包括三维动物洞穴的位置、规模和深度；

步骤2，三维动物洞穴致灾机理模拟装置安装：根据步骤1确定的堤坝模型的尺寸和三维动物洞穴的形态参数，确定下层水平支撑板的安装高度、圆环的直径、滑块的初始固定位置、直杆的根数、以及直杆与圆环的铰接角度；其中，下层水平支撑板的安装高度用于模拟三维动物洞穴所处的堤坝高程；直杆的根数用于模拟蚁道的数量，圆环的直径以及直杆与圆环的铰接角度用于模拟三维动物洞穴的空间形态；滑块的初始固定位置的确定，能够确定顶点非固定端在堤坝中的预埋位置，也即模拟三维动物洞穴的造穴深度；

步骤3，堤坝模型填筑：在堤坝离心试验模型中填筑堤坝模型，当堤坝模型填筑至步骤2中的顶点非固定端的下方时，沿洞穴模拟架方向埋设渗流监测传感器；接着继续填筑堤坝模型，使顶点非固定端预埋在堤坝中；

步骤4，位移传感器埋设：当堤坝填筑至坝顶时，将位移传感器埋设在坝顶下游侧、背水坡洞穴上部以及背水坡洞穴下部；

步骤5，图像测量系统安装：图像测量系统包括CCD摄像机和PIV图像测量系统；将CCD摄像机安装在离心机模型箱顶部左上角、堤坝顶部的正上方和右上角，用于多角度监测和摄录土石坝的变形、溃决全过程；离心机模型箱具有透明的有机玻璃面，PIV图像测量系统安装在有机玻璃面的外侧，且正对堤坝的梯形横断面，用于监视堤坝横断面的位移；渗流监测传感器、位移传感器和图像测量系统共同构成安全检测机构；

步骤6，堤坝低压围水：位移传感器埋设完成后，打开离心机，控制离心加速度达到预定值，待堤坝模型稳定后，通过水流控制系统，使盛水区处于低水位工况；低压围水过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据；

步骤7，三维动物洞穴形成：待低水位工况堤坝模型变形稳定后，通过操作拉拔调节机构，将洞穴模拟架中预埋的顶点非固定端拔出，即可获得含三维动物洞穴的堤坝模型；三维动物洞穴形成过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据；

步骤8，堤坝高压围水：再次通过水流控制系统，使堤坝模型中的盛水区处于高水位工况；高压围水过程中，安全检测机构实时监测堤坝的安全状况数据；待堤坝模型破坏或变形稳定后，缓慢降低离心机离心加速度至停机，导出所有监测的安全状况数据，试验结束。

9.根据权利要求8所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的方法，其特征在于：步骤5中，PIV图像测量系统安装时，先在离心模型箱的有机玻璃上做好标记点，作为像素坐标与物理坐标转化的依据；PIV图像测量系统的镜头正对做有标记点的有机玻璃面。

10.根据权利要求8所述的均质堤坝三维动物洞穴致灾机理模拟的方法，其特征在于：步骤2中，当用于模拟獾类三维洞穴时，由于獾类三维洞穴具有多个洞口，故洞穴模拟架和拉拔调节机构的数量与所需模拟的獾类三维洞穴中洞口数量相匹配；一套洞穴模拟架用于模拟一个洞口，每个洞口的空间形态均能按照步骤2进行调整。

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