CN110618086B - 一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种模拟渗流‑冻融耦合作用边坡装置和使用方法，主要用于实现模拟渗流‑冻融耦合作用边坡稳定性情况。渗流作用主要包括降雨和地下水系统，降雨系统主要用于模拟不同降雨强度和时间条件下边坡稳定性；地下水系统主要用于模拟不同地下水高度条件下边坡稳定性情况，在本装置中，既可以模拟承压水条件边坡的稳定性，又可以模拟潜水条件边坡的稳定性。冻融系统主要由冷冻装置和降雨、地下水水源组成，用于模拟冬季边坡坡体冷冻条件和春融条件下边坡的稳定性。该系统中渗流工作装置和冻融工作装置既可以相互独立工作，又可以协同联合工作，共同完成边坡稳定性监测，为工程设计提供可靠的实验数据和技术支撑。

Description

一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法
技术领域
本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法。
背景技术
渗流-冻融耦合条件下边坡的稳定性问题一直备受许多专家学者关注。水对边坡体的静动力作用及物理化学软化作用严重影响了边坡的稳定性，尤其是对于冻融及降水条件下岩土体边坡，影响作用更甚。据统计，多数滑坡事故发生在雨季及春融时期，诱发滑坡的因素与降水及春融的作用有关。地下水的渗流作用和降雨及春融入渗运动会引起边坡体内孔隙水压力的变化，同时水的物理化学软化作用也会导致边坡体强度的降低。总之，鉴于流-固耦合高度的复杂性和冻融-渗流-入渗-软化共同作用的强破坏性，研究渗流-冻融耦合对边坡体的作用显得格外重要。
发明内容
针对目前边坡工程中存在的客观问题，本发明提供一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法。既可以模拟渗流-冻融条件下边坡的稳定性，又可以模拟承压水或潜水条件边坡的稳定性，为有效的分析边坡流-固耦合问题提供相关的实验装置。渗流工作装置和冻融工作装置既可以相互独立工作，又可以协同联合工作，共同完成边坡稳定性监测。
为了实现上述目标，本发明采用的技术方案是：提供一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法。该装置可以模拟渗流-冻融耦合下边坡的变形应力响应情况。
降雨装置可以通过电磁流量计3、4及加压阀18、19调节降雨强度，通过喷水装置9保证边坡体的均匀降雨。
冻融系统主要由冷冻装置和降雨、地下水水源组成，用于模拟冬季边坡坡体冷冻条件和春融条件下边坡的稳定性。
进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法，带刻度和小孔的透明箱体13上面小孔5可以透过水位软管7，通过调整水位软管7埋藏的不同边坡体8的高度来控制地下水位的高度。数据采集系统11主要用于测定边坡体内部孔隙水压力、重力、土压力及含水量的变化。
进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法，软管长度7可以根据实验土体的长度进行调整，不仅可以用于不同斜面尺寸和形状的边坡的需求；而且可以用于近水平地层不同深度的模拟需求。
进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法，通过带刻度和小孔的透明箱体13可以随时观察到边坡体8的湿润锋前移规律和地下水对边坡体8的浸润高度。
进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法可以随时通过调整电磁流量计3、4及加压阀18、19的大小，进而达到控制地下水压力和降雨强度的目的。
进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法在边坡体8上铺设一层透水薄布6，可以保证降雨均匀喷洒在边坡体8上。
进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法，可以在边坡体8不同层位岩(土)层上下表面铺设隔水层模拟不同深度承压水对边坡稳定性的影响，进而分析承压水对边坡稳定的影响情况。
进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法，带刻度和小孔的透明箱体13两侧不同高度的小孔可以作为不同土体高度的溢流孔用于模拟观测地表径流随降雨及地层参数的变化规律。
进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法在带刻度和小孔的透明箱体13右侧底部存在小孔5，用于模拟边坡底部的排水。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明的渗流工作装置和冻融工作装置既可以相互独立工作，又可以协同联合工作，共同完成边坡稳定性监测，为工程设计提供可靠的实验数据和技术支撑。
(2)本发明的冻融系统主要由冷冻装置和降雨、地下水水源组成，用于模拟冬季边坡坡体冷冻条件和春融条件下边坡的稳定性。
(3)本发明的降雨系统，可通过电磁流量计及加压阀的联合控制模拟自然界不同的降雨强度等级条件下边坡体的响应情况。
(4)本发明的监测系统，可通过进一步，上述所述的用于模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法可以在边坡体不同层位岩(土)层上下表面铺设隔水层模拟不同深度承压水对边坡稳定性的影响，进而分析承压水对边坡稳定的影响情况。
(5)本发明的地下水系统，可通过改变软管的埋设高度控制地下水位的变化，进而模拟现场地下水分布及变化情况，简单易行。
附图说明
图1是本发明渗流-冻融耦合装置的主视图。
图2是本发明透明箱体小孔布置的示意图。
图3是本发明渗流-冻融耦合装置的俯视图。
图中：由供水源1、总开关2、电磁流量计3～4、小孔5、透明薄布6、水位软管7、边坡体8、喷水装置9、底孔10、数据采集系统11、刻度线12、带刻度和小孔的透明箱体13、止水阀14～17、加压阀18～19、制冷装置20、电源21、烧杯22、传感器23组成。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
如图1、2、3所示，是本发明提供的一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法。
既可以模拟渗流-冻融条件下边坡的稳定性，又可以模拟承压水或潜水条件边坡的稳定性，为有效的分析边坡流-固耦合问题提供相关的实验装置。且两者可共用水源。渗流工作装置和冻融工作装置既可以相互独立工作，又可以协同联合工作，共同完成边坡稳定性监测。
降雨系统包括供水源1和总开关2，通过安装在管路上的电磁流量计和加压阀联合作用来控制水压，进而达到控制降雨强度和雨量的作用。具体根据实验获得降雨强度q与时间t和压力p之间的函数关系，即q＝q(t,p)。
降雨系统由喷水装置9进行降雨供应。装有喷头的喷水装置9通过管路与供水源1相连，位于透明箱体4上方。在模拟过程中，降雨由供水源提供水源并通过箱体上方的喷水装置9中的喷头均匀喷出，且可以通过电磁流量计4和加压阀18调整水压，从而实现不同的降雨强度。
透明箱体4左右两侧壁钻有小孔5与边坡后缘平台处于同一水平面，当降雨时间过长或者降雨强度过大，导致边坡表面产生积水，积水可以从底孔10和坡顶的小孔5流出，即模拟边坡土体顶的降雨引起的地表径流现象。
地下水系统包括供水源1、水位软管7。供水源1通过管路与水位软管7连接用来提供地下水的水源，水位软管7通过透明箱体4被埋藏在边坡体8的预设高度，水源经水位软管7上的小孔流出，在重力作用下使边坡体8产生地下水。不同的埋设高度可以模拟不同的地下水位分布及变化情况。
地下水系统中水位软管7的长度可以根据实验土体的长度进行自由调整。当模拟边坡体时，坡体斜面在水平方向的投影为不同长度，水位软管7便可以根据倾斜坡面不同投影长度调整其自身长度，完成边坡体地下水相似模拟。当模拟地下水存在的近水平地层时，水位软管7在水平方向上长度相同即可。这样，水位软管在模拟过程中既可以满足于不同斜面尺寸和形状的边坡的需求，而且可以满足近水平地层不同深度的模拟需求。
冻融系统主要由制冷装置20和降雨、地下水水源组成。当模拟冬季边坡冷冻条件下稳定性时，打开制冷装置20对带刻度和小孔的透明箱体13及边坡体8进行降温，使其达到冷冻状态，进而观测边坡体的响应情况。当模拟春融条件下边坡的稳定性时，关闭上述制冷装置20，使带刻度和小孔的透明箱体13及边坡体8中的冰处于融化状态，进而观测边坡体的应力位移响应情况。
边坡体8是结合相似模拟理论及按照现场边坡相似配比堆积而成。即根据现场地质勘查资料，进行配比相似材料，模拟不同材料岩层，并进行不同高度的击实，从而增加了与现场实际情况的相似度。
在分析承压水对边坡稳定的影响情况时，可以在边坡体8的不同层位铺设隔水层，隔水层设置在预设岩(土)层上下表面，即先将边坡材料堆积到隔水层底板高度，再铺设隔水层材料并加水至隔水层顶板高度，后覆盖隔水层顶板，最后铺设边坡材料至地表高度。当需要模拟埋深为100m、200m、300m等较大水位压力条件时，可以打开加压阀19使得水压达到需求的状态，进而模拟高压力承压水状态下边坡稳定性情况。在不设置隔水层情况下则可以模拟普通潜水条件下边坡对地下水的响应情况。
边坡体上面铺有透水薄布6，当降雨通过透水薄布6可均匀入渗到边坡体8内。当边坡体8底部土体出现积水时，可以通过带刻度和小孔的透明箱体13右侧底孔10(即排水孔)进行排水，可模拟现场排水工况下边坡的稳定性情况。当用塞子将底孔10堵住时，可以模拟现场不排水工况下边坡的稳定性情况。
通过带刻度和小孔的有机透明容器可以随时观察到土体的湿润锋前移规律和地下水对土体的浸润高度。即在模拟过程中，随着降雨的进行或者地下水位的变化，土体中的水会因降雨和地下水作用而发生运动，通过摄像机记录地下水位变化及时间获得湿润锋和浸润高度随时间的变化规律。
数据采集系统由孔隙水压计、土壤水分仪、土压力盒、应变片组成。孔隙水压计、土壤水分仪、土压力盒、应变片等布设在边坡体内各个测点上，通过数据线与数据采集系统相连记录孔隙水压力、重力、内部应力、应变和含水率等各项监测数据，实时采集边坡模拟系统内部各个参数的变化情况，并且通过相关边坡稳定系数的计算确定在不同条件下边坡模拟系统是否存在发生滑坡事故的潜在危险。
下面对本系统操作进行简单说明：
如图1、2所示，调整安装在管路上的电磁流量计3、4和加压阀18、19，打开与降雨喷洒装置9相连的止水阀14和与地下水水位软管相连的止水阀15，将水位软管7埋设在需要模拟的边坡高度，从而模拟不同降雨强度降雨和不同地下水高度条件下边坡体的响应情况。当需要模拟承压水时，将该层上下铺设隔水层即可。如果需要模拟埋深为100m较大水位压力条件时，可以打开加压阀19使得水压达到需求的状态。如需模拟较大降雨强度时，可以打开加压阀18使降雨强度达到需求的效果。
当单独使用地下水系统时，可关闭与降雨喷洒装置9相连的止水阀14，打开与地下水水位软管7相连的止水阀15，将水位软管7埋设在要模拟的边坡高度，即可实现模拟单独地下水作用下边坡体的响应情况。同样，当需要模拟承压水时，将该层上下铺设隔水层即可。如果需要模拟埋深为100m较大水位压力条件时，可以打开加压阀19使得水压达到需求的状态。
当单独使用降雨系统时，可打开与降雨喷洒装置9相连的止水阀14，关闭与地下水水位软管7相连的止水阀15，调整供水源1的高度，即可实现模拟单独地下水作用下边坡体的响应情况。同样，如需模拟较大降雨强度时，可以打开加压阀18使降雨强度达到需求的效果。
当模拟冬季边坡冷冻条件下稳定性时，先打开止水阀2、14、15使边坡体达到预设的湿度及地下水位，然后关闭止水阀2、14、15，再打开制冷装置20对带刻度和小孔的透明箱体13及边坡体8进行降温，使其达到冷冻状态，进而观测边坡体的响应情况。当模拟春融条件下边坡的稳定性时，关闭上述制冷装置20，使带刻度和小孔的透明箱体13及边坡体8中的冰处于融化状态，进而观测边坡体的应力位移响应情况。
上述工况，如果需要模拟排水工况下边坡的稳定性情况，可以打开底孔10使得边坡体底部的水可以流入到底部烧杯22中，可以观测到流出水的体积。当模拟不排水工况下边坡的稳定性情况，关闭底孔10即可。
本发明的一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置和使用方法，并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置，其特征在于：主要由渗流工作装置和冻融工作装置组成，用于实现模拟渗流-冻融耦合作用边坡稳定性情况；通过埋置在不同高度岩土层中的可弯曲软管控制和调整地下水位的高度；可以在边坡体不同层位岩土层上下表面铺设隔水层模拟不同深度承压水对边坡稳定性的影响；带刻度和小孔的透明箱体两侧不同高度的小孔可以作为不同土体高度的溢流孔用于模拟观测地表径流随降雨及地层参数的变化规律，透明箱体左右两侧壁钻有小孔与边坡后缘平台处于同一水平面，积水可以从底孔和坡顶的小孔流出，即模拟边坡土体顶的降雨引起的地表径流现象；在带刻度和小孔的透明箱体右侧底部存在小孔，用于模拟边坡底部的排水。
2.根据权利要求1所述的一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置，其特征在于：渗流工作装置主要包括降雨和地下水系统；冻融工作装置主要由冷冻装置和降雨、地下水水源组成；渗流工作装置和冻融工作装置既可以相互独立工作，又可以协同联合工作，共同完成边坡稳定性监测。
3.根据权利要求2所述的一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置，其特征在于：通过安装在管路上的电磁流量计和加压阀联合作用控制降雨强度和雨量；根据实验获得降雨强度q与时间t和压力p关系，即q＝q(t,p)。
4.根据权利要求1所述的一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置，其特征在于：冻融工作装置通过调控带刻度和小孔的透明箱体内部温度以及含水情况模拟冬季冷冻条件和春季春融条件下边坡的稳定性情况。
5.根据权利要求1所述的一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置，其特征在于：软管长度可以根据实验土体的长度进行调整，不仅可以用于不同斜面尺寸和形状的边坡的需求；而且可以用于近水平地层不同深度的模拟需求。
6.根据权利要求1所述的一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置，其特征在于：通过带刻度和小孔的透明箱体可以随时观察到土体的湿润锋随降雨参数的前移规律和浸润高度随地下水供水参数的变化规律。
7.根据权利要求2所述的一种模拟渗流-冻融耦合作用边坡装置，其特征在于：可以随时通过调整加压阀控制地下水的压力，进而达到模拟不同埋深地下水压力的目的。
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