CN110967467B - 一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土木工程技术领域的降雨模拟实验系统，具体公开了一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，包括堆积体模型、测量系统及降雨模拟装置；所述堆积体模型由石英砂堆筑而成并定位在模型槽中，且所述堆积体模型由上至下通过带色间隔条带的分隔而分层铺筑；所述测量系统包括激光位移传感器、拉线式位移传感器、含水率传感器、孔隙水压力传感器、声发射传感器、处理器及PIV系统；所述降雨模拟装置包括若干设于堆积体模型上方的喷淋单元、用于蓄水的水箱、连接在喷淋单元与水箱之间的用于将雨水输送至喷淋单元的水泵及用于控制降雨强度的降雨强度控制组件。本发明可用于进行不同边坡模型的降雨诱发变形及滑坡试验。

Description

一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域的降雨模拟实验系统，尤其涉及一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统。
背景技术
我国是受夏季风影响的地区，雨季时降雨量相对较多；强降雨是诱发滑坡，特别是堆积体斜坡发生变形破坏的主要因素之一；堆积体滑坡具有分布广泛、爆发频率高、持续危害大等特点，严重威胁基础设施建设、人民生命财产安全；由于滑坡堆积体的反粒序分布状态直接影响堆积体孔隙率、透水性能，进而影响堆积体降雨作用下的稳定性，因而开展降雨诱发反粒序堆积体破坏的冲蚀-潜蚀-渗流耦合作用机制研究，可为高速远程滑坡堆积体稳定性分析及灾害防治提供理论支撑。
降雨诱发堆积体破坏影响机制物理模型试验研究，能够从宏观层面研究降雨诱发滑坡破坏模式及多种因素的影响，并通过含水率、渗透系数、孔隙水压力等参数变化作为判断滑坡启动、发展和破坏的关键指标，是揭示反序粒堆积破坏机理和规律的重要工具。
然而，现有的降雨模拟堆积体破坏模型装置功能比较单一，尤其是无法同时观测降雨过程中土体内部体积含水率和孔隙水压力值随时间的变化，关于降雨特性、坡度、颗粒级配等因素对降雨型堆积体滑坡失稳规律的影响也有待于进一步研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，可用于进行不同边坡模型的降雨诱发变形及滑坡试验，以研究降雨冲蚀-潜蚀耦合作用对反粒序堆积体渗流、变形、破坏及颗粒运移的影响规律。
本发明提供了一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，包括堆积体模型、测量系统及降雨模拟装置；
所述堆积体模型由石英砂堆筑而成并定位在模型槽中，且所述堆积体模型由上至下通过带色间隔条带的分隔而分层铺筑；
所述测量系统包括激光位移传感器、拉线式位移传感器、含水率传感器、孔隙水压力传感器、声发射传感器、处理器及PIV系统；
所述激光位移传感器至少具有两个且分别置于堆积体模型的上侧和后侧，用于分别测定堆积体模型表面在竖直方向和水平方向的位移，所述激光位移传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述拉线式位移传感器置于堆积体模型内部，用于测定堆积体模型的内部位移，所述拉线式位移传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述含水率传感器置于堆积体模型内部，用于测量堆积体模型的含水率，所述含水率传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述孔隙水压力传感器置于堆积体模型内部，用于测量堆积体模型的孔隙水压力，所述孔隙水压力传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述声发射传感器置于堆积体模型内部，用于监测堆积体模型的变形破坏，所述声发射传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述PIV系统包括高清摄制机，所述高清摄制机置于堆积体模型的前侧，用于追踪带色间隔条带的变形，所述高清摄制机的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述降雨模拟装置包括若干设于堆积体模型上方的喷淋单元、用于蓄水的水箱、连接在喷淋单元与水箱之间的用于将雨水输送至喷淋单元的水泵及用于控制降雨强度的降雨强度控制组件。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述堆积体模型选用0.1～32mm粒径范围的棱角状石英砂作为材料堆筑而成。
作为对上述技术方案的进一步改进，在堆积体模型的初始形态下，各所述带色间隔条带相平行。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述含水率传感器、孔隙水压力传感器、声发射传感器均设置有至少三个，且均由上至下间隔埋设在堆积体模型内部。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述喷淋单元与水箱之间通过供水管线相连接，所述水泵设于供水管线中；所述降雨强度控制组件包括设于供水管线中用于共同控制供水压力的矢量变频器及压力变送器。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述供水管线中还设有用实时显示供水流量的智能数显流量计及用于控制流量和水压的阀门。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述模型槽包括底板及两块分别垂直连接在底板左右两侧的侧板；所述堆积体模型的底面与底板的上表面接触、两侧面分别与两侧板的内表面接触；所述底板的上表面铺设有橡胶垫，且橡胶垫与堆积体模型的底面沙粒之间通过防水胶粘贴连接。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述侧板采用透明有机玻璃制成，且所述侧板的内表面粘贴有透明防护膜。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述模型槽的顶侧连接有集水槽、底侧连接有雨水回收槽。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述底板的下表面由升降台架支撑，所述升降台架包括若干沿底板长度方向依次设置的剪叉式升降机。
与现有技术相比，本发明的模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，结构简单、操作方法安全、试验结果可靠，并可用于进行不同边坡模型的降雨诱发变形及滑坡试验，包括：
第一，本发明可用于研究降雨冲蚀-潜蚀耦合作用对反粒序堆积体渗流、变形、破坏及颗粒运移的影响规律；
第二，本发明可用于研究堆积体在降雨条件下含水量、孔压、吸力、颗粒级配以及变形响应规律；
第三，本发明可用于研究不同级配堆积体、坡度、降雨强度和降雨历时对土坡稳定性的影响；
第四，本发明可用于研究土体颗粒的运移规律和堆积材料厚度及粒径空间分布、基面倾角及颗粒运移规律对反粒序堆积体破坏模式的影响规律。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的堆积体模型的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明；当然，附图仅为简化后的示意图，其比例大小并不构成对具体结构的限制。
如图1至图2所示：本实施例提供了一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，包括堆积体模型1、测量系统及降雨模拟装置。
所述堆积体模型1由石英砂堆筑而成并定位在模型槽10中，且所述堆积体模型1由上至下通过带色间隔条带9的分隔而分层铺筑；堆积体模型1例如可根据需要堆筑成斜坡面结构；所述堆积体模型1可选用0.1～32mm粒径范围的棱角状石英砂作为材料堆筑而成；同时，优选地，在堆积体模型1的初始形态下，各所述带色间隔条带9相平行。
所述测量系统包括激光位移传感器2、拉线式位移传感器3、含水率传感器4、孔隙水压力传感器5、声发射传感器6、处理器7及PIV系统；处理器7用于统一处理各传感器元件所采集的信号，例如可集成在一计算机中。
所述激光位移传感器2至少具有两个且分别置于堆积体模型1的上侧和后侧，用于分别测定堆积体模型1表面在竖直方向和水平方向的位移，所述激光位移传感器2的信号输出端与处理器7的信号输入端相连。所述拉线式位移传感器3置于堆积体模型1内部，用于测定堆积体模型1的内部位移，所述拉线式位移传感器3的信号输出端与处理器7的信号输入端相连。所述含水率传感器4置于堆积体模型1内部，用于测量堆积体模型1的含水率，所述含水率传感器4的信号输出端与处理器7的信号输入端相连。所述孔隙水压力传感器5置于堆积体模型1内部，用于测量堆积体模型1的孔隙水压力，所述孔隙水压力传感器5的信号输出端与处理器7的信号输入端相连。所述声发射传感器6置于堆积体模型1内部，用于监测堆积体模型1的变形破坏，所述声发射传感器6的信号输出端与处理器7的信号输入端相连。所述含水率传感器4、孔隙水压力传感器5、声发射传感器6均设置有至少三个，且均由上至下间隔埋设在堆积体模型1内部。拉线式位移传感器3则主要布设于中等颗粒堆积材料内。当堆积体模型1模型堆筑至传感器埋设层时，在传感器位置预埋稍大于传感器直径的PC管，待该层堆筑完毕后将相应传感器放入PC管内到预设位置，再拔出PC管后夯实。各传感元件可通过无线或有线方式与处理器7通信。
所述PIV系统包括高清摄制机8，所述高清摄制机8置于堆积体模型1的前侧，用于追踪带色间隔条带9的变形，所述高清摄制机8的信号输出端与处理器7的信号输入端相连。PIV系统即粒子图像测试技术(particle image velocimetry，PIV)系统，其主要部件包括若干高清摄制机8、照明设备和图形处理及变形分析模块，图形处理及变形分析模块可集成在处理器7中，并具有专门的可视化操作软件。高清摄制机8可捕捉堆积体模型1的移动参数；本实施例中，高清摄制机8和图形处理及变形分析软件通过追踪带色间隔条带9的变形来分析堆积体模型1的位移。
所述降雨模拟装置包括若干设于堆积体模型1上方的喷淋单元12、用于蓄水的水箱16、连接在喷淋单元12与水箱16之间的用于将雨水输送至喷淋单元12的水泵17及用于控制降雨强度的降雨强度控制组件11。喷淋单元12例如可以是喷头式结构。所述喷淋单元12与水箱16之间通过供水管线13相连接，所述水泵17设于供水管线13中；所述降雨强度控制组件11包括设于供水管线13中用于共同控制供水压力的矢量变频器18及压力变送器19；所述供水管线13中还设有用实时显示供水流量的智能数显流量计20及用于控制流量和水压的阀门21。
本实施例中，所述模型槽10包括底板及两块分别垂直连接在底板左右两侧的侧板；所述堆积体模型1的底面与底板的上表面接触、两侧面分别与两侧板的内表面接触；所述底板的上表面铺设有橡胶垫，且橡胶垫与堆积体模型1的底面沙粒之间通过防水胶粘贴连接，有利于增加堆积体模型1与模型槽10之间的摩擦力，防止基面滑动。此外，所述侧板采用透明有机玻璃制成，将控制基准点和坐标参考尺设置于需观测的一侧，且所述侧板的内表面粘贴有透明防护膜，有利于减小渗流边界效应，提高试验精度。所述模型槽10的顶侧连接有集水槽14、底侧连接有雨水回收槽15；集水槽14可用于收集部分降雨，然后以冲刷形式作用于堆积体模型1；雨水回收槽15则用于雨水回收。
本实施例中，所述底板的下表面由升降台架22支撑，所述升降台架22包括若干沿底板长度方向依次设置的剪叉式升降机。模型槽10与水平面之间的倾斜度可通过升降台架进行调节；各剪叉式升降机可具有不同数量的剪叉组件，有利于模型槽10的倾斜设置。
由于采用本实施例的结构，本实施例提供的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统可用于研究降雨冲蚀-潜蚀耦合作用对反粒序堆积体渗流、变形、破坏及颗粒运移的影响规律，可用于研究堆积体在降雨条件下含水量、孔压、吸力、颗粒级配以及变形响应规律，可用于研究不同级配堆积体、坡度、降雨强度和降雨历时对土坡稳定性的影响，可用于研究土体颗粒的运移规律和堆积材料厚度及粒径空间分布、基面倾角及颗粒运移规律对反粒序堆积体破坏模式的影响规律。
具体试验时，可通过以下步骤进行：
S1、调试PIV分析系统：通过小尺寸的堆积沙土体的压载试验进行PIV分析系统的测试以确定其精度；
S2、标定雨量计：由水箱16通过水供水，用以调节供水系统的供水流量及供水压力，采用雨量计对模型槽10内不同测点的降雨强度进行测定；
S3、标定孔隙水压力传感器5：将孔隙水压力传感器5埋入装有60cm高细沙土的透明量筒内，并通过注水的方式测定不同埋入深度时，数据采集系统获得的相应高度的应变值，进而标定所得孔隙水压力值；
S4、选取0.1～32mm粒径范围的棱角状石英砂作为堆积体模型1材料，将试验的堆积体模型1分层铺筑，并设置带色间隔条带9，PIV系统高清摄制机8和图形处理及变形分析软件可通过追踪带色间隔条带9的变形来分析模型位移；
S5、测定渗透参数：从堆积体模型1直接取土样制作直径100mm、高300mm不同孔隙比的土样并将其安装入压力室，然后压力室充水并施加围压进行反压饱和，最后进行多组常水头渗透试验至渗流稳定，采用GDS土体渗透测试系统测定每层堆积材料试验前后的渗透系数；
S6、设置降雨模拟装置，可控制有效降雨面积为3m2，降雨强度可从10mm/h-350mm/h；
S7、将孔隙水压力传感器5和含水率传感器4分别设置4-6于每层堆积体材料内，声发射传感器6设置3个于三层堆积材料内，拉线式位移传感器3主要布设于中等颗粒堆积材料内，激光位移传感器2分别设置于模型的上部和后部，用于测定竖直方向和水平方向位移。当模型堆筑至传感器埋设层时，在传感器位置预埋稍大于传感器直径的PC管，待该层堆筑完毕后将传感器放入PC管内到预设位置，再拔出PC管后夯实；
S8、模型堆载完毕后首先进行第一次三维激光扫描得到堆积体初始形态，试验结束后对破坏后模型再进行一次三维激光扫描得到最终堆积状态，呈现堆积体表面位移特征；
S9、从模型不同深度取土样进行筛分试验，得到颗粒级配曲线，分析堆积体模型1破坏过程中颗粒级配的变化，揭示土体颗粒的运移规律，并研究颗粒级配、堆积材料厚度及粒径空间分布、基面倾角及颗粒运移规律对反粒序堆积体破坏模式的影响规律。
最后说明的是，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：包括堆积体模型、测量系统及降雨模拟装置；
所述堆积体模型由石英砂堆筑而成并定位在模型槽中，且所述堆积体模型由上至下通过带色间隔条带的分隔而分层铺筑；在堆积体模型的初始形态下，各所述带色间隔条带相平行；
所述测量系统包括激光位移传感器、拉线式位移传感器、含水率传感器、孔隙水压力传感器、声发射传感器、处理器及PIV系统；
所述激光位移传感器至少具有两个且分别置于堆积体模型的上侧和后侧，用于分别测定堆积体模型表面在竖直方向和水平方向的位移，所述激光位移传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述拉线式位移传感器置于堆积体模型内部，用于测定堆积体模型的内部位移，所述拉线式位移传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述含水率传感器置于堆积体模型内部，用于测量堆积体模型的含水率，所述含水率传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述孔隙水压力传感器置于堆积体模型内部，用于测量堆积体模型的孔隙水压力，所述孔隙水压力传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述声发射传感器置于堆积体模型内部，用于监测堆积体模型的变形破坏，所述声发射传感器的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述PIV系统包括高清摄制机，所述高清摄制机置于堆积体模型的前侧，用于追踪带色间隔条带的变形，所述高清摄制机的信号输出端与处理器的信号输入端相连；
所述降雨模拟装置包括若干设于堆积体模型上方的喷淋单元、用于蓄水的水箱、连接在喷淋单元与水箱之间的用于将雨水输送至喷淋单元的水泵及用于控制降雨强度的降雨强度控制组件。
2.根据权利要求1所述的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：所述堆积体模型选用0.1~32 mm粒径范围的棱角状石英砂作为材料堆筑而成。
3.根据权利要求1所述的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：所述含水率传感器、孔隙水压力传感器、声发射传感器均设置有至少三个，且均由上至下间隔埋设在堆积体模型内部。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：所述喷淋单元与水箱之间通过供水管线相连接，所述水泵设于供水管线中；所述降雨强度控制组件包括设于供水管线中用于共同控制供水压力的矢量变频器及压力变送器。
5.根据权利要求4所述的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：所述供水管线中还设有用实时显示供水流量的智能数显流量计及用于控制流量和水压的阀门。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：所述模型槽包括底板及两块分别垂直连接在底板左右两侧的侧板；所述堆积体模型的底面与底板的上表面接触、两侧面分别与两侧板的内表面接触；所述底板的上表面铺设有橡胶垫，且橡胶垫与堆积体模型的底面沙粒之间通过防水胶粘贴连接。
7.根据权利要求6所述的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：所述侧板采用透明有机玻璃制成，且所述侧板的内表面粘贴有透明防护膜。
8.根据权利要求6所述的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：所述模型槽的顶侧连接有集水槽、底侧连接有雨水回收槽。
9.根据权利要求6所述的一种模拟降雨诱发反序粒堆积体破坏的试验系统，其特征在于：所述底板的下表面由升降台架支撑，所述升降台架包括若干沿底板长度方向依次设置的剪叉式升降机。
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