CN111189995B - 根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，包括：刚性模拟箱、地下水渗流系统、根系生物力学固土系统以及坡体水分‑应力‑变形监测系统；借助大型土工离心机还原植被覆被坡体的真实应力环境，模拟不同植被根型的生物力学固土机能(蒸腾、加筋固土作用)，通过精准分级施加坡体后缘的水力环境条件，改变坡体渗流演进路径与浸润线高度，模拟诱发坡体失稳破坏演变的全过程。其中，大型土工离心机为坡体模型提供原型坡体的应力环境。地下水渗流系统为坡体提供不同高度的稳定地下水力梯度条件。根系生物力学固土系统实现根系蒸腾作用对坡表水分的调控以及根系加筋锚固的固土作用。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程与试验模型技术领域，特别涉及一种渗流与根系固土耦合下坡体失稳临界条件研究的通用离心模型试验系统。
背景技术
我国山区面积占陆地国土面积的69％，是受崩塌滑坡灾害危害最严重的国家之一。在极端降雨事件频发和工程扰动加剧的条件下，滑坡灾害风险不断增大、防灾减灾重要性日益凸显。山区植被覆被坡体的崩塌滑坡具有分布范围广、频发、危害性大、水环境复杂等特点。与传统护坡方式相比，植物护坡具有低投入、低养护的特性，又能够保护环境，美化生态景观。坡体水分入渗是诱发大部分植被覆被坡体失稳破坏的主要致灾因子。坡体内部地下水的渗流作用会引起岩土体孔隙水压力和含水量改变，同时含水量的增加会导致岩土体剪切强度参数大幅降低，逐步诱发坡体失稳。根据水分渗流路径划分坡体失稳类型分为两类：第一类是植被覆被坡体后缘存在较高地下水位环境或裂隙充水，坡内侧向渗流作用使得浸润线由坡体后缘向坡表逐渐迁移，诱发堤坝或堰塞坝失稳；第二类是坡体由旱季进入汛期，坡内地下水高度提升，岩土体会受到承压水或者毛细水作用，岩土体有效应力降低，抗剪强度折减，导致坡体分级失稳。
近些年植被在岩土工程中的应用得到了越来越广泛的关注。植物根系蒸腾吸水，可降低土体孔隙水压，提高土体的抗剪强度同时降低土体的渗透系数。从岩土工程角度看，植被不仅可以通过根系力学特性增强浅层土质坡体的稳定性，还可以通过蒸腾作用蒸散发坡体水分，在土体内产生吸力，从而提高土体强度，改善浅层边坡稳定性，此方法可持续且与环境友好。坡体覆被植被根系后，根系具有生物固土作用，即浅层根系的加筋作用和深层根系的锚固作用。现有试验系统未考虑植被根系的生物力学机能，难于模拟植被根系的蒸腾作用与加筋锚固作用。可见，地下水渗流的不利致灾因素与根系生物固土耦合作用间相互制约，尚无法给出定量描述。因此，渗流与根系固土耦合下坡体失稳临界条件研究一直是重要且前沿的科学问题。
目前，对植被覆被坡体失稳临界条件的研究主要集中在数值模拟以及常重力环境下模型试验等测试手段上。土工离心模型试验能够模拟坡体真实的地应力环境，再现地下水渗流与根系生物固土耦合作用，监测植被覆被坡体的失稳过程，确定坡体失稳临界条件，能够为学术界和工程界提供直观且可靠的试验数据。国内外已有的相似模型试验系统构造单一、模式简单、真实的地应力环境无法满足。大多模型试验系统集中在模拟降雨入渗作用诱发的非植被覆被坡体的失稳。现有模型试验系统无法对坡体后缘水位高度变化、承压水、裂隙充水等复杂水力梯度环境引起的多种渗流边界进行离心试验模拟。使用离心机模型进行坡体稳定性研究的主要优点是，可通过提高模拟的重力加速度级别，让小尺度物理模型处在与原型相应的力学环境中，从而有效模拟原型坡体的稳定性和失稳临界条件。因此，现有模型试验系统无法给坡体提供地下水渗流环境与真实的应力环境，尚无法模拟植被根系的蒸腾作用与加筋锚固作用。亟需搭建一套实现渗流与根系固土耦合下坡体失稳临界条件研究的通用离心模型试验系统。
当前，国内外植被覆被坡体失稳模型试验系统存在以下不足：
(1)系统能模拟的地层构造单一，无法模拟复杂的地层结构组合，且未考虑坡表浅层的植被；
(2)模型试验系统多为常重力环境，无法还原原型坡体的真实的地应力环境；
(3)模型试验系统多集中在无根的素坡研究，未考虑植被根系的生物力学机能，即无法模拟植被根系的蒸腾作用与加筋锚固作用；
(4)模型试验系统的渗流条件单一，多集中在降雨试验，无法定量调控地下水的水力梯度条件；
(5)模型试验系统监测参数单一，无法综合考虑坡体的水分场-应力场-位移场等参数的多场耦合响应机制；
(6)国内外岩土工程边坡设计中并没有从工程角度综合考虑植被覆被的作用，主要是因为对植物护坡的固土机理缺乏全面深刻的认识。
发明内容
本发明针对山区地下水入渗诱发不同根型植被覆被坡体的失稳临界条件的科学问，提供了一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，能够有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，包括：坡体模型35、刚性模拟箱、地下水高度控制系统、根系生物力学固土系统、坡体水分-应力-变形监测系统和控制室计算机30；
刚性模拟箱内安装地下水高度控制系统、根系生物力学固土系统以及坡体水分-应力-变形监测系统；
所述坡体模型35呈梯形，采用土样分层压实填筑在刚性模拟箱的一侧。
所述刚性模拟箱包括：铝合金箱体9、有机玻璃侧壁10、箱体上部盖板11、坡体后侧密封槽12以及坡脚带孔钢支架13。
铝合金箱体9的侧面安装透明有机玻璃侧壁10，用于实时监测坡体湿润锋的迁移过程以及浸润线高度的演变规律。有机玻璃侧壁10与模拟箱9箱体接触面安装胶圈，并通过螺栓固定密封，坡体模型35左侧下部安装密封槽12，模型右侧坡脚安装带孔钢支架13。
有机玻璃侧壁10可拆卸，利于试验前后坡体模型35的制作和拆模。
所述地下水高度控制系统包括：储水箱1、流速控制蠕动泵2、单向电磁阀3、分流管路4、入渗多孔不锈钢管5、微型水位传感器6、流速控制器7和水位变送器8；
所述盖板11上部固定储水箱1，储水箱1内底部安装水位变送器8，流速控制蠕动泵2通过航空插头将蠕动泵2控制信号导线连接到流速控制器7上，实现开闭蠕动泵2，并能调整注水速率和地下水位高度。流速控制器7调控蠕动泵2运转，蠕动泵2运转带动水流运动将水由大型储水箱1引出，水流通过单向电磁阀3以及蠕动泵2后，由一根管路进分八路的分流管路4，八路分流管同步将水输送到八根入渗多孔不锈钢管5底部。入渗多孔不锈钢管5内设置微型水位传感器6，用于实时反馈水位高度。
所述根系生物力学固土系统包括：高进气值陶土头14、不同形状的人造根22、抽水单向阀15、一级储水罐16、二级储水罐17、一级储水罐16底部的吸力变送器18、一级储水罐吊杆19、吸力输水管路21、真空泵20和启停开关23；
真空泵20与启停开关23电路连接，真空泵20和二级储水罐17安装于箱体上部盖板11的表面，一级储水罐吊杆19固定于箱体上部盖板11的下表面，一级储水罐吊杆19用于安装一级储水罐16，一级储水罐16底部安装吸力变送器18用于监测真空泵20负压值。真空泵20通过吸力输水管路21依次连接二级储水罐17、一级储水罐16、抽水单向阀15、人造根22。
所述人造根22主要由高进气值陶土头14与不同形状的聚酰胺PA空心管搭接装配构成。
启停开关23启动真空泵20，抽水管路中负压启动。人造根22的高进气值陶土头14在真空负压下将坡表根端的水分抽出，水分沿吸力输水管路21经过抽水单向阀15，到达一级储水罐16和二级储水罐17并进行贮存。一级储水罐16底部的吸力变送器18监测真空泵20负压值，并测量从土中抽水过程的蒸腾水量。关闭真空泵时，抽水单向阀15可防止抽水管路和储水罐内的水分倒流回根端，并进入坡体。两级储水罐设计有效防止水分进入真空泵20。
水分-应力-变形监测系统包括：应力类土压力传感器24、水分类含水率传感器25、基质吸力传感器26、孔隙水压力传感器27、变形类位移传感器28、坡体外部变形摄录组件和数据采集处理仪29；
坡体内部埋设应力类土压力传感器24、水分类含水率传感器25、基质吸力传感器26和孔隙水压力传感器27；坡体表面布设的变形类位移传感器28；
应力类土压力传感器24、水分类含水率传感器25、基质吸力传感器26、孔隙水压力传感器27、变形类位移传感器28都通过数据传输线连接至数据采集处理仪29；
所述数据采集处理仪29通过数据传输线与控制室计算机30连接，监测坡体应力、水分以及变形实时响应情况。铝合金T形支架31固定于箱体上部盖板11上，变形类位移传感器28通过夹具固定于铝合金T形支架31上。
所述坡体外部变形摄录组件用于间隔记录坡体正面分级失稳崩塌过程，实时观测模型侧面的失稳过程与浸润线演变。
所述密封槽12用于将入渗多孔钢管5固定在水槽内，并控制坡体地下水高度从20cm处提高。模型坡脚的带孔钢支架13内部填充海绵，用于储存从坡体内渗流出的多余水分，防止水分在坡脚堆积。入渗多孔钢管5管外包扎一层50目不锈钢纱网，用于调控供水渗流速率。
进一步地，蠕动泵2为三转子，流量范围为15-300ml/min，泵管材质为硅胶管。
进一步地，所述真空泵20的真空度为-98kPa，功率430瓦。
进一步地，所述坡体外部变形摄录组件包括：模拟箱内部的动态相机32、模拟箱有机玻璃外侧的高速摄像机33以及支架34。高像素动态相机32能够间隔记录坡体正面分级失稳崩塌过程；坡体侧面安装高速摄像机33，透过模拟箱有机玻璃侧壁10实时观测模型侧面的失稳过程与浸润线演变。支架34用于固定动态相机32和高速摄像机33。
进一步地，有机玻璃侧壁10以及模拟箱9内侧壁上绘制每层4cm高度的网格基准线36。在模拟箱9侧壁绘制标准坡度线及分区域轮廓线作为削坡基准线。
与现有技术相比本发明的优点在于：
(1)本发明的地下水高度控制系统与根系生物力学固土系统既可相互独立工作，研究离心环境下水分渗流对无根素坡体稳定性的影响，又可协同耦合工作，研究离心环境中地下水渗流影响下不同地层结构植被覆被坡体的失稳演变过程，共同完成坡体稳定性的全程监测，确定坡体失稳临界条件，为长期制约植被覆被山地地表岩土稳定性理论发展提供可靠的试验系统和技术支撑。
(2)本发明根系生物力学固土系统中人造根能够模拟根系蒸腾作用对坡表水分的调控以及根系加筋锚固的固土作用。一级储水罐底部的吸力变送器实时监测真空泵负压值，计算从坡表中抽水过程的蒸腾水量。
(3)本发明实现了远程精准调控入渗管内水分流速和水位高度，模拟坡体后缘水力梯度变化和裂隙充水等复杂水力环境引起的渗流边界条件。
(4)能够实时监测坡体内水分场-应力场-位移场等多参数耦合响应时程。
(5)能够实时监测坡体湿润锋的迁移规律以及浸润高度的变化规律。借助于有机玻璃外侧的高速摄像机，能够在控制室实时观测坡体模型侧面的失稳破坏过程及浸润线发展。有机玻璃侧壁与箱体安装胶圈通，过螺栓密封，有机玻璃侧壁可拆卸，利于试验前后模型的制作和拆模。
(6)本发明的坡体后缘的铝制密封槽用于将入渗多孔钢管固定在密封水槽内，并控制地下水位的起始高度。带孔钢支架内部填充海绵，用于储存从坡体内渗流出的多余水分，防止水分在坡脚处积累。
(7)构造布置紧凑合理，对场地和净空要求小，系统运行稳定，通用性强，可重复利用，能够研究离心力环境下地下水渗流与根系生物固土作用对坡体失稳演变过程的耦合影响机制，并为提高坡体离心模型试验系统技术提供了有效和可行的手段。
附图说明
图1为本发明实施例通用离心模型试验系统的结构布置图；
图2为本发明实施例通用离心模型试验系统的正立面图；
图3为发明实施例密封槽结构布置图；
图4为发明实施例带孔钢支架结构布置图；
图5为发明实施例箱体上部铝合金盖板与铝合金T形位移支架结构图；
图6为发明实施例铝合金箱体、有机玻璃侧壁以及箱体上部铝合金盖板结构关系图。
其中，1-储水箱，2-蠕动泵，3-单向电磁阀，4-分流管路，5-入渗多孔不锈钢管，6-微型水位传感器，7-流速控制器，8-水位变送器；9-铝合金箱体，10-有机玻璃侧壁，11-箱体上部铝合金盖板，12-密封槽，13-带孔钢支架；14-高进气值陶土头，15-抽水单向阀，16-一级储水罐，17-二级储水罐，18-吸力变送器，19-一级储水灌吊杆，20-真空泵，21-吸力输水管路，22-人造根，23-真空泵启停开关；24-土压力传感器，25-含水率传感器，26-基质吸力传感器，27-孔隙水压力传感器，28-位移传感器，29-数据采集处理仪，30-计算机，31-铝合金T形位移支架，32-动态相机，33-高速摄像机，34-摄像机支架；35-植被覆被坡体模型；36-分层网格基准线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1至6所示，一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，包括：刚性模拟箱、地下水高度控制系统、根系生物力学固土系统以及坡体水分-应力-变形监测系统；
刚性模拟箱内安装地下水高度控制系统、根系生物力学固土系统以及坡体水分-应力-变形监测系统；
所述刚性模拟箱包括：高强度的铝合金箱体9、箱体侧面有机玻璃侧壁10、箱体上部为可拆卸的铝合金盖板11、坡体后侧固定入渗多孔管的铝制密封槽12、以及坡脚设置的长方体带孔钢支架13组成。箱体9为10cm厚壁的铝合金锔造一体成型，其顶面和一个侧壁临空，用于安装盖板11和有机玻璃侧壁10。临空侧壁和顶面预留交接的正四棱柱的侧棱(10cm×10cm)，以保证箱体结构强度。
铝合金箱体9内部净尺寸长×宽×高为80cm×60cm×60cm。有机玻璃侧壁10的长×高×厚为80cm×60cm×10cm。箱体9临空面侧壁掏直径1cm的凹槽，用于安装环形密封胶圈。有机玻璃侧壁10通过密封胶圈和固定螺栓安装于箱体侧壁，实现侧壁与有机玻璃密封，不仅利于模型拆卸，也可避免水通过二者边缘缝隙流出模拟箱。
地下水高度控制系统与根系生物力学固土系统既可相互独立试验，研究地下水渗流对无根素坡的稳定性的影响，又可以耦合展开，查明地下水渗流作用下不同地层结构植被覆被坡体的失稳演变过程，协同完成植被覆被坡体稳定性监测，确定失稳临界条件。地下水高度控制系统对坡体后缘的地下水位高度、承压水、裂隙充水等复杂水力梯度环境引起的多种渗流边界条件进行模拟。
坡体后侧固定入渗多孔管5的铝制密封槽12的外部尺寸长×宽×高为60cm×7cm×20cm。密封槽12用于将八组入渗多孔钢管5下部固定在水槽内，并控制地下水位高度起始高度为20cm。密封槽12采用防水玻璃胶粘贴固定于铝合金箱体内壁。其中，密封槽12接触有机玻璃的一侧壁面竖向布置两条密封胶条，防止密封槽与有机玻璃侧壁10的接触缝隙渗漏。入渗多孔钢管管5外包扎一层50目不锈钢纱网，孔径0.36mm，用于调控供水渗流速率。
植被覆被坡体模型坡脚35固定一组带孔钢支架13，其内部填充海绵。带孔钢支架13的外部尺寸长×宽×高为60cm×10cm×10cm。带孔钢支架接触坡脚土体一面为带孔钢板，钢板面设置4排每排7个共28个圆形排水孔，孔径1cm，用于储藏坡体内渗流出的多余水分，防止水分在坡脚堆积。为防止土体从圆孔进入钢支架，钢板面上包裹一层50目不锈钢纱网。
铝合金盖板11的长×宽×厚尺寸为80cm×60cm×4cm，安装固定20升大型储水箱1、流速控制蠕动泵2、单向电磁阀3、真空泵20、2升二级储水罐17以及铝合金T形位移支架31等组件。上述组件均通过螺丝杆固定于上部盖板上。二级真空泵20的真空度为-98kPa，功率为430瓦，其长×宽×高尺寸为27cm×13cm×23cm。
铝合金盖板11的平面布置尺寸仅为有限的80cm×60cm，由于离心机转臂净空限制其高度利用空间仅为50cm。模型坡顶侧为左侧，坡脚侧为右侧。20升储水箱1底部两端焊接两组U形支架，通过U形支架和螺栓将储水箱架空安装于盖板11中线右侧区域，净高低于50cm。储水箱1底部空间则分配给铝合金T形位移支架31的上部固定端。盖板11中线左侧后部区域安装真空泵20，其前部左侧区域则布置蠕动泵2和单向电磁阀3，其前部右侧区域则布置2升二级储水罐17。上述盖板上组件的构造布置紧凑且合理。
地下水高度控制系统包括铝合金盖板11上右侧安装的20升储水箱1、左侧的流速控制蠕动泵2和单向电磁阀3、模拟箱内的分流管路4、入渗多孔不锈钢管5、入渗管内微型水位传感器6，以及控制室内的流速控制器7。蠕动泵20通过离心机室航空插头将泵控制信号导线引至控制室，连接到流速控制器调速板7上。入渗多孔不锈钢管5直径5cm。
流速控制器7调节蠕动泵2运转，蠕动泵2为三转子，其流量调控范围为15-300ml/min。泵管材质采用硅胶管。蠕动泵2的长×宽×高尺寸为10cm×8cm×8cm。单向电磁阀3控制离心力环境下水箱至蠕动泵2供水管路4中水流的通断。
蠕动泵2运转带动水流流动，同时单向电磁阀3开启，将水由20升大型储水箱1引出，水流通过单向电磁阀3以及蠕动泵2后，由一根供水管路分流至八路分流管4，八路分流管同步将水流输送到八根入渗多孔不锈钢管5的底部。入渗管内微型水位传感器6则实时反馈管内的水位高度。通过调速板的开闭和微调蠕动泵2转速，不断调整注水速度和坡体后缘水位高度。
根系生物力学固土系统主要包括不同形状的人造根、抽水单向阀15、吸水管路21、一级和二级储水罐以及二级真空泵20组成。人造根主要由高进气值陶土头14与不同形状的聚酰胺PA空心管22组成。PA空心管22外径为6mm。一级储水罐16的容积为0.8升，二级储水罐17的容积为2.0升。人造根模拟根系蒸腾作用对坡表水分的调控以及根系的加筋锚固作用，实现蒸腾作用和固土作用。
真空泵20的二级真空度为-98kPa，功率430瓦。真空泵的电源导线通过离心机室预留的航空插头引至控制室。在控制室通过启停开关23控制真空泵20，模拟人造根的蒸腾作用。控制室启动真空泵20，抽水管路中负压启动。人造根的高进气值陶土头14在真空负压下将坡表根端的水分抽出，水分沿管路经过抽水单向阀15，到达一级储水罐16和二级储水罐17并进行贮存。一级储水罐16底部的吸力变送器18监测真空泵20负压值，并测量从土中抽水过程的蒸腾水量。关闭真空泵时，抽水单向阀15可防止抽水管路和储水罐内的水分倒流回根端，并进入坡体。两级储水罐设计有效防止水分进入真空泵20。
不同形状的人造根主要由高进气值陶土头14与不同形状聚酰胺PA空心管搭接22组成。人造根能够模拟根系蒸腾作用对坡表水分的调控以及根系的加筋锚固，实现蒸腾作用和固土作用。通过离心机室预留的航空插头将真空泵的电源导线引至控制室，在控制室开启关闭人造根蒸腾吸力作用。
结合相似理论，根据现场工点的地质勘察资料，室内测试现场材料的物理力学参数，并进行模型坡体试样的相似材料配比，以此模拟不同地层材料。植被覆被坡体模型35的土样按照梯形分层压实填筑在模拟箱9内。梯形坡体模型的高度为50cm，坡脚高度10cm，模型底边长度为70cm，顶边长度为20cm。模型地质结构构造可模拟各类岩土-植被组合。坡体浅层选择不同根型的植被根型，坡体内部可为基岩-土层组合或者不同地层的土层-土层组合。
水分-应力-变形监测系统由土压力传感器24、含水率传感器25、基质吸力传感器26、孔隙水压力传感器27、坡体表面布设的位移传感器28和坡体变形摄像录像组件，以及数据采集处理仪29。含水率传感器25、基质吸力传感器26、孔隙水压力传感器27以及土压力传感器24通过离心机信号传输线与控制室的数据采集处理仪29相连，实时监测试验过程中坡体水分场、应力场的变化。坡体表面布设的位移传感器28和坡体变形摄像录像组件用于实时监测坡表裂缝、浸润线、失稳特征以及侧向变形演变过程。
水分-应力-变形监测系统还包括与计算机20联结用于监测坡体失稳过程的摄录组件。摄录组件主要由模拟箱内部的高像素动态相机32与模拟箱有机玻璃外侧的高速摄像机33。通过支架34将摄录组件布置在模型合理位置，记录试验过程中关键节点以及重要试验现象的时间点。
渗流作用下植被覆被坡体失稳临界条件模型试验具体操作步骤如下：
1.配置所需填筑植被覆被坡体模型35的试样土样，并密封静置24小时。
2.模型采用分层填筑压实后削坡法制作梯形坡体模型。在有机玻璃侧壁10以及模拟箱9内侧壁上绘制每层4cm高度的网格基准线36。在模拟箱9侧壁绘制标准坡度线及分区域轮廓线作为削坡基准线。
3.安装固定坡体后侧的铝制密封槽12，将八组入渗多孔钢管5下部固定在密封槽12内，八路分流管4延伸到八根入渗多孔不锈钢管5底部。入渗管内底部安装微型水位传感器6用于反馈水位高度。固定模型坡脚的带孔钢支架13，并在支架内部填充干燥海绵。
4.根据模型设计压实度计算每层填土所需质量，电子秤称量土样后，填筑在模拟箱内部指定区域并摊铺均匀，分层填筑夯实。夯实采用10cm×20cm的夯板按图S型顺序夯击，每次夯击面积与上一次夯击面积重叠50％。每层填筑完成之后，用钢丝刷对各层土顶部进行刮毛处理。采用水平尺控制每层填筑水平。
5.当模型分层填筑至各类传感器(包括：土压力传感器24、孔隙水压力传感器27、含水率传感器25、基质吸力传感器26等)及多组人造根22埋设位置时，在预定位置埋设并压实周围土样，测试记录传感器初始工作状态，并做好防护。
6.根据模拟箱9侧壁坡度线，分层切削剖面。削坡时将坡面切削出设计坡形并将预埋在切削区域的传感器24-27导线以及吸力输水细软管路21找出。
7.将铝合金T形位移支架31固定于上部模拟箱盖板11上，坡表位移传感器28与模拟箱内部动态相机32通过夹具固定于T形位移支架31上。配置吸力变送器18的两组一级储水罐16也固定吊挂于模拟箱盖板11下部。
8.将模拟箱盖板11吊装于模拟箱9顶部，采用多组螺栓固定盖板于模拟箱9上部。通过盖板11中部预留的矩形安装操作槽，将动态相机32和位移传感器28位置微调至合适位置，对试验过程坡表变形监测。
9.将人造根22的吸力输水细软管21连接一级储水罐16的输入接口。一级储水罐16的输出管路接口导至模拟箱9外。连接入渗多孔不锈钢管5的八路汇一路管路4的输出接口导至模拟箱9外。
10.将模拟箱9整体吊装至离心机室吊篮内螺栓固定。外部高速摄像机33安装于有机玻璃侧壁10外侧并完成开机对焦，在控制室测试影像信号传输质量。
11.在箱体上部盖板11上安装大型储水箱1、流速控制蠕动泵2、二级储水罐17、单向电磁阀3、真空泵20等组件。将一级储水罐16的输出管路接口连接二级储水罐17，并连通至真空泵20。将入渗多孔管5的八路汇一路管路4的输出接口顺次连接单向电磁阀3和蠕动泵2，并连通至大型储水箱1。大型储水箱1注满20升水。检查供水和抽水管路的密封性。
13.将各类传感器与数据采集处理仪29连接，所述传感器数据采集处理仪通过数据传输线与计算机30连接。将真空泵20、蠕动泵2导线通过离心机室预留的航空插头将控制信号引至控制室，在控制室控制人造根22的蒸腾吸力和地下水渗流的供水。
14.将整个模拟箱9盖上塑料薄膜密封，静置24小时，使压实的土体材料内部的残余变形自恢复，并减少坡体水分蒸散发。
15.在正式开始试验前两个小时，将整个渗流与根系固土耦合下坡体失稳临界条件研究的通用离心模型试验系统接通电路，传感器开始采集数据至初始平衡。动态相机32和外部摄像机33开启。检查确认系统管路和电路处于正常工作状态。
16.开启土工离心机至设定转速，稳定在预定加速度。首先进行植被覆被坡体35初始固结，然后开启蠕动泵2，提升地下水位，并根据根型不同改变开启关闭蒸腾系统，坡体失稳后降速停机。
17.保存和整理试验数据。关闭数据采集处理仪29，吊装模拟箱9至平地，拍照记录并拆除模型35。
18.根据上述步骤开展渗流作用下植被覆被坡体失稳临界条件模型试验，可以监测不同根型、坡度、地层结构、地下水渗流等条件下的植被覆被坡体的失稳模式、破坏过程与多场参数的响应数据，利于确定坡体失稳的临界条件。本发明的保护范围不限于上述具体实施方式。
19.本发明中采用了具体工程案例对本发明的原理及实施方法进行了系统阐述，上述具体实施方式说明只是用于介绍本发明的方法和实施方式。依据本发明具体实施方法和试验范围可开展多种组合工况研究。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。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，其特征在于，包括：坡体模型(35)、刚性模拟箱、地下水高度控制系统、根系生物力学固土系统、坡体水分-应力-变形监测系统和控制室计算机(30)；
刚性模拟箱内安装地下水高度控制系统、根系生物力学固土系统以及坡体水分-应力-变形监测系统；
所述坡体模型(35)呈梯形，采用土样分层压实填筑在刚性模拟箱的一侧；
所述刚性模拟箱包括：铝合金箱体(9)、有机玻璃侧壁(10)、箱体上部盖板(11)、坡体后侧密封槽(12)以及坡脚带孔钢支架(13)；
铝合金箱体(9)的侧面安装透明有机玻璃侧壁(10)，用于实时监测坡体湿润锋的迁移过程以及浸润线高度的演变规律；有机玻璃侧壁(10)与铝合金箱体(9)箱体接触面安装胶圈，并通过螺栓固定密封，坡体模型(35)左侧下部安装密封槽(12)，模型右侧坡脚安装带孔钢支架(13)；
有机玻璃侧壁(10)可拆卸，利于试验前后坡体模型(35)的制作和拆模；
所述地下水高度控制系统包括：储水箱(1)、流速控制蠕动泵(2)、单向电磁阀(3)、分流管路(4)、入渗多孔不锈钢管(5)、微型水位传感器(6)、流速控制器(7)和水位变送器(8)；
所述盖板(11)上部固定储水箱(1)，储水箱(1)内底部安装水位变送器(8)，流速控制蠕动泵(2)通过航空插头将蠕动泵(2)控制信号导线连接到流速控制器(7)上，实现开闭蠕动泵(2)，并能调整注水速率和地下水位高度；流速控制器(7)调控蠕动泵(2)运转，蠕动泵(2)运转带动水流运动将水由大型储水箱(1)引出，水流通过单向电磁阀(3)以及蠕动泵(2)后，由一根管路进分八路的分流管路(4)，八路分流管路同步将水输送到八根入渗多孔不锈钢管(5)底部；入渗多孔不锈钢管(5)内设置微型水位传感器(6)，用于实时反馈水位高度；
所述根系生物力学固土系统包括：高进气值陶土头(14)、不同形状的人造根(22)、抽水单向阀(15)、一级储水罐(16)、二级储水罐(17)、一级储水罐(16)底部的吸力变送器(18)、一级储水罐吊杆(19)、吸力输水管路(21)、真空泵(20)和启停开关(23)；
真空泵(20)与启停开关(23)电路连接，真空泵(20)和二级储水罐(17)安装于箱体上部盖板(11)的表面，一级储水罐吊杆(19)固定于箱体上部盖板(11)的下表面，一级储水罐吊杆(19)用于安装一级储水罐(16)，一级储水罐(16)底部安装吸力变送器(18)用于监测真空泵(20)负压值；真空泵(20)通过吸力输水管路(21)依次连接二级储水罐(17)、一级储水罐(16)、抽水单向阀(15)、人造根(22)；
所述人造根(22)主要由高进气值陶土头(14)与不同形状的聚酰胺PA空心管搭接装配构成；
启停开关(23)启动真空泵(20)，抽水管路中负压启动；人造根(22)的高进气值陶土头(14)在真空负压下将坡表根端的水分抽出，水分沿吸力输水管路(21)经过抽水单向阀(15)，到达一级储水罐(16)和二级储水罐(17)并进行贮存；一级储水罐(16)底部的吸力变送器(18)监测真空泵(20)负压值，并测量从土中抽水过程的蒸腾水量；关闭真空泵时，抽水单向阀(15)可防止抽水管路和储水罐内的水分倒流回根端，并进入坡体；两级储水罐设计有效防止水分进入真空泵(20)；
水分-应力-变形监测系统包括：应力类土压力传感器(24)、水分类含水率传感器(25)、基质吸力传感器(26)、孔隙水压力传感器(27)、变形类位移传感器(28)、坡体外部变形摄录组件和数据采集处理仪(29)；
坡体内部埋设应力类土压力传感器(24)、水分类含水率传感器(25)、基质吸力传感器(26)和孔隙水压力传感器(27)；坡体表面布设的变形类位移传感器(28)；
应力类土压力传感器(24)、水分类含水率传感器(25)、基质吸力传感器(26)、孔隙水压力传感器(27)、变形类位移传感器(28)都通过数据传输线连接至数据采集处理仪(29)；
所述数据采集处理仪(29)通过数据传输线与控制室计算机(30)连接，监测坡体应力、水分以及变形实时响应情况；铝合金T形支架(31)固定于箱体上部盖板(11)上，变形类位移传感器(28)通过夹具固定于铝合金T形支架(31)上；
所述坡体外部变形摄录组件用于间隔记录坡体正面分级失稳崩塌过程，实时观测模型侧面的失稳过程与浸润线演变；
所述密封槽(12)用于将入渗多孔不锈钢管(5)固定在水槽内，并控制坡体地下水高度从20cm处提高；模型坡脚的带孔钢支架(13)内部填充海绵，用于储存从坡体内渗流出的多余水分，防止水分在坡脚堆积；入渗多孔不锈钢管(5)管外包扎一层50目不锈钢纱网，用于调控供水渗流速率。
2.根据权利要求1所述的一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，其特征在于：蠕动泵(2)为三转子，流量范围为15-300ml/min，泵管材质为硅胶管。
3.根据权利要求1所述的一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，其特征在于：所述真空泵(20)的真空度为-98kPa，功率430瓦。
4.根据权利要求1所述的一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，其特征在于：所述坡体外部变形摄录组件包括：模拟箱内部的动态相机(32)、模拟箱有机玻璃外侧的高速摄像机(33)以及支架(34)；高像素动态相机(32)能够间隔记录坡体正面分级失稳崩塌过程；坡体侧面安装高速摄像机(33)，透过模拟箱有机玻璃侧壁(10)实时观测模型侧面的失稳过程与浸润线演变；支架(34)用于固定动态相机(32)和高速摄像机(33)。
5.根据权利要求1所述的一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，其特征在于：有机玻璃侧壁(10)以及铝合金箱体(9)内侧壁上绘制每层4cm高度的网格基准线(36)；在铝合金箱体(9)侧壁绘制标准坡度线及分区域轮廓线作为削坡基准线。
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| GR01 | Patent grant | ||
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