CN111289727A - 降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，离心环境双层渗流模型箱内设有植被覆被坡体模型；分级降雨反馈模拟系统，模拟特定降雨强度与持时的要求，诱发植被覆被坡体模型坡体内部水分场条件变化；人造根应变分析系统，模拟根系对坡面的物理固土作用以及基质吸力的调控作用；坡表裂缝高速摄像系统，记录试验坡体的整个雨水入渗与坡面冲刷情况，清晰捕捉坡表裂缝发展、延伸和贯通全过程；岩土体含水率监测系统，实现不同降雨和人造根工况下全程实时监测坡体水分场的响应情况。本发明用于开展降雨条件下植被覆盖坡体失稳临界条件研究的模型试验，为降雨条件下评估植被对边坡稳定性影响提供了有效测试手段。

Description

降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统

技术领域

本发明涉及岩土工程领域与土工试验模型技术领域，特别是涉及一种降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统。

背景技术

我国是一个多山国家，山地面积占陆地国土面积的69％。降雨诱发的滑坡等地质灾害成为制约我国基础建设和经济发展的重要问题。现有滑坡灾害的诱因主要包括地震、施工开挖扰动以及降水入渗等。大气降水入渗诱发的滑坡占滑坡灾害的很大比例。降雨作用下坡面渗流与坡内水分场的改变对于揭示坡体失稳临界条件具有重要意义。降雨作用下，坡面植被覆盖良好的边坡相较于裸漏边坡更不易发生失稳破坏。这是因为植被根系不仅在边坡表面具有浅表加筋固土、抵抗雨水冲刷等作用，还可通过植被蒸腾作用改善土体的抗剪强度，对坡体表层水分场具有很好的调控作用。降雨能够触发坡体失稳，而植被根系又能够改善坡体的稳定性，建立降雨作用下坡体内水分场的演变与坡体变形失稳过程的相关关系成为近些年来水文-生态-岩土工程界跨学科的热门研究课题。

目前，国内外边坡工程中植被对坡体稳定性的影响机制尚未有全面认识，降雨作用下根系固土与水分调控对植被覆被坡体失稳临界条件判据的影响尚缺乏试验研究。土工离心模型试验能够模拟坡体真实的应力场条件，但现有的室内边坡降雨模型试验系统多为常重力环境下的试验装置，无法还原坡体原型的应力场，无法满足模型试验相似条件。现有离心模型试验系统仅适用于不考虑植被覆盖坡体的素坡的研究，无法考虑植被根系的固土和水分力调控作用，不能满足降雨条件下植被覆被坡体的失稳临界条件研究需求。因此，亟需一套能够适用于降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究的离心模型试验系统，探索降雨条件、根系加筋固土以及植被水分调整三者的耦合作用关系，研究降雨作用下生态-岩土耦合作用下的植被覆被坡体的致灾机制。

当前，国内外降雨作用下坡体失稳临界条件研究模型试验系统存在以下不足：

(1)多数降雨模型试验系统未关注坡面植被覆被对坡体稳定性的影响，对降雨作用下植被覆被对坡体渗流机制的影响未有系统认识；

(2)降雨模型试验在常重力条件模拟，无法再现原型坡体的真实应力场；

(3)对于不同植被类型的根系固土以及水分调控机制缺乏研究，降雨渗流和根系固坡的耦合作用机制尚未明确，无法确定坡体的失稳条件；。

(4)现有模型试验设备无法用于模拟植被根系的固土机能，无法监测根系在加筋锚固过程的弯曲应变变化；

(5)离心机内降雨条件模拟较为困难，多用其他渗流边界条件代替，失去还原坡体降雨渗流作用的真实性；

(6)降雨控制系统多为控制输水流量为标准，在土工离心机运行时超重力环境对降雨强度产生影响，导致降雨强度偏差，无法监测反馈实时降雨强度大小；

(7)离心模型试验系统监控影像记录较为粗略，缺少能够高速、稳定捕捉坡表裂缝发展、延伸以及坡体变形破坏全过程的高速摄像系统。

发明内容

本专利的目的是提供一套降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，来解决上述研究存在的不足。本离心模型试验系统设计精密，运行稳定，构件牢固，机构合理，可重复试验，通用性强。本系统可开展降雨条件下植被覆盖坡体失稳临界条件研究的模型试验，为降雨条件下评估植被对边坡稳定性影响提供了有效测试手段。

本发明依托相似理论定理，降雨构件构思独特，根系生物力学作用发挥，双层结构布置合理，渗流路径区分清晰，变形与水分监测功能完善。本试验系统能够开展降雨条件下植被覆被坡体稳定性探究的离心机模型试验，可用于确定不同降雨条件下各类植被坡体的失稳临界条件，为研究降雨作用下植被覆被坡体失稳破坏机理提供了测试技术和思路。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，包括离心环境双层渗流模型箱、分级降雨反馈模拟系统、人造根应变分析系统、坡表裂缝高速摄像系统和岩土体含水率监测系统；

所述离心环境双层渗流模型箱内设有植被覆被坡体模型；

所述分级降雨反馈模拟系统，模拟特定降雨强度与持时的要求，诱发植被覆被坡体模型坡体内部水分场条件变化；

所述人造根应变分析系统，模拟根系对坡面的物理固土作用以及基质吸力的调控作用；

所述坡表裂缝高速摄像系统，记录试验坡体的整个雨水入渗与坡面冲刷情况，清晰捕捉坡表裂缝发展、延伸和贯通全过程；

所述岩土体含水率监测系统，实现不同降雨和人造根工况下全程实时监测坡体水分场的响应情况，获取植被覆被坡体含水率的时程响应分布云图；量化降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量，研究降雨水分在坡面渗流过程和演进路径。

通过分级降雨反馈模拟系统诱发坡体内部水分场条件变化，同时模拟坡体植被根系的固土和水分控制作用，在降雨水分入渗过程触发坡体失稳，实现植被覆被坡体稳定性的模拟，理清降雨入渗条件和坡体失稳过程的关系，为降雨条件下植被覆被坡体失稳临界条件的确定提供参照。设计的降雨强度，分级降雨反馈模拟系统可调控水泵功率和送水时间，达到模拟特定降雨强度与持时的要求，并通过微型光学雨量传感器实时监测反馈降雨强度数据，保证雨强的精度。

所述离心环境双层渗流模型箱，包括铸铝模型箱体，铸铝模型箱体侧壁设有可视玻璃侧壁，顶部设铝合金箱体上盖，底部设铝制隔水底板；铝制隔水底板上安装有植被覆被坡体模型；植被覆被坡体模型的坡脚设置有带渗流孔的反力支架；反力支架内部填充的过滤海绵，铝制隔水底板下部设有支撑柱，铝制隔水底板下方形成储水空间；铝制隔水底板靠近坡脚一侧设有多个泄水孔；

所述分级降雨反馈模拟系统，包括储水槽，储水槽底部设有水位变送器，储水槽出水管道上依次连接可调控流速高压隔膜泵、单通电磁阀、微型涡轮流量计、高压雾化降雨喷头组，所述的高压雾化降雨喷头组通过喷头固定撑杆支架安装在植被覆被坡体模型的坡面上；坡面处设有微型光学雨量传感器；可调控流速高压隔膜泵、微型光学雨量传感器与微型涡轮流量计通过离心机转臂通道连接PWM水泵调速器和静态数据采集仪；

根据坡体模型及降雨均匀度要求，将高压雾化降雨喷头组及其供水管路布置于坡面设定位置处，将喷头固定撑杆支架固定于模型箱两侧壁之间。储水槽中的纯净水通过可调控流速高压隔膜泵加压，经过微型涡轮流量计进入喷头管路。通过监测实时流量数据并调整PWM水泵调速器，控制降雨强度大小，并辅助微型光学雨量传感器实时反馈降雨强度，进一步精细调整水泵输出功率。

所述人造根应变分析系统，包括不同根型的醋酸纤维素人造根，醋酸纤维素人造根位于植被覆被坡体模型的坡面内；醋酸纤维素人造根表面对称设有应变片，每个醋酸纤维素人造根均通过吸水管路和单向止回阀与储水罐连接；储水罐连接储水罐负压变送器、无油真空泵，无油真空泵设有真空泵负压启停开关；

所述岩土体含水率监测系统，包括埋设于植被覆被坡体模型内部的多组GS-1含水率传感器、位于储水空间内的高精度水位传感器；多组GS-1含水率传感器、高精度水位传感器均连接静态数据采集仪，道静态数据采集仪连接实时监测记录数据的计算机；

所述坡表裂缝高速摄像系统，包括位于铸铝模型箱体内部正对植被覆被坡体模型坡面的高速摄像机以及固定于铝合金箱体上盖的摄像机支架。

所述的喷头固定撑杆支架包括不锈钢丝杠，不锈钢丝杠两端分别连接橡胶支座；不锈钢丝杠通过锁紧丝杠螺母进行伸缩，两端橡胶支座紧抵住铸铝模型箱体的左右侧壁；不锈钢丝杠上还设有可滑动的降雨喷头固定座，用于固定高压雾化降雨喷头组。支撑杆支架丝杠上设有可滑动的降雨喷头固定座，能够灵活调节喷头位置。各喷头的降雨覆盖面在坡面叠加，保证坡面降雨的均匀度。喷头固定撑杆支架固定方式精简且牢固，能够灵活利用有限的模型箱空间。

降雨水分部分入渗坡体，未入渗部分则形成模型的坡面径流，汇聚于坡脚。径流经坡脚带孔反力支架、支架内部填充的过滤海绵流进铝制隔水底板泄水孔，储存于铝制隔水底板下储水空间。储水空间设计有效的减少了坡面径流水分汇聚于坡脚，消除了坡脚入渗边界对植被覆被坡体模型渗流路径的干扰，降雨入渗工况模拟更精确。储水空间安装箱底高精度水位传感器，监测坡面径流汇聚的水量，量化降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量大小，研究降雨水分在坡面渗流过程和渗流演进路径，揭示水分入渗条件对坡体稳定性的影响机制。

人造根应变分析系统实现了根系对坡面的物理固土作用以及基质吸力的调控作用，固土作用和水分调控作用叠加改善坡体的稳定性。醋酸纤维素人造根由醋酸纤维素(CA)管制作，具有100kPa进气值，可允许水分通过而气体无法通过。设计醋酸纤维素管的管型使其具有特定的抗拉和抗弯强度，满足人造根模拟真实根系的加筋固土的力学相似条件。

将不同根型的醋酸纤维素人造根根末端封闭，根尾连接吸水管路、储水罐以及无油真空泵，通过真空泵负压启停控制吸力大小，模拟植被对坡体水分的调节。储水罐负压变送器实时监测负压和抽水量大小。醋酸纤维素人造根表面对称粘贴应变片，测试坡体变形过程中人造根发挥加筋锚固作用的应变与弯矩变化，获得根系加筋锚固作用的力学机制，评价根系固土作用对坡体稳定性的影响。

可调控流速高压隔膜泵、微型光学雨量传感器与微型涡轮流量计通过离心机转臂通道连接PWM水泵调速器和静态数据采集仪，从而在试验进行时实时监测水泵供水量与模型降雨强度，并通过调速器控制水泵供水量进而调整降雨强度。可调控流速高压隔膜泵最大输出功率为100W，最大工作压强为1MPa。

植被覆被坡体模型的岩土体材料遵循离心试验相似准则，通过测试的原型土体的物理力学参数，采用相似材料配制模型材料，满足坡体材料的物理力学参数相似。植被覆被坡体填筑过程为分层填筑击实，便于坡体内部传感器和坡表人造根的埋设。模型通过整体填筑而后削坡制作成型。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明试验系统为降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，本试验的人造根应变分析系统，不仅能够模拟植被对浅层土体水分的调节作用，又能够模拟根系的加筋固土作用，并测试坡体失稳过程根系的受力和弯矩变化，量化各位置根系的力学作用对植被覆被坡体稳定性的影响。

(2)本发明的分级降雨模拟反馈系统主要由储水槽、可调流速高压隔膜泵、单通电磁阀、微型涡轮流量计、高压雾化降雨喷头组、喷头固定撑杆支架以及喷头供水管路组成。本系统实现了离心加载过程中对降雨强度与持时的远程精准调控，同时设置微型光学雨量传感器对实际降雨强度进行反馈和修正。这套降雨模拟反馈系统能够维持雨量均匀，连续且可靠，提高离心环境中降雨强度模拟准确性。

(3)喷头固定撑杆支架由不锈钢丝杠，橡胶支座和喷头固定架组成。通过锁紧丝杠螺母进行伸缩，撑杆撑开后紧紧抵住模型箱两侧侧壁，利用摩擦力起到固定作用。此喷头固定撑杆支架固定方式牢固可靠，能够灵活利用有限的模型箱空间。支架丝杠上设有可滑动的喷头固定座，能够移动调节喷头位置。喷头喷射于坡面的降雨覆盖范围部分重叠，实现坡面降雨均匀。

(4)本发明的岩土体含水率监测系统包括埋设于植被覆被坡体模型内部的多组含水率传感器、箱底高精度水位传感器、静态数据采集仪、连接数据线以及供监测记录数据的计算机。岩土体含水率监测系统实现了不同降雨和人造根工况下全程实时监测坡体水分场的响应情况，获取植被覆被坡体含水率的时程响应分布云图。同时，箱底布置高精度水位传感器，能够量化降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量，研究降雨水分在坡面渗流过程和演进路径。

(5)本发明的铝制隔水底板下部具有5cm高度储水空间，底板靠近坡脚一侧设有数个泄水孔。坡脚处设有带孔反力支架，内部填充过滤海绵，起到吸收并过滤坡脚聚集水分的作用。这些构件共同作用，储存从坡面径流下的多余水分，减少水分汇集于坡脚。储水空间的设置消除了由于坡脚入渗对于渗流边界的影响，达到更真实模拟坡面降雨入渗工况的目的。

(6)本发明的坡表裂缝高速摄像系统包括位于模型箱内部的高速摄像机以及固定支架组成。高速摄像机能高效记录整个坡面的雨水入渗与坡面冲刷情况，捕捉坡表裂缝发展、延伸和贯通情况，监测植被覆被坡体的变形演变过程，为确定降雨入渗条件下坡体的失稳模式提供依据。

(7)本发明构思独特，创新性强，结构合理，功能完善。本系统自动化完整度高，对配套离心机设备信息化水平依赖度低，可依托现有土工离心机开展试验。本系统通用性强，植被覆被模型制作有完整的工艺流程可供参照，可运用于降雨条件下各类植被覆被坡体稳定性的研究。本系统创造性的加入了植被根系弯曲应变的监测，量化分析根系机械固土的力学锚固机制。本发明为降雨模型试验系统技术发展一定程度上提高了标准与技术水平。

附图说明

为清晰地说明本发明现有技术中的技术方案和实施方法，对实施例中所使用的附图作介绍。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为铝制隔水底板结构布置图；

图4为降雨系统喷头固定撑杆支架与喷头结构图；

图5为坡面降雨喷头喷雾范围示意图。

具体实施方式

结合本发明实施案例附图，对本发明实施案例中的技术方案系统描述。所述实施案例仅是本发明的部分实施案例，而不是全部实施案例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在未做出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施案例，均属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，包括离心环境双层渗流模型箱、分级降雨反馈模拟系统、人造根应变分析系统、坡表裂缝高速摄像系统和岩土体含水率监测系统；

所述离心环境双层渗流模型箱内设有植被覆被坡体模型31；

所述分级降雨反馈模拟系统，模拟特定降雨强度与持时的要求，诱发植被覆被坡体模型31坡体内部水分场条件变化；

所述人造根应变分析系统，模拟根系对坡面的物理固土作用以及基质吸力的调控作用；

所述坡表裂缝高速摄像系统，记录试验坡体的整个雨水入渗与坡面冲刷情况，清晰捕捉坡表裂缝发展、延伸和贯通全过程；

所述岩土体含水率监测系统，实现不同降雨和人造根工况下全程实时监测坡体水分场的响应情况，获取植被覆被坡体含水率的时程响应分布云图；量化降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量，研究降雨水分在坡面渗流过程和演进路径。

具体的，如图1和图2所示，所述离心环境双层渗流模型箱，包括铸铝模型箱体9，铸铝模型箱体9侧壁设有可视玻璃侧壁10，顶部设铝合金箱体上盖11，底部设铝制隔水底板12；铝制隔水底板12上安装有植被覆被坡体模型31；植被覆被坡体模型31的坡脚设置有带渗流孔的反力支架13；反力支架13内部填充的过滤海绵14，铝制隔水底板12下部设有支撑柱，铝制隔水底板12下方形成储水空间21；铝制隔水底板12靠近坡脚一侧设有多个泄水孔20；

所述分级降雨反馈模拟系统，包括储水槽1，储水槽1底部设有水位变送器8，储水槽1出水管道上依次连接可调控流速高压隔膜泵2、单通电磁阀3、微型涡轮流量计4、高压雾化降雨喷头组5，所述的高压雾化降雨喷头组5通过喷头固定撑杆支架6安装在植被覆被坡体模型31的坡面上；坡面处设有微型光学雨量传感器24；可调控流速高压隔膜泵2、微型光学雨量传感器24与微型涡轮流量计4通过离心机转臂通道连接PWM水泵调速器7和静态数据采集仪27；

所述人造根应变分析系统，包括不同根型的醋酸纤维素人造根15，醋酸纤维素人造根15位于植被覆被坡体模型31的坡面内；醋酸纤维素人造根15表面对称设有应变片16，每个醋酸纤维素人造根15均通过吸水管路23和单向止回阀17与储水罐19连接；储水罐19连接储水罐负压变送器18、无油真空泵22，无油真空泵22设有真空泵负压启停开关25；

所述岩土体含水率监测系统，包括埋设于植被覆被坡体模型31内部的多组GS-1含水率传感器26、位于储水空间21内的高精度水位传感器32；多组GS-1含水率传感器26、高精度水位传感器32均连接静态数据采集仪27，道静态数据采集仪27连接实时监测记录数据的计算机28；

所述坡表裂缝高速摄像系统，包括位于铸铝模型箱体9内部正对植被覆被坡体模型31坡面的高速摄像机30以及固定于铝合金箱体上盖11的摄像机支架29。

如图4所示，所述的喷头固定撑杆支架6包括不锈钢丝杠，不锈钢丝杠两端分别连接橡胶支座；不锈钢丝杠通过锁紧丝杠螺母进行伸缩，两端橡胶支座紧抵住铸铝模型箱体9的左右侧壁；不锈钢丝杠上还设有可滑动的降雨喷头固定座，用于固定高压雾化降雨喷头组5。

具体的参数为：

如图3所示，铝制隔水底板12为20mm厚整块铝板加工制作而成，下部有5根5cm高度铝制支撑腿支撑，支撑腿与底板之间开孔并以固定螺栓连接组成。底板整体尺寸长×宽×高为80cm×60cm×7cm，下部储水空间21净高5cm，储存从坡面径流下的多余水分，减少水分汇集于坡脚。铝制隔水底板12靠近坡脚一侧设有8个泄水孔20。

反力支架13，采用不锈钢构建焊接制作，长×宽×高为60cm×10cm×5cm。钢板面上开孔，便于水分进出。为防止土体堵塞小孔，钢板面覆盖50目纱网。反力支架13后部填充过滤海绵14，以过滤坡脚聚集的水分，防止泄水孔20堵塞。

可调控流速高压隔膜泵2最大功率为100W，最大工作压强为1MPa。可调控流速的高压隔膜泵2的长×宽×高尺寸为20cm×10cm×8cm，通过螺栓安装于模型箱铝合金上盖11。

微型涡轮流量计4采用涡轮原理测量微小流量。其工作压力最高2MPa，口径1.15mm，测量范围0.035-1.6L/min，精度等级±1％。

高压雾化降雨喷头组5主体和顶针为不锈钢制成，喷口为陶瓷激光开孔，孔径0.3mm，弹簧压力适中适用于较大压力范围。喷头供水管路接头为黄铜镀镍，牢固耐用。供水管路使用直径9.5mm的硬质PU管。

喷头固定撑杆支架6，通过锁紧丝杠螺母进行伸缩，长度调节范围55-65cm。撑杆撑开后紧紧抵住模型箱两侧侧壁，利用摩擦力起到固定作用。此喷头固定撑杆支架固定方式牢固可靠，能够灵活利用有限的模型箱内部空间。支架丝杠设有可滑动的喷头固定座，便于调节喷头位置。如图5所示，降雨喷头喷雾范围部分重叠，保证降雨均匀性。

为监测并反馈实时降雨强度数据，微型光学雨量传感器24放置于坡面中部，由木制承托固定。雨量传感器采用遥测算法和485通信协议，感雨模式下降雨精度达0.01mm，确保雨量监测精度。借助微型光学雨量传感器24数据对高压隔膜泵流量数据进行微调，保证了降雨强度的精确。

可调控流速高压隔膜泵2将纯净水从30升的储水槽1引出，水流过隔膜泵后进入微型涡轮流量计4，而后进入喷头供水管路，由高压雾化降雨喷头组5喷出。可调控流速高压隔膜泵2控制线通过离心机转臂接到控制室的静态数据采集仪27。根据微型涡轮流量计4采集到的流量数据和微型光学雨量传感器24反馈的实时降雨强度数据，可使用PWM水泵调速器7调整供水速率以达到设定降雨工况要需求。

醋酸纤维素人造根15由醋酸纤维素(CA)管制作，具有100kPa的进气值。通过选择不同管型形式和直径大小，使其具有特定的抗拉和抗弯强度，满足人造根模拟真实根系固土的力学相似条件。人造根表面对称粘贴应变片16，实时测试坡体变形过程中根系应变与弯矩变化，获得根系加筋锚固的力学作用过程，评价根系固土对植被覆被坡体稳定性的影响。根据所需根型制作人造根，其末端封闭并将根端连接吸水管路23。

吸水管路23连接3升的储水罐19，水分由醋酸纤维素人造根15吸出进入储水罐19。储水罐下部设有储水罐负压变送器18实时输出水罐内负压值，可得到实时抽水量数据，供控制室观察记录。储水罐由真空泵22提供负压，最大真空度为-97kPa。通过真空泵负压开关25控制吸力大小，模拟植被对土壤水分的调节作用。

根据坡面雨水渗流路径的特征，将GS-1含水率传感器26在坡体内部分布式安装，靠近坡面布置较密集，坡体深部则较为稀疏布置方式较为合理。含水率传感在填筑坡体时预先埋入，引出的数据线靠近模型箱两侧壁，以降低对模型边界效应的干扰。

储水空间21位于模型箱底部，安装高精度水位传感器32，用于监测坡面径流汇聚的水量，与多组GS-1含水率传感器26协同工作，量化降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量大小，研究降雨在坡面渗流过程和渗流演进路径，揭示水分入渗对坡体稳定性的影响机制。

静态数据采集处理仪27放置于土工离心机控制室，通过离心机预留通道连接模型箱内各类传感器。

坡表裂缝高速摄像系统包高速摄像系统包括位于模型箱内部的高速摄像机30以及固定于箱体上盖11的摄像机支架29。高速摄像机30自带大容量存储，可通过无线局域网将所摄内容实时传输于手机等其他移动设备。摄像机自带的防抖稳定功能也保证有效克服试验时箱体内部抖动等不利条件，高效记录试验坡体的整个雨水入渗与坡面冲刷情况，监测坡表裂缝发展、延伸、贯通情况，采集植被覆被坡体失稳过程的完整图像数据。

降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验具体操作步骤如下：

1.根据现场工点的地质勘察资料，室内测试现场岩土体材料的物理力学参数，植被覆被坡体模型31材料遵循模型试验相似理论定理，所选相似材料能够模拟现场不同坡体地层结构的物理力学参数。试验前，提前配置所需模型试样，并密封静置48小时。

2.安装铝制隔水底板12以及箱底高精度水位传感器32。安装可视玻璃侧壁10，并用玻璃胶密封缝隙，防止漏水。安装反力支架13，填充过滤海绵14。

3.分层分块填筑植被覆被坡体模型31并压实。填筑时埋设多组GS-1含水率传感器26，坡表位置埋设所需醋酸纤维素人造根15。根据模型设计密度称量所需土样，逐次填入并压实。

4.植被覆被坡体模型31整体填筑完成后使用削坡法，根据侧壁坡面线削去多余土体，引出多组GS-1含水率传感器26与醋酸纤维素人造根15根表应变信号线，找出坡面醋酸纤维素人造根15的根端并连接吸水管路23，完成植被覆被坡体模型31的制作。

5.于坡面中部靠侧壁处固定木制底座，在底座上安装微型光学雨量传感器24。根据距坡面距离相同原则，确定高压雾化降雨喷头组5位置和布置间距，固定喷头固定撑杆支架6位置。将撑杆伸长撑于模型箱两侧壁，用扳手锁紧撑杆调节螺母固定。固定喷头角度和间距。使得各喷头的降雨覆盖面在坡面处部分叠加，保证坡面降雨的均匀度。之后，安装布置降雨供水管路。

6.安装铝合金上盖11，使用铁葫芦将铝合金上盖11吊起，将高速摄像机30安装于上盖下部。将铝合金上盖11缓慢吊装到位，将模型箱内数据线以及水气管路从上盖开孔处引出。将储水槽1、可调控流速高压隔膜泵2、单通电磁阀3、微型涡轮流量计4、储水罐19以及无油真空泵22使用螺栓固定于上盖预留位置，将管路连接并测试连通状态。用螺栓锁紧铝合金上盖11，使用密封膜密封上盖开孔处。

7.将铸铝模型箱体9整体吊入离心机转臂吊篮并固定，连接各数据线路与端口，从控制室引出端口连接静态数据采集仪27，并查看采集情况。调试各系统设备是否正常运行，能否控制无油真空泵22和可调控流速高压隔膜泵2启停。查看高速摄像机监测范围以及影像系统拍摄情况。关闭离心机室，正式试验前静置模型48小时。

8.离心机开机达到预定转速后进入正式试验阶段。保持离心机预定转速稳定，使模型初始固结1小时，而后，开启降雨系统模拟不同雨强和持时。根据微型涡轮流量计4得到的实时流量数据，并辅以微型光学雨量传感器24测得的实际降雨强度，对降雨强度进行修正和调整。分阶段模拟不同强度的降雨，可间歇降雨也可连续降雨，以精准模拟不同的降雨工况。

9.在降雨系统工作的同时，开启人造根应变分析系统，模拟植物根系对土体水分场的调节作用。通过真空泵负压启停开关25控制负压大小，从而模拟不同根型的根系对水分和浅表土体抗剪强度的调控作用。记录人造根表面对称粘贴的应变片16测到的应变值、多组GS-1含水率传感器26测得的坡体水分场变化和高精度水位传感器32测得的坡面径流水量。借助根系应变数据，研究坡面不同位置根系固土力学作用，量化降雨过程中坡体入渗量和坡面径流量大小。

10.控制室人工监视并记录高速摄像机监测的裂缝发展、延伸和贯通的过程以及发生的时间节点。

11.完成试验降雨加载过程后停机。保存测试数据和高速摄像机影像。模型箱整体吊出模型箱，开箱取样拍照记录。拆除模型，清理模型箱。

按照上述步骤完成的降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验，可对不同降雨条件下的各种坡度和植被覆被根型的坡体模型进行试验，分析降雨条件、土性条件和不同根型对植被覆被坡体稳定性的影响机制。试验数据包括坡表裂缝开裂和贯通过程、坡体水分场的响应数据以及根系应变的变形数据。可结合降雨过程中坡体入渗量和坡面径流量的数据，综合分析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。

本发明中采用了具体工程案例对本发明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。

Claims (3)

1.降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，其特征在于，包括离心环境双层渗流模型箱、分级降雨反馈模拟系统、人造根应变分析系统、坡表裂缝高速摄像系统和岩土体含水率监测系统；

所述离心环境双层渗流模型箱内设有植被覆被坡体模型(31)；

所述分级降雨反馈模拟系统，模拟特定降雨强度与持时的要求，诱发植被覆被坡体模型(31)坡体内部水分场条件变化；

所述人造根应变分析系统，模拟根系对坡面的物理固土作用以及基质吸力的调控作用；

所述坡表裂缝高速摄像系统，记录试验坡体的整个雨水入渗与坡面冲刷情况，清晰捕捉坡表裂缝发展、延伸和贯通全过程；

所述岩土体含水率监测系统，实现不同降雨和人造根工况下全程实时监测坡体水分场的响应情况，获取植被覆被坡体含水率的时程响应分布云图；量化降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量，研究降雨水分在坡面渗流过程和演进路径。

2.根据权利要求1所述的降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，其特征在于：

所述离心环境双层渗流模型箱，包括铸铝模型箱体(9)，铸铝模型箱体(9)侧壁设有可视玻璃侧壁(10)，顶部设铝合金箱体上盖(11)，底部设铝制隔水底板(12)；铝制隔水底板(12)上安装有植被覆被坡体模型(31)；植被覆被坡体模型(31)的坡脚设置有带渗流孔的反力支架(13)；反力支架(13)内部填充的过滤海绵(14)，铝制隔水底板(12)下部设有支撑柱，铝制隔水底板(12)下方形成储水空间(21)；铝制隔水底板(12)靠近坡脚一侧设有多个泄水孔(20)；

所述分级降雨反馈模拟系统，包括储水槽(1)，储水槽(1)底部设有水位变送器(8)，储水槽(1)出水管道上依次连接可调控流速高压隔膜泵(2)、单通电磁阀(3)、微型涡轮流量计(4)、高压雾化降雨喷头组(5)，所述的高压雾化降雨喷头组(5)通过喷头固定撑杆支架(6)安装在植被覆被坡体模型(31)的坡面上；坡面处设有微型光学雨量传感器(24)；可调控流速高压隔膜泵(2)、微型光学雨量传感器(24)与微型涡轮流量计(4)通过离心机转臂通道连接PWM水泵调速器(7)和静态数据采集仪(27)；

所述人造根应变分析系统，包括不同根型的醋酸纤维素人造根(15)，醋酸纤维素人造根(15)位于植被覆被坡体模型(31)的坡面内；醋酸纤维素人造根(15)表面对称设有应变片(16)，每个醋酸纤维素人造根(15)均通过吸水管路(23)和单向止回阀(17)与储水罐(19)连接；储水罐(19)连接储水罐负压变送器(18)、无油真空泵(22)，无油真空泵(22)设有真空泵负压启停开关(25)；

所述岩土体含水率监测系统，包括埋设于植被覆被坡体模型(31)内部的多组GS-1含水率传感器(26)、位于储水空间(21)内的高精度水位传感器(32)；多组GS-1含水率传感器(26)、高精度水位传感器(32)均连接静态数据采集仪(27)，道静态数据采集仪(27)连接实时监测记录数据的计算机(28)；

所述坡表裂缝高速摄像系统，包括位于铸铝模型箱体(9)内部正对植被覆被坡体模型(31)坡面的高速摄像机(30)以及固定于铝合金箱体上盖(11)的摄像机支架(29)。

3.根据权利要求1所述的降雨作用下植被覆被坡体失稳临界条件研究模型试验系统，其特征在于：所述的喷头固定撑杆支架(6)包括不锈钢丝杠，不锈钢丝杠两端分别连接橡胶支座；不锈钢丝杠通过锁紧丝杠螺母进行伸缩，两端橡胶支座紧抵住铸铝模型箱体(9)的左右侧壁；不锈钢丝杠上还设有可滑动的降雨喷头固定座，用于固定高压雾化降雨喷头组(5)。

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