CN111983185B - 一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模型试验装置及方法，属于边坡工程滑坡灾害试验领域，装置包括模型箱、降雨系统、电动提升系统、变形监测系统；模型箱包括底板、前后左右侧板和内部透水板；降雨系统包括储水箱、水泵、供水主管、电子控制总阀、流量表、喷头、降雨系统支架、千斤顶；电动提升系统包括伺服电机、轴承、皮带；变形监测系统包括三维激光扫描仪。方法为：将降雨系统支架顶升至适当高度，在模型箱内填土，之后将模型箱提升至指定角度，模拟降雨工况，启动振动台，试验时用三维激光扫描仪监测边坡变形。本发明实现各种降雨工况的模拟，对滑坡模型进行任意角度的调整，实现不同倾角的滑坡试验。

Description

一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模 型试验装置及方法

技术领域

本发明属于边坡工程滑坡灾害试验领域，特别是涉及一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模型试验装置及方法。

背景技术

每年由于滑坡造成的损失非常巨大，造成滑坡灾难的原因，一是降雨因素，二是地震因素，三是库水的水位变化因素。特别是在水位上升时，坡体土石被浸润可导致土体超静孔隙水压力升高，潜在滑面上有效应力和抗滑力降低，土体在浸泡下强度也会相应降低，进而可能诱发滑坡。

研究降雨及地震荷载作用下水库水位变化造成水库岸边滑坡失稳的根本任务是搞清降雨、地震以及水库水位变化作用下的边坡破坏机制，完成这个任务的主要标志是能够在实验室重演边坡破坏现象。当前，还没有一种简单实用，可考虑地震、降雨和库水位变化耦合影响且能改变边坡坡度的试验装置。

目前类似试验的模型箱三面侧壁为木质，在边坡模型含水量较大时，木质侧壁易腐蚀，不耐久，垂直地震波的两侧壁为木质，对地震波具有反射作用，易形成反射波，造成试验误差，并且该试验装置只能模拟地震作用，不能实现地震、降雨和库水位变化耦合作用下的边坡稳定性研究。

为了改变边坡坡度，现有的滑坡模拟试验多采用千斤顶从模型箱的底部顶升。千斤顶结构紧凑，能够平稳顶升重物，但其顶升高度有限，且易漏油，不宜长期支撑重物。

在模型变形监测方面，常用的颗粒图像测速技术侧重于测量模型侧面的二维位移，忽略了对模型表面的三维位移的监测，然而坡面三维位移和裂缝的发展贯通也是需要监测的重要数据。三维激光扫描技术通过高速激光扫描测距方法，可以快速建立模型的数字高程模型。该方法已被引入室内滑坡模型监测中，可以检测到坡面的微小变形，也可以获得坡体较大变形。但已有的方法都将扫描仪架设在模型箱外，且设备较大。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模型试验装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模型试验装置，包括模型箱、降雨系统、电动提升系统、变形监测系统；所述模型箱通过铰链与底座相连并固装在振动台上，模型箱为矩形箱体，包括前侧板、底板、左侧板、右侧板、后侧板和其内部透水板；所述前侧板、左侧板以及右侧板为有机玻璃板，左右两块侧板通过密封胶与前侧板、后侧板以及底板进行密封连接；所述后侧板与底板之间通过焊接相连，在后侧板外设有挂尾，用于电动提升系统提升模型箱；模型箱内部透水板置于前侧板和后侧板之间且其与后侧板的距离小于与前侧板的距离，透水板与左右侧板、底板相连接；前侧板下部开设有排水口，可使多余水体排出模型箱；所述前侧板与底座通过铰链连接，根据试验需要模型箱可借助前侧板底部的铰链以及电动提升系统进行旋转、抬升至任意角度；优选的，在所述左侧板、右侧板以及前侧板的内表面加装有内衬层，用于降低边界效应。

所述降雨系统包括储水箱、水泵、塑料软管、供水主管、电子控制总阀、流量表、供水分管、电子控制分阀、喷头、水平滑槽、第一滚轮、喷淋支架、降雨系统支架、千斤顶；所述千斤顶与地面相固连，所述降雨系统支架与所述千斤顶相固连；两根所述水平滑槽通过螺栓固装在所述降雨系统支架上；所述第一滚轮安装在两根所述水平滑槽中间，其两端分别与两根水平滑槽连接；所述喷淋支架与所述第一滚轮固接；所述储水箱放置在模型箱旁侧地面上，所述储水箱进水口通过所述塑料软管连接水龙头，出水口通过所述塑料软管与所述水泵相连；所述水泵放置在所述储水箱旁侧，通过所述塑料软管与所述供水主管相连；所述供水主管固装在所述喷淋支架下；所述电子控制总阀固装在所述供水主管上；所述流量表固装在所述供水主管上；多根所述供水分管上端与所述供水主管相连；所述电子控制分阀固装在每一根所述供水分管上；所述喷头与所述供水分管下端相连，通过所述喷头将所述储水箱中储存的水经所述水泵泵送后喷出。

所述电动提升系统包括伺服电机、轴承、皮带、第二滚轮、钢丝绳、铁钩；所述伺服电机与轴承连接，轴承固定于第二滚轮上，可确保第二滚轮转动时伺服电机位置固定不动；所述皮带连接伺服电机和第二滚轮，起到传动作用；所述第二滚轮安装在两根水平滑槽中间，其两端分别与两根水平滑槽连接；所述钢丝绳一端固定于第二滚轮上，另一端固定于铁钩上，第二滚轮转动将带动钢丝绳，从而提升模型箱；所述铁钩穿过模型箱上的挂尾。所述伺服电机结构紧凑、运行平稳、过载能力强，且配有高性能伺服驱动器，在提升时可高精度地控制速度。所述的第二滚轮可沿水平滑槽滚动，提升时，当模型箱转动一定角度会带动钢丝绳倾斜，钢丝绳会带动第二滚轮向前滚动一定距离，从而使得钢丝绳始终处于竖直。

所述变形监测系统包括三维激光扫描仪、连接片、螺丝；所述三维激光扫描仪安装在模型箱前侧板顶部，可以选择安装在顶部的中间位置；所述连接片和螺丝起到连接三维激光扫描仪和前侧板的作用。所述三维激光扫描仪体积较小，单次扫描可覆盖整个滑坡模型。

作为优选的技术方案，所述的伺服电机、轴承、皮带数量均为2个，沿第二滚轮对称布置，可将模型箱提升的角度为0～90度。

作为优选的技术方案，所述皮带采用三角带，传动稳定性高，更加安全耐用。

本发明还提出了一种基于上述试验装置实现的地震与降雨耦合作用下变角滑坡模型试验方法，包括如下步骤：

步骤一：将模型箱上部的降雨系统支架通过千斤顶提升至适当高度；

步骤二：将伺服电机、轴承、皮带固定到第二滚轮上，将钢丝绳一端固定在第二滚轮中间部位，另一端与铁钩固定，将铁钩穿过模型箱挂尾并锁死；

步骤三：将三维激光扫描仪安装到前侧板顶部，用连接片和螺丝固定；

步骤四：采用砂雨法在模型箱内分层铺设砂土；

步骤五：当填土达到边坡的设定高度后，根据模型箱铰链到挂尾的距离D和试验需要的提升角度θ，计算需要回收的钢丝绳长度ΔL＝Dsinθ，利用电动提升系统将模型箱提升到指定角度，并静置h小时；

步骤六：试验开始前，利用三维激光扫描仪对坡体表面进行一次扫描，作为初始基准点云；

步骤七：利用降雨系统对透水板和后侧板之间的蓄水空间进行降水，直至达到指定水位高度，之后喷淋支架移动到边坡上方，通过降雨系统模拟降雨工况；

步骤八：启动振动台，开始试验，利用三维激光扫描仪对坡面进行固定时间扫描采样，也可采用其他测量方法进一步采集数据。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本发明的降雨系统可有效克服无法精确控制的应用局限性，能够满足对降雨强度、范围、大小、时间的实时可调，实现各种降雨工况的模拟；通过控制降水量，可研究不同水位下降雨作用对库岸边坡稳定性的影响。(2)本发明的伺服电机提升系统可以将模型箱提升0～90度，根据试验需要对边坡模型进行任意角度的调整，实现不同倾角组合的滑坡试验；可以精确地控制提升高度和速度，运行平稳；通过公式可以将模型箱的提升角度转换成钢丝绳的回收长度。(3)本发明的三维激光扫描技术可以高精度地测量滑坡表面的三维位移。

附图说明

图1为本发明的一种地震与降雨耦合作用下变角滑坡模型试验装置三维视图；

图2为本发明的一种地震与降雨耦合作用下变角滑坡模型试验装置正视图；

图3为本发明的一种地震与降雨耦合作用下变角滑坡模型试验装置俯视图；

图4为本发明的一种地震与降雨耦合作用下变角滑坡模型试验装置左视图；

图中，1-前侧板，2-底板，3-左侧板，4-右侧板，5-后侧板，6-透水板，7-底座，8-排水口，9-挂尾，10-铰链，11-储水箱，12-水泵，13-塑料软管，14-供水主管，15-电子控制总阀，16-流量表，17-供水分管，18-电子控制分阀，19-喷头，20-水平滑槽，21-第一滚轮，22-喷淋支架，23-降雨系统支架，24-千斤顶，25-伺服电机，26-轴承，27-皮带，28-第二滚轮，29-钢丝绳，30-铁钩，31-三维激光扫描仪，32-连接片，33-螺丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明所述的一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模型试验装置，如图1-4所示，所述模型箱通过铰链10与底座7相连并固装在振动台上，模型箱为矩形箱体，包括前侧板1、底板2、左侧板3、右侧板4、后侧板5和其内部透水板6；所述前侧板1、左侧板3以及右侧板4为有机玻璃板，左侧板3和右侧板4通过密封胶与前侧板1、后侧板5以及底板2进行密封连接；所述后侧板5与底板2之间通过焊接相连，在后侧板5外设有挂尾9，用于电动提升系统提升模型箱；模型箱内部透水板6置于前侧板1和后侧板5之间距离后侧板5三分之一箱长处，透水板6与左侧板3、右侧板4和底板2相连接；前侧板1下部开设有排水口8，可使多余水体排出模型箱；所述前侧板1与底座7通过铰链10连接，根据试验需要模型箱可借助前侧板1底部的铰链10以及电动提升系统进行旋转、抬升至任意角度，在所述左侧板3、右侧板4以及前侧板1的内表面加装有内衬层，用于降低边界效应。

所述降雨系统包括储水箱11、水泵12、塑料软管13、供水主管14、电子控制总阀15、流量表16、供水分管17、电子控制分阀18、喷头19、水平滑槽20、第一滚轮21、喷淋支架22、降雨系统支架23、千斤顶24；四台千斤顶24与地面相固连；所述降雨系统支架23由4根长1200mm竖立角钢及2根水平角钢组成，并与四台千斤顶24相固连，比如，本实施例中，该竖立角钢和水平角钢规格为边宽50mm，边厚5mm；两根所述水平滑槽20通过螺栓固装在所述降雨系统支架23上；所述第一滚轮21安装在两根所述水平滑槽20中间，其两端分别与两根水平滑槽20连接；所述喷淋支架22与所述第一滚轮21固接；所述储水箱11放置在模型箱旁边地面上，所述储水箱11进水口通过所述塑料软管13连接水龙头，出水口通过所述塑料软管13与所述水泵12相连；所述水泵12放置在所述储水箱11旁边，通过所述塑料软管13与所述供水主管14相连；所述供水主管14固装在所述喷淋支架22下；所述电子控制总阀15固装在所述供水主管14上，控制整个降雨系统流量；所述流量表16固装在所述供水主管14上，实时观测降雨情况；多根所述供水分管17上端与所述供水主管14相连；所述电子控制分阀18固装在每一根所述供水分管17上，实现分区域不均匀降雨控制；所述喷头19与所述供水分管17下端相连，通过多个喷头19将储水箱11中储存的水经水泵12泵送后喷出；由所述水平滑槽20、第一滚轮21、喷淋支架22、供水主管14以及多个喷头19组成的降雨系统组件可以通过所述滑槽20以及所述第一滚轮21实现模型箱上方的整体滑动，精准控制整体降雨区域；通过所述电子控制总阀15、所述电子控制分阀18以及所述水泵12实现局部降雨区域的精确控制；根据模型箱的抬升高度变化，对四台所述千斤顶24进行相应的高度调整，确保模型箱中土体在降雨系统组件的正下方。

所述电动提升系统包括伺服电机25、轴承26、皮带27、第二滚轮28、钢丝绳29、铁钩30；所述伺服电机25与轴承26连接，轴承26固定于第二滚轮28上，可确保第二滚轮28转动时伺服电机25位置固定不动；所述皮带27连接伺服电机25和第二滚轮28，起到传动作用；所述第二滚轮28安装在两根水平滑槽20中间，其两端分别与两根水平滑槽20连接；所述钢丝绳29一端固定于第二滚轮28上，另一端固定于铁钩30上，第二滚轮28转动将带动钢丝绳29，从而提升模型箱；所述铁钩30穿过模型箱上的挂尾9。所述的第二滚轮28可沿水平滑槽2滚动，提升时，当模型箱转动一定角度会带动钢丝绳29倾斜，钢丝绳29会带动第二滚轮28向前滚动一定距离，从而使得钢丝绳29始终处于竖直。所述的伺服电机25、轴承26、皮带27数量均为2个，沿第二滚轮28对称布置，可将模型箱提升的角度为0～90度。所述伺服电机25结构紧凑、运行平稳、过载能力强，且配有高性能伺服驱动器，在提升时可高精度地控制速度。所述皮带27采用三角带，传动稳定性高，更加安全耐用。

所述变形监测系统包括三维激光扫描仪31、连接片32、螺丝33；所述三维激光扫描仪31安装在模型箱前侧板1顶部的中间位置；所述连接片32和螺丝33起到连接三维激光扫描仪31和前侧板1的作用。所述三维激光扫描仪31体积较小，单次扫描可覆盖整个滑坡模型。

本实施例中，测试对象选用相似材料配制的土质边坡；振动台输出的振动波选用El-Centro地震波；模型箱的后侧板5、底板2和底座7均采用Q235B钢板，模型箱的前侧板1以及左、右侧板采用有机玻璃板，模型箱内部的透水板6由透水材料制作，模型箱各板接缝处采用的密封胶为704硅橡胶，模型箱的左、右侧板内表面的内衬层采用聚苯乙烯泡沫，模型箱的底板2与振动台之间采用螺栓进行固定连接；

一种变角地震与降雨耦合边坡模型试验方法，采用了上述的变角地震与降雨耦合边坡模型试验装置，包括如下步骤：

步骤一：将模型箱上部的降雨系统支架23通过千斤顶24提升至适当高度；

步骤二：将伺服电机25、轴承26、皮带27固定到第二滚轮28上，将钢丝绳29一端固定在第二滚轮28中间部位，另一端与铁钩30固定，将铁钩30穿过模型箱挂尾9并锁死；

步骤三：将三维激光扫描仪31安装到前侧板1顶部的中间位置，用连接片32和螺丝33固定；

步骤四：采用砂雨法在模型箱内分层铺设砂土；

步骤五：当填土达到边坡的设定高度后，根据模型箱铰链10到挂尾9的距离D和试验需要的提升角度θ，计算需要回收的钢丝绳29长度ΔL＝Dsinθ，利用电动提升系统将模型箱提升到指定角度，并静置24小时；

步骤六：试验开始前，利用三维激光扫描仪31对坡体表面进行一次扫描，作为初始基准点云；

步骤七：利用降雨系统对透水板6和后侧板5之间的蓄水空间进行降水，直至达到指定水位高度，之后喷淋支架22移动到边坡上方，通过降雨系统模拟降雨工况；

步骤八：启动振动台，开始试验，利用三维激光扫描仪对坡面进行固定时间扫描采样，也可采用其他测量方法进一步采集数据。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模型试验装置，其特征在于：该装置包括模型箱、降雨系统、电动提升系统、变形监测系统；

所述模型箱为矩形箱体，包括前侧板、底板、左侧板、右侧板、后侧板和其内部透水板；所述前侧板、左侧板以及右侧板为有机玻璃板，左右两块侧板与前侧板、后侧板以及底板密封连接；所述后侧板与底板之间通过焊接相连，在后侧板外设有挂尾；模型箱内部透水板置于前侧板和后侧板之间且其与后侧板的距离小于与前侧板的距离，透水板与左右侧板、底板相连接；前侧板下部开设有排水口；所述前侧板与底座通过铰链连接；所述模型箱与底座相连并固装在振动台上；

在所述左侧板、右侧板以及前侧板的内表面加装有内衬层；

所述降雨系统包括储水箱、水泵、塑料软管、供水主管、电子控制总阀、流量表、供水分管、电子控制分阀、喷头、水平滑槽、第一滚轮、喷淋支架、降雨系统支架、千斤顶；所述千斤顶与地面相固连，所述降雨系统支架与所述千斤顶相固连；两根水平滑槽通过螺栓固装在所述降雨系统支架上；所述第一滚轮安装在两根水平滑槽中间，其两端分别与两根水平滑槽连接；所述喷淋支架与所述第一滚轮固接；所述储水箱放置在模型箱旁侧地面上，所述储水箱进水口通过所述塑料软管连接水龙头，出水口通过所述塑料软管与所述水泵相连；所述水泵放置在所述储水箱旁侧，通过所述塑料软管与所述供水主管相连；所述供水主管固装在所述喷淋支架下；所述电子控制总阀固装在所述供水主管上；所述流量表固装在所述供水主管上；多根所述供水分管上端与所述供水主管相连；

所述电子控制分阀固装在每一根所述供水分管上；所述喷头与所述供水分管下端相连；

所述电动提升系统包括伺服电机、轴承、皮带、第二滚轮、钢丝绳、铁钩；所述伺服电机与轴承连接，轴承固定于第二滚轮上；所述皮带连接伺服电机和第二滚轮；所述第二滚轮安装在两根水平滑槽中间，其两端分别与两根水平滑槽连接；所述钢丝绳一端固定于第二滚轮上，另一端固定于铁钩上；所述铁钩穿过模型箱上的挂尾；

所述的伺服电机、轴承、皮带数量均为2个，沿第二滚轮对称布置；所述皮带采用三角带；

所述变形监测系统包括三维激光扫描仪、连接片、螺丝；通过所述连接片和螺丝将所述三维激光扫描仪安装在模型箱前侧板顶部。

2.基于权利要求1所述的试验装置实现的一种地震与降雨耦合作用下库岸水位变化及坡角可变滑坡模型试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将模型箱上部的降雨系统支架通过千斤顶提升至适当高度；

步骤二：将伺服电机、轴承、皮带固定到第二滚轮上，将钢丝绳一端固定在第二滚轮中间部位，另一端与铁钩固定，将铁钩穿过模型箱挂尾并锁死；

步骤三：将三维激光扫描仪安装到前侧板顶部，用连接片和螺丝固定；

步骤四：采用砂雨法在模型箱内分层铺设砂土；

步骤五：当填土达到边坡的设定高度后，根据模型箱铰链到挂尾的距离D和试验需要的提升角度θ，计算需要回收的钢丝绳长度ΔL＝Dsinθ，利用电动提升系统将模型箱提升到指定角度，并静置h小时；

步骤六：试验开始前，利用三维激光扫描仪对坡体表面进行一次扫描，作为初始基准点云；

步骤七：利用降雨系统对透水板和后侧板之间的蓄水空间进行降水，直至达到指定水位高度，之后喷淋支架移动到边坡上方，通过降雨系统模拟降雨工况；

步骤八：启动振动台，开始试验，利用三维激光扫描仪对坡面进行固定时间扫描采样。