CN111986549A - 水动力型滑坡变形机理研究的室内模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水动力型滑坡变形机理研究的室内模型试验装置及方法，包括箱体；所述箱体的顶部设置有降雨支架；所述降雨支架的顶端安装有水管；所述水管连接至储水箱；所述箱体顶部对应的水管上设置有喷嘴；所述喷嘴和储水箱之间的水管上设置有抽水泵；所述箱体的侧壁上设置有进水管与排水管；所述箱体内设置有滑床和刻度尺；所述滑床上设置有滑体；所述滑体内埋设有土压力传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器；与滑体相对的箱体外侧设置有摄像机。本发明可以对库区滑坡的变形破坏机理做深入的研究，且人工降雨部分由螺栓进行固定，易于拆卸，同时可以进行高度调整，使得适用的场景大大增多。

Description

水动力型滑坡变形机理研究的室内模型试验装置及方法

技术领域

本发明属于室内地质灾害模型试验领域，具体涉及一种用于水动力型滑坡变形机理研究的室内模型试验装置。

背景技术

我国是一个水利大国，水库分布较为丰富，但水库常建在高山峡谷中，地质构造复杂，落差较大，这种特殊的地形特点给坡体的滑动提供了潜在的有利条件。同时大多数库区水资源丰富，水动力型因素例如降雨与库水位变化对于滑坡特别是堆积体滑坡的影响最大，严重危害人民生命财产安全，因此对水动力型滑坡进行机理分析，能够为滑坡稳定性分析以及灾害防治方面提供理论依据。

室内滑坡模型试验是属于地质灾害模型中的一种，也是最常见的用于研究滑坡变形破坏机理的有效手段，通过测量模型的土压力、孔隙水压力、位移等参数变化以及摄像机图像能够直观地分析判断滑坡体失稳破坏前的发展历程。

然而现有的室内模型试验便携性较差，运输能力较弱，且人工降雨支架多与模型箱分离，或者直接固定在模型箱上面，其受场地净空高度限制影响较大，不易于拆卸，使得试验进行较为困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的在于提供一种用于水动力型滑坡变形机理研究的室内模型试验装置，以解决现有技术中存在的运输性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种室内模型试验装置，包括箱体；所述箱体的顶部设置有降雨支架；所述降雨支架的顶端安装有水管；所述水管连接至储水箱；所述箱体顶部对应的水管上设置有喷嘴；所述喷嘴和储水箱之间的水管上设置有抽水泵；所述箱体的侧壁上设置有进水管与排水管；所述箱体内设置有滑床和刻度尺；所述滑床上设置有滑体；所述滑体内埋设有土压力传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器；与滑体相对的箱体外侧设置有摄像机。

进一步的，所述喷嘴和抽水泵之间的水管上设置有分水阀和流量计。

进一步的，所述进水管上设置有阀门和流量计；所述进水管连接至储水箱；所述进水管的阀门和储水箱之间设置有抽水泵。

进一步的，所述排水管上设置有阀门、流量计与滤网；所述排水管连接有储水箱。

进一步的，所述箱体包括水平杆、竖向杆和连接件；多个所述水平杆和竖向杆通过连接件连接组成箱体；所述箱体内部的中部设置有中部撑杆。

进一步的，所述箱体的四周围有钢化玻璃；所述钢化玻璃通过钢化玻璃挡板固定在箱体上。

进一步的，所述箱体放置在承重底板上；所述承重底板的底部安装有带刹脚轮。

进一步的，所述箱体的顶部设置有特殊连接件；所述特殊连接件上安装有螺栓连接杆；所述螺栓连接杆的顶部安装降雨支架。

进一步的，所述摄像机连接有电脑；所述电脑还连接有采集器；所述采集器同时连接土压力传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器。

一种室内模型试验方法，

将降雨支架和箱体的四周密封；

打开喷嘴，通过喷嘴模仿降雨过程；

获取降雨过程中的雨强，雨强稳定至设计工况时，敞开箱体的顶部；

通过土压力传感器、孔隙水压力传感器、位移传感器和刻度尺获取降雨过程中敞开箱体内滑体的孔隙水压力、土体压力、位移和库水位变化；

控制进水管与排水管的开启程度模拟降雨耦合库水位变化的设计工况；

将孔隙水压力、土体压力、位移同库水位变化与降雨过程中的雨强进行对比，分析不同工况下降雨与库水位变化耦合作用对边坡变形破坏的影响。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明将降雨支架设计成可拆卸且便于调节高度，使得运输性大大提升，可以通过调节支架高度与喷嘴水压共同调节雨强，能适应场地的变化；本发明可以模拟库区内滑坡，尤其是堆积体滑坡在多种不同工况耦合条件下的滑坡变形破坏试验，监测不同条件下物理参数以及图像上的变化，并且能给滑坡预警研究方面提供理论支撑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的右视图；

图3是本人工降雨支架螺栓连接处的放大示意图。

附图标记：1-带刹脚轮；2-连接件；3-承重底板；4-滑床；5-竖向杆；6-带握把扶手；7-钢化玻璃挡板；8-特殊连接件；9-螺栓连接杆；10-螺栓；11-降雨支架；12-喷嘴；13-滑体；14-水平杆；15-钢化玻璃；16-中部撑杆；17-分水阀；18-水管；19-进水管；20-刻度尺；21-抽水泵；22-排水管；23-控制台；24-储水箱；25-摄影机；26-过滤网；27-位移传感器；28-孔隙水压力传感器；29-土压力传感器；30-采集器；31-电脑；32-补水箱；33-流量计；34-阀门。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围：

如图1、图2、图3所示，一种用于水动力型滑坡变形机理研究的室内模型试验装置，包括模型槽部分、人工降雨及库水位变动部分、监测分析部分。

模型槽部分包括放置于承重底板3上的由水平杆14、竖向杆5、中部撑杆16、连接件2、特殊连接件8、钢化玻璃挡板7、钢化玻璃15与承重底板3组成的四周及底部密封的箱体，四周增加钢化玻璃挡板7的目的是为了更好固定钢化玻璃，加上钢化玻璃挡板7可以使得连接更加牢固，钢化玻璃挡板7与普通杆件在箱体内侧表面平行，目的是能够使整块钢化玻璃固定于箱体四周，下部没有螺栓是为了玻璃内部的平整度与防水考虑，特殊连接件8同连接件2相比，最大的不同在于焊接有与螺栓连接杆9相连的连接头；箱体的顶部为敞开结构，用于接收人工降雨及库水位变动部分喷淋下来的人工降雨，模拟水位上升；箱体的中部之间设置中部撑杆16，中部撑杆16在增加侧向限制的同时，也能提供竖向撑力，防止上部杆件屈曲，侧面数量为两个中部撑杆，滑坡前缘数量为一个中部撑杆16；承重底板3上安装有带刹脚轮1和带握把扶手6；箱体内部放置有滑床4与滑体13组成的滑坡物理模型；箱体内部有刻度尺20。

人工降雨及库水位变动部分包含控制台23、储水箱24、水管网系统。水管网系统包括设置在特殊连接件8上安装有带有螺栓孔的螺栓连接杆9；螺栓连接杆9的顶部安装有降雨支架11；降雨支架11通过螺栓10与螺栓连接杆9固定安装。降雨支架11的顶部设置有水管18；水管18连接至储水箱24；箱体顶部对应的水管18上设置有喷嘴12；喷嘴12和储水箱24之间的水管18上设置有抽水泵21；喷嘴12和抽水泵21之间的水管18上设置有分水阀17与流量计33；抽水泵21连接控制台23。箱体前缘设置有两个对称的带阀门34与流量计33且有过滤网26的排水管22；箱体的顶部还设置有带阀门34与流量计33的进水管19；进水管19连接储水箱24；阀门34与储水箱24之间的进水管19设有抽水泵21；抽水泵21连接控制台23。

人工降雨是通过控制台23控制抽水泵21从储水箱24内抽出来的水，运用分水阀17将其分配至上部各个喷嘴12；降雨支架11可通过螺栓10进行高度升降；降雨强度可以通过喷嘴12高度以及水压共同调节；库水位变动先通过控制台23控制抽水泵21从储水箱24进入进水管19，再通过进水管19与排水管22的阀门34与流量计33来控制进水量与出水量；最终整个水管网内的水都会通过过滤网26流入储水箱24，以便再次利用。储水箱24的一侧还设置有补水箱32，通过补水箱32可以对各储水箱24进行补水。

监测分析部分包含土压力传感器29、孔隙水压力传感器28、位移传感器27、摄像机25和采集器30；摄像机25分布在箱体纵向一侧与前缘；土压力传感器29、孔隙水压力传感器28、位移传感器27埋设在滑体13内部前缘、中部、后缘等特定位置；模型测量参数通过采集器30收集；两个摄像机25和采集器30直接与电脑31相连。

承重底板3上设有4个可以360°旋转的带刹脚轮，且底板上带有握把，更加易于搬移。降雨支架11通过多孔螺栓杆进行连接，可以根据实际需要调整人工降雨高度。

本发明便于运输拆卸，不受场地限制，且能够模拟降雨与库水位变化相互耦合的物理模型试验装置。

本发明所述的水动力型滑坡变形机理研究的室内模型试验装置的操作步骤如下：

一、首先要根据场地需要将降雨支架11用螺栓10和带有螺栓孔的螺栓连接杆9与箱体上焊有连接头的特殊连接件8连接组装起来，然后再将流量计33、分水阀17、水管18、抽水泵21依次安装，同时也要将流量计33、阀门34、进水管19、抽水泵21依次安装，阀门34、流量计33、排水管22也要依次安装，最后将两个抽水泵21与控制台23连接，并检查控制线路。

二、将砌筑好的滑床4模型放入箱体中，再将配置好的滑体13相似材料填筑于滑床4之上，在填筑的过程中同时也要在特定位置埋设相应的位移传感器27、孔隙水压力传感器28、位移传感器29，并架设好摄像机25。

三、将各传感器连接采集器30，再将采集器30与摄像机25一同连接电脑31，测试数据读取是否正常。

四、在打开降雨喷嘴12前要先用雨布将箱体封住，等雨强稳定到设计工况时的雨强再打开雨布，此时开始数据的监测。控制进水管19与排水管22阀门的开启程度来模拟降雨耦合库水位变化的设计工况。

五、将试验全过程中的滑坡模型中各监测点的孔隙水压力、土体压力、位移同库水位变化与降雨强度进行对比，分析不同工况下降雨与库水位变化耦合作用对边坡变形破坏的影响。另外还可对滑坡模型裂缝开展程度进行分析，研究其致灾机制与破坏形式。

六、在试验结束后，先将数据记录关闭，断开与电脑31和控制台23的连接，然后打开排水管22，尽可能排尽箱体内的水，再依次拆除人工降雨支架11，移除破坏的滑体13材料与剩余水。

以上所述，仅用以说明本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种室内模型试验装置，其特征在于，包括箱体；所述箱体的顶部设置有降雨支架；所述降雨支架的顶端安装有水管；所述水管连接至储水箱；所述箱体顶部对应的水管上设置有喷嘴；所述喷嘴和储水箱之间的水管上设置有抽水泵；所述箱体的侧壁上设置有进水管与排水管；所述箱体内设置有滑床和刻度尺；所述滑床上设置有滑体；所述滑体内埋设有土压力传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器；与滑体相对的箱体外侧设置有摄像机。

2.根据权利要求1所述的一种室内模型试验装置，其特征在于，所述喷嘴和抽水泵之间的水管上设置有分水阀和流量计。

3.根据权利要求1所述的一种室内模型试验装置，其特征在于，所述进水管上设置有阀门和流量计；所述进水管连接至储水箱；所述进水管的阀门和储水箱之间设置有抽水泵。

4.根据权利要求1所述的一种室内模型试验装置，其特征在于，所述排水管上设置有阀门、流量计与滤网；所述排水管连接有储水箱。

5.根据权利要求1所述的一种室内模型试验装置，其特征在于，所述箱体包括水平杆、竖向杆和连接件；多个所述水平杆和竖向杆通过连接件连接组成箱体；所述箱体内部的中部设置有中部撑杆。

6.根据权利要求1所述的一种室内模型试验装置，其特征在于，所述箱体的四周围有钢化玻璃；所述钢化玻璃通过钢化玻璃挡板固定在箱体上。

7.根据权利要求1所述的一种室内模型试验装置，其特征在于，所述箱体放置在承重底板上；所述承重底板的底部安装有带刹脚轮。

8.根据权利要求1所述的一种室内模型试验装置，其特征在于，所述箱体的顶部设置有特殊连接件；所述特殊连接件上安装有螺栓连接杆；所述螺栓连接杆的顶部安装降雨支架。

9.根据权利要求1所述的一种室内模型试验装置，其特征在于，所述摄像机连接有电脑；所述电脑还连接有采集器；所述采集器同时连接土压力传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器。

10.一种室内模型试验方法，其特征在于，

将箱体的顶部密封；

打开降雨支架上的喷嘴，通过喷嘴模仿降雨过程；

获取降雨过程中的雨强，雨强稳定至设计工况时，敞开箱体的顶部；

通过土压力传感器、孔隙水压力传感器、位移传感器和刻度尺获取降雨过程中敞开箱体内滑体的孔隙水压力、土体压力、位移和库水位变化；

控制进水管与排水管的开启程度模拟降雨耦合库水位变化的设计工况；

将孔隙水压力、土体压力、位移同库水位变化与降雨过程中的雨强进行对比，分析不同工况下降雨与库水位变化耦合作用对边坡变形破坏的影响。

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