CN113109547A - 一种加速边坡模型饱和的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模型试验领域，更具体地涉及一种加速边坡模型饱和的试验装置及试验方法，包括步骤有：在可视化模型箱内搭建边坡模型，埋设水位计，对边坡模型的坡顶进行垂直钻孔，对边坡模型的坡面进行倾斜钻孔，在边坡模型顶部放置一个底部有孔洞的蓄水池，向蓄水池中灌水，在可视化模型箱上安装封闭罩，将抽气泵连接抽气管，在抽气过程中观测水位计的读数，拆卸封闭罩，在边坡模型顶部进行逐级堆载，本申请可加快边坡模型饱和速度，更为有力地触发滑坡，与自然界中的实际饱和工况更为吻合。

Description

一种加速边坡模型饱和的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及模型试验领域，更具体地涉及一种加速边坡模型饱和的试验装置及试验方法。

背景技术

滑坡是最为常见的一种地质灾害，每到雨季，滑坡治理处置工作都令救灾人员应接不暇，措手不及。因此，有必要对滑坡的形成机理和有效防治措施展开研究。

模型试验方法具备可重复性高和操作简便等优点，尽管不能满足模型与原型应力水平相同的要求，但缩尺模型试验也可以直观地给出滑坡变形和破坏的过程，与滑坡原型在实际工况中观测到的现象也存在一定的相似性，因而目前也是研究滑坡的重要手段之一。

对于大多数边坡岩土体来说，降雨、库水、地下水等水分都是经过了长年累月的积累，才能使得边坡真正产生饱和效应，进而发生滑坡。而现有的模型试验装置虽然有考虑降雨、库水、地下水等对滑坡的影响，但均没有涉及到如何加速边坡模型饱和的问题。因此在进行滑坡模型试验研究时也需让边坡产生饱和效应，但如果水分是在自然状态下入渗，一般都需要等待较长时间，才能使得模型产生饱和，而且这种自然的饱和效应往往并不彻底，从而使得模型试验研究周期相对较长、研究结论相对欠准确。

因此，为了在最短的时间内使得边坡模型产生饱和，以便使研究结论最为接近实际情况，需要提出一个加速边坡模型饱和的试验方法与装置。

发明内容

基于此，本申请提供一种加快边坡模型饱和速度，更为有力地触发滑坡，与自然界中的实际饱和工况更为吻合的加速边坡模型饱和的试验方法与装置。

第一方面，本申请提供一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，包括：可视化模型箱、蓄水池、封闭罩和集水池，所述可视化模型箱内搭建有边坡模型，边坡模型内部埋设有水位计，所述边坡模型的坡顶至少设有一个垂直孔，边坡模型的坡面至少设有一个倾斜孔，设有孔洞的蓄水池放置在边坡模型顶部，用于密封边坡模型的封闭罩上设有抽气孔，内设有筛子的集水池位于边坡模型的坡底。

在一种可能的实现方式中，所述水位计分设在边坡模型不同深度的土体内部。

在一种可能的实现方式中，所述垂直孔和倾斜孔均贯穿边坡模型

在一种可能的实现方式中，所述封闭罩包括顶部封闭板和侧部封闭板，侧部封闭板分设在顶部封闭板的底部外侧，且相邻个侧部封闭板垂直连接。

在一种可能的实现方式中，还包括抽气泵和抽气管，抽气管安装在抽气泵的抽气口上，且所述抽气管外径与抽气孔内径一致。

在一种可能的实现方式中，还包括载块，所述载块堆累在边坡模型顶部。

在一种可能的实现方式中，所述集水池位于可视化模型箱下侧，筛子横向设置在集水池内部。

在一种可能的实现方式中，所述蓄水池底面上均匀设有多个孔洞。

第二方面，本发明还提供了一种加速边坡模型饱和的试验装置及试验方法，用于上述的加速边坡模型饱和的试验装置，具体包括以下步骤：

1)向蓄水池中灌水，并记录灌水量；

2)在可视化模型箱上安装与边坡模型密封的封闭罩；

3)将抽气管连接抽气孔，启动抽气泵对可视化模型箱内部抽气；

4)观测水位计的读数，并在边坡模型的水位到达最顶部时停止抽气；

5)拆卸封闭罩，利用集水池收集从边坡模型内抽出的水分和泥浆，之后利用载块在边坡模型顶部进行逐级堆载，观测边坡模型的变形过程；

6)计算集水池中筛子上泥土的质量，分析边坡模型饱和过程中的坡体冲刷量，计算蓄水池中加水量与集水池中的水分剩余量之差，分析边坡模型的吸水量和坡体饱和度。

相较现有技术，本发明具有以下的特点和有益效果：

1、通过设置贯穿边坡模型的垂直孔和倾斜孔，使得蓄水池流出的水体能够直达整个边坡模型，继而令边坡模型各个部位都产生饱和效应，从而更为有力地触发滑坡，与自然界中的实际饱和工况更为吻合。

2、通过对封闭罩内部空气进行抽气操作，加快蓄水池流出的水体在整个边坡模型中的渗流速度，从而大大加快了边坡模型的饱和速度，缩短了模型试验的研究周期。

3、通过集水池对从可视化模型箱底部渗流出来的水体进行收集，不会弄脏和污染试验场地，同时也可对集水池内收集的水体进行重复利用，节约用水。

4、通过蓄水池实现降雨对边坡模型坡面的浸润和饱和作用，省去人工降雨模型系统的搭建，最大限度地节约试验开支，继而方便、廉价地进行大量的试验，使得试验结果更准确、稳定。

5、通过集水池对从边坡模型内流出的水分和泥浆进行收集，并通过计算集水池内筛子上泥土的质量，可分析边坡模型饱和过程中的坡体冲刷量，通过计算蓄水池中的加水量与集水池中的水分剩余量之差，可分析边坡模型的吸水量，计算水分补给和水分流失量，对滑坡进行最为准确的定量研究。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图2的俯视图；

图4为集水池与筛子间的结构示意图；

图5为本发明使用时的示意图。

图中标号说明：1、可视化模型箱；2、边坡模型；3、水位计；4、垂直孔；5、蓄水池；6、倾斜孔；7、封闭罩；701、顶部封闭板；702、侧部封闭板；8、抽气管；9、抽气泵；10、筛子；11、集水池；12、载块；13、放置架；14、排水管。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本申请保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的；“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

如图1-4所示，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种加速边坡模型饱和的试验装置，包括可视化模型箱1、蓄水池5、封闭罩7和集水池11，可视化模型箱1内搭建有边坡模型2，边坡模型2内部埋设有水位计3，水位计3用于记录坡体水位，判断坡体是否达到完全饱和，边坡模型2的坡顶至少设有一个垂直孔4，边坡模型2的坡面至少设有一个倾斜孔6，其中垂直孔4和倾斜孔6均贯穿边坡模型2，贯穿边坡模型2的钻孔可使得水分直达整个边坡模型2，设有孔洞的蓄水池5放置在边坡模型2顶部，蓄水池5内的水体可通过孔洞流到边坡模型2上，并通过垂直孔4加快水体直达整个边坡模型2的速度，蓄水池5底面上均匀设有多个孔洞，使蓄水池5内的水体均匀流到边坡模型2上，封闭罩7安装在可视化模型箱1上并与边坡模型2密封，封闭罩7上设有抽气孔，通过抽气孔可对封闭罩7内部进行抽真空操作，加快边坡模型2的饱和速度，缩短了模型试验的研究周期，内设有筛子10的集水池11位于边坡模型2的坡底，通过集水池11对从边坡模型2内抽出的水体和泥浆进行收集，不会弄脏和污染试验场地且方便计算水分补给、岩土体冲刷量和水分流失量。

其中，水位计3分设在边坡模型2不同深度的土体内部，通过在不同深度埋设的水位计3，方便对边坡模型2不同深度的坡体水位进行记录，继而判断坡体是否达到完全饱和。

其中，封闭罩7包括顶部封闭板701和侧部封闭板702，顶部封闭板701安装在可视化模型箱1顶部，侧部封闭板702分设在可视化模型箱1两侧，且侧部封闭板702顶部与顶部封闭板701底部连接，通过顶部封闭板701和侧部封闭板702将边坡模型2围成密封状态，还包括抽气泵9和抽气管8，抽气管8安装在抽气泵9的抽气口上，且抽气管8外径与抽气孔内径一致，通过将抽气管8与抽气孔连接，使得抽气泵9可抽出封闭罩7内部空气，继而使水分最快限度地在整个边坡模型2中渗流，加快边坡的饱和过程，缩短模型试验的研究周期。

值得一提的是，集水池11位于可视化模型箱1下侧，方便对从可视化模型箱1流出的水体进行收集，集水池11内壁上设有刻度结构，方便试验人员对集水池11内收集的水体量进行掌握，集水池11内设有放置架13，筛子10横向设置在集水池11内部并与放置架13固定，筛子10便于对流出水体中的泥沙进行过滤，放置架13方便将筛子10从集水池11内取出，其中，放置架13可选用底部设有通口、顶部设有提手的箱体，筛子10固定在通口内，提手卡在集水池11顶部边缘处，当要对过滤下来的泥沙进行处理时，可手握提手将箱体从集水池11内取出，然后再对箱体内筛子10上表面的泥沙进行处理，另外，集水池11下侧设有排水管14和挡盖，方便后续将集水池11内污水排出。

具体的，还包括用于堆累在边坡模型2顶部的载块12，其可对边坡模型2进行挤压，以便后续通过可视化模型箱1观测边坡模型2的变形过程。

本发明的试验装置的搭建过程如下：

1)在可视化模型箱11内搭建边坡模型2，搭建过程中，边坡模型2与有机玻璃模型11内壁贴合，方便后续进行抽真空操作，同时在边坡模型2的不同深度埋设水位计3，水位计3用于用于后续记录坡体水位，判断坡体是否达到完全饱和。

2)采用麻花钻从边坡模型2的坡顶进行垂直钻孔，从边坡钻孔的坡面进行倾斜钻孔，形成的垂直孔4和倾斜孔6的孔深均需穿透整个滑坡体，另外垂直孔4和倾斜孔6孔径和孔间距可根据不同的土质而调整，当边坡模型2的土体选用砂性土时，由于砂性土渗透性较大，透水性较好，因此孔径可稍小一些，为防止发生塌孔，孔间距可稍大一些，因此垂直孔4和倾斜孔6的孔径均为2～5mm，相邻2个垂直孔4以及相邻2个倾斜孔6的孔间距均为20～30cm；当边坡模型2的土体选用黏性土时，由于黏性土渗透性较小，透水性较差，因此孔径可稍大一些，孔间距可稍小一些，因此垂直孔4和倾斜孔6的孔径均为10mm～25mm，相邻2个垂直孔4以及相邻2个倾斜孔6的孔间距均为10～15cm，其中，垂直孔与倾斜孔的夹角宜取45°～60°，这样既可以让水分流经大部分坡体，令整个坡顶都过水，又不会使得水分过快从倾斜孔流出，起不到彻底的浸泡、饱和作用。夹角太大，则倾斜孔趋于水平，容易导致水分过快从倾斜孔流出，难以对坡体产生彻底的浸泡、饱和作用；夹角过小，则倾斜孔趋于垂直，容易导致水分难以从倾斜孔流出，且使得水分流经的坡体偏少，不便对整个坡体形成饱和。

3)在边坡模型2顶部放置一个底部有孔洞的蓄水池5，蓄水池55底面与坡顶贴合。

4)在可视化模型箱1顶部和侧部分别安装顶部封闭板701和侧部封闭板702，使得可视化模型箱1内部隔绝空气，顶部封闭板701或侧部封闭板702上预留与抽气管8外径一致的孔洞，将抽气泵9连接抽气管8。

该模型的使用方法如下：

1)在蓄水池5中灌水，由于蓄水池5底部有孔洞，水分会首先注满垂直孔4，而后渐渐向坡体渗透，此时水分在边坡模型2中自然渗透，还未进入加速饱和阶段。

2)对可视化模型箱1内部进行抽气，使得抽气区的压强不断减小，此时由于压力差的缘故，蓄水池5中的水分将会加速流进垂直孔4中，垂直孔4中的水分也加速向四周土体入渗，加快边坡模型2饱和的进程，当可视化模型箱1的真空度达到一定程度时，水分会沿着倾斜钻孔被吸出边坡模型2的坡面，而后顺着坡面向下流，模拟降雨情况下的地表水流动，从而省去了一般滑坡模型试验中人工降雨模型系统的搭建。

3)在抽气过程中实验人员需不断观测水位计3的读数，当边坡模型2的水位到达最顶部时，表明坡体整体都已达到饱和状态，可停止抽气。

4)拆卸顶部封闭板701和侧部封闭板702，使得可视化模型箱1内被抽出的水分和泥浆流入筛子10和集水池11中，之后计算筛子10上泥土的质量，分析边坡模型2饱和过程中的坡体冲刷量，计算蓄水池5中加水量与集水池11中的水分剩余量之差，分析边坡模型2的吸水量，继而分析坡体饱和度，更好地研究滑坡机理，并且集水池11中收集的多余水分还可以重复利用，用于下一次滑坡模型试验。

5)在边坡模型2顶部使用载块12进行逐级堆载，透过可视化模型箱1，对边坡模型2的变形过程进行观测。

本方案采用该模型实现在最短的时间内使得边坡模型产生饱和，参考图5可看到，坡顶的水自重沿着垂直孔自由落下，水在自重作用下沿着重力方向可直线运动，以此方式保证了水流的快速流动；进入边坡内的水在外界抽真空的作用下自倾斜孔排出，在本方案中由于垂直孔和倾斜孔相交错设置，可使得水可全面地经过流经边坡的各个方向，更进一步地保证水不仅可快速流动同时也可更加全面地促进边坡的饱和。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，包括：可视化模型箱(1)、蓄水池(5)、封闭罩(7)和集水池(11)，所述可视化模型箱(1)内搭建有边坡模型(2)，边坡模型(2)内部埋设有水位计(3)，所述边坡模型(2)的坡顶至少设有一个垂直孔(4)，边坡模型(2)的坡面至少设有一个倾斜孔(6)，设有孔洞的蓄水池(5)放置在边坡模型(2)顶部，内设有筛子(10)的集水池(11)位于边坡模型(2)的坡底。

2.根据权利要求1所述的一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，所述水位计(3)分设在边坡模型(2)不同深度的土体内部。

3.根据权利要求1所述的一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，所述垂直孔(4)和倾斜孔(6)均贯穿边坡模型(2)。

4.根据权利要求1所述的一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，所述封闭罩(7)包括顶部封闭板(701)和侧部封闭板(702)，侧部封闭板(702)分设在顶部封闭板(701)的底部外侧，且相邻2个侧部封闭板(702)垂直连接，顶部封闭板(701)或侧部封闭板(702)上设有抽气孔。

5.根据权利要求1所述的一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，还包括抽气泵(9)和抽气管(8)，抽气管(8)安装在抽气泵(9)的抽气口上，且所述抽气管(8)外径与抽气孔内径一致。

6.根据权利要求1所述的一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，还包括载块(12)，所述载块(12)堆累在边坡模型(2)顶部。

7.根据权利要求1所述的一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，所述集水池(11)位于可视化模型箱(1)下侧，筛子(10)横向设置在集水池(11)内部。

8.根据权利要求1所述的一种加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，所述蓄水池(5)底面上均匀设有多个孔洞。

9.一种加速边坡模型饱和的试验方法，应用如权利要求1至8任一项中所述的加速边坡模型饱和的试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

1)向蓄水池(5)中灌水，并记录灌水量；

2)在可视化模型箱(1)上安装与边坡模型(2)密封的封闭罩(7)；

3)通过抽气的方式使得封闭罩(7)内处于低压；

4)若水位计(3)显示的水位达到阈值，停止对封闭罩(7)内部进行抽气。

10.根据权利要求9所述的一种加速边坡模型饱和的试验方法，其特征在于，所述方法还包括：拆卸封闭罩(7)，利用集水池11收集从边坡模型(2)内抽出的水分和泥浆，之后计算集水池(11)中筛子(10)上泥土的质量，分析边坡模型(2)饱和过程中的坡体冲刷量，计算蓄水池(5)中加水量与集水池(11)中的水分剩余量之差，分析边坡模型(2)的吸水量和坡体饱和度，最后利用载块(12)在边坡模型(2)顶部进行逐级堆载，观测边坡模型(2)的变形过程。

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