CN113340771A - 一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法及试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法及试验装置，方法包括以下步骤：步骤1）：设计滑坡物理模型试验系统，开展土石滑坡动力过程物理模型试验，获取滑坡重心位移随时间变化过程；步骤2）：选取合适的非牛顿体动力粘滞性模型；步骤3）：采用滑坡动力过程数值模拟和网格搜索法优化反演相结合，计算滑坡土石混合体动力粘滞性参数；另外本发明还公开相应的试验装置；本发明可以获得滑坡动力过程中土石混合体动力粘滞性的动态演化规律，为分析研究滑坡动剪切力学行为机理提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程及岩土工程技术领域，具体地指一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法及试验装置。
背景技术
随着我国水利工程建设的发展，西南高山峡谷地区随之带来了众多高边坡问题，大量滑坡失稳破坏引起了巨大涌浪、堵江堰塞、溃坝洪水等次生灾害链，给西南水电工程安全建设和灾区人民生命财产安全造成了严重的威胁。高速滑坡具有很高的动能和势能，表现出爬高、碎屑抛洒、越岭冲埋等“流态化”运动特征，其运动过程中体现的异常流动性是其实现高速远程运动的关键，通常采用动力粘滞性来刻画材料流化运动特性。
滑坡土石混合体作为一种典型的多相复合材料，其运动过程中各相物质剧烈掺混使得土石混合体呈现明显的非牛顿体剪切特性，即动力粘滞阻力与剪切速率呈现非线性关系，也就是说动力粘滞系数作为描述材料流态化特性的重要参数，并不是常数。现有的流体动力粘滞性测试方法主要有落球法、旋转测量法、毛细管测量法、手动剪切法、弯曲梁测量法以及泊肃叶公式测定法，主要适用于单相流体的粘滞性测量。由于土石混合体是土体与碎石组成的多相复合材料，是一种典型的非牛顿体，其大小受剪切速率、材料含水率以及含石率综合作用的影响，使其测试带来了巨大困难，上述传统的动力粘滞性测量方法并不适用于土石混合体的动力粘滞性测试。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法及试验装置，可以获得滑坡动力过程中土石混合体动力粘滞性的动态演化规律，为分析研究滑坡动剪切力学行为机理提供参考。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，它包括以下步骤：
步骤1)：设计滑坡物理模型试验系统，开展土石滑坡动力过程物理模型试验，获取滑坡重心位移随时间变化过程；
步骤2)：选取合适的非牛顿体动力粘滞性模型；
步骤3)：采用滑坡动力过程数值模拟和网格搜索法优化反演相结合，计算滑坡土石混合体动力粘滞性参数。
优选地，所述步骤1)具体包括以下步骤：
步骤1.1)：构建土石滑坡动力过程物理模型试验装置；
步骤1.2)：开展土石滑坡动力过程物理模型试验，采用高速相机得到滑坡运动过程的视频数据；
步骤1.3)：采用视频数字处理程序，计算获取滑坡重心位移随时间变化曲线。
优选地，所述步骤1.1)具体为：设计加工试验滑槽，分为滑源区、碎屑流区和堆积区三部分，在滑槽表面铺设一层粗糙的帆布，每隔一段距离设置一根木条，用于提高滑坡表面摩阻力，模拟实际滑坡土石混合体在运动过程中充分混掺运动；在滑源区设置控制滑坡启滑的启闭闸门，通过开启启闭闸门实现滑坡启滑；在碎屑流区两侧分别设置滑槽内挡板和滑槽外挡板，可以观察侧面碎屑流运动过程；在滑槽末端堆积区可观察滑坡碎屑流的堆积形态；在滑槽正面和侧面分别布置好正面高速摄像机和侧面高速摄像机，用于记录滑坡运动过程形态变化和追踪滑坡运动过程。
优选地，所述步骤1.2)具体为：
试验准备：布置好试验测试设备，准备不同粒径的试验材料，制备滑坡土石混合体材料，测试滑坡岩土材料基本物理力学参数；
滑坡启滑：在滑源区放置一定方量的滑坡土石材料，调整启闭闸门，使滑坡开始向下滑动；
数据收集：采用正面高速摄像机和侧面高速摄像机采集滑坡运动过程碎屑流运动过程正面和侧面的视频数据，收集滑后滑坡堆积和展布形态；
试验结束：整理收集试验数据，做好相关试验记录，清理试验场地。
优选地，所述步骤1.3)具体为：
步骤1.3.1)：按照一定的时间间隔，利用Matlab软件将滑坡运动过程的视频转变为固定帧数的图片格式；
步骤1.3.2)：对图片进行矩阵运算，将真彩色图片进行去雾化处理；
步骤1.3.3)：将去雾化图片转化为灰度图片，经过灰度化处理，得到滑坡体占据区域范围。
步骤1.3.4)：对灰度图片进行高斯滤波处理，过滤图片噪点；
步骤1.3.5)：设置阈值，提取滑坡形态，进行二值化处理；
步骤1.3.6)：结合多方位视频图像处理结果，可得到滑坡形态随时间变化过程，计算滑坡特定形态参数随时间变化情况；根据滑坡形态特征，可以计算并得到滑坡重心位移随时间变化曲线。
优选地，所述步骤2)具体为：选取幂律模型来描述滑坡土石混合体的动力粘滞力学行为；幂律模型的表达式为
μm＝Kγn-1
式中，μm为土石混合流体材料的动力粘滞系数，γ为剪切速率，n为幂律指数，K为材料的稠度。
优选地，所述步骤3)具体还包括以下步骤：
步骤3.1)：选择试验获取的滑体重心位移随时间变化曲线，作为反演分析的目标值，确定优化反演的目标函数为
式一中，i表示滑坡运动的ti时刻，L′i为数值计算的ti时刻滑坡重心位移，Li为试验的ti时刻滑坡重心位移；NUM为试验数据点个数。
步骤3.2)：将选取的幂律模型参数视为待反演参数，确定参数取值区间
给定容差ε；
步骤3.3)：把参数取值区间划分N个节点，计算参数变化的网格点i取值：
步骤3.4)：给定计算区域，划分有限元计算网格，分别求解滑坡气固混合流体质量守恒方程(式四)、动量守恒方程(式五)，以及气相动量守恒方程(式六)和滑坡浓度传输扩散方程(式七)，模拟滑坡运动过程；
式中，ρm为气固两相流体的密度；
为分别为气固两相流体在j(x、y、z)方向的速度分量；p为流体压力；fj为分别为气固两相流体在j(x、y、z)方向的重力加速度分量；ρg为气固两相流体的密度；
为气相在i(x、y、z)方向的速度分量；μg为气相的粘滞系数；ωj为气相与固相的相互作用力在j(x、y、z)方向的分量；Cs为固相的浓度，
为固相在i(x、y、z)方向的速度分量；
τij为气固两相流体的剪应力，在传统的流体应力应变关系中引入固体所具有的动摩擦抗剪力，用于描述滑坡体的剪切应力-应变关系：
式中，
为固相剪切摩擦力，是固相浓度的函数；τ′ij为流体的动粘滞力；c为粘聚力；
为动摩擦角；μm为气固两相流体的动力粘滞系数，也即为土石混合流体材料的动力粘滞系数；非牛顿流体的μm是剪切率的非线性函数，可以用幂律模型来描述；
步骤3.5)：利用公式(式九)和(式十)计算ti时刻滑坡重心位置坐标xc和yc，得到位移随时间变化曲线；
式中，
和
为ti时刻单元的重心位置坐标；Ne为单元总数，dVe表示单元微元体体积；Cs为固相浓度；
步骤3.6)：计算各网格节点的目标函数值fi，确定目标函数取值最小的区间
步骤3.7)：若fi<ε，则进入下一步；反之，令Ω1＝Ω2，返回步骤3.3)；
步骤3.8)：输出最优的幂律模型参数Ki和ni，得到滑坡土石混合体动力粘滞性。
另外，本发明还公开上述滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法的试验装置，包括滑坡主体试验装置和视频录像装置，所述滑坡主体试验装置包括滑槽，所述滑槽的滑源区设置控制滑坡启滑的启闭闸门，所述滑槽的碎屑流区两侧分别设置滑槽内挡板和滑槽外挡板，所述滑槽表面铺设一层粗糙的帆布，每隔一段距离设置一根木条；所述视频录像装置包括分别设于滑槽正面和侧面的正面高速摄像机和侧面高速摄像机。
优选地，所述滑槽内挡板采用黑色木板，滑槽外挡板采用透明玻璃板，侧面高速摄像机靠近滑槽外挡板处。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)克服了传统单相流体动力粘滞性测试的局限性，适用于滑坡体“土-石-水-气”多相复合材料动力粘滞性的测试；
2)能够有效地获取滑坡动力过程中土石混合体动力粘滞性的动态演化过程及规律，为分析研究滑坡动剪切力学行为机理提供参考；
3)能够考虑空气掺入对滑坡土石混合体动力粘滞性的影响，可用于分析滑坡从固相形变到掺入空气后流态化运动的动力学机制；
4)能很好地应用于水利工程及岩土工程领域的滑坡土石混合多相复合材料的非牛顿体动力粘滞特性测试，为研究滑坡动力过程土石混合体动力学行为提供支撑。
附图说明
图1是本发明测试方法的流程图；
图2是本发明试验装置的结构示意图；
图3是实施例中滑体重心随时间变化曲线的试验值与模拟值对比；
图4是实施例中获得的动力粘滞系数与剪切速率关系曲线；
图中：1-白色帆布、2-木条、3-启闭闸门、4-滑槽内挡板、5-滑槽外挡板、6-正面高速摄像机、7-侧面高速摄像机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，它包括以下步骤：
步骤1)：设计滑坡物理模型试验系统，开展土石滑坡动力过程物理模型试验，获取滑坡重心位移随时间变化过程；
步骤2)：选取合适的非牛顿体动力粘滞性模型；
步骤3)：采用滑坡动力过程数值模拟和网格搜索法优化反演相结合，计算滑坡土石混合体动力粘滞性参数。
优选地，所述步骤1)具体包括以下步骤：
步骤1.1)：构建土石滑坡动力过程物理模型试验装置；
步骤1.2)：开展土石滑坡动力过程物理模型试验，采用高速相机得到滑坡运动过程的视频数据；
步骤1.3)：采用视频数字处理程序，计算获取滑坡重心位移随时间变化曲线。
优选地，所述步骤1.1)具体为：设计加工试验滑槽，分为滑源区、碎屑流区和堆积区三部分，在滑槽表面铺设一层粗糙的帆布1，每隔一段距离设置一根木条2，用于提高滑坡表面摩阻力，模拟实际滑坡土石混合体在运动过程中充分混掺运动；在滑源区设置控制滑坡启滑的启闭闸门3，通过开启启闭闸门3实现滑坡启滑；在碎屑流区两侧分别设置滑槽内挡板4和滑槽外挡板5，可以观察侧面碎屑流运动过程；在滑槽末端堆积区可观察滑坡碎屑流的堆积形态；在滑槽正面和侧面分别布置好正面高速摄像机6和侧面高速摄像机7，用于记录滑坡运动过程形态变化和追踪滑坡运动过程。
优选地，所述步骤1.2)具体为：
试验准备：布置好试验测试设备，准备不同粒径的试验材料，制备滑坡土石混合体材料，测试滑坡岩土材料基本物理力学参数；
滑坡启滑：在滑源区放置一定方量的滑坡土石材料，调整启闭闸门3，使滑坡开始向下滑动；
数据收集：采用正面高速摄像机6和侧面高速摄像机7采集滑坡运动过程碎屑流运动过程正面和侧面的视频数据，收集滑后滑坡堆积和展布形态；
试验结束：整理收集试验数据，做好相关试验记录，清理试验场地。
优选地，所述步骤1.3)具体为：
步骤1.3.1)：按照一定的时间间隔，利用Matlab软件将滑坡运动过程的视频转变为固定帧数的图片格式；
步骤1.3.2)：对图片进行矩阵运算，将真彩色图片进行去雾化处理；
步骤1.3.3)：将去雾化图片转化为灰度图片，经过灰度化处理，得到滑坡体占据区域范围。
步骤1.3.4)：对灰度图片进行高斯滤波处理，过滤图片噪点；
步骤1.3.5)：设置阈值，提取滑坡形态，进行二值化处理；
步骤1.3.6)：结合多方位视频图像处理结果，可得到滑坡形态随时间变化过程，计算滑坡特定形态参数随时间变化情况；根据滑坡形态特征，可以计算并得到滑坡重心位移随时间变化曲线(如图3所示)。
优选地，所述步骤2)具体为：选取幂律模型来描述滑坡土石混合体的动力粘滞力学行为；幂律模型的表达式为
μm＝Kγn-1
式中，μm为土石混合流体材料的动力粘滞系数，γ为剪切速率，n为幂律指数，K为材料的稠度。
优选地，所述步骤3)具体还包括以下步骤：
步骤3.1)：选择试验获取的滑体重心位移随时间变化曲线，作为反演分析的目标值，确定优化反演的目标函数为
式一中，i表示滑坡运动的ti时刻，L′i为数值计算的ti时刻滑坡重心位移，Li为试验的ti时刻滑坡重心位移，NUM为试验数据点个数；
步骤3.2)：将选取的幂律模型参数视为待反演参数，确定参数取值区间
给定容差ε；
步骤3.3)：把参数取值区间划分N个节点，计算参数变化的网格点i取值：
步骤3.4)：给定计算区域，划分有限元计算网格，分别求解滑坡气固混合流体质量守恒方程(式四)、动量守恒方程(式五)，以及气相动量守恒方程(式六)和滑坡浓度传输扩散方程(式七)，模拟滑坡运动过程；
式中，ρm为气固两相流体的密度；
为分别为气固两相流体在j(x、y、z)方向的速度分量；p为流体压力；fj为分别为气固两相流体在j(x、y、z)方向的重力加速度分量；ρg为气固两相流体的密度；
为气相在i(x、y、z)方向的速度分量；μg为气相的粘滞系数；ωj为气相与固相的相互作用力在j(x、y、z)方向的分量；Cs为固相的浓度，
为固相在i(x、y、z)方向的速度分量；
τij为气固两相流体的剪应力，在传统的流体应力应变关系中引入固体所具有的动摩擦抗剪力，用于描述滑坡体的剪切应力-应变关系：
式中，
为固相剪切摩擦力，是固相浓度的函数；τ′ij为流体的动粘滞力；c为粘聚力；
为动摩擦角；μm为气固两相流体的动力粘滞系数，也即为土石混合流体材料的动力粘滞系数；非牛顿流体的μm是剪切率的非线性函数，可以用幂律模型来描述；
步骤3.5)：利用公式(式九)和(式十)计算ti时刻滑坡重心位置坐标xc和yc，得到位移随时间变化曲线；
式中，
和
为ti时刻单元的重心位置坐标；Ne为单元总数dVe表示单元微元体体积；Cs为固相浓度；
步骤3.6)：计算各网格节点的目标函数值fi，确定目标函数取值最小的区间
步骤3.7)：若fi<ε，则进入下一步；反之，令Ω1＝Ω2，返回步骤3.3)；
步骤3.8)：输出最优的幂律模型参数Ki和ni，如图4所示得到滑坡土石混合体动力粘滞性，K＝100，n＝1.2。
另外，如图2所示，本发明还公开上述滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法的试验装置，包括滑坡主体试验装置和视频录像装置，所述滑坡主体试验装置包括滑槽，所述滑槽的滑源区设置控制滑坡启滑的启闭闸门3，所述滑槽的碎屑流区两侧分别设置滑槽内挡板4和滑槽外挡板5，所述滑槽表面铺设一层粗糙的帆布1，每隔一段距离设置一根木条2；所述视频录像装置包括分别设于滑槽正面和侧面的正面高速摄像机6和侧面高速摄像机7。在本实施例中，设计加工试验滑槽，滑槽的尺寸为350cm×50cm×50cm(长×宽×高)；滑槽底部铺设一层粗糙的白色帆布1，每隔20cm设置一根木条2，尺寸为48cm×3cm×2cm，用于提高滑坡底部摩阻力；在滑源区设置控制滑坡启滑的启闭闸门3，尺寸为48cm×50cm×2cm；滑槽内挡板4采用黑色木板，滑槽外挡板5采用透明玻璃板，侧面高速摄像机7靠近滑槽外挡板5处，这样侧面高速摄像机7可以记录滑坡运动过程碎屑流运动过程侧面的视频数据，滑槽内挡板4采用黑色木板可以形成强烈的对比背景，挡板尺寸为350cm×50cm×2cm。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤1)：设计滑坡物理模型试验系统，开展土石滑坡动力过程物理模型试验，获取滑坡重心位移随时间变化过程；
步骤2)：选取合适的非牛顿体动力粘滞性模型；
步骤3)：采用滑坡动力过程数值模拟和网格搜索法优化反演相结合，计算滑坡土石混合体动力粘滞性参数。
2.根据权利要求1所述的一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：
步骤1.1)：构建土石滑坡动力过程物理模型试验装置；
步骤1.2)：开展土石滑坡动力过程物理模型试验，采用高速相机得到滑坡运动过程的视频数据；
步骤1.3)：采用视频数字处理程序，计算获取滑坡重心位移随时间变化曲线。
3.根据权利要求2所述的一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，其特征在于：所述步骤1.1)具体为：设计加工试验滑槽，分为滑源区、碎屑流区和堆积区三部分，在滑槽表面铺设一层粗糙的帆布(1)，每隔一段距离设置一根木条(2)，用于提高滑坡表面摩阻力，模拟实际滑坡土石混合体在运动过程中充分混掺运动；在滑源区设置控制滑坡启滑的启闭闸门(3)，通过开启启闭闸门(3)实现滑坡启滑；在碎屑流区两侧分别设置滑槽内挡板(4)和滑槽外挡板(5)，可以观察侧面碎屑流运动过程；在滑槽末端堆积区可观察滑坡碎屑流的堆积形态；在滑槽正面和侧面分别布置好正面高速摄像机(6)和侧面高速摄像机(7)，用于记录滑坡运动过程形态变化和追踪滑坡运动过程。
4.根据权利要求2所述的一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，其特征在于：所述步骤1.2)具体为：
试验准备：布置好试验测试设备，准备不同粒径的试验材料，制备滑坡土石混合体材料，测试滑坡岩土材料基本物理力学参数；
滑坡启滑：在滑源区放置一定方量的滑坡土石材料，调整启闭闸门(3)，使滑坡开始向下滑动；
数据收集：采用正面高速摄像机(6)和侧面高速摄像机(7)采集滑坡运动过程碎屑流运动过程正面和侧面的视频数据，收集滑后滑坡堆积和展布形态；
试验结束：整理收集试验数据，做好相关试验记录，清理试验场地。
5.根据权利要求2所述的一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，其特征在于：所述步骤1.3)具体为：
步骤1.3.1)：按照一定的时间间隔，利用Matlab软件将滑坡运动过程的视频转变为固定帧数的图片格式；
步骤1.3.2)：对图片进行矩阵运算，将真彩色图片进行去雾化处理；
步骤1.3.3)：将去雾化图片转化为灰度图片，经过灰度化处理，得到滑坡体占据区域范围。
步骤1.3.4)：对灰度图片进行高斯滤波处理，过滤图片噪点；
步骤1.3.5)：设置阈值，提取滑坡形态，进行二值化处理；
步骤1.3.6)：结合多方位视频图像处理结果，可得到滑坡形态随时间变化过程，计算滑坡特定形态参数随时间变化情况；根据滑坡形态特征，可以计算并得到滑坡重心位移随时间变化曲线。
6.根据权利要求1所述的一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：选取幂律模型来描述滑坡土石混合体的动力粘滞力学行为；幂律模型的表达式为
μm＝Kγn-1
式中，μm为土石混合流体材料的动力粘滞系数，γ为剪切速率，n为幂律指数，K为材料的稠度。
7.根据权利要求1所述的一种滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法，其特征在于：所述步骤3)具体还包括以下步骤：
步骤3.1)：选择试验获取的滑体重心位移随时间变化曲线，作为反演分析的目标值，确定优化反演的目标函数为
式一中，i表示滑坡运动的ti时刻，L′i为数值计算的ti时刻滑坡重心位移，Li为试验的ti时刻滑坡重心位移；NUM为试验数据点个数。
步骤3.2)：将选取的幂律模型参数视为待反演参数，确定参数取值区间
给定容差ε；
步骤3.3)：把参数取值区间划分N个节点，计算参数变化的网格点i取值：
步骤3.4)：给定计算区域，划分有限元计算网格，分别求解滑坡气固混合流体质量守恒方程(式四)、动量守恒方程(式五)，以及气相动量守恒方程(式六)和滑坡浓度传输扩散方程(式七)，模拟滑坡运动过程；
式中，ρm为气固两相流体的密度；
为分别为气固两相流体在j(x、y、z)方向的速度分量；p为流体压力；fj为分别为气固两相流体在j(x、y、z)方向的重力加速度分量；ρg为气固两相流体的密度；
为气相在i(x、y、z)方向的速度分量；μg为气相的粘滞系数；ωj为气相与固相的相互作用力在j(x、y、z)方向的分量；Cs为固相的浓度，
为固相在i(x、y、z)方向的速度分量；
τij为气固两相流体的剪应力，在传统的流体应力应变关系中引入固体所具有的动摩擦抗剪力，用于描述滑坡体的剪切应力-应变关系：
式中，
为固相剪切摩擦力，是固相浓度的函数；τ′ij为流体的动粘滞力；c为粘聚力；
为动摩擦角；μm为气固两相流体的动力粘滞系数，也即为土石混合流体材料的动力粘滞系数；非牛顿流体的μm是剪切率的非线性函数，可以用幂律模型来描述；
步骤3.5)：利用公式(式九)和(式十)计算ti时刻滑坡重心位置坐标xc和yc，得到位移随时间变化曲线；
式中，
和
为ti时刻单元的重心位置坐标；Ne为单元总数；dVe表示单元微元体体积；Cs为固相浓度；
步骤3.6)：计算各网格节点的目标函数值fi，确定目标函数取值最小的区间
步骤3.7)：若fi<ε，则进入下一步；反之，令Ω1＝Ω2，返回步骤3.3)；
步骤3.8)：输出最优的幂律模型参数Ki和ni，得到滑坡土石混合体动力粘滞性。
8.一种权利要求1至7任一项所述滑坡土石混合体动力粘滞性测试方法的试验装置，包括滑坡主体试验装置和视频录像装置，其特征在于：所述滑坡主体试验装置包括滑槽，所述滑槽的滑源区设置控制滑坡启滑的启闭闸门(3)，所述滑槽的碎屑流区两侧分别设置滑槽内挡板(4)和滑槽外挡板(5)，所述滑槽表面铺设一层粗糙的帆布(1)，每隔一段距离设置一根木条(2)；所述视频录像装置包括分别设于滑槽正面和侧面的正面高速摄像机(6)和侧面高速摄像机(7)。
9.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于：所述滑槽内挡板(4)采用黑色木板，滑槽外挡板(5)采用透明玻璃板，侧面高速摄像机(7)靠近滑槽外挡板(5)处。
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