CN113552327A - 一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，包括实验容器、后缘加载组件、水位调节组件和监测组件；实验容器上端设有多个喷头、内部设有倾斜布置的滑床和滑体；后缘加载组件中加载板通过液压机推动滑体向前移动；水位调节组件中的升降组件带动水位箱上下移动、并且进水口和排水口分别通过进水管和排水管与水位箱连接，排水管上设有用于过滤土颗粒的过滤组件；监测系统包括：滑体应力应变监测、温度场监测、渗流场监测和锚固应力应变监测。本复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，不仅实现复杂工况下滑坡、降雨与水库综合作用的模拟，而且在复杂工况下对滑坡与锚固结构参数进行监测，并获取相关参数，使得试验更加全面准确可靠。

Description

一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩体工程技术领域，具体涉及一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置及方法。

背景技术

滑坡作为我国最主要的地质灾害之一，由于其突发性和广泛性给人民生命财产和社会经济带来了巨大的威胁。

地震、降雨、水库运行等复杂工况下滑坡与锚固结构体系常常表现出更为复杂的演化过程，特别是在降雨与库水位作用下，滑坡不仅仅表现为渐进式破坏，同时在后缘还会随着降雨作用，后缘推力逐渐增大，表现出推移式破坏，呈现复合式破坏；

现有的一些复合式滑坡试验装置，主要是将滑坡划分为前段牵引式、后段推移式，实现滑坡前缘的卸荷和后缘推移式变形；并且在试验研究设计中，通常只考虑其中一个因素的影响，较少有考虑多个外因的影响，缺乏将复合式滑坡与多因素相结合的情形，此外现有的模型试验中，当滑坡逐渐破坏时，破坏后的土体会堆积在滑坡前缘，对滑坡产生压脚作用，将改变滑坡的渗流场，而在实际工程中，滑坡变形是长期的过程，局部垮塌后的滑体会被流水带走，不会在坡脚发生堆积，也不会对滑坡产生压脚作用，因此造成滑坡的渗流场等试验数据的不准确。

发明内容

本发明提供一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，结构简单，不仅实现复杂工况下滑坡、降雨与水库综合作用的模拟，而且在复杂工况下对滑坡与锚固结构试验参数进行监测，并获取相关参数，使得试验更加全面、准确、可靠。

为实现上述目的，本一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，包括实验容器、后缘加载组件、水位调节组件和监测组件；

所述实验容器上端设有多个前后间隔设置的喷头、内部设有后高前低倾斜布置的滑床和滑体，锚杆锚固在滑体和滑床上；

所述后缘加载组件设置在滑体的后侧，包括液压机和与液压机伸缩端固定连接的加载板，加载板通过液压机推动滑体向前移动；

加载板上设有为滑坡后缘提供定水头的定水箱；

所述水位调节组件包括水位箱、升降组件和过滤组件；升降组件带动水位箱上下移动；

试验容器上并位于滑体的前侧设有进水口和排水口，进水口和排水口分别通过进水管和排水管与水位箱连接，排水管上设有用于过滤土颗粒的过滤组件；

所述监测系统包括：滑体应力应变监测、温度场监测、渗流场监测和锚固应力应变监测；

滑体应力应变监测包括高速摄像机和深埋在滑体内的压力盒，压力盒用于实时获取滑体内部应力变化数据，高速摄像机用于获取滑体表面位移量；

所述温度场监测包括热红外仪，热红外仪对准滑体坡表，获取变形过程中的滑体坡表的温度场；

所述渗流场监测包括设置在滑体中部和前部的孔隙水压力计、含水率测量计，其用于获取地下水位变化及土壤含水率变化进而得到滑坡的渗流场变化数据；

所述锚固应力应变监测包括轴力计和多个应变片，轴力计安装在锚杆上用来获取锚杆轴力变化，多个应变片等间距贴放在锚杆上用于获取锚杆杆身变形；

数据采集器采集监测系统获取的数据，并将采集数据传至处理器中进行分析处理。

进一步的，所述滑体应力应变监测还包括深埋在滑体内、用于监测滑体深部位移的位移计和光纤光栅。

进一步的，所述过滤组件包括过滤槽；过滤槽的底板上设有多个过滤孔、下方设有集水箱、左端通过蠕动泵与排水口上的排水管连通、右端设有将土颗粒送出至收集箱内的支撑斜板；

所述底板上铺设有第二土工布；集水箱通过水泵将水传输至水位箱内。

进一步的，多个过滤孔均匀布置，并且相邻之间的间隔从左至右逐渐减小、直径从左至右逐渐减小。

进一步的，所述升降组件包括驱动组件和升降导轨，所述水位箱滑动设置在升降导轨上，并通过驱动组件带动其上下升降；

并且当水位箱位于升降导轨最高点时，水位箱的位置高于进水口和排水口。

进一步的，所述驱动组件包括驱动电机和与驱动电机输出端固定连接螺旋杆；

所述螺旋杆螺纹安装在水位箱上。

进一步的，所述定水箱上设有多个上下并排设置的注射器，不同注射器注入不同的染料；

定水箱靠近滑体的一端设有透水孔，透水孔通过第一土工布进行遮挡。

进一步的，所述试验容器后端下方设有千斤顶，千斤顶带动试验容器后端升降进行倾斜角度调整。

一种复杂工况的滑坡与锚固结构模型试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1，试验容器整体倾斜，使得其内部的滑床、滑体相应倾斜，可启动试验容器后端下方的千斤顶，其带动试验容器的角度调整，可使得其内的滑坡体具有不同的坡度；

打开试验容器上端的多个喷头，调整不同的出水量，对试验容器内不同降雨条件进行模拟；

S2，驱动组件带动水位箱在升降导轨上升降，使得水从进水管流入至试验容器的前端，并形成水堆用于模拟水库，水位匀速升降模拟不同的水位高度，并且试验过程中不断从进水口注水、排水口出水，保障库水的流动，通过水的流动性对与水库接触的滑床、滑体进行破环，被破坏的土体随着流水带离试验容器至过滤装置；

水流携带破坏后的土体被蠕动泵代入过滤装置中，经过过滤槽将土颗粒过滤、并从支撑斜板进入收集箱中，再放入烘干箱中烘干测量其质量，得出不同时间段内试验容器内土颗粒进入水中的质量，获得滑坡变形过程中细颗粒流失情况，定量分析水位波动对滑坡体造成的影响；

S3，在试验容器1的后端设有定水箱，水流从定水箱内稳定流动，使得试验容器内处于定水头状态，稳定水流动速，并在定水箱上设有多个不同的注射器，注射器内可设置不同的染料，实现从后至前的流场可视化；

启动滑体的后端的液压机，使其对滑体作用力，用于模拟将力作用在滑坡体后侧并持续位移情况；

S4，深埋在滑体内的压力盒和试验容器上的高速摄像机，相应的获取滑体内部应力变化、表面位移变化，实现对滑体应力应变的监测；热红外仪对准滑体坡表，获取变形过程中的滑体坡表的温度场，实现对温度场的监测；孔隙水压力计、含水率测量计获取地下水位变化及土壤含水率变化进而得到滑坡的渗流场变化数据，实现渗流场的监测；轴力计和多个应变片实现锚杆轴力变化、锚杆杆身变形的监测；

数据采集器采集滑体应力应变、温度场、渗流场和锚固应力应变相应的数据，传至处理器中进行分析处理。

与现有技术相比，本一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置由于试验容器整体倾斜，使得其内部的滑床、滑体相应倾斜，并可启动试验容器后端下方的千斤顶，其带动试验容器的角度调整，因此实现使得其内的滑坡体具有不同的坡度，满足不同的试验环境；

由于在试验容器上端的多个喷头，调整不同的出水量，实现对试验容器内不同降雨条件进行模拟；设置水位调节组件，用于模拟水库，水位匀速升降模拟不同的水位高度，方便全方面监测滑坡、锚固结构体系多场信息，并且试验过程中不断从进水口注水、排水口出水，通过库水的流动，可得出不同时间段内试验容器内土颗粒进入水中的质量，获得滑坡变形过程中细颗粒流失情况，定量分析水位波动对滑坡体造成的影响；

由于在滑体的后端设有后缘加载组件，通过启动液压机施加载荷使得加载板对滑体作用力，因此用于模拟将力作用在滑坡体后侧并持续位移，为推移式滑坡提供动力条件；由于设置监测组件，通过位于本装置的不同位置的各个监测部件实现对滑体应力应变、温度场、渗流场和锚固应力应变进行监测，使得试验数据更加全面准确可靠；

本复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，通过在试验容器内设有滑坡体并且其上设有喷头用于模拟不同降雨条件，设置水位调节组件用于模拟水库以及不同水位高度、水位升降速率，设置后缘加载组件以及千斤顶为滑坡提供位移动力，因此保障综合控制重力及水位波动，实现牵引式、推移式、复合式滑坡演化全过程的模型试验，使得滑坡、锚固的试验模拟更加整体性，再通过监测系统实现对滑体应力应变、温度场、渗流场和锚固应力应变进行监测，使得试验数据更加全面准确可靠。

附图说明

图1是本发明的整体主视图；

图2是本发明的定水箱和注射器主视图；

图3是本发明的过滤装置示意图；

图中：1、试验容器，11、喷头，12、千斤顶，21、滑床，22、滑体，23、锚杆，3、液压机，31、加载板，4、定水箱，41、注射器，42、第一土工布，51、第一水位线，52、第二水位线，61、水位箱，62、升降导轨，63、驱动组件，64、进水管，65、排水管，7、过滤组件，71、过滤槽，72、支撑斜板，73、第二土工布，74、过滤孔，8、蠕动泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，包括实验容器、后缘加载组件、水位调节组件和监测组件；

所述实验容器上端设有多个前后间隔设置的喷头11、内部设有后高前低倾斜布置的滑床21和滑体22，锚杆23锚固在滑体22和滑床21上；

所述后缘加载组件设置在滑体22的后侧，包括液压机3和与液压机3伸缩端固定连接的加载板31，加载板31推动滑体22向前移动；

加载板31上设有为滑坡后缘提供定水头的定水箱4；

所述水位调节组件包括水位箱61、升降组件和过滤组件7；升降组件带动水位箱61上下移动；

试验容器1上并位于滑体22的前侧设有进水口和排水口，进水口和排水口分别通过进水管64和排水管65与水位箱61连接，排水管65上设有用于过滤土颗粒的过滤组件7；

所述监测系统包括：滑体应力应变监测、温度场监测、渗流场监测和锚固应力应变监测；

滑体应力应变监测包括高速摄像机和深埋在滑体22内的压力盒，压力盒用于实时获取滑体22内部应力变化数据，高速摄像机用于获取滑体22表面位移量；

所述温度场监测包括热红外仪，热红外仪对准滑体22坡表，获取变形过程中的滑体22坡表的温度场；

所述渗流场监测包括设置在滑体22中部和前部的孔隙水压力计、含水率测量计，其用于获取地下水位变化及土壤含水率变化进而得到滑坡的渗流场变化数据；

所述锚固应力应变监测包括轴力计和多个应变片，轴力计安装在锚杆23上用来获取锚杆23轴力变化，多个应变片等间距贴放在锚杆23上用于获取锚杆23杆身变形；

数据采集器采集监测系统获取的数据，并将采集数据传至处理器中进行分析处理。

进一步的，所述滑体应力应变监测还包括深埋在滑体22内、用于监测滑体深部位移的位移计和光纤光栅；

进一步的，所述过滤组件7包括过滤槽71；过滤槽71的底板上设有多个过滤孔74、下方设有集水箱、左端通过蠕动泵8与排水口上的排水管65连通、右端设有将土颗粒送出至收集箱内的支撑斜板72；

所述底板上铺设有第二土工布73；集水箱通过水泵将水传输至水位箱61内；

进一步的，多个过滤孔74均匀布置，并且相邻之间的间隔从左至右逐渐减小、直径从左至右逐渐减小；

进一步的，所述升降组件包括驱动组件63和升降导轨62，所述水位箱61滑动设置在升降导轨62上，并通过驱动组件63带动其上下升降移动；

并且当水位箱61位于升降导轨62最高点时，水位箱61的位置高于进水口和排水口；

进一步的，所述驱动组件63包括驱动电机和与驱动电机输出端固定连接螺旋杆；

所述螺旋杆螺纹安装在水位箱61上；

进一步的，所述定水箱4上设有多个上下并排设置的注射器41，不同注射器41注入不同的染料；

定水箱4靠近滑体22的一端设有透水孔，透水孔通过第一土工布42进行遮挡；

进一步的，所述试验容器1后端下方设有千斤顶12，千斤顶12带动试验容器1后端升降进行倾斜角度调整。

本一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置使用时，试验容器1整体倾斜，使得其内部的滑床21、滑体22相应倾斜，即滑床21与滑体22形成滑坡体；为方便对倾斜角度进行调整，可在试验容器1的后端下方设置千斤顶12，通过千斤顶12的升降带动试验容器1的角度调整，因此实现其内的滑坡体具有不同的坡度，满足不同的试验要求；另外在试验容器1的上端设有多个喷头11，打开喷头11，通过调节喷头11可保障不同的出水量，因此实现不同降雨条件的模拟；

在试验容器1的后端设有定水箱4，水流从定水箱4内稳定流动，使得试验容器1内处于定水头状态，保障稳定水流动速；并在定水箱4上设有多个不同的注射器41，注射器41内可设置不同的染料，因此实现从后至前的流场可视化；

通过驱动组件63带动水位箱61在升降导轨62上的移动，不仅使得水从进水管64流入至试验容器1的前端，并形成水堆，用于模拟水库，当水位箱61位于升降导轨62最高处时，水库内处于最高水位，并可标记为第一水位线51，当水位箱61位于升降导轨62最低处时，水库内处于最低水位，并可标记为第二水位线52，因此可通过第一水位线51和第二水位线52模拟不同的水位高度，实现水位匀速升降，方便全方面监测滑坡、锚固结构体系多场信息；

并且试验过程中不断从进水口注水、排水口出水，保障库水的流动，通过水的流动性对与水库接触的滑床21、滑体22进行破环，被破坏的土体随着流水带离试验容器1至过滤装置，并通过蠕动泵8对排水量的控制，实现对水位升降速率的调整；

水流携带破坏后的土体被蠕动泵8代入过滤装置中，经过过滤槽71将土颗粒过滤、并从支撑斜板72进入收集箱中，再放入烘干箱中烘干测量其质量，即可得出不同时间段内试验容器1内土颗粒进入水中的质量，获得滑坡变形过程中细颗粒流失情况，定量分析水位波动对滑坡体造成的影响，为定量分析水库滑坡变形破坏提供数据支撑；

过滤槽71可为方向槽，过滤孔74上的第二土工布73用于过滤土颗粒，从第二土工布73、过滤孔74上过滤的水先进入集水箱中，再回收至水位箱61内，实现水的循环，避免水的浪费；

由于在滑体22的后端设有后缘加载组件，通过启动液压机3施加载荷使得加载板31对滑体22作用力，因此用于模拟将力作用在滑坡体后侧并持续位移，为推移式滑坡提供动力条件，可附加启动千斤顶12，抬升滑坡体坡度，增加滑坡下滑力，为滑坡牵引变形提供动力；

由于设置监测组件，通过深埋在滑体22内的压力盒和试验容器1上的高速摄像机，相应的获取滑体22内部应力变化、表面位移变化实现对滑体22应力应变的监测，热红外仪对准滑体22坡表，获取变形过程中的滑体22坡表的温度场实现对温度场的监测，孔隙水压力计、含水率测量计获取地下水位变化及土壤含水率变化进而得到滑坡的渗流场变化数据实现渗流场的监测，轴力计和多个应变片实现锚杆23轴力变化、锚杆23杆身变形的监测，再通过数据采集器采集相应的数据，传至处理器中进行分析处理，因此复杂工况下更加全面、整体、准确的对滑体22、锚杆23进行监测；

本复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，通过在试验容器1内设有滑坡体并且其上设有喷头11用于模拟不同降雨条件，设置水位调节组件用于模拟水库以及不同水位高度、水位升降速率，设置后缘加载组件以及千斤顶12为滑坡提供位移动力，因此保障综合控制重力及水位波动，实现牵引式、推移式、复合式滑坡演化全过程的模型试验，使得滑坡、锚固的试验模拟更加整体性，再通过监测系统实现对滑体22应力应变、温度场、渗流场和锚固应力应变进行监测，使得试验数据更加全面准确可靠。

Claims (9)

1.一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，其特征在于，包括实验容器、后缘加载组件、水位调节组件和监测组件；

所述实验容器上端设有多个前后间隔设置的喷头(11)、内部设有后高前低倾斜布置的滑床(21)和滑体(22)，锚杆(23)锚固在滑体(22)和滑床(21)上；

所述后缘加载组件设置在滑体(22)的后侧，包括液压机(3)和与液压机(3)伸缩端固定连接的加载板(31)，加载板(31)通过液压机(3)推动滑体(22)向前移动；

加载板(31)上设有为滑坡后缘提供定水头的定水箱(4)；

所述水位调节组件包括水位箱(61)、升降组件和过滤组件(7)；升降组件带动水位箱(61)上下移动；

试验容器(1)上并位于滑体(22)的前侧设有进水口和排水口，进水口和排水口分别通过进水管(64)和排水管(65)与水位箱(61)连接，排水管(65)上设有用于过滤土颗粒的过滤组件(7)；

所述监测系统包括：滑体应力应变监测、温度场监测、渗流场监测和锚固应力应变监测；

滑体应力应变监测包括高速摄像机和深埋在滑体(22)内的压力盒，压力盒用于实时获取滑体(22)内部应力变化数据，高速摄像机用于获取滑体(22)表面位移量；

所述温度场监测包括热红外仪，热红外仪对准滑体(22)坡表，获取变形过程中的滑体(22)坡表的温度场；

所述渗流场监测包括设置在滑体(22)中部和前部的孔隙水压力计、含水率测量计，其用于获取地下水位变化及土壤含水率变化进而得到滑坡的渗流场变化数据；

所述锚固应力应变监测包括轴力计和多个应变片，轴力计安装在锚杆(23)上用来获取锚杆(23)轴力变化，多个应变片等间距贴放在锚杆(23)上用于获取锚杆(23)杆身变形；

数据采集器采集监测系统获取的数据，并将采集数据传至处理器中进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，其特征在于，所述滑体应力应变监测还包括深埋在滑体(22)内、用于监测滑体深部位移的位移计和光纤光栅。

3.根据权利要求2所述的一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，其特征在于，所述过滤组件(7)包括过滤槽(71)；过滤槽(71)的底板上设有多个过滤孔(74)、下方设有集水箱、左端通过蠕动泵(8)与排水口上的排水管(65)连通、右端设有将土颗粒送出至收集箱内的支撑斜板(72)；

所述底板上铺设有第二土工布(73)；集水箱通过水泵将水传输至水位箱(61)内。

4.根据权利要求3所述的一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，其特征在于，多个过滤孔(74)均匀布置，并且相邻之间的间隔从左至右逐渐减小、直径从左至右逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置及方法，其特征在于，所述升降组件包括驱动组件(63)和升降导轨(62)，所述水位箱(61)滑动设置在升降导轨(62)上，并通过驱动组件(63)带动其上下升降；

并且当水位箱(61)位于升降导轨(62)最高点时，水位箱(61)的位置高于进水口和排水口。

6.根据权利要求5所述的一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，其特征在于，所述驱动组件(63)包括驱动电机和与驱动电机输出端固定连接螺旋杆；

所述螺旋杆螺纹安装在水位箱(61)上。

7.根据权利要求2至6任意一项所述的一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，其特征在于，所述定水箱(4)上设有多个上下并排设置的注射器(41)，不同注射器(41)注入不同的染料；

定水箱(4)靠近滑体(22)的一端设有透水孔，透水孔通过第一土工布(42)进行遮挡。

8.根据权利要求7所述的一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验装置，其特征在于，所述试验容器(1)后端下方设有千斤顶(12)，千斤顶(12)带动试验容器(1)后端升降进行倾斜角度调整。

9.一种复合式水库滑坡与锚固结构模型试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1，试验容器(1)整体倾斜，使得其内部的滑床(21)、滑体(22)相应倾斜，可启动试验容器(1)后端下方的千斤顶(12)，其带动试验容器(1)的角度调整，可使得其内的滑坡体具有不同的坡度；

打开试验容器(1)上端的多个喷头(11)，调整不同的出水量，对试验容器(1)内不同降雨条件进行模拟；

S2，驱动组件(63)带动水位箱(61)在升降导轨(62)上升降，使得水从进水管(64)流入至试验容器(1)的前端，并形成水堆用于模拟水库，水位匀速升降模拟不同的水位高度，并且试验过程中不断从进水口注水、排水口出水，保障库水的流动，通过水的流动性对与水库接触的滑床(21)、滑体(22)进行破环，被破坏的土体随着流水带离试验容器(1)至过滤装置；

水流携带破坏后的土体被蠕动泵(8)代入过滤装置中，经过过滤槽(71)将土颗粒过滤、并从支撑斜板(72)进入收集箱中，再放入烘干箱中烘干测量其质量，得出不同时间段内试验容器(1)内土颗粒进入水中的质量，获得滑坡变形过程中细颗粒流失情况，定量分析水位波动对滑坡体造成的影响；

S3，在试验容器1的后端设有定水箱(4)，水流从定水箱(4)内稳定流动，使得试验容器(1)内处于定水头状态，稳定水流动速，并在定水箱(4)上设有多个不同的注射器(41)，注射器(41)内可设置不同的染料，实现从后至前的流场可视化；

启动滑体(22)的后端的液压机(3)，使其对滑体(22)作用力，用于模拟将力作用在滑坡体后侧并持续位移情况；

S4，深埋在滑体(22)内的压力盒和试验容器(1)上的高速摄像机，相应的获取滑体(22)内部应力变化、表面位移变化，实现对滑体(22)应力应变的监测；热红外仪对准滑体(22)坡表，获取变形过程中的滑体(22)坡表的温度场，实现对温度场的监测；孔隙水压力计、含水率测量计获取地下水位变化及土壤含水率变化进而得到滑坡的渗流场变化数据，实现渗流场的监测；轴力计和多个应变片实现锚杆(23)轴力变化、锚杆(23)杆身变形的监测；

数据采集器采集滑体(22)应力应变、温度场、渗流场和锚固应力应变相应的数据，传至处理器中进行分析处理。

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