CN114088544A - 一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统及方法，所述模型试验系统包含滑坡系统、加载系统、进排水系统、监测控制系统以及框架。本发明通过设置合理的进排水系统及水位监测技术，实现了对不同水位工况的精准控制，继而采用坡顶加压的驱动模式，分别在各水位工况下实现滑坡失稳破坏过程的有效模拟。本发明结合临滑破坏时刻点的判识，可读取该时刻点对应的坡顶受荷条件、水位信息，并调取该时刻对应的滑坡剖面影像数据（即剖面几何形态）。最后，根据滑坡临滑时刻的剖面形态、水位信息以及顶部受荷条件，采用多重圆弧模型分析该时刻滑坡的稳定性，并提出基于滑坡临滑时刻实际的临界稳定状态Fc=1.0检验多重圆弧模型分析效果的有效途径。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程高新试验和理论分析技术领域，涉及一种验证滑坡稳定性分析模型计算效果的模型试验，具体涉及一种能模拟多水位工况和持续加荷的滑坡物理模型，通过监测滑坡变形及判识临滑界点，实现多工况条件下对模型分析结果的验证。
背景技术
经典的滑坡稳定性分析模型大多基于极限平衡条件进行构建，且主要分为圆弧模型和非圆弧模型两大类。其中著名的圆弧模型有瑞典条分模型、毕肖普模型、斯宾塞模型等；后期发展的非圆弧模型则普适性更强，且通常以严密的力学推导为主要特点，可实现力学条件的充分满足。例如摩根斯坦模型因其同时满足受力平衡和力矩平衡而获得普及，简布模型、萨玛模型亦获得充分认可。国内常用的传递系数模型亦属于非圆弧模型一类，其原理简单易于实操，且常被改进用于抗滑桩设计推力计算，但其缺点在于未能考虑力矩平衡条件。纵观滑坡稳定性分析发展历程，可见稳定性分析体系已渐趋完善，而不同模型的差别在于三点：(1)力学推导的严密程度不尽相同；(2)实操性强弱不同；(3)适用范围不同。一般工程中常基于简易的稳定性分析模型(传递系数模型)开展计算，却较少采用步骤繁琐的严密模型(如摩根斯坦)。简布模型由于常遇到不收敛现象，因而其使用广度亦受到了限制。
基于上述特点，有学者结合库区堆积层山体滑坡常展现出的多重圆弧形滑动面形态特征，发展了一种多重圆弧模型用于求解滑坡稳定性。该模型的特点在于：(1)分段圆弧通过条间力建立力学联系；(2)各分段圆弧均满足力学平衡和力矩平衡条件，从而实现滑坡整体的力学平衡；(3)模型便于理解和掌握。在该模型分析效果的验证方面，目前主要通过数值模拟和现有的经典模型与之进行对比验证，来证明多重圆弧模型的可靠性。
新建模型的可靠性、准确性获得验证是该模型推广应用的前提，然而因为数值模拟自身的一些短板以及现有经典模型各自的缺点，仅基于数值模拟及现有经典模型的对比验证仍不够完备。实体试验的验证工作，不管在理论层面还是实践领域均具有更强的说服力。就滑坡研究而言，开展一定缩尺的实体模型试验验证具有重要意义。而目前为止，业内和学界尚未提出完备的实体模型试验方法和理论来验证多重圆弧模型优良的分析效果。
发明内容
针对目前尚无完备的实体模型试验方法和理论来指导多重圆弧模型稳定性分析效果的验证工作，本发明旨在结合最新的高新技术和理论方法，提供一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统及方法，以支持多重圆弧模型的推广应用。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，至少包括滑坡系统、加载系统、进排水系统、监测控制系统及框架五个功能部分；
所述滑坡系统设置于框架内，自上而下分别由滑体、滑带及滑床构成。
所述滑体上端部位设为局部平坦区域，可供其上部施压板接触以提供均布荷载；滑体土材质的摩阻力需较强，且需一定程度的压实，达到一定的压实度和整体性，以避免滑体变形时出现拉张或分离现象。
所述滑床实为滑坡体基座，为滑带及滑体提供支持和变形场地。滑床由较密实且强度坚硬的基岩块石堆砌而成，且具有一定程度的渗透性。滑床与滑带接触的表面可采用现有的塑形工艺，塑造为多个圆弧首尾相接的形式，以保证在其上部填筑滑带时，控制滑带形态为多重圆弧形。
所述滑带具有一定厚度，夹于滑体和滑床之间，为模拟多重圆弧形滑面，将滑带土沿多重圆弧形的滑床表面进行铺设，控制其形状为多个圆弧首尾相连的模式。滑带土材质相比滑体土材料偏弱，具有相对较小的摩阻力和粘聚力，以凸显其强度与滑体土强度的巨大差异，从而保证滑体变形时主要沿滑带内部发生剪切滑移。
滑体表部安置变形监测墩，滑体内布设垂直的水位监测孔，水位监测孔内放置浮标监测器，用于坡内地下水位实时监测，并反馈给计算机进行信息储存。试验加载前进行水位调控时，可由监测孔水位数据的实时反馈配合精准调控。
所述加载系统设置于滑坡顶部，由立柱、油压泵、升降板、变频器以及压板、施压板组成。其中施压板直抵滑坡坡顶平面，施以均布的竖向荷载。
所述立柱安于滑床顶部，由于滑床质地坚硬，因此可固定不变形。立柱上端安装油压泵，侧边装有升降机，升降板架设于升降机上，油泵可根据变频器的调控指令，通过调控油压来控制升降机带动升降板抬升和降落的程度。
所述压板上部呈平行双轨形，其上端安置压力传感器，和升降板底部相抵。压板下端焊有施压板。在升降机的带动下，升降板可下移，带动压板向下通过施压板给滑体顶部施加均布荷载。压力传感器可测下压的力P，并由信号缆线将数据传给计算机。
所述施压板，其宽度记为l，高度为h，与滑坡上端部局部平坦区域直接相抵，向其施加均布荷载。均布荷载q为压力传感器测得的压力P除以施压板面积A＝lh，即q＝P/lh。
所述进排水系统包括坡前进水龙头、坡后进水龙头、挡水板以及排水管，试验加载前，需配合使用坡前、坡后进水龙头进水以及排水管出水，控制调节不同的坡内及坡外水位工况，以便模拟不同的试验工况，挡水板的作用为阻隔坡后进水龙头放出的自由水体形成面流或径流直接漫过或冲刷滑体表面。
所述坡前进水龙头、坡后进水龙头分别安装于框架两侧，挡水板设置于滑床顶部，靠近坡顶滑床、滑带的分界处，排水管设于坡前，连通滑床上部蓄水空间和框架外。试验加载前，需配合使用上述部件，协调控制试验所需的坡内、坡外水位条件。
所述挡水板，其作用为在坡后进水龙头放出自由水体时，阻隔自由水体沿坡表形成面流或径流直接漫过或冲刷滑体表面，同时可保障自由水体从滑床内部往滑体内部渗透。
所述监测控制系统包括计算机、信号缆线、压力传感器、水位监测孔、浮标监测器、高速摄像机、变形监测墩等部件，由计算机统筹控制各部件或收集各部件测得的试验数据。
计算机实现人机交互功能，可由相关程序自动化控制整个试验流程。主要通过计算机指令控制变频器、高速摄像机等部件，实现自动加荷载、自动摄像监测记录等。同时可自动接收压力传感器、浮标监测器等部件测得的试验数据。
高速摄像机架设于框架上，其拍摄范围涵盖整个变形坡体，可实时拍摄记录(监测)滑坡变形过程，并反馈给计算机进行储存和处理。变形监测墩安置于滑体表部，滑体变形时其可跟着同步变形。高速摄像机可实时拍摄监测墩位置，并反馈给计算机。通过任意选取固定不变形的点位为参照点，可量化不同时刻监测墩的位置变化，从而获得坡表时空变形曲线。
框架为刚性材料，呈槽型，为实验提供固定的围限场地及蓄排水空间，并起到提供支撑反力的作用。框架可用于蓄水，靠坡前一侧标有坡外水位标线，用于核实坡外水位。
本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验方法。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验方法，所述用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验方法基于前文所述的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，并包括如下步骤：
滑坡临滑时刻点判定：根据持续加荷条件下的滑坡变形监测曲线，结合斋藤迪孝方法判定出滑坡临滑破坏所对应的时刻点，继而根据该时刻点确定该时刻的加荷条件及捕捉该时刻滑坡剖面形态影像数据；
模型分析效果的检验：根据滑坡临滑时刻所对应的滑坡剖面形态特征、水位条件及力学状态，采用多重圆弧模型分析该时刻滑坡的稳定性系数，提出以滑坡临滑时刻实际的临界稳定状态Fc＝1.0对其分析结果进行验证，验证其结果是否恰为滑坡临滑时刻的临界稳定性值Fc＝1.0(临滑时刻，滑坡处于临界状态，因此该时刻其稳定性Fc＝1.0)。
本发明设置了不同的水位工况，分别基于不同的水位工况开展实验，结合多种不同水位工况实施多重圆弧模型稳定性分析效果的综合检验。
斋藤迪孝方法，是指斋藤迪孝提出的滑坡临滑时刻的预测方法，主要依据滑坡蠕变三阶段变形曲线，结合室内试验和野外宏观变形的经验关系分析，提出基于蠕变第Ⅲ阶段的滑坡时间预测理论方法。
多重圆弧模型分析，指采用多重圆弧模型开展滑坡稳定性分析。本发明中，以模型试验滑坡临滑时刻(由斋藤迪孝方法确定)为基准，根据该时刻捕捉的坡体剖面形态、加载条件及水位信息，采用多重圆弧模型分析该时刻滑坡的稳定性。
本发明提供一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统及方法，所述模型试验系统包含滑坡系统、加载系统、进排水系统、监测控制系统以及框架五个部分，外加滑坡临滑时刻点的判定步骤和模型分析效果的检验步骤。本发明首次对多圆弧形滑带进行塑造，再现该类型滑坡真实地质条件。通过设置合理的进排水系统及水位监测技术，实现了对不同水位工况的精准控制，继而采用坡顶加压的驱动模式，分别在各水位工况下实现滑坡失稳破坏过程的有效模拟。基于试验结果，本发明结合临滑破坏时刻点的判识，可读取该时刻点对应的坡顶受荷条件、水位信息，并调取该时刻对应的滑坡剖面影像数据(即剖面几何形态)。最后，根据滑坡临滑时刻的剖面形态、水位信息以及顶部受荷条件，采用多重圆弧模型分析该时刻滑坡的稳定性，并提出基于滑坡临滑时刻实际的临界稳定状态Fc＝1.0检验多重圆弧模型分析效果的有效途径。发明采用计算机智能操控系统，配套先进的监测、摄影技术，提升了试验的智能化程度和精度。
与现有技术相比，本发明所提供的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统及方法具有如下有益效果：
1)、本发明融合了当前的高新技术手段，提出了塑造特定滑面形态(多重圆弧形)的滑坡模型实验，实现对多重圆弧解析计算模型的真实模拟。
2)、本发明充分利用滑坡临滑(破坏点)时刻稳定性为临界值1.0的特点，明确了多重圆弧模型分析结果与试验结果进行对比的有效时间点(即临滑时刻)，实现了解析模型与试验的相互印证和有效对接。
3)、本发明首次将斋藤迪孝方法融入模型实验，该方法是捕捉滑坡临滑时刻的有效方法，为多重圆弧模型分析与模型试验的时空对接起到搭桥铺路的作用。
4)、本发明采用了水位条件和坡顶加压的联合作用机制，分别取不同水位工况在逐级加压条件下模拟滑坡破坏过程。在不同水位工况下，可分别捕捉临滑时刻点及对应的滑坡剖面形态、加载条件、水位信息，实现多工况对多重圆弧模型分析效果的综合检验。
5)、本发明配备了合理的进排水系统，坡前、坡后分别设置进水龙头能起到协调控制坡内地下水位的优良效果，排水管具备微调水位的功能。水位监测孔和浮标监测器起到核验水位信息是否达标的作用。
6)、本发明采用高速摄影技术，利用不同时刻坡体不同点位的影像数据差异来获取滑坡时空变形特征。该技术避免了传统变形监测手段对试验本身的干扰，提高了变形数据的获取效率和精度。
7)、本发明配套了系列监测设备和计算机控制系统，提高试验过程的程序化和自动化水平。
附图说明
图1为本发明所提供的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统的剖面图；
图2本发明所提供的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统的俯视图(含不同水位工况)；
图3为典型蠕变曲线及破坏时刻预测示图；
图4为水位工况4(左图)和工况3(右图)下的试验曲线；
图5为水位工况2下的试验曲线；
图6为水位工况1下的试验曲线；
图7为分布荷载下的多重圆弧模型；
图8为模型分析结果和试验监测结果对比；
其中，1-高速摄像机，1a-拍摄范围，2-框架，2a-坡外水位标线，3-坡前进水龙头，4a-坡外水位a，4b-坡外水位b，4c-坡外水位c，4d坡外水位d，5-排水管，6-抬升板，7-压力传感器，8-压板，9-施压板，9a-施压板宽度l，9b-施压板长度h，10-分布荷载q，11-水位监测孔及浮标监测器，12-滑体，13-变形监测墩，14-坡内典型水位线，15-立柱，15a-油压泵，16-升降机，17-变频器，18-计算机控制系统，19-信号缆线，20-坡后进水龙头，20a-挡水板，21-滑动带，22-滑弧衔接点，23a-坡内水位线a，23b-坡内水位线b，23c-坡内水位线c，23d-坡内水位线d，24-滑弧标记，24a-滑弧1，24b-滑弧2，24c-滑弧3，25-滑床，26-加荷载轴，27-变形轴，28-加荷载线，29-临界破坏点，30-时间轴，31-III阶段中间点，32-II至III阶段分界点，33-蠕变曲线，34-I至II阶段分界点，35-蠕变阶段起点，36-临界时间点tr，37-时间点t1，38-时间点t2，39-时间点t3，40-条块编号，41-分布荷载下的条块i(重力记为Wi)，41a-条块i的宽度，42-坡表，43-库水水体，43a-条块库水水体部分，44-条块土体部分，45-弧1末尾条间力，46-弧1条间力倾角，47-弧2末尾条间力，48-弧2条间力倾角，49-尾部滑弧末尾条间力Zn＝0，50-尾部滑弧条间力倾角，51-稳定性轴，52-工况轴，53-临滑稳定性指引线。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，其结构如图1所示，主要包括滑坡系统、加载系统、进排水系统、监测控制系统及框架五个功能部分。
主体上，滑坡的滑床25堆砌于框架2内，由较密实且强度坚硬的基岩块石堆砌而成，并控制一定的渗透性。其上表面控制(塑形)为多重圆弧结构，即由若干个圆弧面首尾相接。而后，沿多重圆弧形滑床表面铺设一定厚度的滑动带21，配合轻微的压实，如此可控制滑动带21形态为典型的多重圆弧形，弧与弧之间首尾相接，连接点记为滑弧衔接点22。滑动带21铺好后，由下往上堆制滑体12。滑体12的堆制过程需配合一定程度的压实，以控制滑体土材料的密实性和整体性较强，从而避免变形过程中滑体12内出现拉张、裂缝等现象。在滑体12上端部位设置局部平坦区，试验加载时，恰可使施压板9向下与其平稳相抵。滑体坡表42设置变形监测墩13，以供试验过程变形监测。为了凸显滑动带强度与滑体土强度的巨大差异，滑带土采用偏弱的材质，使具备较小的摩阻力和粘聚力，从而保证滑体变形时主要沿滑带内部发生剪切滑移。滑床25质地坚硬，为固定不变形。
分部上，立柱15安于滑床25顶部，由于滑床25质地坚硬，为固定不变形。立柱15上端安装油压泵15a，侧边装有升降机16，升降板6架设于升降机16上，油泵15a可根据变频器17的调控指令，通过调控油压来控制升降机16带动升降板6抬升和降落的程度。升降板6下端由压力传感器7与其下端的压板8相抵，压板8下端焊有施压板9。在升降机16的带动下，升降板6可下移，带动压板8向下通过施压板9给滑体12顶部施加均布荷载10。压力传感器7可测得下压的总压力P，并由信号缆线19实时将数据反馈计算机18，计算机则可根据实测值及时做出相应调控，实现伺服控制。高速摄像机1置于框架2较高处，拍摄范围1a涵盖整个变形坡体，可全程实时抓拍滑体12变形过程，并将影像数据传给计算机18进行储存。选定任意固定不变的点位(如立柱15)为参照点，通过计算机18处理各不同时刻各变形监测墩13的位置变化，可量化出滑体时空变形曲线。坡前进水龙头3和坡后进水龙头20分别安装于框架2两侧，挡水板20a设置于滑床25顶部，靠近坡顶滑床25、滑带21的分界处，排水管5设于坡前，连通滑床上部蓄水空间和框架之外。坡体堆制完成后，试验加载前，先关闭排水管5阀门，开启坡前进水龙头3往框架内缓慢注水，直至坡外水位4达到预先设计好的高程后关闭龙头3停止注水，待坡外水位4往坡内充分渗透后，开启坡后进水龙头20，使水体从高处由滑床25往滑体12逐步渗透，该过程需通过水位监测孔11监测滑体内地下水位14，同时根据坡外水位标线2a核实坡外水位4，直至坡内、坡外水位均达到预先设计好的水位工况条件，关闭坡后进水龙头20。如若地下水位14和坡外水位高程大于预设水位，则可通过开启排水管5进行一定程度排水，起到微调水位的作用，直至水位重回预设水位。挡水板20a可阻止坡后水体形成面流或径流直接漫过滑体12表面，防止冲刷表层土体。本发明按上述步骤可设计多种水位工况条件(如水位条件4a-23a、4b-23b、4c-23c、4d-23d)进行模型试验对多重圆弧模型分析效果的验证。此外，计算机18通过信号缆线19或无线信号接收各监测部件反馈回来的信息和数据进行存储，并可通过预先设置的试验程序对功能部件进行指令性操控，实现对加压系统的伺服控制。
图2展示了本发明提供的不同水位工况所对应的滑坡模型俯视图，可见滑体上12布设有变形监测墩13，水位监测孔11，以及水位工况4a、4b、4c、4d示意。施压板9的宽度记为l9a，长度为h9b。本发明提供的模型试验即是根据附图2，分别在不同水位工况下依次开展试验，从试验层面验证多重圆弧模型的稳定性分析效果。
图3展示了典型蠕变曲线33，该曲线由模型试验变形监测墩的实时影像数据经处理后得到，即量化不同时刻变形监测墩与固定参照点的变位量值，从而形成滑坡变形随时间变化的经典蠕变曲线。如图左，分别在加载坐标轴26和蠕变坐标轴27内绘制加载～蠕变随时间轴30的变化曲线。可见施压板9对滑坡顶部施加分布荷载q，可使滑坡先发生I阶段的蠕变(AB段)，其特征为随着施压板9下压使q增加，变形亦随之增加；加载至预设值时，通过变频器17伺服控制升降机16带动升降板6及施压板9的下压程度，以维持q不变后，则蠕变由I阶段(点B34)进入II阶段，呈缓慢或停滞的蠕动变形；随着时间推移，在固定的载荷下，蠕变由II阶段(点C32)进入III阶段加速蠕变，直致破坏点E29发生临滑失稳。图右详细展示了蠕变破坏III阶段的特点，同时结合斋藤迪孝方法，图解了蠕变破坏点E29对应的时刻tr36，即滑坡临滑时刻。
对于临滑时刻tr36的确定，斋滕迪孝(1965)依据蠕变三阶段变形曲线，提出了基于蠕变第Ⅲ阶段的滑坡临滑时间确定方法：在该阶段(CE之间)任取中间点D31，该点对应的时刻记为t238，在D点31左右蠕变曲线上任意各取一点，只需控制左点到D31及右点到D31的蠕变差值△ε相等，记左点时刻为t137，右点时刻为t339，则根据t1、t2、t3，可确定tr为：
如此，根据tr数值，即可在蠕变曲线和加载线上分别确定破坏点E29和对应的加载条件q，同时捕捉该时刻滑坡剖面的影像数据，获取临滑时刻滑坡剖面几何形态，以构建多重圆弧分析模型。
图4分别展示了水位工况4a-23a和4b-23b下的试验曲线。图左为水位工况4a-23a对应的曲线，可见在一级荷载q1条件下滑坡最终加速蠕变，并可由斋藤迪孝法确定破坏点E对应的临滑时刻tr-1，继而在该时刻确定对应的加载条件q1及捕捉该时刻记录的滑坡剖面影像数据，构获取剖面几何形态。同理，对于水位工况4b-23b，因水位相比4a-23a更低，浮托力减小，坡体相对更稳定，故加载q1不足以使滑坡最终失稳，需在加载q1之后，继续下压施压板9，加荷载至q2并维持不变，直致滑坡加速蠕变并失稳。同样可确定出该工况下滑坡临滑时刻tr-2所对应的加载条件q2及对应的滑坡剖面形态。
图5和图6分别展示了水位工况4c-23c和4d-23d下的试验曲线，水位工况4c-23c和4d-23d的浮托力相继减小，坡体依次偏于安全，因此所需的加荷量级应随之调大，方可使滑坡加速蠕变乃至失稳。同样，根据试验曲线图，可分别确定出4c-23c工况下滑坡临滑时刻tr-3所对应的加载条件q3及对应的滑坡剖面形态，和4d-23d工况下滑坡临滑时刻tr-4所对应的加载条件q4及对应的滑坡剖面形态。
图7为多重圆弧模型示意图，可由此模型分析滑坡临滑时刻的稳定性系数，并与该时刻滑坡实际对应的临界稳定性系数Fc＝1.0进行对比验证。多重圆弧模型的分析原理简述如下：(1)滑动面由多个首尾相接的圆弧组成，各圆弧将其正上方的滑体分成各个圆弧段(如弧1、弧2、弧3)，根据滑坡整体稳定性，各圆弧段具有相同的稳定性系数。段内进行条分，条块与条块之间具有条间力作用。稳定性分析时所需条块基底的强度参数(粘聚力c、摩擦角
)由滑带土剪切力学试验预先获取。圆弧段与圆弧段之间由前一段圆弧的末尾条间力进行力学联系；(2)模型假设条块所受的作用力均经过条块基底中点，且同一个圆弧段的所有条块条间力具有相同的倾角，例如弧1的条块条间力倾角记为θ1，弧2内的条块条间力倾角记为θ2；(3)外部水位以下的条块，以图7中条块1为例，条块上方与之等宽的水体43a一同并入此条块，与土体部分44构成新的条块进行分析，此时，新条块两侧的水力高度分别取自水面至条块基底两侧的高差；(4)通过各个条块的受力分析，可构建各圆弧段内所有条块的受力平衡方程及绕圆弧圆心转动的力矩平衡方程。
由坡脚向坡顶为序分析稳定性F：(1)先独立分析弧1，可见含稳定性系数F、末尾条间力Za及其倾角θ1三个未知量，而条块的其余受力均可用重力进行表示(左右条间力采用条间力合力表示，因其倾角均为θ1)，外加圆弧1可构建受力平衡和转动力矩平衡2个方程，通过给F赋初值F0，则可根据2个未知量2个方程求解F0条件下的Za和θ1；(2)分析弧2，同样F＝F0，此时弧1求得的F0条件下的Za和θ1视为已知量，未知量为弧2的末尾条间力Zb及其倾角θ2，同理可由弧2的受力平衡及转动力矩平衡方程求得F0条件下的Zb和θ2。如此直至求得F0条件下尾部滑弧的末尾条间力Zn；(3)以边界条件Zn＝0为约束，核对F0条件下求得的Zn是否为0，若不为0，则调整F0数值，重复弧1至尾部滑弧的分析步骤，直到求得的Zn＝0，则最终调整的F0值即为多重圆弧模型分析的滑坡稳定性系数。
可知，若共有m个圆弧，则总共涉及m个末尾条间力、m个条间力倾角以及滑坡稳定性系数F共计2m+1个未知量，而m个圆弧可构建m个受力平衡、m个力矩平衡外加1个边界条件Zn＝0，共计2m+1个约束条件，因此未知量数量和约束条件数量一致，使得滑坡稳定性分析为静定问题，可解。
多重圆弧模型的优点有：(1)结合库区堆积层滑坡的工程实践，发掘自然界多圆弧形滑面特点，使构建的分析模型更符合实际，且实用性和针对性均较强；(2)模型的形态特征决定了转动力矩具有真实的转矩中心，即圆心；(3)模型满足所有力学条件和边界条件。
需说明的是，对于本发明提供的顶部加均布荷载q的力学条件，荷载q正下方的条块41力学分析需做如下调整，即其力学分析时可将其顶部的分布力合力xi·q视为重力成分，xi41a为条块宽度，因此条块实际受到垂向的力为Wi+xi·q。
本发明在不同水位工况下，分别获取各工况下滑坡临滑时刻所对应的加载条件q、水位信息以及该时刻滑坡的剖面形态，继而在各工况下分别构建对应的多重圆弧模型，分析在各工况下滑坡临滑时刻所对应的稳定性系数。
图8分别展示了不同水位工况下，滑坡临滑时刻所对应的实际临界稳定性Fc＝1.0与该时刻多重圆弧模型稳定性分析结果的对比。如果各水位工况下，多重圆弧模型对于滑坡临滑时刻的稳定性分析结果基本和Fc＝1.0吻合，则能验证多重圆弧模型的分析精度和效力。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，其特征在于：所述用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统包括滑坡系统、加载系统、进排水系统、监测控制系统以及框架；
滑坡系统设置于框架内，自上而下分别由滑体、滑带以及滑床构成；
滑床为滑带及滑体提供支持和变形场地，其质地较密实且坚硬，并控制一定程度的渗透性，滑床与滑带的接触表面塑造为多重圆弧首尾相接的形式，试验中滑床固定不变形；
滑带直接卧于滑床上，具有一定的厚度，其形态由滑床表面控制为多圆弧首尾相连模式，其材质偏弱，具有较小的摩阻力和粘聚力；
滑体上端部位设为局部平坦区域，可供上部施压板提供均布荷载；滑体土材质偏强，需达一定的压实度和整体性，以避免坡体变形时出现拉张或分离现象；同时需凸显其强度与滑带土强度的巨大差异，保证滑体变形时沿滑带内部发生剪切滑移；
所述加载系统设置于滑坡顶部，由立柱、油压泵、升降板、变频器以及压板、施压板组成，其中施压板直抵滑坡坡顶平面，施以均布的竖向荷载；
所述进排水系统由坡前进水龙头、坡后进水龙头、挡水板和排水管组成；试验加载前，通过配合使用坡前进水龙头、坡后进水龙头、挡水板和排水管的开闭，可实现坡内、坡外水位条件的协调控制；挡水板靠近坡顶滑床、滑带的分界处，并植入滑床一定深度，所述挡水板用于阻隔坡后注入的自由水体沿坡表形成面流或径流，避免水体直接漫过或冲刷滑体表面，同时保障自由水体从滑床内部往滑体内部渗透；
所述监测控制系统由计算机、信号缆线、压力传感器、水位监测孔及浮标监测器、高速摄像机、变形监测墩、外部水位标线组成，计算机统筹控制各部件及收集各部件测量的实验数据；所述高速摄像机实时抓拍滑坡变形过程，记录各时刻坡体的形态特征及监测墩的位置变化，并反馈给计算机进行储存，计算机通过选取固定不变形的点位为参照点，来量化不同时刻监测墩的变位数据，从而获得坡表时空变形曲线。
2.根据权利要求1所述的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，其特征在于：滑体表部安置变形监测墩，滑体内布设垂直的水位监测孔，水位监测孔内放置浮标监测器，用于坡内地下水位实时监测及核对。
3.根据权利要求1所述的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，其特征在于：所述立柱安于滑床顶部，立柱上端安装油压泵，侧边装有升降机，升降板架设于升降机上，油泵可根据变频器的调控指令，通过调控油压来控制升降机带动升降板抬升和降落的程度。
4.根据权利要求1所述的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，其特征在于：所述压板上部呈平行双轨形，其上端安置压力传感器，和升降板底部相抵；压板下端焊有施压板；在升降机的带动下，升降板可下移，带动压板向下通过施压板给滑体顶部施加均布荷载。
5.根据权利要求1所述的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，其特征在于：所述施压板与滑坡上端部局部平坦区域直接相抵，向其施加均布荷载。
6.根据权利要求1所述的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，其特征在于：所述坡前进水龙头、坡后进水龙头分别安装于框架两侧，挡水板设置于滑床顶部，靠近坡顶滑床、滑带的分界处，排水管设于坡前，连通滑床上部蓄水空间和框架外。
7.根据权利要求1所述的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，其特征在于：所述框架为刚性材料，为实验提供固定的围限场地，并起到提供支撑反力的作用；所述框架的形状为槽型，可用于蓄水，靠坡前一侧标有坡外水位标线，用于核实坡外水位。
8.一种用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验方法，其特征在于：所述用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验方法基于权利要求1所述的用于多重圆弧模型稳定性分析效果检验的模型试验系统，并包括如下步骤：
滑坡临滑时刻点判定：根据持续加荷条件下的滑坡变形监测曲线，结合斋藤迪孝方法判定出滑坡临滑破坏所对应的时刻点，继而根据该时刻点确定该时刻的加荷条件及捕捉该时刻滑坡剖面形态影像数据；
模型分析效果的检验：根据滑坡临滑时刻所捕捉的剖面形态特征及加载条件，采用多重圆弧模型分析该时刻滑坡的稳定性系数，提出以滑坡临滑时刻实际的临界稳定状态Fc=1.0对其分析结果进行验证；分别基于不同的水位工况开展实验，结合多种不同水位工况实施多重圆弧模型稳定性分析效果的综合检验。
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