CN115406623A - 水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置及方法，该装置包括模型箱、滑体、基岩、滑坡控速系统和压力采集系统。本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度时，通过模拟模型箱内的水位上升和下降，计算水位下降前后各个压力传感器的动水压力差值Δq_i,j，并根据该差值计算压力采集系统中，透水板与模型箱两侧固定端之间的弯矩值；然后重新铺筑滑体，将初始压力值归零，分级增大控速电机的速度使滑体随着传送带向透水板侧移动，计算每级速度下透水板与模型箱两侧固定端的弯矩值，当两个弯矩值相等时，则滑体的下滑速度与水位下降产生的动水压力等效。本发明将水位下降产生的动水压力用滑体的运动速度来等效，进行测试库水位下降不同高度下滑体的稳定性。

Description

水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置及方法

技术领域

本发明涉及滑坡地质灾害试验领域中的滑体下滑试验装置，尤其涉及一种水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置及方法。

背景技术

随着许多高坝大库的建设完成、蓄水导致了库区内地下水位的升高，库区内若干的老滑坡、古滑坡可能重新被激活，成为影响高坝大库安全运行的重要因素。国内外众多学者研究表明，水库型滑坡多发生在库水位下降阶段。在库水位下降后，滑体内地下水耗散较慢，在滑体内形成了较高的地下水位，滑体内较高的地下水还不断往较低的库水位方向入渗，在滑体内形成了动水压力。

库水位下降阶段动的水压力是诱发滑坡的主要因素。虽然很多学者已经认识到动水压力是库水位下降诱发滑坡的主要因素，但是还不能对库水位下降引起的动水压力进行定量化分析，更没有采用科学的方式再现该动水压的作用效果。如文献《水库滑坡成因机制研究进展与展望》中提出了水库水位骤降时产生的动水压力是库水诱发水库滑坡的主要作用方式之一，但是没有给出通过何种方法可以得到库水位下降过程中动水力。文献《三峡库区地下水渗透压力对滑坡稳定性影响研究》中推导了圆弧型和折线型滑坡动水圧计算方法，由于推导过程中存在一定简化，导致计算结果和实际结果存在一定偏差。文献《三峡库区猴子石滑坡地下水动力场分析》通过数值模拟方式，计算得到了猴子石滑坡地下水动力，但是数值模拟结果的可靠性严重依赖输入的参数的准确性，并且该文献没有给出再现的方法。

因此，目前缺乏一种精确、科学、有效的模拟和再现库水位下降引起的动水圧的试验装置及方法。

发明内容

发明目的：由于缺乏库水位下降引起动水压力的进行定量化分析、再现的试验装置及方法，本发明提供一种水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置，并提供一种利用该装置将水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法，进而测试库水位下降不同高度下滑体的稳定性。

技术方案：本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置包括模型箱、滑体、基岩、滑坡控速系统和压力采集系统；

滑坡控速系统包括控速电机和传送带；压力采集系统包括透水板、多个压力传感器和压力采集仪；

滑体在控速电机和传送带的作用下沿着基岩滑动，压力采集系统固定在模型箱的侧壁上。

多个压力传感器阵列分布在透水板上。

本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法，采用水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置来实施，该方法包括以下步骤：

(1)在模型箱内砌筑基岩，将控速电机固定在基岩上，将传送带贴合基岩表面布置，在传送带上铺筑滑体；

(2)向模型箱内注水模拟库水位上升，当模型箱内水位上升至预设高度h₀，且模型箱内水位上升速度大于滑体内水位上升速度时，通过压力采集仪记录各个压力传感器的压力值{q_i,j}₀，当压力传感器测得的静水压力恒定时，将压力传感器采集的压力值归零，即{q_i,j}₀＝0；

(3)通过模型箱的泄水孔模拟库水位下降，当库水位下降到预设高度h₁时，通过压力采集仪记录各个压力传感器的最大压力值q_i,j作为压力差值；其中，i代表行，j代表列；

(4)计算库水位下降前后各个压力传感器的动水压力差值Δq_i,j，即为Δq_i,j＝q_i,j+ρ_水g(h₀-h₁)，并根据所述差值由公式M_i,j＝∑∫Δq_i,jds计算压力采集系统中，透水板与模型箱两侧固定端之间的弯矩值{M_i,j}；其中，s为单个压力传感器与滑体的接触面积；

(5)重新铺筑滑体，将压力采集系统中压力传感器的初始压力值归零，启动控速电机，并分级增大控速电机的速度v_i，滑坡体随着传送带向透水板侧运动，记录滑坡体不同的下滑速度下，压力采集系统中的压力采集仪记录的各个压力传感器的压力值{q_i,j}′，

(6)计算每一级滑体下滑速度下，透水板与模型箱两侧固定端的弯矩值{M_i,j}′，当{M_i,j}＝{M_i,j}′时，则滑体的下滑速度与水位下降产生的动水压力等效；

(7)改变模型箱内的水位下降高度，重复步骤(1)至步骤(6)，得到不同的水位下降高度对应的滑体下滑速度，得到下滑速度与库水位下降高度的关系。

步骤(1)中，首先制作一个与模型箱形状一致的模具箱，将模具箱根据滑体剖面形状拉伸到模型箱相同宽度。

先在模具箱内分层砌筑滑体，将滑体的前侧壁、后侧壁拆除，然后把带有滑体的模具箱放进模型箱内，将模具箱根据滑体剖面形状拉伸到模型箱相同宽度，再拆除上顶盖、侧壁和下底盖。

步骤(4)中，

其中：s为单个压力传感器与滑体的接触面积。

单个压力传感器的弯矩为：

其中，l_a为第i行第j列个传感器与模型箱左端之间的距离，s为单个压力传感器与滑体的接触面积，Δq_i,j为库水位下降前后各个压力传感器的动水压力差值。

单个压力传感器的弯矩为：

其中，l_a为第i行第j列个传感器与模型箱右端之间的距离，s为单个压力传感器与滑体的接触面积，Δq_i,j为库水位下降前后各个压力传感器的动水压力差值。

步骤(5)中，每一级速度的维持时间由压力传感器达到稳定压力值的时间确定。

步骤(7)中，通过回归分析，得到下滑速度与库水位下降高度的关系。

工作原理：本发明通过滑坡控速系统将库水位下降导致的动水压力采用滑体的运动速度来等效，通过压力采集系统，准确测量库水位下降导致的动水压力和滑体滑动两种作用产生的压力分布，通过计算上述两种荷载作用在透水板上的弯矩值，实现了从定量角度评估了上述两种荷载的等效性，从而实现了库水位下降导致的动水力的定量评价与合理等效，为研究库水位下降过程动水压力降诱发滑坡提供了一种新途径。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置，通过滑坡控速系统将库水位下降产生的动水压力用滑坡的运动速度来等效，通过压力采集系统，准确测量库水位下降导致的动水压力和滑体滑动两种作用产生的压力分布。

(2)本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法通过计算库水位下降产生动水压力和滑坡体下滑速度这两种荷载形式作用在透水板上的弯矩值，实现了从定量角度评估两种荷载的等效性，从而实现了库水位下降导致的动水力的定量评价与合理等效。

(3)本发明基于两种荷载的等效性，克服模型试验尺寸的约束，便于开展大量程动水圧对于滑坡稳定性影响的研究，从而为研究库水位下降过程动水压力降诱发滑坡提供了一种途径，具有可靠性强、简单、高效、经济的优点，对实际滑坡工程防治设计具有极大应用价值。

附图说明

图1为本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置的三维结构示意图；

图2为本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置正视图；

图3为本发明的压力采集系统结构示意图；

图4为本发明的模具箱结构示意图；

图5为本发明滑体下滑速度与库水位下降高度的关系图；

图6为本发明的压力传感器与模型箱两侧固定端的弯矩值的计算过程简图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置包括模型箱1、滑体2、基岩3、滑坡控速系统4和压力采集系统5；其中，滑坡控速系统4安装在滑体2与基岩3之间，压力采集系统5固定在模型箱1的侧壁上。

其中，滑坡控速系统4包括传送带6和控速电机，控速电机带动传送带6转动。

如图3所示，压力采集系统5包括透水板9、压力传感器10和压力采集仪11，多个压力传感器10阵列固定在透水板9上，透水板9固定在模型箱1的侧壁上。

本发明水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法包括如下步骤：

(1)砌筑用于承载滑体2和滑坡控速系统4的基岩3，并根据基岩3的表面形状布置滑坡控速系统4中传送带6和控速电机的位置，控速电机通过支架固定在基岩3上，传送带6通过贴合于基岩3上的电机来调整传送带6与基岩3的表面接触，使得传送带6的形状与基岩3的表面形状一致；然后在传送带6上铺筑滑体2。

为了保证前后两次铺筑滑体的一致性，制作一个与滑体形状一致的模具箱。其中，模型箱的具体制作过程为，首先制作一个与模型箱形状一致的模具箱，如图4所示，先在模具箱内分层砌筑滑体，在后面的实施过程中，两次砌筑过程的滑体材料重力、分层和每层击实次数完全一致。砌筑完成后，将滑体的前侧壁14、后侧壁15拆除，然后把装有滑体2的模具箱放进滑体的模型箱内，将模具箱根据滑体剖面形状拉伸到模型箱相同宽度，然后再拆除上顶盖、侧壁12和下底盖13。

(2)通过进水孔向模型箱1内注水，模拟库水位上升，此时，滑体内的水位与模型箱内的水位上升，当模型箱内水位上升至预设高度h₀时静置，保证滑体内浸润线高度与库水位高度一致。浸润线也称地下水位线，当浸润线高度和库水位高度一致后，浸润线的高度就保持不变，浸润线的作用是保证达到预设高度。该步骤中，维持该库水位高度；当模型箱内水位上升速度大于滑体内地下水位上升速度，通过压力采集系统5中的压力采集仪11记录各个压力传感器10的压力值{q_i,j}₀。

其中，压力传感器10阵列分布在压力采集系统5上，压力传感器10测得的滑体2内的水压力包括静水压力和动水压力。当压力传感器10测定的静水压力压力值恒定时，认为滑体内浸润线高度和库水位高度一致，则该时间为库水的静置时间，即库水位上升到完全入渗到滑体内的时间，静置结束后，将压力采集系统5中压力传感器10采集的压力值归零，即{q_i,j}₀＝0，进而消除静水压力的影响。

(3)通过滑体模型箱1的泄水孔模拟库水位下降，当库水位下降到预设高度h₁时，通过压力采集系统5中的压力采集仪11记录此时各个压力传感器10的最大压力值q_i,j作为压力值，其中，i代表行，j代表列；

(4)计算库水位下降前后各个压力传感器10的动水压力差值Δq_i,j，即为Δq_i,j＝q_i,j+ρ_水g(h₀-h₁)，并根据该差值由公式M_i,j＝∑∫Δq_i,jds计算压力采集系统5中透水板9上压力传感器与模型箱1两侧固定端的弯矩值M_i,j；如图6所示，弯矩值M_i,j的计算公式为

或

通过该公式得到多个传感器的弯矩值，对各个传感器计算得到的弯矩值进行叠加，其中：s为单个压力传感器与滑体的接触面积；l_a为第i行第j列个传感器与模型箱左侧固定端之间的距离，l_b为第i行第j列个传感器与模型箱右侧固定端之间的距离，压力传感器与滑体在初始时刻就相互接触；

(5)重新铺筑滑体2，将压力采集系统5中压力传感器的初始压力值归零，进而排除铺筑滑体对压力传感器挤压造成的影响，然后启动滑坡控速系统4中的控速电机，并分级增大控速电机的速度v_i，滑坡体随着传送带向透水板侧运动。由于模型试验中库水位下降幅度小，形成的动水压力响应也小，为了防止滑体下滑速度等效的动水压力超过模型试验中库水位下降形成的动水压力，因此采用分级加载法，滑体2跟着滑坡控速系统4中的传送带6一起运动。当压力传感器10测得的压力稳定时，当达到该级电机最大转速并保持情况下，压力达到稳定，记录该级，或者称为第i级(i＝1、2、3…)滑坡体下滑速度下，压力采集系统5中的压力采集仪11记录的各个压力传感器10的压力值{q_i,j}′；记录的压力值是由于滑体下滑产生的动水压力；

(6)计算控速电机的每一级速度下，即每一级滑体下滑速度下，压力采集系统5中透水板9与模型箱1两侧固定端的弯矩值{M_i,j}′，并比较{M_i,j}′和{M_i,j}的大小，当{M_i,j}＝{M_i,j}′时，则该级滑坡下滑速度的作用与库水位下降引起的动水压力等效。

(7)改变模型箱内的水位下降高度，重复步骤(1)至步骤(6)，即得到不同库水位下降高度对应不同的下滑速度，如图5所示，通过回归分析，即得到滑坡下滑速度和库水位下降高度的关系。

Claims (10)

1.一种水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置，其特征在于：包括模型箱(1)、滑体(2)、基岩(3)、滑坡控速系统(4)和压力采集系统(5)；

所述滑坡控速系统(4)包括控速电机和传送带(6)；所述压力采集系统(5)包括透水板(9)、多个压力传感器(10)和压力采集仪(11)；

所述滑体(2)在控速电机和传送带(6)的作用下沿着基岩(3)滑动，所述压力采集系统(5)固定在模型箱(1)的侧壁上。

2.根据权利要求1所述的水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置，其特征在于：所述多个压力传感器(10)阵列分布在透水板(9)上。

3.一种水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的装置来实施，所述方法包括以下步骤：

(1)在模型箱(1)内砌筑基岩(3)，将控速电机固定在基岩(3)上，将传送带(6)贴合基岩(3)表面布置，在传送带(6)上铺筑滑体(2)；

(2)向模型箱(1)内注水模拟库水位上升，当模型箱内水位上升至预设高度h₀，且模型箱内水位上升速度大于滑体(2)内水位上升速度时，通过压力采集仪(11)记录各个压力传感器(10)的压力值{q_i,j}₀，当压力传感器(10)测得的静水压力恒定时，将压力传感器(10)采集的压力值归零，即{q_i,j}₀＝0；

(3)通过模型箱(1)的泄水孔模拟库水位下降，当库水位下降到预设高度h₁时，通过压力采集仪(11)记录各个压力传感器(10)的最大压力值q_i,j作为压力差值；其中，i代表行，j代表列；

(4)计算库水位下降前后各个压力传感器的动水压力差值Δq_i,j，即为Δq_i,j＝q_i,j+ρ_水g(h₀-h₁)，并根据所述差值由公式M_i,j＝∑∫Δq_i,jds计算压力采集系统中，透水板(9)与模型箱(1)两侧固定端之间的弯矩值{M_i,j}；其中，s为单个压力传感器与滑体的接触面积；

(5)重新铺筑滑体(2)，将压力采集系统中压力传感器的初始压力值归零，启动控速电机，并分级增大控速电机的速度v_i，滑坡体随着传送带向透水板侧运动，记录滑坡体不同的下滑速度下，压力采集系统中的压力采集仪记录的各个压力传感器的压力值{q_i,j}′，

(6)计算每一级滑体下滑速度下，透水板与模型箱两侧固定端的弯矩值{M_i,j}′，当{M_i,j}＝{M_i,j}′时，则滑体的下滑速度与水位下降产生的动水压力等效；

(7)改变模型箱内的水位下降高度，重复步骤(1)至步骤(6)，得到不同的水位下降高度对应的滑体下滑速度，得到下滑速度与库水位下降高度的关系。

4.根据权利要求3所述的水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法，其特征在于：步骤(1)中，首先制作一个与模型箱形状一致的模具箱，将模具箱根据滑体剖面形状拉伸到模型箱相同宽度。

5.根据权利要求4所述的水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法，其特征在于：先在模具箱内分层砌筑滑体，将滑体的前侧壁、后侧壁拆除，然后把带有滑体的模具箱放进模型箱内，将模具箱根据滑体剖面形状拉伸到模型箱相同宽度，再拆除上顶盖、侧壁和下底盖。

6.根据权利要求3所述的水位下降产生动水压力等效为下滑速度的方法，其特征在于：步骤(4)中，

其中：s为单个压力传感器与滑体的接触面积。

7.根据权利要求3所述的水位下降产生动水压力等效为下滑速度的方法，其特征在于：单个压力传感器的弯矩为：

其中，l_a为第i行第j列个传感器与模型箱左端之间的距离，s为单个压力传感器与滑体的接触面积，Δq_i,j为库水位下降前后各个压力传感器的动水压力差值。

8.根据权利要求3所述的水位下降产生动水压力等效为下滑速度的方法，其特征在于：单个压力传感器的弯矩为：

其中，l_a为第i行第j列个传感器与模型箱右端之间的距离，s为单个压力传感器与滑体的接触面积，Δq_i,j为库水位下降前后各个压力传感器的动水压力差值。

9.根据权利要求3所述的水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法，其特征在于：步骤(5)中，每一级速度的维持时间由压力传感器达到稳定压力值的时间确定。

10.根据权利要求3所述的水位下降产生动水压力等效为滑体下滑速度的方法，其特征在于：步骤(7)中，通过回归分析，得到下滑速度与库水位下降高度的关系。

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