CN115876980A - 一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，属于滑坡模型试验技术领域，包括：试验模型、冻融循环系统、水循环系统及监测传感系统；试验模型包括模型箱及坡体，模型箱内形成一试验腔，坡体内置于试验腔；冻融循环系统包括制热组件及制冷组件；水循环系统包括地下水循环组件及河流侧蚀组件，地下水循环组件包括供水件、第一给水件、第一抽水件及多个吸水件；河流侧蚀组件包括水槽、第二给水件、第二抽水件及翻转件；监测传感系统用于监测坡体失稳的过程；本发明中的冻融循环作用过程较为完整，且结合多种水蚀作用实现冻融作用与水作用的共同模拟，使得模拟结果更加真实。

Description

一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置

技术领域

本发明涉及滑坡模型试验技术领域，尤其是涉及一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置。

背景技术

冻土，一般是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。按岩土体冻结持续时间的长短，可将其分为两类，多年冻土和季节性冻土。我国冻土分布面积很广，其中季节冻土占国土面积的52.5％在这一区域，冻胀、冰劈、冻融泥流、冻融滑坡、融沉等灾害现象时有发生，尤其是近几十年来,全球气候转暖,常年冻土区和季节冻土区崩塌、滑坡等地质灾害频发,对水利水电工程、道路工程、工业民用建筑等造成巨大危害。

季节性冻融过程中地下水响应极其敏感，地下水分布和变化对黄土斜坡体内岩土体的应力状态、力学性状及斜坡稳定性均有较大的影响，冻结期滞水与融解期疏水引发的斜坡范围内地下水位变化是黄土斜坡稳定性变化及失稳破坏的主要诱发因素之一。

对季节性冻融作用影响下滑坡进行物理模型试验，分析滑坡地下水响应特征及变化特征，总结其演化失稳过程，进一步揭示滑坡的演化失稳机理，对于预防和治理上述地质灾害，保障工程安全以及保护人民生命财产安全具有重要意义。

现有的滑坡物理模型试验，考虑的影响因素主要为降雨、地震诱发等。其缺点是未提出完整的冻融循环过程，特别地，只对单独的坡体进行冻融循环试验，缺少对滑坡起关键作用的地下水及河流作用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，解决现有技术中的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，包括：

试验模型，试验模型包括模型箱及坡体，模型箱内形成一试验腔，坡体内置于试验腔；

冻融循环系统，冻融循环系统包括制热组件及制冷组件，制热组件具有一与试验腔连通供以输送热气的制热端，制冷组件具有一与试验腔连通供以输送冷气的制冷端；

水循环系统，水循环系统包括地下水循环组件及河流侧蚀组件，地下水循环组件包括供水件、第一给水件、第一抽水件及多个吸水件，供水件包括多个并列布置于坡体内部的供水管，第一给水件及第一抽水件分别与多个供水管的两端连通、分别用于向供水管输送地下水及通过供水管抽出地下水，多个吸水件分别设于相邻两个供水管之间供以吸收并储存地下水，供水管与吸水件对应一侧沿供水管的长度方向开设有多个供水孔；河流侧蚀组件包括水槽、第二给水件、第二抽水件及翻转件，水槽设于坡体一侧且其内部与坡体对应，第二给水件及第二抽水件分别与水槽的两侧连通、分别用于向水槽内供水及抽出水槽内的水，翻转件转动设于水槽、用于转动时将水向坡体拨动；

监测传感系统，用于监测坡体失稳的过程。

在一些实施例中，试验模型还包括应力加载装置及支撑抬升装置；

支撑抬升装置包括千斤顶、上底板及下底板，下底板平铺于模型箱的底部，上底板与下底板转动相连，坡体设于上底板的上方，千斤顶设于上底板及下底板之间，且千斤顶的两端分别与上底板及下底板转动相连；

应力加载装置包括大力夹、支撑杆、液压缸及应力板，支撑杆设于坡体的较高一侧，液压缸的两端分别连接大力夹和应力板，应力板与坡体连接，大力夹与支撑杆可拆卸式夹持相连。

在一些实施例中，冻融循环系统还包括箱体、温控器、散热风扇及计时器；

箱体置于模型箱上，箱体内设有隔板供以将箱体分为制热室和制冷室两部分，制热室用于放置制热组件，制冷室用于放置制冷组件，箱体下侧与制热室和制冷室对应位置分别设有均与试验腔连通的热风口和冷风口；

温控器与制冷组件和制热组件均电连接；

模型箱的侧壁开设有安装通道，散热风扇设于安装通道；

计时器与监测传感系统电连接。

在一些实施例中，制热组件包括PTC加热器、第一蒸发风机和热风管道，第一蒸发风机置于PTC加热器上并用于接收PTC加热器产生的热量，热风管道的两端分别连接第一蒸发风机和热风口、用于将热量通过热风口传递至模型箱内。

在一些实施例中，制冷组件包括压缩机、冷凝器、冷凝风机、蒸发器、第二蒸发风机和冷风管道，压缩机的两侧分别连接冷凝器和蒸发器，冷凝器连接冷凝风机，蒸发器连接第二蒸发风机，冷风管道的两端分别连接第二蒸发风机和冷风口、用于将产生的冷气通过冷风管道传递至模型箱内。

在一些实施例中，水循环系统还包括水箱，水箱与第一给水件、第一抽水件、第二给水件及第二抽水件均连通。

在一些实施例中，第一给水件包括供水盒、水阀、第一流量计、第一水泵及第一进水管，供水盒设有两个，其中一个供水盒与坡体一侧相连并分别与多个供水管及第一进水管的一端连通、另一个供水盒放置于坡体内部滑带处并设于供水件及吸水件的外侧，第一进水管的另一端与水箱连通，第一进水管上设有水阀、第一流量计和第一水泵；

第一抽水件包括第一出水管及第一抽水泵，第一出水管一端与多个供水管均连通、其另一端与水箱连通，第一出水管上设有第一抽水泵；

吸水件包括密胺海绵，密胺海绵与供水管紧密相连。

在一些实施例中，第二给水件包括第二进水管、水压泵及第二流量计，第二进水管的一端与水槽的一侧连通、其另一端与水箱连通，第二进水管上设有水压泵及第二流量计；

第二抽水件包括第二出水管及第二抽水泵，第二出水管的一端与水槽的另一侧连通、其另一端与水箱连通，第二出水管上设有第二抽水泵；

翻转件包括螺旋桨及驱动部件，螺旋桨设于水槽，驱动部分的驱动端与螺旋桨相连供以驱动螺旋桨转动。

在一些实施例中，水循环系统还包括控制台，控制台与水压泵及第二抽水泵电连接，水槽内还设有加热棒，水槽设于坡体较低一侧。

在一些实施例中，监测传感系统包括计算机、若干个温度传感器、若干个应力传感器、地下水监测组件、三维激光扫描仪及高清摄像头；

各个温度传感器分别埋设于坡体的表面、坡体的中心以及坡体的底部，用于监测模型箱内以及坡体内的温度；

各个应力传感器安装于坡体的后缘和坡体的内部，坡体后缘的应力传感器用于监测推力大小，坡体内部的应力传感器用于监测滑坡失稳时内部裂隙所受应力情况；

地下水监测组件包括孔隙水压传感器及湿度传感器，孔隙水压传感器及湿度传感器均设于坡体内部，孔隙水压传感器用于监测因地下水变化引起的滑坡体内部应力改变，湿度传感器用于监测滑坡体内部相应位置的湿度；

三维激光扫描仪设于坡体的一侧且其扫描端与坡体对应，供以利用三维激光扫描仪对坡体进行扫描；

高清摄像头设于坡体的一侧且其拍摄端与坡体对应，供以拍摄坡体的变形过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明考虑了冻融循环条件对滑坡失稳的影响，并利用冻融循环系统实现了冻融循环过程及对冻融温度的控制，不仅考虑了冻融循环条件，同时考虑了水对滑坡失稳的影响，配套了地下水循环系统和河流侧蚀系统，实现了水对滑坡的渗透侵蚀作用。

通过将供水管和吸水件采用间隔排列的方式设置来提供地下水，可同时起到分层供水和保温的有益效果。

使本装置冻融循环作用过程较为完整，且结合多种水蚀作用实现冻融作用与水作用的共同模拟，使得模拟结果更加真实。

附图说明

图1是本发明提供的地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡物理模型试验装置一实施例的整体立体图；

图2是图1中的地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡物理模型试验装置的整体主视剖面图；

图3是图1中的地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡物理模型试验装置的试验模型安装主视剖面图；

图4是图1中的地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡物理模型试验装置的地下水循环组件结构示意图；

图5是图1中的地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡物理模型试验装置的螺旋桨立体图；

图6是图1中的地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡物理模型试验装置的螺旋桨侧视图；

图7是图1中的地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡物理模型试验装置的上底板和水槽连接结构示意图。

图中：100、试验模型；110、模型箱；120、坡体；121、滑床；122、滑体；130、应力加载装置；131、大力夹；132、支撑杆；133、液压缸；134、应力板；135、标尺；140、支撑抬升装置；141、千斤顶；142、下底板；143、上底板；

200、冻融循环系统；210、箱体；211、隔板；212、热风口；213、冷风口；220、制热组件；221、PTC加热器；222、第一蒸发风机；223、热风管道；230、制冷组件；231、压缩机；232、冷凝器；233、冷凝风机；234、蒸发器；235、第二蒸发风机；236、冷风管道；240、温控器；250、散热风扇；260、计时器；

300、水循环系统；310、地下水循环组件；311、供水件；3111、供水管；3112、供水孔；312、第一给水件；3121、供水盒；3122、水阀；3123、第一流量计；3124、第一水泵；3125、第一进水管；313、第一抽水件；3131、第一出水管；3132、第一抽水泵；314、吸水件；315、活塞；320、河流侧蚀组件；321、水槽；322、第二给水件；3221、第二进水管；3222、水压泵；3223、第二流量计；323、第二抽水件；3231、第二出水管；3232、第二抽水泵；324、翻转件；3241、螺旋桨；325、水箱；326、控制台；327、加热棒；

400、监测传感系统；410、计算机；420、温度传感器；430、应力传感器；440、地下水监测组件；450、三维激光扫描仪；460、高清摄像头。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在阐述实施例之前，本发明先对文中的一些词汇做出解释；

在本申请的描述中，“电连接”主要指能够交换数据的连接方式，其包括物理上的通过线缆直接相连，也包括无线连接。具体是何种连接方式均为本领域技术人员能够理解并想到的现有技术，本文不做过多说明。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1至图4所示，本发明提供了一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，包括：试验模型100、冻融循环系统200、水循环系统300及监测传感系统400。

试验模型100包括模型箱110及坡体120，模型箱110内形成一试验腔，坡体120内置于试验腔。

冻融循环系统200包括制热组件220及制冷组件230，制热组件220具有一与试验腔连通供以输送热气的制热端，制冷组件230具有一与试验腔连通供以输送冷气的制冷端。

水循环系统300包括地下水循环组件310及河流侧蚀组件320，地下水循环组件310包括供水件311、第一给水件312、第一抽水件313及多个吸水件314，供水件311包括多个并列布置于坡体120内部的供水管3111，第一给水件312及第一抽水件313分别与多个供水管3111的两端连通、分别用于向供水管3111输送地下水及通过供水管3111抽出地下水，多个吸水件314分别设于相邻两个供水管3111之间供以吸收并储存地下水，供水管3111与吸水件314对应一侧沿供水管3111的长度方向开设有多个供水孔3112；河流侧蚀组件320包括水槽321、第二给水件322、第二抽水件323及翻转件324，水槽321设于坡体120一侧且其内部与坡体120对应，第二给水件322及第二抽水件323分别与水槽321的两侧连通、分别用于向水槽321内供水及抽出水槽321内的水，翻转件324转动设于水槽321、用于转动时将水向坡体120拨动。

监测传感系统400用于监测坡体120失稳的过程。

本装置中，利用制热组件220的制热端能够向试验腔内输送热气，利用制冷组件230的制冷端能够向试验腔内输送冷气，通过控制温度冷热交替改变对模型箱110内坡体120模型进行冻融循环作用，能够实现模拟季节性冻融作用；此外，地下水循环组件310和河流侧蚀组件320模拟水对滑坡的影响，通过供水件311向多个供水管3111提供水源，使水能够通过供水管3111的供水孔3112流至吸水件314上，吸水件314迅速吸收水至饱和后将水补充给坡体120，吸水件314将水的储存能够实现对水的保温，使坡体120吸收吸水件314中的水并在不同层位形成含水层，来模拟复杂的地下水系统，利用第一抽水件313能够通过供水管3111进行抽水，第一抽水件313通过抽出吸水件314中的水使得吸水件314不再饱和，从而吸水件314开始吸收坡体120中的水，以使水能够从坡体120中被第一抽水件313抽出，达到地下水排泄的效果；利用第二给水件322能够向水槽321内提供水源，利用第二抽水件323能够在水槽321的另一侧进行抽水，以使水槽321内形成水循环，通过设置的翻转件324在水槽321内转动，将水向坡体120拨动，以模拟河流对坡体120的侧蚀作用，最后利用检测传感系统能够实现监测坡体120失稳的过程，以便采集数据。

如图2、图3所示，在一些实施例中，试验模型100还包括应力加载装置130及支撑抬升装置140；

支撑抬升装置140包括千斤顶141、上底板143及下底板142，下底板142平铺于模型箱110的底部，用于支撑整个实验装置，上底板143与下底板142转动相连，坡体120设于上底板143的上方并与其相连，使上底板143为坡体120的底板，用于支撑坡体120，千斤顶141设于上底板143及下底板142之间，且千斤顶141的两端分别与上底板143及下底板142转动相连，根据实际情况，通过控制千斤顶141的升降，以使上底板143相对下底板142转动，从而调节坡体120的坡度，同时千斤顶141下部可绕轴旋转以适应高度变化造成的水平距离的改变。

应力加载装置130包括大力夹131、支撑杆132、液压缸133及应力板134，支撑杆132设于坡体120的较高一侧，液压缸133的两端分别连接大力夹131和应力板134，应力板134与坡体120连接，液压缸133能够持续伸缩从而对坡体120后缘施加连续不断的推力，具体的，支撑杆132上刻有标尺135，大力夹131与支撑杆132可拆卸式夹持相连、用以固定液压缸133，通过人工上下移动大力夹131可改变推力施加位置，标尺135可以显示大力夹131的高度，以便确定推力施加的高度位置。

进一步的，模型箱110由透明保温玻璃构成，实验时，工作人员可透过玻璃观察实验过程，同时透明保温玻璃可提供相对密闭保温的环境，以保证实验环境。

在一些实施例中，如图3所示，冻融循环系统200还包括箱体210、温控器240、散热风扇250及计时器260。

箱体210置于模型箱110上，箱体210内设有隔板211供以将箱体210分为制热室和制冷室两部分，制热室用于放置制热组件220，制冷室用于放置制冷组件230，箱体210下侧与制热室和制冷室对应位置分别设有均与试验腔连通的热风口212和冷风口213，热风口212和冷风口213处均设有可开关的风门、用于流通制冷组件230和制热组件220分别产生的冷气和热气，制热时需要关闭冷风口213，制冷时需要关闭热风口212。

温控器240与制冷组件230和制热组件220均电连接，温控器240安装在箱体210内，用于实现温度的设定和调节，本模型设置控制最高温度为60℃，最低温度为-30℃。

模型箱110的侧壁开设有安装通道，散热风扇250设于安装通道，安装通道的一端与外界连通、另一端与模型箱110的内部连通，在散热风扇250开启时，可将模型箱110内部气体导出，以便模型箱110内部的热介质或冷介质快速散出。

计时器260与监测传感系统400的计算机410电连接，当温度传感器420感应到模型箱110内的温度达到温控器240设定温度且保持稳定不变时，由计算机410接收信号，将传输信号给计时器260，计时器260接收到信号后开始计时，时长由试验人员根据具体情况设置，计时达预设时长后计算机410接收信息并发出信号，此时可由制冷切换至制热或由制热切换至制冷。

进一步的，在一些实施例中，制热组件220包括PTC加热器221、第一蒸发风机222和热风管道223，第一蒸发风机222置于PTC加热器221上并用于接收PTC加热器221产生的热量，热风管道223的两端分别连接第一蒸发风机222和热风口212，能够将热量通过热风口212传递至模型箱110内，当对坡体120进行加热时，首先在温控器240上设置具体温度并打开制热组件220，打开热风口212并关闭冷风口213，PTC加热器221开始产生热量并通过热风管道223和热风口212传递至模型箱110内，热气在模型箱110内形成热循环使箱内逐渐升温至设定温度后保持温度不变。

更进一步的，在一些实施例中，制冷组件230包括压缩机231、冷凝器232、冷凝风机233、蒸发器234、第二蒸发风机235和冷风管道236，压缩机231的两侧分别连接冷凝器232和蒸发器234，冷凝器232连接冷凝风机233，蒸发器234连接第二蒸发风机235，冷风管道236的两端分别连接第二蒸发风机235和冷风口213、用于将产生的冷气通过冷风管道236传递至模型箱110内，当进行制冷操作时，首先在温控器240上设置具体温度并打开制冷组件230，打开冷风口213并关闭热风口212，同时开启散热风扇250，制冷组件230开始产生冷气并通过冷风管道236和冷风口213传递至模型箱110内，冷气在模型箱110内形成冷循环使箱内温度逐渐降低至一定后关闭散热风扇250，继续降温至设定温度后保持温度不变。

如图2所示，在一些实施例中，水循环系统300还包括水箱325，水箱325与第一给水件312、第一抽水件313、第二给水件322及第二抽水件323均连通，水箱325用以提供第一给水件312及第二给水件322所需的水源，供以收集第一抽水件313及第二抽水件323所排出的水，使得地下水循环组件310和河流侧蚀组件320共用一个水箱325，可减小装置占地面积。

如图2至图4所示，在一些实施例中，第一给水件312包括供水盒3121、水阀3122、第一流量计3123、第一水泵3124及第一进水管3125，供水盒3121设有两个，其中一个供水盒3121与坡体120一侧相连并分别与多个供水管3111及第一进水管3125的一端连通、另一个供水盒3121放置于坡体120内部滑带处并设于供水件311及吸水件314的外侧，将坡体120分隔形成滑体122和滑床121，第一进水管3125的另一端与水箱325连通，第一进水管3125上设有水阀3122、第一流量计3123和第一水泵3124，当需要对滑坡体120进行地下水补给时，打开第一水泵3124，可利用第一进水管3125将水箱325内的水输送至每一个供水管3111内，水可通过供水孔3112快速流至吸水件314内，对吸水件314进行快速充水，吸水件314吸水至饱和后多余的水被坡体120吸收形成一个完整的地下水系统，第一进水管3125上由水阀3122、第一流量计3123和第一水泵3124控制水流流速。

更近一步的，设于坡体120一侧的供水盒3121上设有活塞315，通过活塞315堵塞多个供水管3111与第一进水管3125之间的连接口，使活塞315能够控制给水孔的开合。

第一抽水件313包括第一出水管3131及第一抽水泵3132，第一出水管3131一端与多个供水管3111均连通、其另一端与水箱325连通，第一出水管3131上设有第一抽水泵3132，在当进行地下水排泄时，关闭第一进水管3125打开第一出水管3131和第一抽水泵3132，第一抽水泵3132通过第一出水管3131及供水管3111抽出海绵中的水使得海绵不再饱和，从而开始吸收坡体120中的水，使水能够从坡体120中流回海绵经第一出水管3131被排进水箱325，达到地下水排泄的效果。

吸水件314包括密胺海绵，密胺海绵与供水管3111紧密相连，密胺海绵具有吸水性强、保温性好以及结实耐用等优良性能，在现有海绵中能达到更佳的实验效果。

如图2、图5、图6所示，在一些实施例中，第二给水件322包括第二进水管3221、水压泵3222及第二流量计3223，第二进水管3221的一端与水槽321的一侧连通、其另一端与水箱325连通，第二进水管3221上设有水压泵3222及第二流量计3223，在水压泵3222的作用下，能够将水箱325内的水通过第二进水管3221输送至水槽321内，水的流量由第二流量计3223显示；第二抽水件323包括第二出水管3231及第二抽水泵3232，第二出水管3231的一端与水槽321的另一侧连通、其另一端与水箱325连通，第二出水管3231上设有第二抽水泵3232，在第二抽水泵3232的作用下，可将水槽321内的水通过第二出水管3231抽送回水箱325内，通过第二抽水泵3232与水压泵3222协调使用以实现更快的流速，所有水管与水箱325连接形成水循环；

翻转件324包括螺旋桨3241及驱动部件，螺旋桨3241设于水槽321且螺旋桨3241的两端均与水槽321的两侧壁转动连接，驱动部分的驱动端与螺旋桨3241相连供以驱动螺旋将转动，通过电机控制螺旋桨3241转动，可使水槽321内的水对坡脚产生侧蚀效果。

进一步的，驱动部件包括电机或舵机等。

在一些实施例中，如图7所示，水槽321的底板与上底板143通过轴连接，使上底板143能够绕水槽321的底板转动。

在一些实施例中，如图2所示，水循环系统300还包括控制台326，控制台326与水压泵3222及第二抽水泵3232电连接，控制台326用于控制水量以及流速等，水槽321内还设有加热棒327，当对模型箱110进行制冷时，可通过加热棒327对水槽321内的水升温并保持适宜温度，防止温度过低导致水结冰从而影响试验进行，水槽321设于坡体120较低一侧，使水槽321可用于接收来自坡体120内受重力等因素下流的地下水。

在一些实施例中，如图2、图3所示，监测传感系统400包括计算机410、若干个温度传感器420、若干个应力传感器430、地下水监测组件440、三维激光扫描仪450及高清摄像头460；

多个温度传感器420分别埋设于坡体120的表面、坡体120的中心以及坡体120的底部，用于监测模型箱110内以及坡体120内的温度，可大概判断冻融情况。

多个应力传感器430分别安装于坡体120的后缘和坡体120的内部，坡体120后缘的应力传感器430用于监测推力大小，坡体120内部的应力传感器430用于监测滑坡失稳时内部裂隙所受应力情况。

地下水监测组件440包括孔隙水压传感器及湿度传感器，孔隙水压传感器及湿度传感器均设于坡体120内部，孔隙水压传感器用于监测因地下水变化引起的滑坡体120内部应力改变，湿度传感器用于监测滑坡体120内部相应位置的湿度，湿度传感器可测量相应位置的含水率，当含水率达到一定数值时，认为可根据含水率和湿度传感器所在的位置坐标估算滑坡体120内地下水位。

三维激光扫描仪450设于坡体120的一侧且其扫描端与坡体120对应，三维激光扫描仪450放置在模型箱110外，三维激光扫描仪450能够通过透明的模型箱110对坡体120进行扫描，在每进行一次温度改变后，利用三维激光扫描仪450对坡体120进行扫描，根据相应数据分析滑体122孔隙变化情况；高清摄像头460设于坡体120的一侧且其拍摄端与坡体120对应，高清摄像头460设有多个并分别布置在模型箱110的四周，用以记录滑坡变形过程，所有传感器均与计算机410连接，计算机410收集并储存数据，计算机410还与计时器260连接，计算机410负责收集温度信息并传输给计时器260，计时器260接收信息后开始或停止计时。

具体的，一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其装拆操作步骤如下：

(1)、首先在优选的场地将模型箱110、冻融循环系统200、水循环系统300以及监测传感系统400组装起来，冻融循环系统200放置在模型箱110上，河流侧蚀组件320与模型箱110相接，然后再将应力加载装置130、支撑抬升装置140、隔板211、制热组件220、制冷组件230、温控器240、散热风扇250和计时器260依次安装，同时也要将密胺海绵、供水管3111、水阀3122、第一流量计3123、第一水泵3124、第一进水管3125、第一出水管3131、第二进水管3221、第二出水管3231和水箱325等依次安装。

(2)、将砌筑好的滑床121模型放入箱体210中，再将组装好的供水盒3121、密胺海绵、供水管3111和滑体122依次置于滑床121之上，在填筑的过程中同时也要在特定位置埋设相应的传感器，在周围布设好高清摄像头460和三维激光扫描仪450，并将传感器、高清摄像头460以及三维激光扫描仪450与计算机410相连，检查线路完好，测试数据读取是否正常。

(3)、在试验结束后，先将监测系统关闭，然后依次拆除其它组件。

具体的，一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其使用操作步骤如下：

(1)、安装并测试装置一切正常后，首先打开应力加载装置130并根据需求设置推力大小，然后启动河流侧蚀组件320开始模拟河流侧蚀作用，待其对坡脚产生破坏后打开地下水循环组件310，此时密胺海绵迅速吸收水至饱和后逐渐将水补充给坡体120，待其运行稳定后可开启冻融循环系统200，根据需求设置好制冷最低温度以及后续制热最高温度，启动制冷组件230开始第一次制冷并开始数据的监测。

(2)、此时计时器260将根据计算机410传回的信息开始对制冷过程计时，计时结束后开启制热组件220，制热组件220将根据设定好的最高温度逐渐升温，计时器260再次工作，待其结束后即完成一次冻融循环过程，在此过程中，可根据试验进行情况通过控制台326随时调整水压泵3222和第二抽水泵3232等的运行，从而控制地下水的补给和排泄，在制冷时应控制地下水补给量大于排泄量，制热时增大补给量并恢复正常排泄。

(3)、接着重复操作步骤(1)，进行多次冻融循环直至滑坡变形失稳到最终完全破坏。

(4)、试验全过程由高清摄像头460拍摄记录，且每进行一次温度改变后，利用三维激光扫描仪450对坡体120进行扫描，将试验全过程中的滑坡模型中各监测点的孔隙水压力、各点位湿度、土体应力变化、温度变化以及坡脚侵蚀情况进行综合分析，并与不同阶段地下水的补给量和排泄量，冻融循环时间和温度等进行对比，总结地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融循环对边坡变形破坏的影响；另外还可根据三维激光扫描仪450的数据对滑坡模型孔隙和裂隙变化进行分析，研究地下水冻融致灾机制与破坏形式，总结地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融边坡失稳过程。

这里需要说明的是：上述实施例提供的对应的方法可实现上述各方法实施例中描述的技术方案，此处不再赘述。

本发明考虑了冻融循环条件对滑坡失稳的影响，并利用冻融循环系统200实现了冻融循环过程及对冻融温度的控制。

本发明不仅考虑了冻融循环条件，同时考虑了水对滑坡失稳的影响，配套了地下水循环系统300和河流侧蚀系统，实现了水对滑坡的渗透侵蚀作用。

本发明通过将供水管3111和吸水件314采用间隔排列的方式设置来提供地下水，可同时起到分层供水和保温的有益效果。

使本装置冻融循环作用过程较为完整，且结合多种水蚀作用实现冻融作用与水作用的共同模拟，使得模拟结果更加真实。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，包括：

试验模型，所述试验模型包括模型箱及坡体，所述模型箱内形成一试验腔，所述坡体内置于所述试验腔；

冻融循环系统，所述冻融循环系统包括制热组件及制冷组件，所述制热组件具有一与所述试验腔连通供以输送热气的制热端，所述制冷组件具有一与所述试验腔连通供以输送冷气的制冷端；

水循环系统，所述水循环系统包括地下水循环组件及河流侧蚀组件，所述地下水循环组件包括供水件、第一给水件、第一抽水件及多个吸水件，所述供水件包括多个并列布置于所述坡体内部的供水管，所述第一给水件及第一抽水件分别与多个所述供水管的两端连通、分别用于向所述供水管输送地下水及通过供水管抽出地下水，多个所述吸水件分别设于相邻两个供水管之间供以吸收并储存地下水，所述供水管与所述吸水件对应一侧沿所述供水管的长度方向开设有多个供水孔；所述河流侧蚀组件包括水槽、第二给水件、第二抽水件及翻转件，所述水槽设于所述坡体一侧且其内部与所述坡体对应，所述第二给水件及所述第二抽水件分别与所述水槽的两侧连通、分别用于向所述水槽内供水及抽出所述水槽内的水，所述翻转件转动设于所述水槽、用于转动时将水向所述坡体拨动；

监测传感系统，用于监测所述坡体失稳的过程。

2.根据权利要求1所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述试验模型还包括应力加载装置及支撑抬升装置；

所述支撑抬升装置包括千斤顶、上底板及下底板，所述下底板平铺于所述模型箱的底部，所述上底板与所述下底板转动相连，所述坡体设于所述上底板的上方，所述千斤顶设于所述上底板及下底板之间，且所述千斤顶的两端分别与所述上底板及所述下底板转动相连；

所述应力加载装置包括大力夹、支撑杆、液压缸及应力板，所述支撑杆设于所述坡体的较高一侧，所述液压缸的两端分别连接大力夹和应力板，所述应力板与所述坡体连接，所述大力夹与所述支撑杆可拆卸式夹持相连。

3.根据权利要求1所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述冻融循环系统还包括箱体、温控器、散热风扇及计时器；

所述箱体置于所述模型箱上，所述箱体内设有隔板供以将所述箱体分为制热室和制冷室两部分，所述制热室用于放置制热组件，所述制冷室用于放置制冷组件，所述箱体下侧与制热室和制冷室对应位置分别设有均与所述试验腔连通的热风口和冷风口；

所述温控器与所述制冷组件和所述制热组件均电连接；

所述模型箱的侧壁开设有安装通道，所述散热风扇设于所述安装通道；

所述计时器与所述监测传感系统电连接。

4.根据权利要求3所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述制热组件包括PTC加热器、第一蒸发风机和热风管道，所述第一蒸发风机置于所述PTC加热器上并用于接收PTC加热器产生的热量，所述热风管道的两端分别连接第一蒸发风机和热风口、用于将热量通过所述热风口传递至所述模型箱内。

5.根据权利要求3所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述制冷组件包括压缩机、冷凝器、冷凝风机、蒸发器、第二蒸发风机和冷风管道，所述压缩机的两侧分别连接冷凝器和蒸发器，所述冷凝器连接冷凝风机，所述蒸发器连接第二蒸发风机，所述冷风管道的两端分别连接第二蒸发风机和冷风口、用于将产生的冷气通过冷风管道传递至模型箱内。

6.根据权利要求1所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述水循环系统还包括水箱，所述水箱与所述第一给水件、第一抽水件、第二给水件及第二抽水件均连通。

7.根据权利要求6所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述第一给水件包括供水盒、水阀、第一流量计、第一水泵及第一进水管，所述供水盒设有两个，其中一个所述供水盒与坡体一侧相连并分别与多个供水管及第一进水管的一端连通、另一个供水盒放置于坡体内部滑带处并设于所述供水件及所述吸水件的外侧，第一进水管的另一端与水箱连通，第一进水管上设有水阀、第一流量计和第一水泵；

所述第一抽水件包括第一出水管及第一抽水泵，所述第一出水管一端与多个所述供水管均连通、其另一端与所述水箱连通，所述第一出水管上设有第一抽水泵；

所述吸水件包括密胺海绵，所述密胺海绵与所述供水管紧密相连。

8.根据权利要求6所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述第二给水件包括第二进水管、水压泵及第二流量计，所述第二进水管的一端与所述水槽的一侧连通、其另一端与所述水箱连通，所述第二进水管上设有水压泵及第二流量计；

所述第二抽水件包括第二出水管及第二抽水泵，所述第二出水管的一端与所述水槽的另一侧连通、其另一端与所述水箱连通，所述第二出水管上设有第二抽水泵；

所述翻转件包括螺旋桨及驱动部件，所述螺旋桨设于所述水槽，所述驱动部分的驱动端与所述螺旋桨相连供以驱动所述螺旋桨转动。

9.根据权利要求8所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述水循环系统还包括控制台，所述控制台与所述水压泵及第二抽水泵电连接，所述水槽内还设有加热棒，所述水槽设于所述坡体较低一侧。

10.根据权利要求1所述的一种地下水侵蚀与河流侧蚀耦合作用下冻融滑坡试验装置，其特征在于，所述监测传感系统包括计算机、若干个温度传感器、若干个应力传感器、地下水监测组件、三维激光扫描仪及高清摄像头；

各个所述温度传感器分别埋设于所述坡体的表面、坡体的中心以及坡体的底部，用于监测所述模型箱内以及坡体内的温度；

各个所述应力传感器安装于所述坡体的后缘和坡体的内部，所述坡体后缘的应力传感器用于监测推力大小，所述坡体内部的应力传感器用于监测滑坡失稳时内部裂隙所受应力情况；

所述地下水监测组件包括孔隙水压传感器及湿度传感器，所述孔隙水压传感器及湿度传感器均设于所述坡体内部，所述孔隙水压传感器用于监测因地下水变化引起的滑坡体内部应力改变，所述湿度传感器用于监测滑坡体内部相应位置的湿度；

所述三维激光扫描仪设于所述坡体的一侧且其扫描端与所述坡体对应，供以利用三维激光扫描仪对坡体进行扫描；

所述高清摄像头设于所述坡体的一侧且其拍摄端与所述坡体对应，供以拍摄所述坡体的变形过程。

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