CN117554597B - 用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滑坡灾害防治领域，公开了一种用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置及方法，包括控制中心和三维滑落对比模拟平台。三维滑落对比模拟平台包括滑落系统、滑落堆积区和监测系统。滑落系统包括两个以上的滑道、滑落控制系统和坡度控制系统。两个以上滑道至少包括一个直槽滑道和一个弯槽滑道。通过滑落控制系统和坡度控制系统对模拟滑落过程进行控制，利用监测系统进行信息监测，其可实现滑坡体下滑的全过程模拟，直观研究滑体运动过程中的动力学作用，获取滑坡运动参数和动力学效应规律，同时，还可调节和设置滑道坡度、弯曲度、倾斜度等特征信息，形成不同条件下滑体的运动和堆积特征，为滑坡灾害的预测预报及防治提供科学依据。

Description

用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置及方法

技术领域

本发明属于滑坡地质灾害防治领域，具体涉及一种用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置及方法。

背景技术

在我国青藏高原地处高山峡谷区，地质条件复杂，板块构造活动强烈，高位地质灾害频繁发生，特别是流域性地质灾害链，其动力学过程复杂多变，对重大工程的实施产生重大威胁。针对此类型地质灾害的风险评估，亟需考虑复杂地形条件下的滑坡动力学规律，而这些动力学参数难以在现场调查中获取。因此，大尺度的滑坡物理模型试验可以直观的观察滑体运动过程中的动力学作用，获取滑坡运动参数和动力学响应规律，同时，在室内进行滑坡试验，滑体材料可以循环使用。

现有滑坡物理模型试验装置大多基于二维条件下的平直型地形滑坡模拟，对于存在弯道运动路径三维空间下的滑坡模型试验很少有学者进行物理模型试验研究。

与一般平直型滑坡模型试验相比，弯曲地形条件下滑体的运动过程及能量转化变得更加复杂，一方面，因其在流通过程中受到附加离心作用而冲击弯道，产生弯道超高效应，滑体也因受到撞击导致运动方向发生偏离，堆积形态产生变化。另一方面，滑体运动过程中弯道侵蚀作用强烈，滑体流速整体上呈现先增大后减小再增大的趋势，但均难以进行量化。

于是，在现有平直型地形滑坡物理模拟试验装置的基础上，同时设置一种带有弯道运动路径的、三维空间下的滑坡物理模拟试验装置，真实、全面模拟滑坡过程的前提下，实现二者的同时比对试验，就成为本发明想要解决的主要问题。

发明内容

鉴于上述情况，本发明旨在提供一种基于二维和三维空间下的、用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡物理模型对比试验装置及其试验方法，通过设计不同坡度下直槽与弯槽的对比试验，准确记录滑坡运动过程中的动力学数据，探究坡度和弯道在滑坡运动过程中的响应机制，揭示弯道超高效应的规律和机理，为实际工程防治和风险评价提供规律性认识和数据支撑。

为了实现上述目的，本发明所述用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置及方法采用如下技术方案：

用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置，包括控制中心和三维滑落对比模拟平台，三维滑落对比模拟平台包括滑落系统、滑落堆积区和监测系统。其中，滑落系统包括两个以上的滑道、滑落控制系统和坡度控制系统。两个以上的滑道至少包括一个直槽滑道和一个弯槽滑道，滑道的高位起点分别设有滑落准备区。滑落控制系统包括架体、与滑道数量对应的槽门、开启式承重挂钩、重力箱和重力箱吊机。架体位于滑道高位起点的后侧。开启式承重挂钩和重力箱吊机分别设置在架体上，开启式承重挂钩和重力箱吊机分别与控制中心信号连通。槽门插接并阻挡在滑落准备区与滑落通道之间，槽门通过架体上的槽门钢丝和槽门滑轮组与重力箱相连接。坡度控制系统包括支撑架和支撑架吊机。支撑架吊机设置在架体上，支撑架吊机与控制中心信号连通。支撑架支撑在滑道下方，支撑架与滑道高位起点对应的一端通过架体上的支撑架滑轮组与支撑架吊机的吊线相连接。滑落堆积区用于滑道内模拟滑体滑落后的堆积，滑道的低位终点自然延伸至滑落堆积区。监测系统与控制中心信号连通，监测系统负责对从高位起点至堆积完成的模拟滑体的滑坡运动过程进行监测。控制中心负责各系统参数调控和采集监测系统的监测数据，并最终形成模拟滑体的滑坡运动对比分析数据。

所述滑道为拼接滑道。

所述支撑架两侧与架体之间还设有斜向的支撑柱，支撑架两侧设有通槽，支撑架通过通槽和螺栓与支撑柱相连接。

所述支撑架与滑道之间设有两个以上的弧形支架，弧形支架与滑道底部的形状相贴合。

所述滑落堆积区表面设有网格状的尺寸线。

所述监测系统包括分别与控制中心信号连通的地震动监测仪、压力传感器和高帧率工业相机。地震动监测仪设置在滑道下方的地面上。压力传感器设置在滑道的底部，并至少与滑道的起始位置、中间位置和终止位置相对应。高帧率工业相机设置在滑道的正面、侧面以及滑落堆积区的上方。

所述监测系统还包括无人机，无人机用于拍摄模拟滑坡运动结束后滑落堆积区的形态。

用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验方法，包括如下步骤：

步骤1、根据试验需要，拼接相应倾斜角度的弯槽滑道，并与对比使用的直槽滑道同时固定在支撑架上。

步骤2、根据监测需要，在相应位置设置监测系统的压力传感器、地震动监测仪和高帧率工业相机，并与控制中心信号连通。

步骤3、利用架体上的支撑架吊机和支撑架滑轮组吊起支撑架一端，形成滑道所需坡度。

步骤4、将模拟滑体堆积在相应滑道高位起点的滑落准备区内。

步骤5、通过控制中心启动架体上的重力箱吊机，将重力箱提升并挂在开启式承重挂钩上。

步骤6、利用地震动监测仪首先对试验场地进行静态监测，并将监测信息反馈到控制中心。

步骤7、通过控制中心驱动开启式承重挂钩开启，重力箱自然垂落并通过架体上的槽门钢丝和槽门滑轮组拉动槽门开启。

步骤8、模拟滑体通过滑道滑落到滑落堆积区内，同时，控制中心接收监测系统的监测数据，并最终形成模拟滑体的滑坡运动对比分析数据。

所述步骤8还包括利用无人机对滑落堆积区的堆积形态进行拍摄，并将拍摄图像最终传送到控制中心。

所述步骤2中，地震动监测仪设置在滑道下方的地面上；压力传感器设置在滑道的底部，并至少与滑道的起始位置、中间位置和终止位置相对应；高帧率工业相机设置在滑道的正面、侧面以及滑落堆积区的上方。

本发明所述用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置及方法的有益效果包括：可实现滑坡体下滑的全过程模拟，直观研究滑体运动过程中的动力学作用，获取滑坡运动参数和动力学效应规律，同时，可根据试验需要，调节和设置滑道坡度、弯曲度、倾斜度等特征信息，并通过直槽滑道和弯槽滑道的同时对比试验，形成不同条件下滑体的运动和堆积特征，为滑坡灾害的预测预报及防治提供科学依据。整个试验过程可在室内进行，滑体材料可以循环使用，拼接滑道可相互搭配使用，大大节省了人力和物力成本，提高了模拟试验效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明所述用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置的立体结构示意图；

图2是本发明所述用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置的侧向结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1和图2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

本发明所述的用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置，包括控制中心22和三维滑落对比模拟平台。其中，三维滑落对比模拟平台用于模拟滑体的对比滑落过程，以及对滑坡运动过程进行时时监测。控制中心22负责各系统参数调控和汇总监测数据，并最终形成模拟滑体的滑坡运动对比分析数据，完成复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验。

具体地，三维滑落对比模拟平台包括滑落系统、滑落堆积区18和监测系统。滑落系统用于模拟滑体的滑落控制。滑落堆积区18用于模拟滑体滑落后的堆积。监测系统用于模拟滑体的滑坡运动过程监测。

具体地，滑落系统包括两个滑道、滑落控制系统和坡度控制系统。当然，滑道的数量也可根据试验需要而设置更多个，以方便多种情况下的高位滑坡对比试验。

本例中，两个滑道包括一个直槽滑道11和一个弯槽滑道10。直槽滑道11和弯槽滑道10分别通过拼接方式构建完成，其采用亚克力材料制成，具有光滑和透明效果。弯槽滑道10所需的角度和倾斜度以分段方式逐步拼接构建，大大简化了弯槽滑道10的制作成本和制作难度，同时，不同角度和倾斜度的弯槽还具有可相互替换效果，方便了不同滑道的拼接组装。在直槽滑道11和弯槽滑道10的高位起点分别设有滑落准备区8，滑落准备区8用于模拟滑体滑落前的存放。当然，为提高模拟效果，模拟滑体的材料应由与实际滑坡体结构特征相似的岩石切割而成，粒径可根据具体试验要求确定。

本例中，滑落控制系统包括一个长方体状的架体1、与直槽滑道11和弯槽滑道10分别对应的两个槽门9、相对独立的一个重力箱2以及设置在架体1上的开启式承重挂钩21和重力箱吊机4。其中，架体1位于直槽滑道11和弯槽滑道10的高位起点后侧，架体1的高度高于滑道的高位起点。槽门9插接并阻挡在滑落准备区8与滑落通道之间，插接的槽门9通过架体1上槽门钢丝31和槽门滑轮组7与重力箱2相连接。开启式承重挂钩21和重力箱吊机4分别与控制中心22信号连通，重力箱吊机4用于将重力箱2提升，开启式承重挂钩21用于将提升后的重力箱2挂在架体1上，进而完成槽门9开启前的准备工作。

坡度控制系统用于调整直槽滑道11和弯槽滑道10的整体坡度。本例中，坡度控制系统包括一个相对独立的支撑架3、设置在支撑架3顶部的多个弧形支架12和一个设置在架体1上的支撑架吊机5。支撑架吊机5与控制中心22信号连通。支撑架3通过多个弧形支架12支撑并固定在直槽滑道11和弯槽滑道10的下方，弧形支架12与滑道底部的形状相贴合，弧形支架12可提升对滑道固定的稳定性，方便对各种弯度和倾斜度滑道进行适应性固定。支撑架3与滑道高位起点对应的一端通过架体1上支撑架滑轮组6和支撑架吊机5的吊线32相连接，通过支撑架吊机5的提升，支撑架3一端可停留在任意需要的高度位置上，进而形成滑道所需的坡度。

为进一步提升支撑架3左右两侧结构的稳定性，支撑架3两侧与架体1之间还设有斜向的支撑柱17。为方便角度调整后支撑架3与支撑柱17之间的连接固定，在支撑架3两侧设有通槽19，支撑架3可通过通槽19和螺栓20与支撑柱17相连接。

当然，坡度调整后的直槽滑道11和弯槽滑道10，其滑道的低位终点应自然延伸至滑落堆积区18，以形成流畅的模拟滑落过程。为方便对滑落堆积区18内模拟滑体的堆积形态进行测量和判断，本例中，在滑落堆积区18表面还设有网格状的尺寸线。

监测系统负责对从高位起点至堆积完成的模拟滑体的滑坡运动过程进行监测，并最终将监测数据汇总到控制中心22，形成模拟滑体的滑坡运动对比分析数据。本例中，监测系统包括分别与控制中心22信号连通的地震动监测仪13、压力传感器14和高帧率工业相机16，以及用于拍摄模拟滑坡运动结束后滑落堆积区多角度形态的无人机15。其中，地震动监测仪13设置在滑道下方的地面上。压力传感器14分布在滑道底部，并与滑道的起始位置、中间位置、弯曲位置和终止位置相对应。高帧率工业相机16设置在滑道的正面、侧面以及滑落堆积区18的上方，其正面拍摄的照片用于进行PIV粒子速度解算，侧面拍摄的照片用于分析模拟滑体在弯道处的边界层效应及弯道超高效应，滑落堆积区18上方拍摄的照片用于拍摄滑体材料冲出滑槽后的堆积过程及最终堆积形态。无人机15的拍摄过程可弥补滑落堆积区18上方拍摄照片的不足，并以多角度拍摄方式为后续控制中心22的建模过程提供帮助。

基于上述试验装置，本发明所述的用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验方法，具体步骤包括：

步骤1、根据试验需要，拼接相应倾斜角度的弯槽滑道10，并与对比使用的直槽滑道11同时固定在支撑架上。

当然，上述固定过程，可利用支撑架3上设置的多个弧形支架12分别对各个拼接滑道进行支撑，既可对滑道形成较为稳固的支撑效果，又可随着滑道的倾斜角度进行定向、定位支撑，以保证支撑稳定性。

滑道拼接过程，可使较为复杂的滑道简单化，同时，降低了滑道的制作成本和制作难度，为更好的模拟复杂地形动力学环境提供帮助。

在支撑架3上同时设置直槽滑道11和弯槽滑道10，可以在同等条件下快速完成对比试验，为复杂地形动力学模拟的高位滑坡试验提供帮助。

步骤2、根据监测需要，在相应位置设置监测系统的压力传感器14、地震动监测仪13和高帧率工业相机16，并与控制中心22信号连通。

本方法中，地震动监测仪13设置在滑道下方的地面上。压力传感器14设置在滑道的底部，并根据滑道需要设置在滑道的起始位置、中间位置、弯曲位置和终止位置上。高帧率工业相机16设置在滑道的正面、侧面以及滑落堆积区18的上方。

通过监测系统对模拟滑体的滑落过程进行全方位监测，并时时将监测信息汇总到控制中心22，进而通过控制中心22自动分析形成所需的滑坡运动对比分析数据。

步骤3、利用架体1上的支撑架吊机5和支撑架滑轮组6吊起支撑架3一端，形成滑道所需坡度。

由于滑道在拼接过程中可以形成所需的倾斜角度、弯度等结构要求，所以，此步骤中只需对已固定在支撑架3上的滑道进行整体坡度设置。通过支撑架吊机5吊起位于与滑道高位起点端对应的支撑架3一端，即可形成所需的整体滑道坡度，大大方便了坡度调整。保持支撑架一端的吊起状态，即可进行后续滑落模拟过程。当然，为进一步提高支撑架3整体的稳定性，在支撑架3与架体1之间还可设置斜向的支撑柱17，以保证支撑架3两侧的结构稳定。

步骤4、将模拟滑体堆积在相应滑道高位起点的滑落准备区8内。

模拟滑体采用的材料应与实际滑坡体结构特征相似的岩石切割而成，其粒径和数量可根据具体试验要求确定。具体地，模拟滑体可通过料箱进行盛装和数量计算，然后通过升降机进行提升并堆放在滑落准备区8内。由于滑落准备区8与滑落通道之间设有插接的槽门9，所以模拟滑体此时处于静止和待用状态。

步骤5、通过控制中心22启动架体1上的重力箱吊机4，将重力箱2被提升并挂在开启式承重挂钩21上。

为真实模拟高位滑坡过程，槽门9开启需通过重力箱2直接作用形成。重力箱2首先通过重力箱吊机4吊起后挂在架体1的开启式承重挂钩21上，开启式承重挂钩21可通过控制中心22进行操控开启，进而释放重力箱2掉落，形成槽门9快速开启。

步骤6、利用地震动监测仪13首先对试验场地进行静态监测，并将监测信息反馈到控制中心22。

为形成有效的地震动监测数据，在整个装置准备模拟试验前，需要先通过设置在地面的地震动监测仪13进行静态监测，并反馈监测信息到控制中心22。

步骤7、通过控制中心22驱动开启式承重挂钩21开启，重力箱2自然垂落并通过架体1上的槽门钢丝31和槽门滑轮组7拉动槽门9开启。

开启式承重挂钩21开启后，重力箱2自然掉落，重力箱2通过槽门钢丝31和槽门滑轮组7带动槽门9瞬间开启，模拟滑体沿滑道自然滑落。

步骤8、模拟滑体通过滑道滑落到滑落堆积区18内，同时，控制中心22接收监测系统的监测数据，并最终形成模拟滑体的滑坡运动对比分析数据。

滑落过程中，监测系统进行监测数据时时采集和时时传送，汇总到控制中心22后形成分析数据。当然，为对滑落堆积区18的堆积形态进行后期建模，监测过程还可包括利用无人机15对滑落堆积区18的堆积形态进行拍摄，结合滑落堆积区18表面设置的网格状的尺寸线，最终在控制中心22实现量化分析，提升建模过程。

至此，整个对比试验过程完成。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置，其特征在于，包括控制中心和三维滑落对比模拟平台，所述三维滑落对比模拟平台包括滑落系统、滑落堆积区和监测系统；其中，

所述滑落系统包括两个以上的滑道、滑落控制系统和坡度控制系统；

所述两个以上的滑道至少包括一个直槽滑道和一个弯槽滑道，滑道的高位起点分别设有滑落准备区；

所述滑落控制系统包括架体、与滑道数量对应的槽门、开启式承重挂钩、重力箱和重力箱吊机；所述架体位于滑道高位起点的后侧；所述开启式承重挂钩和重力箱吊机分别设置在架体上，开启式承重挂钩和重力箱吊机分别与控制中心信号连通；所述槽门插接并阻挡在滑落准备区与滑落通道之间，槽门通过架体上的槽门钢丝和槽门滑轮组与重力箱相连接；

所述坡度控制系统包括支撑架和支撑架吊机；所述支撑架吊机设置在架体上，支撑架吊机与控制中心信号连通；所述支撑架支撑在滑道下方，支撑架与滑道高位起点对应的一端通过架体上的支撑架滑轮组与支撑架吊机的吊线相连接；所述支撑架两侧与架体之间还设有斜向的支撑柱，支撑架两侧设有通槽，支撑架通过通槽和螺栓与支撑柱相连接；

所述滑落堆积区用于滑道内模拟滑体滑落后的堆积，滑道的低位终点自然延伸至滑落堆积区；

所述监测系统与控制中心信号连通，监测系统负责对从高位起点至堆积完成的模拟滑体的滑坡运动过程进行监测；

所述控制中心负责各系统参数调控和采集监测系统的监测数据，并最终形成模拟滑体的滑坡运动对比分析数据。

2.根据权利要求1所述的用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置，其特征在于，所述滑道为拼接滑道。

3.根据权利要求1所述的用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置，其特征在于，所述支撑架与滑道之间设有两个以上的弧形支架，弧形支架与滑道底部的形状相贴合。

4.根据权利要求1所述的用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置，其特征在于，所述滑落堆积区表面设有网格状的尺寸线。

5.根据权利要求1所述的用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置，其特征在于，所述监测系统包括分别与控制中心信号连通的地震动监测仪、压力传感器和高帧率工业相机；所述地震动监测仪设置在滑道下方的地面上；所述压力传感器设置在滑道的底部，并至少与滑道的起始位置、中间位置和终止位置相对应；所述高帧率工业相机设置在滑道的正面、侧面以及滑落堆积区的上方。

6.根据权利要求5所述的用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置，其特征在于，所述监测系统还包括无人机，所述无人机用于拍摄模拟滑坡运动结束后滑落堆积区的形态。

7.用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-6任一项所述用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验装置实现，包括如下步骤：

步骤1、根据试验需要，拼接相应倾斜角度的弯槽滑道，并与对比使用的直槽滑道同时固定在支撑架上；

步骤2、根据监测需要，在相应位置设置监测系统的压力传感器、地震动监测仪和高帧率工业相机，并与控制中心信号连通；

步骤3、利用架体上的支撑架吊机和支撑架滑轮组吊起支撑架一端，形成滑道所需坡度；

步骤4、将模拟滑体堆积在相应滑道高位起点的滑落准备区内；

步骤5、通过控制中心启动架体上的重力箱吊机，将重力箱提升并挂在开启式承重挂钩上；

步骤6、利用地震动监测仪首先对试验场地进行静态监测，并将监测信息反馈到控制中心；

步骤7、通过控制中心驱动开启式承重挂钩开启，重力箱自然垂落并通过架体上的槽门钢丝和槽门滑轮组拉动槽门开启；

步骤8、模拟滑体通过滑道滑落到滑落堆积区内，同时，控制中心接收监测系统的监测数据，并最终形成模拟滑体的滑坡运动对比分析数据。

8.根据权利要求7所述用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验方法，其特征在于，所述步骤8还包括利用无人机对滑落堆积区的堆积形态进行拍摄，并将拍摄图像最终传送到控制中心。

9.根据权利要求7所述用于复杂地形动力学模拟的高位滑坡对比试验方法，其特征在于，所述步骤2中，所述地震动监测仪设置在滑道下方的地面上；所述压力传感器设置在滑道的底部，并至少与滑道的起始位置、中间位置和终止位置相对应；所述高帧率工业相机设置在滑道的正面、侧面以及滑落堆积区的上方。