CN217305159U - 室内人工降雨与监测边坡稳定性装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，包括模型填筑系统、降雨系统、地下水位系统、集水系统、摄像系统和边坡稳定性监测系统；模型填筑系统为封闭透明的方形钢框架结构，模型填筑系统内部填筑有由填土和基岩组成的边坡结构；降雨系统安装在模型填筑系统的顶部；模型填筑系统的两侧设有地下水位系统和集水系统；摄像系统的摄像镜头正对边坡结构，进行记录拍摄；所述边坡稳定性监测系统的传感装置设置在边坡结构内部。本装置可以模拟无地下水位情况时不同降雨强度下边坡的稳定性变化，也可以单独模拟地下水位升降下边坡的稳定性变化，还可以模拟降雨与地下水位升降共同作用下边坡的稳定性变化。故实用性强，可重复试验，操作性强。

Description

室内人工降雨与监测边坡稳定性装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程及降雨模拟技术领域，重点涉及边坡模型降雨工况下坡体稳定性分析，尤其涉及室内人工降雨与监测边坡稳定性装置。

背景技术

我国东南沿海受季风影响较严重的地区，在雨季降雨量较大时易引起高陡边坡失稳，因此研究降雨以及地下水位变化时的边坡失稳机理是十分有必要的。边坡失稳是由许多内在因素与外在因素引起的，坡面降雨和坡内地下水位变化是常见的诱因。这是因为降雨形成的地表水不但会冲刷边坡表面诱发泥石流，而且会入渗到坡体内部增大坡面土体自重，增大下滑能力，降低坡面土体抗剪强度，减小抗滑能力。对于岩质边坡，降雨形成的地表水沿着岩石裂隙入渗至边坡软弱夹层，导致软弱夹层含水量及孔隙水压力升高，夹层强度降低形成坡内潜在滑动带，随着降雨时间的增长，抗滑力逐渐小于下滑力，滑体沿着滑动带发生滑动，边坡失稳。对于土质边坡，地下水位上升与地表水入渗导致边坡渗流场发生变化，坡内基质吸力降低，孔隙水压力增加，土体强度参数降低，边坡内部逐渐形成塑性贯通区，进而导致边坡失稳。

天然降雨及地下水位变化难以应用在试验中，故研发室内人工降雨技术及地下水位变化技术是试验关键。室内降雨模型试验可监测边坡模型在降雨条件下的动力响应，分析边坡模型的稳定性，进而推广至实际工程，然后根据试验结果采取合适的支挡结构物与防护措施保证工程的安全与稳定。室内人工降雨有着很多优点，降雨稳定，流量可控，降雨类型可控。但是现如今的室内人工降雨方案还比较单一，对于降雨方案，不能同时控制多个因素，对于地下水位线的影响也考虑地较少，且对于边坡的监测不是很完善，整个模型试验的结构与装置不够连续、完整，大部分的降雨模型试验只可以完成一部分的试验内容，无法做到用一个完整的试验装置达到多种试验效果。因此，本实用新型针对这些不足提出了改进与补充，将降雨的不同条件与边坡响应等结合至一个模型试验中，可模拟降雨工况、地下水位变化工况、降雨与地下水位变化同时发生的工况。

实用新型内容

本实用新型提供了一种室内人工降雨与监测边坡稳定性的装置，其目的在于通过室内试验，控制降雨强度、降雨类型与地下水位等，研究不同条件对高陡边坡土体稳定性影响。本试验装置精密，性能优良，可通过调节装置改变多种试验条件来模拟不同的降雨条件，考虑地更加全面，试验结果更加地可靠。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，包括模型填筑系统、降雨系统、地下水位系统、集水系统、摄像系统和边坡稳定性监测系统；模型填筑系统为封闭透明的方形钢框架结构，模型填筑系统内部填筑有由填土和基岩组成的边坡结构；所述的降雨系统安装在模型填筑系统的顶部，降雨系统中的水泵将水箱中的水泵送至模型填筑系统顶部的雾化喷头，雾化喷头正对边坡结构进行降雨模拟；模型填筑系统的两侧设有地下水位系统和集水系统；摄像系统的摄像镜头正对边坡结构，进行记录拍摄；所述边坡稳定性监测系统的传感装置设置在边坡结构内部。

所述模型填筑系统用于放置需要进行研究的边坡缩尺模型，根据相似理论定理，边坡缩尺模型的尺寸、土层分布及支挡结构物尺寸、分布等可根据实际工程需要进行缩尺填筑，从而模拟不同的地质情况；模型填筑系统的侧壁及底板经过丁基自粘防水胶带及透明玻璃纸密封处理，避免水滴渗出箱外。

所述模型填筑系统为由底板1、侧面2、背面3和顶面4组成的方形钢框架，方形钢框架的内侧由高强度亚克力板5粘结连接。

具体地，试验可设计具有不同强度参数的土层、填筑不同类型的土质来模拟不同地质情况，还可研究各种不同的支挡结构物形式、布置位置及具体尺寸对于高陡边坡稳定性的影响，可重复试验，操作性强。

所述降雨系统用于调节边坡模型人工降雨的类型及雨量，通过调速器、稳压器等装置便可以稳定地控制降雨量(小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨)与降雨类型(平均型、前峰型、中锋型、后峰型)；其次通过高强度线缆调节喷头高度模拟不同降雨高度对坡面径流-入渗关系的影响。

所述降雨系统由第一个水箱6、第一个水泵7、调速器8、稳压器9、木制框架梁10、PE水管11、雾化喷头12、用于调节喷头高度的高强度线缆13 和流量计14组成。

第一个水泵7从第一个水箱6中抽取水，通过PE水管11输送至雾化喷头12，第一个水泵7的侧部设有调速器8与稳压器9，通过雾化喷头12实现降雨，调速器8能够调节雾化喷头12的出水量与出水方式，进而调节雨量与降雨类型；通过实时控制水流量大小和方式，从而达到所需要的降雨条件，稳压器 9可保证降雨的稳定性和连续性，据此可实现降雨的调控；雾化喷头12通过高强度线缆13绑扎在木制框架梁10上；高强度线缆13能够调节雾化喷头12的高度，即控制降雨的高度，改变雨滴到达坡面的速度，来观察对坡面及内部的影响。故两者结合，可以完整地研究各种降雨条件下，高陡边坡的响应，全面而又严谨。 PE水管11上设有流量计14。

所述木制框架梁10为针对降雨模型专门设计制作的，木制框架梁10 安装在模型填筑系统的顶部，用于固定雾化喷头12间的水管及雾化喷头12。

所述调速器8型号为直流电机20A脉宽调速器；稳压器9型号为 JC2405；流量计14为超声波流量计，型号为BS-NU-1.15，测量范围为 0.035-1.6L/min。

所述地下水位系统主要通过注水管，在坡底从坡后向坡内注水，最大程度地使目标地下水位线以下土体含水率接近饱和状态，进而研究边坡内部地下水对边坡稳定性的影响。

所述地下水位系统，地下水位系统由第二个水箱6、第二个水泵7、注水管19组成；

第二个水泵7从第二个水箱6中抽取水并输送至注水管19中，注水管 19经过埋设在边坡结构内的水管，向边坡结构的底部注入水，选取合适的速度使得水流均匀流至坡底，模拟边坡结构的地下水位线，使得由坡底往上的土体含水率逐层达到饱和状态，以研究边坡内部地下水对边坡稳定性的影响。

具体地，注水水管的位置影响着目标地下水位线的倾角，故可以改变注水水管的长度，以改变注水位置，从而模拟不同倾角的地下水位线，使地下水位线以下的土体达到饱和状态，以研究边坡内部地下水位线升降对边坡稳定性的影响。

地下水位线的高度通过坡底布置的含水率计23来监测。

所述集水系统用于及时收集因坡面径流淤积在坡脚处的雨水及冲刷滑落物，避免因试验模型箱尺寸所限导致坡脚积水无法排走而与真实情况相异，

所述集水系统由第三个水箱6、第三个水泵7、水管20、集水槽15组成；集水槽15设置在模型填筑系统的底部一侧，第三个水泵7通过水管20将第三个水箱6与集水槽15连通。

因坡面径流会有雨水来不及渗入坡内而向下流至坡脚，从而淤积在坡脚，这些水流会对坡体试验产生影响，故设置集水槽，收集这些多余的雨水。

再由一根水管插入集水槽中引流，通过水泵将集水槽中积累的雨水抽取至水箱中，以免集水槽中雨水过多而溢出，对试验造成影响。

所述摄像系统用于记录因降雨产生的坡面标记点及支挡结构位移，坡面不同位置冲刷物的滑落情况，坡面裂缝产生、发展，滑带贯通的过程。

所述摄像系统，由钢板16、钢筋17、摄像手机18组成；钢筋17的顶部安装在模型填筑系统的顶部，钢筋17的底部固定在有钢板16，摄像手机18 安装在钢板16上；摄像手机18正对地下水位系统、集水系统进行拍摄；摄像系统为多组，分布在模型填筑系统内部，对不同的监测点进行监测。

所述摄像手机的相机镜头为双1200万像素后置镜头，可以满足试验需求。

所述边坡稳定性监测系统根据埋设在模型内部的含水率计、孔隙水压力计、光栅、土压力盒等仪器监测边坡模型坡内水分迁移情况、坡内土体形变趋势以及土压力增长规律。

所述边坡稳定性监测系统由边坡内埋置的光栅21、土压力盒22、含水率计23、孔隙水压力计24，边坡结构坡面埋置的位移监测计25组成；光栅 21设置在边坡结构上，土压力盒22预埋设在边坡结构中；含水率计23和孔隙水压力计24埋设在填土27中。

降雨作用下，边坡会发生相应的动力响应，在坡体内部埋入相应的仪器便可采集到相应的数据，通过数据处理可获取含水率、坡体应变、土压力、位移等具体数据与变化趋势，以模拟坡体内部变化；三个所述的水箱6设置在模型填筑系统的外部。

土压力盒采用电阻应变式土压力计，型号为DYB-3；含水率计采用 CYY-SF型含水率计，孔隙水压力计型号为CYY2，位移监测计型号为CYY-CJWY；

本实用新型的优点在于：降雨系统与地下水位系统是独立存在的，互不干扰。本试验可以单独模拟无地下水位情况时不同降雨强度下边坡的稳定性变化，也可以单独模拟地下水位升降下边坡的稳定性变化，还可以模拟降雨与地下水位升降共同作用下边坡的稳定性变化。故实用性强，可重复试验，操作性强。

附图说明

为了更加清晰明了地说明本实用新型专利的实用新型内容与实施方式等，以下对附图进行简单说明。

图1为本实用新型的模型箱结构整体示意图。

图2为本实用新型的降雨设备布置图。

图3为本实用新型的坡后注水布置图。

为更好地帮助理解，现将各标号罗列如下：1—钢框架底板，2—钢框架侧面，3—钢框架背面，4—钢框架顶面，5—高强度亚克力板，6—水箱，7—水泵，8—调速器，9—稳压器，10—木制框架梁，11—PE水管，12—雾化喷头， 13—用于调节喷头高度的高强度线缆，14—流量计，15—集水槽，16—钢板， 17—钢筋，18—摄像手机，19—注水管，20—水管，21—光栅，22—土压力盒， 23—含水率计，24—孔隙水压力计，25—位移监测计，26—基岩，27—填土。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例，对本实用新型的具体技术方案做详细系统描述说明，以便于本领域的技术人员更好地理解本实用新型。但所述实施案例仅是本实用新型的部分实施案例，而不是全部实施案例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在未做出创造性劳动的前提下所获得的全部其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。

本实用新型是一种在降雨及地下水作用下对高陡边坡稳定性研究的模型。整个模型可用于分析边坡在一定的地形条件下采用不同加固方案并受地下水位高度变化、不同降雨强度以及降雨类型作用下的稳定性能，为实际工程建设提供指导意见。

如图1所示，是本实用新型的模型试验装置的结构示意图，包括模型填筑系统、降雨系统、地下水位系统、集水系统、摄像系统和边坡稳定性监测系统；

所述模型填筑系统以缩尺模型模拟实际工程中所需研究稳定性能的边坡与支挡结构物，即边坡和支挡构造物根据实际工程的需要进行缩尺填筑；

所述降雨系统主要用于模拟边坡模型中不同类型前峰型，中锋型、后峰型、均匀型、不同雨量小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨以及不同降雨高度的降雨。

所述地下水位系统用于模拟边坡内部的地下水情况，其与所述降雨系统相互独立，即不仅可模拟不同降雨强度、降雨类型而无地下水的工况，也可模拟不同地下水位高度而无降雨的工况，亦可模拟不同地下水位高度和不同降雨强度、降雨类型相结合的工况。

所述集水系统用于模拟实际工程中及时排走坡脚积水的情况，收集因坡面径流淤积在坡脚处的雨水及冲刷滑落物，同时也可重复回收利用坡面径流而未渗入坡体内部的雨水。

所述摄像系统，记录因降雨产生的坡面标记点与支挡结构物的位移，坡面不同位置冲刷物的滑落情况，坡面裂缝产生、发展，滑带贯通的过程。

所述边坡稳定性监测系统，实现在不同地下水位高度和不同降雨类型、强度的工况下全程实时监测边坡模型内含水率计、孔隙水压力计、光栅、土压力盒等仪器的数据变化情况，得出坡体内水分迁移的情况，研究坡体内土压力增长规律和土体变形的趋势。

如图1所示，所述模型填筑系统，包括铸钢模型箱体，底部设钢板1，侧面设钢框架2，背面设钢框架3，顶面设钢框架4，为便于观察，将箱体背面钢框架3内侧、侧面钢框架2内侧设置透明可视高强度亚克力板5；

所述降雨系统，包括水箱6，水箱出水管道上依次连接水泵7，流量计14，PE水管11和雾化喷头12，所述的PE水管11和雾化喷头12通过扎丝固定在木制框架梁10上，在木制框架梁10上连有高强度线缆13可用于调节雾化喷头的高度；稳压器先调节标准电压220V至稳定的工作电压24V之后，利用工作电压通过调速器控制水泵功率。

所述地下水位系统，包括水箱6和含水率计23，所述水箱出水管道上用注水管19连接水泵7注水水箱6，所述含水率计埋设于缩尺模型坡体预设地下水位线处，通过坡底含水率计变化以控制地下水位的高度；

所述集水系统，包括集水槽15，集水槽中的出水水管20依次连接水泵7、水箱6。

所述摄像系统，包括上下两块钢板16，在两块钢板16上各开有一定大小的四个孔并通过螺母将其按照一定角度可根据需要调节倾斜角度固定在四根钢筋17上并在两块钢板之间安置摄像手机18，并将摄像手机18的摄像头放置在钢板之外。

所述边坡稳定性监测系统，包括埋设于模型填筑系统中缩尺模型坡体内部的多个光栅21、土压力盒22、含水率计23和孔隙水压力计24。埋设于缩尺模型坡体表面的位移计25监测坡体表面的位移变化，埋设于缩尺模型坡体内部的光栅用于监测坡体内部的应变变化，土压力盒用于监测坡体内部土压力的变化，含水率计用于监测坡体内部土体水分迁移规律，孔隙水压力计用于监测坡体内部土体孔隙水压力的变化，位移监测计用于监测坡体表面土体的位移。多个光栅21、土压力盒22、含水率计23、孔隙水压力计24和位移监测计25均连接实时监测并记录数据的数据采集仪。

如图2所示，所述的降雨系统中的PE水管11和雾化喷头12通过扎丝固定在木制框架梁10上，每两个喷头间隔38cm串联在一起形成一组共计五组，再间隔42cm将每组并联，共计有20个雾化喷头。

如图1所示，所述的边坡稳定性监测系统中光栅21、位移监测计25 可设置在距模型系统中铸钢模型箱体背面钢框架3内侧的高强度亚克力板5约 0.810m处，土压力盒22、含水率计23、孔隙水压力计24可设置在距模型系统中铸钢模型箱体背面钢框架3内侧的高强度亚克力板5约0.755m处。

降雨作用及地下水位变化作用下高陡边坡稳定性研究模型具体操作步骤如下。

获得实际工程现场工点的地质勘查资料，确定模型填筑系统中的模型缩尺比例，现场选取代表性土样，运回实验室后按现场物性试验所得结果重新配置土样至现场取样时性状，做土的物性试验。

在模型填筑系统的铸钢模型箱体的背面钢框架3内侧、侧面钢框架2 内侧安装透明可视高强度亚克力板5，并用防水胶带密封缝隙以防止漏水，在四周的高强度亚克力板上根据现场工点的地质资料与所确定的模型缩尺比例用黑色记号笔标记出各层土的高度和位置方便后续填筑。

在模型填筑系统中的铸钢模型箱体的侧面钢框架2的内侧高强度亚克力板5上安装注水管19，并依次连接水泵7、水箱6，完成地下水位系统注水装置安装。

根据所得的现场工点的地质资料与所确定的模型缩尺比例，将土样调配至工点现场物性状态，分层填筑到模型填筑系统中的铸钢模型箱体内并压实至工点现场压实度。

分层填筑缩尺模型过程中需按照所确定的各类仪器具体间距和数量在坡体内部不同土层高度处埋设光栅21、土压力盒22、含水率计23、孔隙水压力计24，在坡体表面埋设位移监测计25，并将各类仪器与数据采集仪相连接，数据采集仪实时监测并记录数据，完成边坡稳定性监测系统的设置；

将10个雾化喷头12按照每两个串联成5组再并联的方式与PE水管组装成整体，通过扎丝将PE水管11和雾化喷头12固定在手工制作的木制框架梁10上并依次连接水泵7、调速器8、稳压器9、水箱6、流量计14，再将已固定PE水管11和雾化喷头12的木制框架梁10通过高强度线缆13的长短来调节雾化喷头12距模型填筑系统中缩尺模型坡面的距离，完成降雨系统的设置。

在模型填筑系统中的铸钢模型箱体前部安装的集水槽15内依次连接水管20、水泵7、水箱6，完成集水系统的设置。

在模型填筑系统中的铸钢模型箱体前部安装的四根钢筋17上通过螺母将两块钢板16以一定角度固定，并在两块钢板16之间安置摄像手机18，完成摄像系统的设置。

通过地下水位系统中水泵7的调节与含水率计23的监测可以模拟不同的地下水位高度，通过调节降雨系统中的调速器8可以模拟不同的自然降雨强度，并以此按照一定的时间间隔调节调速器8以模拟自然界中不同的降雨类型，如：平均型、前峰型、中锋型、后峰型，降雨系统与地下水位系统相互独立互不干涉，因而可模拟不同降雨强度、类型而无地下水的工况、不同地下水位高度而无降雨的工况、不同地下水位高度和不同降雨强度、类型相结合的工况。

针对降雨工况、地下水位变化工况、降雨与地下水位变化同时发生的三种工况分别采用三种实施方式。

针对降雨工况，关闭地下水位系统开关，打开降雨系统开关，通过调节降雨系统中的调速器8可以模拟不同的自然降雨强度，并以此按照一定的时间间隔调节调速器8以模拟自然界中不同的降雨类型，通过边坡稳定性监测系统中的各类仪器和数据采集仪测得的含水率值、孔隙水压力值、应变值、土压力值、坡面位移值等数据分析模型坡体内水分迁移情况，土体形变趋势，土压力增长规律，得出降雨和地下水作用下边坡的稳定性变化规律。

针对地下水位变化工况，打开地下水位系统开关，关闭降雨系统开关，通过含水率计监测地下水位高度，实时调节地下水位线高度。通过边坡稳定性监测系统中的各类仪器和数据采集仪测得的含水率值、孔隙水压力值、应变值、土压力值、坡面位移值等数据分析模型坡体内水分迁移情况，土体形变趋势，土压力增长规律，得出降雨和地下水作用下边坡的稳定性变化规律。

针对降雨与地下水位变化同时发生的工况，先打开地下水位系统开关，关闭降雨系统开关，通过含水率计监测地下水位高度，实时调节地下水位线高度。然后关闭地下水位系统开关，打开降雨系统开关，通过调节降雨系统中的调速器 8可以模拟不同的自然降雨强度，并以此按照一定的时间间隔调节调速器8以模拟自然界中不同的降雨类型，通过边坡稳定性监测系统中的各类仪器和数据采集仪测得的含水率值、孔隙水压力值、应变值、土压力值、坡面位移值等数据分析模型坡体内水分迁移情况，土体形变趋势，土压力增长规律，得出降雨和地下水作用下边坡的稳定性变化规律。

本实用新型的保护范围不限于上述具体实施方式。

本实用新型中采用了具体工程案例对本实用新型原理及实施方法进行了系统阐述，上述具体实施方式说明只是用于介绍本实用新型的方法和实施方式。依据本实用新型具体实施方法和试验范围可开展多种组合工况研究。本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本实用新型的技术创新范围。

Claims (7)

1.室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，其特征在于：包括模型填筑系统、降雨系统、地下水位系统、集水系统、摄像系统和边坡稳定性监测系统；模型填筑系统为封闭透明的方形钢框架结构，模型填筑系统内部填筑有由填土和基岩组成的边坡结构；所述的降雨系统安装在模型填筑系统的顶部，降雨系统中的水泵将水箱中的水泵送至模型填筑系统顶部的雾化喷头，雾化喷头正对边坡结构进行降雨模拟；

模型填筑系统的两侧设有地下水位系统和集水系统；

所述边坡稳定性监测系统的传感装置设置在边坡结构内部；摄像系统由钢板(16)、钢筋(17)、摄像手机(18)组成；钢筋(17)的顶部安装在模型填筑系统的顶部，钢筋(17)的底部固定在有钢板(16)，摄像手机(18)安装在钢板(16)上；摄像手机(18)正对地下水位系统、集水系统进行拍摄；摄像系统为多组，分布在模型填筑系统内部；

所述边坡稳定性监测系统由边坡内埋置的光栅(21)、土压力盒(22)、含水率计(23)、孔隙水压力计(24)，边坡结构坡面埋置的位移监测计(25)组成；光栅(21)设置在边坡结构上，土压力盒(22)预埋设在边坡结构中；含水率计(23)和孔隙水压力计(24)埋设在填土(27)中。

2.根据权利要求1所述的室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，其特征在于：所述模型填筑系统为由底板(1)、侧面(2)、背面(3)和顶面(4)组成的方形钢框架，方形钢框架的内侧由高强度亚克力板(5)粘结连接。

3.根据权利要求1所述的室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，其特征在于：所述降雨系统由第一个水箱、第一个水泵、调速器(8)、稳压器(9)、木制框架梁(10)、PE水管(11)、雾化喷头(12)、用于调节喷头高度的高强度线缆(13)和流量计(14)组成；

第一个水泵从第一个水箱中抽取水，通过PE水管(11)输送至雾化喷头(12)，第一个水泵的侧部设有调速器(8)与稳压器(9)，通过雾化喷头(12)实现降雨；雾化喷头(12)通过高强度线缆(13)绑扎在木制框架梁(10)上；PE水管(11)上设有流量计(14)。

4.根据权利要求3所述的室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，其特征在于：所述木制框架梁(10)安装在模型填筑系统的顶部。

5.根据权利要求1所述的室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，其特征在于：所述地下水位系统，地下水位系统由第二个水箱、第二个水泵、注水管(19)组成；第二个水泵从第二个水箱中抽取水并输送至注水管(19)中，注水管(19)为埋设在边坡结构内的水管。

6.根据权利要求3所述的室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，其特征在于：地下水位线的高度通过坡底布置的含水率计(23)监测。

7.根据权利要求1所述的室内人工降雨与监测边坡稳定性装置，其特征在于：所述集水系统由第三个水箱、第三个水泵、水管(20)、集水槽(15)组成；集水槽(15)设置在模型填筑系统的底部一侧，第三个水泵通过水管(20)将第三个水箱与集水槽(15)连通。

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