一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟装置及其测量方法与流程

文档序号:11108232
一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟装置及其测量方法与制造工艺

本发明涉及滑坡模拟技术领域,具体涉及一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟装置及其测量方法。



背景技术:

滑坡地质灾害具有发生频度高、范围广、危害大等特点,已经在全世界范围内造成了大量的人员伤亡和经济损失。仅2004年到2010年间,全球至少发生了2620次不同程度的山体滑坡,超过32322人在滑坡灾害中丧失了宝贵的生命。我国拥有大面积的山区不利地形,加之雨季等恶劣气象的影响,加剧了滑坡灾害发生的规模和频率,更容易造成人员伤亡和经济损失。滑坡灾害越来越受到研究者的关注。

边坡模拟材料方面:传统方法如采用水泥、石膏、重晶石粉、蒙脱石、铁粉、石英砂、细砂、硼砂、甘油、有机质、水为基本原料模拟边坡材料。为了更好地实现相似材料特性的模拟,多数研究者更倾向于采用多种原料制作成试验用复合材料的方法来模拟边坡,优点是每种原料容易获得,缺点是需要对多种配比进行大量的实验,才能确定各种原料最优化配比。百分表是模型测量最常用的方法。含弱层型边坡具有分布广、岩体参数易受周围环境的影响、稳定性较低等特点,岩体参数对岩体强度和稳定性具有极其关键的作用。因此含弱层型边坡的研究对滑坡危害的防御与治理具有重要意义。



技术实现要素:

针对上述背景技术的不足,本发明提供了一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟装置及其测量方法,用以解决现有技术中对含弱层缺陷型边坡研究的缺乏及温度对弱层影响的研究的空缺。

本发明的技术方案是:一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟装置,包括边坡模型、红外热成像仪、连续摄像机、信息调理器、计算机,红外热成像仪、连续摄像机分别于信息调理器相连接,信息调理器与计算机相连接,边坡模型包括滑坡体、弱层、滑床、底座,滑床安装在底座上,滑坡体与滑床相配合,弱层位于滑坡体与滑床之间,弱层下部设有加热板,加热板上连接有温度传感器和温度控制器。

所述温度传感器和温度控制器相连接。

所述弱层的材质为热敏材料。

所述滑床上部设有倾斜面Ⅰ,滑坡体上设有倾斜面Ⅱ,倾斜面Ⅰ与倾斜面Ⅱ相配合。

一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟的测量方法,包括步骤一:确定红外热成像仪所能测量区域、跟被测对象的距离:红外热像仪空间分辨率为ρsr;红外热像仪与被测物体中心线距离为L,像素大小为m×n,单个像素测量的面积为Sr,红外热像仪所能测量的被测物体为矩形区域,矩形区域长度为a,红外热像仪所能测量的被测物体宽度为b,红外热成像仪与被测矩形区域的中心点对齐,那么有如下关系式成立: ρsr×L=Sr

m×Sr=a

n×Sr=b

实验时通过调节红外热像仪的空间分辨率ρsr、像素大小m×n和红外热像仪与被测物体距离L的方式来满足测量区域大小的要求;

步骤二:连续摄像机的定位:连续摄像机放置于支架上,通过调节支架的水平位置、高度、俯仰角使连续摄像机与被测矩形区域的中心点对齐;

步骤三:对加热板电加热:对加热板设定一温度值,运用温度控制器对加热板进行温度控制,通过温度传感器将加热板的实时实际温度测出,并且反馈至温度控制器与温度设定值比较;

步骤四:信息处理:连续摄像机、红外热成像仪所采集到模型的热红外场信息传递给信息调理器进行转换处理,然后再将所得到的信息传输至计算机中进行存储、分析与处理。

本发明抓住边坡受外界条件变化时,弱层力学性质逐渐劣化的特点,采用热敏材料随温度上升软化的特性进行模拟。基于光学基本原理采用连续摄像技术对滑坡全过程进行连续记录和测量,基于热力学基本原理采用红外热成像技术对滑坡全过程进行连续记录和测量,取得了含弱层型滑坡室内试验的第一手资料,对研究含弱层型边坡滑坡灾害具有重要的理论意义和现实价值。本发明中边坡模型制作方法可以敏锐地体现出边坡中弱层对滑坡成灾的关键影响作用,模型试验过程采用连续摄像机技术和红外热成像技术对试验全过程进行无缝记录,试验记录结果直观、信息量大,便于对试验结果的处理、分析和研究。

附图说明

图1为本发明边坡模型结构示意图。

图2为本发明加热板工作过程框图。

图3为本发明加热板温度随时间变化曲线图。

图4为红外热成像仪工作过程流程图。

图5为红外热成像仪测试区域示意图。

图6为红外热成像仪安装测试示意图。

图7为边坡模型及测量仪器总体布局图。

具体实施方式

1、实施例1:如图1-7所示,一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟装置,包括边坡模型、红外热成像仪6、连续摄像机8、信息调理器10、计算机11,红外热成像仪6、连续摄像机8分别于信息调理器10相连接,信息调理器10与计算机11相连接,边坡模型包括滑坡体1、弱层2、滑床3、底座4,滑床3安装在底座4上,滑坡体1与滑床3相配合,弱层2位于滑坡体1与滑床3之间,弱层2下部设有加热板12,加热板12上连接有温度传感器和温度控制器。一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟的测量方法,包括步骤一:确定红外热成像仪所能测量区域、跟被测对象的距离:红外热像仪空间分辨率为ρsr;红外热像仪与被测物体中心线距离为L,像素大小为m×n,单个像素测量的面积为Sr,红外热像仪所能测量的被测物体为矩形区域,矩形区域长度为a,红外热像仪所能测量的被测物体宽度为b,红外热成像仪与被测矩形区域的中心点对齐,那么有如下关系式成立:ρsr×L=Sr,m×Sr=a,n×Sr=b实验时通过调节红外热像仪的空间分辨率ρsr、像素大小m×n和红外热像仪与被测物体距离L的方式来满足测量区域大小的要求。步骤二:连续摄像机的定位:连续摄像机放置于支架上,通过调节支架的水平位置、高度、俯仰角使连续摄像机与被测矩形区域的中心点对齐;步骤三:对加热板电加热:对加热板设定一温度值,运用温度控制器对加热板进行温度控制,通过温度传感器将加热板的实时实际温度测出,并且反馈至温度控制器与温度设定值比较;步骤四:信息处理:连续摄像机、红外热成像仪所采集到模型的热红外场信息传递给信息调理器进行转换处理,然后再将所得到的信息传输至计算机中进行存储、分析与处理。

实施例2:如图1-7所示,一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟装置,包括边坡模型、红外热成像仪6、连续摄像机8、信息调理器10、计算机11,红外热成像仪6、连续摄像机8分别于信息调理器10相连接,信息调理器10与计算机11相连接,边坡模型包括滑坡体1、弱层2、滑床3、底座4,滑床3安装在底座4上,所述滑床3上部设有倾斜面Ⅰ,滑坡体1上设有倾斜面Ⅱ,倾斜面Ⅰ与倾斜面Ⅱ相配合。弱层2位于滑坡体1与滑床3之间,弱层2由热敏材料组成,弱层2下部设有加热板12,加热板12上连接有温度传感器和温度控制器。所述温度传感器和温度控制器相连接。加热板对弱层加热,随着加热板温度的升高,弱层温度升高,导致热敏材料力学性质下降,边坡趋于不稳定状态,最终导致滑坡灾害的发生,红外热成像仪、连续摄像机分别于信息调理器相连接,信息调理器与计算机相连接,实现了实验过程信息的全程记录、存储和分析处理。

一种含弱层缺陷型边坡滑坡室内模拟的测量方法:红外热成像仪所能测量的区域、跟被测对象的距离确定方法如下:

红外热像仪空间分辨率为ρsr;红外热像仪与被测物体中心线距离为L,L大小受到试验场地尺寸等因素的制约;像素大小为m×n,单个像素测量的面积为Sr,红外热像仪所能测量的被测物体为矩形区域(图5),矩形区域长度为a,红外热像仪所能测量的被测物体(矩形)宽度为b,红外热成像仪与被测物体布设方式如图6所示,那么有如下关系式成立:ρsr×L=Sr,m×Sr=a,n×Sr=b因此,实验时可以通过调节红外热像仪的空间分辨率ρsr、像素大小m×n和红外热像仪与被测物体距离L的方式来满足测量区域(长度×宽度=a×b)大小的要求。

加热板的工作过程框图如图2所示,根据试验温度要求,对加热板设定一温度值,运用温度控制器对加热板进行温度控制,通过温度传感器将加热板的实时实际温度测出,并且反馈至温度控制器与温度设定值比较,从而实现对加热板温度的实时控制。加热板工作时其自身温度随时间变化过程特征曲线如图3所示,试验时,室内温度为19℃,试验开始后,电加热温度开始逐渐升高,480 s时,加热板温度达到最高温度112℃,最高温度保持到510 s,之后,电热板温度开始下降,直至600 s时,温度下降到91.7℃,而后温度又开始上升。电热板温度之所以出现温度升高到112℃,再到91.7℃,然后再上升的波动,主要是由于受温度控制器的作用产生的,温度控制器温度设定值稳定在100℃,当电加热片在电流作用下温度还未达到100℃时,温度控制器的感温棒内液体受热膨胀作用不足以引起控制盒中接线开关的变动,但是当电热片温度超过100℃后,温度传感器测得的实际温度通过温度控制器与设定温度比较,采取了切断电源的措施。电源切断后,电加热片无电流通过,温度出现回落,当温度低于100℃的设定温度后,温度传感器测得的实际温度通过温度控制器与设定温度比较,采取了接通电源的措施,继续对电加热片加热。从电加热片温度随时间变化曲线图可以看出,温控控制器对电热板板温度的调节具有一定的时间滞后性。为了获得试验的全程无缝红外温度场信息,采用热红外成像仪进行试验信息采集。红外热成像仪工作过程图如图4所示。红外热像仪的基本原理是基于被测对象与周围环境温度、发射率等参数的差异所引起热对比度的不同,从而把不可见的红外辐射能量密度分布探测出来。

红外热成像仪放置于支架上,通过调节支架的水平位置、高度、俯仰角使红外热成像仪与被测矩形区域的中心O点对齐,以达到最佳的测量效果;连续摄像机放置于支架上,通过调节支架的水平位置、高度、俯仰角使连续摄像机与被测矩形区域的中心O点对齐,以达到最佳的测量效果。连续摄像机、红外热成像仪所采集到模型的热红外场信息传递给信息调理器进行转换处理,然后再将所得到的信息传输至计算机中进行存储、分析与处理。本发明主要用于模拟含弱层型边坡滑坡全过程的一套方法,还可以对试验结果进行全过程连续记录和分析,对滑坡研究具有重要意义。

红外热成像仪的优点主要有以下优点:1、红外热成像仪探测距离远,可以实现非接触测量,避免测量过程对模型的干扰;2、运用红外热成像仪能够探测物体表面温度,获得温度能量场图;3、采用红外热成像仪能够方便的实现实验数据的存储和计算机分析;4、红外热成像仪的结果直观,易于分析;5、红外热成像仪温度分辨率高,精确度高,极微小的温度变化也能够探测出来。本发明利用红外热像仪基于热力学原理记录试验全过程,利用连续摄像机基于可见光学原理记录试验全过程,两种方法互为补充和印证,有利于更好地分析和研究含弱层型边坡滑坡。

以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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