一种高位滑坡冲击铲刮模式探索的滑槽模型试验方法与流程

本发明涉及滑槽模型试验技术领域，具体为一种高位滑坡冲击铲刮模式探索的滑槽模型试验方法。

背景技术：

受活动构造运动影响，我国西南山区区域地质环境复杂，人类工程活动强烈，是特大型滑坡的高易发区。该地区滑坡灾害特征主要有以下几点：(1)滑体易从高陡斜坡上部位置剪出，形成高位岩质崩滑灾害；(2)冲击铲刮特性极为显著，滑体易从高陡斜坡上部位置剪出，形成凌空加速坠落的滑体，撞击周围岩土体，进而转化为高速远程滑动的碎屑流；(3)冲击铲刮作用导致滑体体积明显增加，容易对周围建筑物造成毁灭性的损害。然而，滑坡发生过程中铲刮现象可能是难以被记录和捕捉到，但铲刮作用在滑坡运动过程是实际存在的，为了更好地还原和观察到冲击铲刮作用下的滑坡碎屑流运动堆积特征，滑槽模型试验成为了最为合适的研究手段。

针对滑坡冲击铲刮试验，现有的旋转可变角度滑坡滑槽运动模型试验很少，现有的试验技术采用滑槽试验研究了滑坡在运动过程中的堆积反序效应和动力侵蚀规律：

(1)滑坡冲击铲刮效应物理模型试验，通过开展物理模型试验研究分析了碎屑流对滑坡冲切破坏以及运动剪切作用组成影响，仅仅观察了运动冲击堆积过程。

(2)采用室内物理模型试验对滑坡碎屑流在运动过程的颗粒分离问题进行研究，主要考虑小颗粒含量、粒径差以及滑床糙率等因素的影响。

(3)现有试验缺少对高位滑坡冲击铲刮模式(撞击、裹挟和复合式铲刮)和力学机理分析的还原试验；

(4)现有技术拟在获取滑坡在运动过程中的运动堆积特征，没有考虑固相滑体从高位下滑，经过势动能转化，具有较大冲击力作用下不同下垫层的变形屈服模式；

(5)现有滑槽运动模型试验并没有采用不同下垫层材料的冲击屈服进行对比；

(6)试验装置方面：现有滑槽运动模型试验没有采取变角度滑槽试验装置，无人机摄影技术，堆积体色差识别等数据提取技术。

(7)现有试验没有总结提出滑坡冲击铲刮类型主要有冲击飞溅式、传递滑移式、嵌入推覆式、裹挟夹带式四种模式(图6)，作用方式主要有点撞击和面剪切。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高位滑坡冲击铲刮模式探索的滑槽模型试验方法，此方法能获取固相滑体在运动过程中冲击作用下的下垫层几何变化和力学屈服特性，得到包括滑体的运动速度、运动堆积特性以及不同下垫层响应下的物理力学特性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高位滑坡冲击铲刮模式探索的滑槽模型试验方法为：设计以碎石子为滑体，通过在料斗分层填筑的方法制作滑体材料，通过滑槽电动葫芦装置按40°角度抬升滑槽，开启料斗闸门后，滑体高位下滑后，经过势动能转化，冲击下垫层的几何变化和力学屈服特性，并记录滑体的运动堆积特性。

具体试验方法包含以下步骤：步骤一、试验设计，选用碎石子作为滑体材料，为了突出下垫层不同岩土体性质对铲刮效应的的影响，综合考虑各种影响因素后选取密度为控制变量，分别选用密度不同且效果明显的pvc颗粒材料(密度小)和标准砂材料(密度大)作为下垫层，还原滑坡冲击铲刮过程中滑体对下垫层的冲击铲刮效应，其中设计了三种滑槽对应三种下滑方案：方案一，滑坡凌空飞行后的冲击铲刮试验；方案二，滑坡贴地面运动裹挟铲刮试验；方案三，滑坡冲击势动能转换复合式铲刮，试验过程中，根据试验场地条件和滑坡动力侵蚀理论，布置试验中滑槽装置、试验过程记录和数据记录仪器，为保证试验的顺利进行，设计滑槽模型时，应保证试验场地的开阔，试验材料的合理选取，以及滑体材料运动状态捕捉的仪器设备的布置，滑体材料的选取可根据真实的滑坡特征和研究目的自由设计选取；

步骤二、制作滑槽设备；所述的滑槽设备包含料斗、支架、滑槽支架、滑槽侧板、滑槽前板、滑槽后板、底板、正视高速摄像机、三维激光扫描仪、俯视高速摄像机、电动葫芦、侧视高速摄像机、滑槽高速摄像机和卡槽机关，支架设置在滑槽设备的末端，支架的顶部设置有电动葫芦，电动葫芦的下方连接有料斗，且料斗设置在滑槽设备的入料口处，滑槽设备的两侧设置有滑槽侧板，底部设置有滑槽前板,滑槽前板的前端连接有滑槽后板，滑槽后板的下方设置有底板，且滑槽前板和滑槽后板之间设置有滑槽支架,滑槽前板的中下方设置有滑槽高速摄像机,滑槽高速摄像机的下方设置有卡槽机关,滑槽后板的最前方设置正视高速摄像机和三维激光扫描仪，且滑槽设备的前面上部设置有俯视高速摄像机，滑槽设备侧面设置有侧视高速摄像机，选用双段槽板模型，考虑到试验过程中的全方位观察以及试验数据的记录，选用透明钢化玻璃侧挡板作为滑槽侧板，并在侧板标注尺寸网格线条，滑槽前板和滑槽后板采用不锈钢铁板；在料斗出口位置安装液压开关式挡板；

步骤三、布置堆积的底板；为防止滑坡冲出滑槽后，在滑槽出口外部有堆积体，因此需要在滑槽出口位置布置已经按尺寸划分好网格的浅色底板，为方便记录各组试验下滑堆积后的运动距离、运动速度和堆积情况的变化情况；

步骤四、布置无人机监测设备，为方便记录各组试验下滑的堆积状态，在滑槽装置上方布置小型无人机，用于方便记录滑坡冲击铲刮和运动堆积的全过程，同时测量滑坡堆积体的dem数字高程数据。

步骤五、布置高速摄像设备，在底板前部布置正视高速摄像机，在滑槽侧翼布置测试高速摄像机，在滑槽上方布置俯视摄像机，并在滑槽内部布置摄像机便于观测滑坡的微观特征，这些设备能高速高清记录碎石子颗粒运动和下垫层破坏的变化特性；

步骤六、制作滑体材料，试验中选用粒径为20～30mm碎石子材料，在试验之前，将碎石子颗粒分层铺垫在料斗1里面；

步骤七、制作下垫层材料，下垫层材料主要选用pvc和标准砂材料，以突出下垫层密度不同对铲刮效应的影响，试验中为便于观察滑体冲击后下垫层的动态及分布规律，将下垫层采用红色、橙色、黄色、绿色、蓝色和银色六种不同颜色对pvc和标准砂进行上色，待完全风干后根据实验方案将下垫层材料根据不同颜色分别布置在料斗位置；在方案一和方案三中，将下垫层材料铺垫在滑槽前板中，下垫层厚度设计为20-30cm，测试冲击铲刮和复合式铲刮特性；在方案二中，将下垫层材料铺满在滑槽后板中，需要在布置完滑体后，将后板先调整到40°角度，必要时需在前后板转折位置处设置挡板，为防止下垫层自然下滑，下垫层厚度设计为10-20cm，测试裹挟铲刮特性；

步骤八、数据收集，通过无人机贴近摄影技术收集滑坡的运动堆积全过程和滑后堆积状态；通过各个方位的摄像机收集滑坡运动堆积变化数据，可得到滑坡运动速度变化曲线；

步骤九、数据分析，其中数据分析包含：分析不同试验方案不同冲击情况下的铲刮效应；分析不同密度下垫层材料对滑体运动堆积特性响应规律；总结高位滑坡冲击铲刮模式；证明滑体有凌空飞行状态后前缘对下垫层的点撞击铲刮，滑体运动过程中的裹挟铲刮边界层面剪切铲刮，以及两种状态同时存在时候的复合式铲刮，通过结果对比分析，提出高位远程滑坡的冲击铲刮作用主要有冲击飞溅式、传递滑移式、嵌入推覆式、裹挟夹带式的铲刮模式(图6)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)能完整获得高位滑坡下滑后，滑体经过势动转换，冲击稳定下垫层，二次灾害规模放大的滑坡运动堆积特征；

(2)通过对比试验分析不同物理力学性质的下垫层材料对滑体的运动堆积特征，为滑坡灾害的风险评估和危险区划提供试验技术支持；

(3)总结我国西南山区高位远程滑坡的冲击铲刮主要模式，提出高位远程滑坡的冲击铲刮作用主要有冲击飞溅式、传递滑移式、嵌入推覆式、裹挟夹带式的铲刮模式。

(4)结合创新性滑槽装置和无人机贴近摄影技术，融入到滑坡后破坏大型物理模型试验中，提供可靠的试验思路。

(5)在此基础上可开展进一步研究，揭示滑体与下垫层的接触破坏机制，提出冲击铲刮的判识准则，主要是针对冲击力、屈服强度和接触关系进行力学机理研究。

附图说明

图1为本发明步骤二中滑槽设备立体结构示意图；

图2为本发明步骤二中滑槽设备的俯视结构示意图；

图3为本发明实施中方案一滑坡凌空飞行后的冲击铲刮试验结构示意图；

图4为本发明实施中方案二滑坡贴地面运动裹挟铲刮试验结构示意图；

图5为本发明实施中方案三滑坡冲击势动能转换复合式铲刮试验结构示意图。

图6为本发明步骤九中提出的四种铲刮模式结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：一种高位滑坡冲击铲刮模式探索的滑槽模型试验方法包含以下步骤：步骤一、试验设计，选用200kg碎石子作为滑体材料，为了突出下垫层不同岩土体性质对铲刮效应的的影响，综合考虑各种影响因素后选取密度为控制变量，分别选用密度不同且效果明显的pvc颗粒材料(密度小)和标准砂材料(密度大)作为下垫层，还原滑坡冲击铲刮过程中滑体对下垫层的冲击铲刮效应，其中设计了三种滑槽模型对应三种下滑方案：方案一，滑坡凌空飞行后的冲击铲刮试验，参照图3所示；方案二，滑坡贴地面运动裹挟铲刮试验，参照图4所示；方案三，滑坡冲击势动能转换复合式铲刮，参照图5所示，试验过程中，根据试验场地条件和滑坡动力侵蚀理论，布置试验中滑槽装置、试验过程记录和数据记录仪器，为保证试验的顺利进行，设计滑槽模型时，应保证试验场地的开阔，试验材料的合理选取，以及滑体材料运动状态捕捉的仪器设备的布置，滑体材料的选取可根据真实的滑坡特征和研究目的自由设计选取；

步骤二、制作滑槽设备；参照图1和2所述的滑槽设备包含料斗1、支架2、滑槽支架3、滑槽侧板4、滑槽前板5、滑槽后板5-1、底板6、正视高速摄像机7、三维激光扫描仪8、俯视高速摄像机9、电动葫芦10、侧视高速摄像机11、滑槽高速摄像机12和卡槽机关13，支架2设置在滑槽设备的末端，支架2的顶部设置有电动葫芦10，电动葫芦10的下方连接有料斗1，且料斗1设置在滑槽设备的入料口处，滑槽设备的两侧设置有滑槽侧板4，底部设置有滑槽前板5,滑槽前板5的前端连接有滑槽后板5-1，滑槽后板5-1的下方设置有底板6，且滑槽前板5和滑槽后板5-1之间设置有滑槽支架3,滑槽前板5的中下方设置有滑槽高速摄像机12,滑槽高速摄像机12的下方设置有卡槽机关13,滑槽后板的最前方设置正视高速摄像机7和三维激光扫描仪8，且滑槽设备的前面上部设置有俯视高速摄像机9，滑槽设备侧面设置有侧视高速摄像机11，选用双段槽板模型，考虑到试验过程中的全方位观察以及试验数据的记录，选用透明钢化玻璃侧挡板作为滑槽侧板4，并在侧板标注尺寸网格线条，滑槽前板5和滑槽后板5-1采用不锈钢铁板；滑槽前板5和滑槽后板5-1尺寸均选用长300cm，宽50cm，滑槽侧板4高50cm，在滑槽尾端设置50cm×50cm×50cm的料斗1，并在料斗1出口位置安装液压开关式挡板；

步骤三、布置堆积的底板6；为防止滑坡冲出滑槽后，在滑槽出口外部有堆积体，因此需要在滑槽出口位置布置已经按5cm×5cm尺寸划分好网格的浅色底板，为方便记录各组试验下滑堆积后的运动距离、运动速度和堆积情况的变化情况；

步骤四、布置无人机监测设备，为方便记录各组试验下滑的堆积状态，在滑槽装置上方布置小型无人机，用于方便记录滑坡冲击铲刮和运动堆积的全过程，同时测量滑坡堆积体的dem数字高程数据。

步骤五、布置高速摄像设备，在底板前部布置正视高速摄像机，在滑槽侧翼布置测试高速摄像机，在滑槽上方布置俯视摄像机，并在滑槽内部布置摄像机便于观测滑坡的微观特征，这些设备能高速高清记录碎石子颗粒运动和下垫层破坏的变化特性；

步骤六、制作滑体材料，试验中选用粒径为20～30mm碎石子材料，在试验之前，将碎石子颗粒分层铺垫在料斗1里面；

步骤七、制作下垫层材料，下垫层材料主要选用pvc和标准砂材料，以突出下垫层密度不同对铲刮效应的影响，试验中为便于观察滑体冲击后下垫层的动态及分布规律，将下垫层采用红色、橙色、黄色、绿色、蓝色和银色六种不同颜色对pvc和标准砂进行上色，见附表1所示；

附表1

待完全风干后根据实验方案将下垫层材料根据不同颜色分别布置在料斗位置；在方案一和方案三中，将下垫层材料铺垫在滑槽前板5中，下垫层厚度设计为20-30cm，长度为200cm，测试冲击铲刮和复合式铲刮特性；在方案二中，将下垫层材料铺满在滑槽后板5-1中，需要在布置完滑体后，将后板先调整到40°角度，必要时需在前后板转折位置处设置挡板，为防止下垫层自然下滑，下垫层厚度设计为10-20cm，长度为300cm，测试裹挟铲刮特性；

步骤八、数据收集，通过无人机贴近摄影技术收集滑坡的运动堆积全过程和滑后堆积状态；通过各个方位的摄像机收集滑坡运动堆积变化数据，可得到滑坡运动速度变化曲线；

步骤九、数据分析，其中数据分析包含：分析不同试验方案不同冲击情况下的铲刮效应；分析不同下垫层材料对滑体运动堆积特性响应规律；总结高位滑坡冲击铲刮模式；

方案一中，可能出现的铲刮效应有冲击飞溅式、嵌入推覆式如图6d、6a所示，当下垫层材料为低密度的pvc颗粒时，由于滑体的撞击作用，下垫层颗粒会被冲击、飞溅，此时为冲击飞溅式，当下垫层材料为高密度的标准砂时，滑体冲击下垫层，下垫层对滑体起缓冲作用，先嵌入，继续运动推动下垫层，为嵌入推覆式；方案二中，可能出现的铲刮模式有裹挟夹带式、嵌入推覆式，如图6b、6a所示,当下垫层材料为高密度的标准砂时，起始下垫层不被破坏，在滑体运动过程中对下垫层进行裹挟，为裹挟夹带式，当下垫层材料为低密度的pvc颗粒时，滑体下滑时，滑体前缘起始就对下垫层进行破坏，嵌入，随后推动，为嵌入推覆式；在方案三中，可能出现的铲刮模式有嵌入推覆式、裹挟夹带式、冲击飞溅式、平推滑移式如图6，当下垫层材料为高密度标准砂材料时，滑体冲击下垫层先嵌入，后推动，为嵌入推覆式，当下垫层材料为较为完整的材料(粘结pvc)，下垫层先被冲击破坏，然后被整体向前推动，此时为平推滑移式，当下垫层材料为密度较小的pvc颗粒时，滑体对下垫层冲击，由于颗粒密度较小，下垫层被破坏颗粒飞溅，为冲击飞溅式，以上几种在滑体冲击下垫层后的运动中，都会对下垫层产生裹挟夹带，为裹挟夹带式。证明滑体有凌空飞行状态后前缘对下垫层的点撞击铲刮，滑体运动过程中的裹挟铲刮边界层面剪切铲刮，以及两种状态同时存在时候的复合式铲刮。通过对三种滑槽模型滑体的冲击铲刮作用方式以及数据结果对比分析，提出高位远程滑坡的冲击铲刮作用主要有冲击飞溅式、传递滑移式、嵌入推覆式、裹挟夹带式的铲刮模式。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。