一种多物理场耦合的滑坡灾害模拟试验装置的制作方法

[0001]
本发明涉及岩土工程及工程地质技术领域，具体涉及一种多物理场耦合的滑坡灾害模拟试验装置。


背景技术：

[0002]
在国民经济的发展进程中，兴建了大量的水库，它们不仅可以起到防洪度汛的作用，还可以蓄水灌溉，为周边的民众提供安全可靠的饮用水，显著提高了水利资源的利用率。但是水库由于其长时间处在水环境中，同时受到很多自然因素的影响，在使用当中存在一定的安全风险，尤其是滑坡现象，它一方面会影响到水库整体的质量安全，甚至引发溃坝事故，另一方面也威胁着水库周边百姓的生命财产安全。
[0003]
滑坡的诱发因素有：地震、降雨和融雪、地表水的冲刷、浸泡、河流等地表水体对斜坡坡脚的不断冲刷；不合理的人类工程活动，如开挖坡脚、坡体上部堆载、爆破、水库蓄(泄)水、矿山开采等都可诱发滑坡，还有如风暴潮、冻融等作用也可诱发滑坡。
[0004]
目前实验室对滑坡的研究还是以单诱发因子为主，如降雨强度、边坡坡度、浪涌等诱发因子，而忽略了其它因素的考虑。然而大量的事实表明，降雨是滑坡灾害的主要诱因，其中震动、降雨和干湿循环对滑坡的影响最为显著，但在不同地区，岩土体、坡度、震动、干湿循环等环境不同，雨水入渗条件不同，滑坡体的极限平衡条件也不同，滑坡的发育和致灾结果也大不相同。
[0005]
当前，清华大学、中国科学院力学研究所等高校有降雨与库水位联合作用下滑坡模型试验系统；泉州装备制造研究所、华南农业大学等高校有振动与降雨耦合作用滑坡实验装置；武汉地质调查中心实验室滑坡分析设备有滑坡涌浪实验装置、砂柱排水实验装置、室内滑坡物理模型实验平台、斜坡土体降雨产流及渗入模型以及人工降雨模拟系统各一套，滑坡的影响因素是多方面的，这些实验装置单个诱发角度考虑而忽略了其他因素的影响；但是上述试验系统仅可进行单一因素的滑坡模拟，不利于多因素数据相结合的耦合研究，无法全面的更贴合实际的进行滑坡实验模拟。


技术实现要素：

[0006]
为解决上述技术问题，本发明提供一种满足多物理场耦合作用下模拟滑坡的要求的试验装置。
[0007]
一种多物理场耦合的滑坡灾害模拟试验装置，包括箱体、振动模拟机构、降雨模拟机构和光照模拟机构，所述箱体上端敞口，其内部用以设置滑坡体模型，所述振动模拟机构安装在所述箱体下端，其用以驱动所述箱体振动，所述降雨模拟机构用以向所述箱体内部淋水以模拟降雨，所述光照模拟机构用以照射所述箱体以模拟太阳光光照。
[0008]
优选地，所述降雨模拟机构包括多个喷头，多个所述喷头设置在所述箱体的上方，且其喷嘴朝下，多个所述喷头分别通过管道与水源连通，多个所述喷头分别用以向所述箱体内部淋水。
[0009]
优选地，所述光照模拟机构包括多个发光件，多个所述发光件分别设置在所述箱体上方，且多个所述发光件的发光部分别朝向所述箱体内部。
[0010]
优选地，多个所述发光件等分为多个发光件组，多个发光件组在所述箱体上方沿其宽度方向间隔分布，每个所述发光件组包括多个所述发光件，且每个所述发光件组的多个所述发光件在所述箱体的上方沿其长度方向间隔分布。
[0011]
优选地，所述光照模拟机构还包括多个n形的支架，且所述支架的数量与每个所述发光件组的多个所述发光件一一对应，所述支架竖向设置，且其n形开口朝下，其两端分别位于所述箱体对应长度方向的两侧，多个所述发光件组分别安装在多个所述支架上，且每个所述发光件组的多个所述发光件分别安装在对应所述支架上端。
[0012]
优选地，所述箱体内底壁固定安装有挡水板，且所述挡水板沿所述箱体的宽度方向竖向分布，所述挡水板将所述箱体内部分隔为独立的水库区和滑坡体区，所述挡水板上设置有多个均匀分布且与所述水库区和所述滑坡体区连通的出水孔，且所述滑坡体模型用以设置在所述滑坡体区内，外力可向所述水库区内加水或从所述水库区向外排水以模拟库水位的变化。
[0013]
优选地，还包括水位模拟机构，所述水位模拟机构设置在所述箱体的一侧，并用以向所述箱体内供水或从所述箱体抽水以模拟库水位的变化。
[0014]
优选地，还包括监测机构，所述监测机构设置在所述箱体的一侧，且其用以监测所述滑坡体模型的基质吸力、体积含水率、孔隙水压力和/或空隙气压力。
[0015]
优选地，所述监测机构还包括控制器和多个传感器组，每个所述传感器组分别包括基质吸力传感器、体积含水率传感器、孔隙水压力传感器和空隙气压力传感器，所述控制器设置在所述箱体的一侧，多个传感器组间隔的预埋在所述滑坡体模型内，并分别与所述控制器电连接。
[0016]
优选地，还包括摄像机，所述摄像机设置在所述箱体的一侧，且其摄像头朝向所述滑坡体模型。
[0017]
本申请试验装置可将滑坡的多物理场影响因素耦合后进行试验，可以模拟研究降雨与库水位下水动力诱发滑坡的演变机理、研究滑坡体模型在处于干湿循环过程诱发滑坡的演变机理外，还可根据试验需求排列单因素、双因素以多因素影响下的滑坡模拟试验，模拟不同环境下物理场之间的耦合关系，有利于定性、定量的研究分析滑坡演变机理。
[0018]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
[0019]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0020]
图1为本发明实施例所述多物理场耦合的滑坡灾害模拟试验装置的结构示意图。
[0021]
附图标记的具体含义为：
[0022]
1、箱体；11、滑坡体模型；12、挡水板；2、振动模拟装置；3、降雨模拟装置；31、喷头；4、光照模拟机构；41、发光件；42、支架；5、水位模拟机构；51、抽水泵；52、输水泵；6、监测机
构；7、摄像机。
[0023]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0024]
以下结合附图1对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0025]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0026]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0027]
参照图1，提出本发明的一实施例，本实施例所述多物理场耦合的滑坡灾害模拟试验装置包括箱体1、振动模拟机构2、降雨模拟机构3和光照模拟机构4，所述箱体1上端敞口，其内部用以设置滑坡体模型11，所述振动模拟机构2安装在所述箱体1下端，其用以驱动所述箱体1振动，所述降雨模拟机构3用以向所述箱体1内部淋水以模拟降雨，所述光照模拟机构4用以照射所述箱体1以模拟太阳光光照。
[0028]
所述振动模拟机构2在所述箱体1底部振动，以带动所述箱体1振动，从而模拟所述箱体1内的滑坡体模型11在受到地震影响时，地表斜坡上不稳定的岩体或土体在重力作用下，整体向下滑动的现象；
[0029]
所述降雨模拟机构3向所述箱体1内喷淋水，从而模拟滑坡体模型11在降雨条件下的影响；
[0030]
所述光照模拟机构4发光并照射在所述箱体1内部以模拟滑坡体模型11受阳光照射的影响；
[0031]
工作人员可通过向所述箱体1内部加水或从所述箱体1内部向外排水以模拟所述滑坡体模型11的库水位变化。
[0032]
降雨和周期性水库的库水位升降改变了库岸滑坡体的赋存过程，降雨模拟机构3和所述箱体1内的水位变化使得滑坡体模型11周期性处于干燥和饱水状态之间，还使滑体内渗流场发生变化，改变了滑坡的稳定性，进而改变滑坡体的受力状态，因此将所述降雨模拟机构3和所述箱体1内的水位变化耦合能够研究降雨与库水位下水动力诱发滑坡的演变机理；
[0033]
土壤在淋雨后处于润湿状态，降雨后太阳光的照射使得土壤内部的水份蒸发，土壤回复到干燥状态。土壤在处于干湿交替时使土壤孔隙递增，显著的改变土壤结构，消弱土体间的联结，增加土体间的自由度和活动度，使滑坡体更容易在外界因素诱发下发生失稳滑坡的因素，因此将所述光照模拟机构4使滑坡体模型11受到光照影响下不饱和土体中水
分蒸发，所述光照模拟机构4与所述降雨模拟机构3耦合后实现对实验土体的干湿循环过程，从而研究滑坡体模型11在处于干湿循环过程诱发滑坡的演变机理。
[0034]
本申请所述滑坡灾害模拟试验装置除了可以模拟研究降雨与库水位下水动力诱发滑坡的演变机理和研究滑坡体模型11在处于干湿循环过程诱发滑坡的演变机理外，还可将滑坡的影响因素根据试验需求排列单因素、双因素以及多因素影响下的滑坡模拟试验，模拟不同环境下物理场之间的耦合关系，有利于定性、定量的研究分析滑坡演变机理。
[0035]
本实施例所述振动模拟机构2包括多个阵列在所述箱体1底部的多个横向振动器和多个纵向振动器，多个横向振动器和多个纵向振动器可模拟地震时对所述滑坡体模型影响，多个横向振动器和多个纵向振动器可模拟发生外部振动时的纵向与横向的振动载荷，还可通过调节纵向和横向振动机构安装位置施加载荷的大小，进行加载数值分析计算和模拟实验，以模拟多种地质状况下的演变过程。本申请通过安装在所述箱体1底部的多个横向振动器和多个纵向振动器，可实现单向或双向耦合输出振动载荷，模拟滑坡体模型所处地区的振动情况；并可通过多个所述横向振动器和多个纵向振动器的分布位置和振动方案来适应不同大小的滑坡体模型，以模拟多种地质状况下的滑坡过程演变。
[0036]
本实施例中，所述横向振动器和所述纵向振动器均采用换能器，具有转换效率高，价格便宜，使用寿命长的优点。
[0037]
优选地，所述降雨模拟机构3包括多个喷头31，多个所述喷头31设置在所述箱体1的上方，且其喷嘴朝下，多个所述喷头31分别通过管道与水源连通，多个所述喷头31分别用以向所述箱体1内部淋水。
[0038]
本实施例多个所述喷头31采用水泵与水源连通，且多个所述喷头采用压力下喷式模拟降雨，所述喷头31喷出的雨滴能量大，具有较强的抗风的能力，真实接近自然降雨。
[0039]
本申请可通过压力水源的压力和喷头31喷嘴的尺寸调整降雨强度，以模拟小雨、中雨、大雨和暴雨四种不同降雨类型的雨滴大小，且符合通用降雨雨滴标注，从而保证本申请所述模拟试验装置对降雨的模拟效果。
[0040]
在本实施例中，所述箱体1的上端设有多个喷水管，且多个所述喷水管在所述箱体1上方沿其宽度方向间隔均匀的分布，每根所述喷水管的下端分别安装有多个沿其长度方向间隔均匀分布的多个所述喷头31，多个所述输水管分别的一端封闭，其另一端分别通过泵与水源连通，且泵与多根所述输水管之间设有流量调节阀和调压阀。
[0041]
在进行降雨模拟时，可通过调节流量调节阀和调压阀来调节泵的供水水压和流量，从而更准确地模拟小雨、中雨、大雨和暴雨四种不同降雨强度的自然降雨。
[0042]
所述降雨模拟机构还包括设置在多个所述喷头31下方的自动遮雨槽系统，所述自动遮雨槽系统用以收集降雨前后管路低压滴水，从而避免当供水管路内的水压未达到喷头起喷压力时，会形成较大水滴落下而破坏地面实验模型，同时避免降雨停止水泵关闭时形成的无效降雨。
[0043]
优选地，所述光照模拟机构4包括多个发光件41，多个所述发光件41分别设置在所述箱体1上方，且多个所述发光件41的发光部分别朝向所述箱体1内部。
[0044]
通过调整所述发光件41点亮的数量来调整光照强度，以真实模拟滑坡体模型11在光照条件下的变化。
[0045]
多个所述发光件41可以是线光源，多个所述线光源分别水平设置在所述箱体1的
上方，且其发光部朝向所述箱体1内的中部。
[0046]
多个所述发光件41还可以是点光源，多个所述发光件41等分为多个发光件组，多个发光件组在所述箱体1上方沿其宽度方向间隔分布，每个所述发光件组包括多个所述发光件41，且每个所述发光件组的多个所述发光件在所述箱体1的上方沿其长度方向间隔分布。
[0047]
多个所述发光件可以在所述箱体1上方均匀阵列分布，多个所述发光件均匀照射所述箱体1，还可以通过点亮不同数量的所述发光件来模拟不同日照条件的太阳光线。
[0048]
优选地，所述光照模拟机构4还包括多个n形的支架42，且所述支架42的数量与每个所述发光件组的多个所述发光件41一一对应，所述支架42竖向设置，且其n形开口朝下，其两端分别位于所述箱体1对应长度方向的两侧，多个所述发光件组分别安装在多个所述支架42上，且每个所述发光件组的多个所述发光件41分别安装在对应所述支架42上端。
[0049]
多个所述发光件的发光部分别朝向所述箱体1内对应宽度方向的中部，在进行光照模拟时，从所述箱体1的一侧至其另一侧按照顺序依次点亮多个所述发光件组，从而模拟太阳光的光线照射角度的变化，从而模拟滑坡体模型11在自然日照的变化，并可调整每个所述发光件组的光照强度来实现不同日照强度的模拟。
[0050]
多个所述发光件安装在所述支架42的不同位置，在安装多个所述发光单元使得其安装角度跟随所述支架上端的角度变化，从而模拟滑坡体模型11在自然日照的变化。
[0051]
如图1所示，本申请的多个所述发光单元42位于多个所述喷头31的下方，需要对所述光照模拟机构4做水密和隔热阻燃处理，提高使用安全性和可靠性，由于发光单元发热严重，可以配有相应的散热单元，防止过热失效，提高使用寿命。
[0052]
本实施例中，所述箱体1对应长度方向的两侧分别安装有滑轨，所述支架42的两端分别滑动安装在所述滑轨上，在所述降雨模拟机构3降雨时，将所述支架42移动至所述箱体1的两侧，避免所述光照模拟组件4影响降雨过程，在降雨结束后且需要模拟光照时，再将所述支架42滑动至所需位置。
[0053]
优选地，所述箱体1内底壁固定安装有挡水板12，且所述挡水板1沿所述箱体1的宽度方向竖向分布，所述挡水板12将所述箱体1内部分隔为独立的水库区和滑坡体区，所述挡水板12上设置有多个均匀分布且与所述水库区和所述滑坡体区连通的出水孔，且所述滑坡体模型11用以设置在所述滑坡体区内，外力可向所述水库区内加水或从所述水库区向外排水以模拟库水位的变化。
[0054]
外力可向所述水库区内加水或从所述水库区向外排水时，所述水库区内的水位变化，同时使得所述滑坡体区内的水位上升或下降，所述挡水板12避免所述水库区的水位下降和上升形成的波浪对所述滑坡体模型11产生的影响，以真实模拟水库内水位下降或上升对所述滑坡体模型11的影响。
[0055]
在本实施例中，多个所述出水孔可分布在所述挡水板12靠近其下端的位置，水库区和滑坡体区底部的构成连通器，在所述水库区内的水位发生变化时，二者内部的水位逐渐发生变化，避免在所述滑坡体区形成波浪。
[0056]
优选地，还包括水位模拟机构5，所述水位模拟机构5设置在所述箱体1的一侧，并用以向所述箱体1内供水或从所述箱体1抽水以模拟库水位的变化。
[0057]
所述水位模拟机构5通过向所述箱体1内供水或从所述箱体1抽水以模拟滑坡体的
库水位变化，便于控制。
[0058]
如图所示，本实施例中，所述水位模拟机构5包括抽水泵51和输水泵52，所述抽水泵51的进水口和所述输水泵52的出水口分别与所述箱体1内的底部连通，所述抽水泵51的出水口和所述输水泵52的进水口分别与水源连通。
[0059]
所述输水泵52向所述箱体1内送水以模拟库水位上升，所述抽水泵51从所述箱体1向外抽水以模拟库水位下降，通过对所述输水泵52的送水和所述抽水泵51的抽水工作的设置，可模拟库水位的水位周期性上升或下降对滑坡体模型11的影响。
[0060]
其中，所述箱体1上设有与所述水库区内部连通的开口，所述抽水泵51的进水口和所述输水泵52的出水口分别与两个所述开口连通，且两个所述开口分别位于所述箱体1侧壁的底部或其下端，避免所述抽水泵51抽水或所述输水泵52在送水时在所述水体表面产生波浪。
[0061]
本实施例所述试验装置还包括监测机构6，所述监测机构6设置在所述箱体1的一侧，且其用以监测所述滑坡体模型11的基质吸力、体积含水率、孔隙水压力和/或空隙气压力。
[0062]
所述监测机构6用以检测所述滑坡体模型11在不同影响因素下从滑坡的孕育、发生、发展、从连续到非连续变形的全过程中的数据。
[0063]
优选地，所述监测机构6还包括控制器和多个传感器组，每个所述传感器组分别包括基质吸力传感器、体积含水率传感器、孔隙水压力传感器和空隙气压力传感器，所述控制器设置在所述箱体1的一侧，多个传感器组间隔的分别预埋在所述滑坡体模型11内，并分别与所述控制器电连接。
[0064]
本实施例中，每个所述传感器组件分别包括基质吸力传感器、体积含水率传感器、孔隙水压力传感器和空隙气压力传感器，且同一组的所述基质吸力传感器、体积含水率传感器、孔隙水压力传感器和空隙气压力传感器由上至下依次分布，每个所述传感器组件分别用以获取的所述滑坡体模型11的基质吸力、体积含水率、孔隙水压力和空隙气压力并发送至所述控制器，以记录数据值并存储于数据库中，便于后期查询、回放以及进行数值分析。
[0065]
优选地，还包括摄像机7，所述摄像机7设置在所述箱体1的一侧，且其摄像头朝向所述滑坡体模型11。
[0066]
所述摄像机7用以拍摄并记录所述滑坡体模型11从滑坡孕育、发生、发展、从连续到非连续变形全过程中参数的变化过程的录像，便于后期查询。
[0067]
如图1所示，所述摄像机7设有三个，其中一个设置在所述箱体1的上方，其余两个所述摄像机7设置在所述箱体1的两侧，以全面拍摄滑坡孕育、发生、发展、从连续到非连续变形的全过程。
[0068]
在本申请实施例所述摄像机为高速摄像机，高速摄像机可用于将快速移动的物体作为照片图像记录到存储介质上，录制后，存储在媒体上的图像可以慢动作播放高速摄像机技术，具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰的优点。
[0069]
本实施例中，还包括流量传感器，所述流量传感器安装在所述滑坡体模型11的坡底处，并与所述控制器电连接。
[0070]
所述流量监测传感器用以监测所述滑坡体模型11的坡面流下的水的流量。
[0071]
本实施例中，所述振动模拟机构2、降雨模拟机构3、光照模拟机构4、水位模拟机构5和摄像机7分别与所述控制器电连接。
[0072]
本实施例中，每个所述支架42上分别安装有驱动件，每个所述驱动件分别用以驱动对应所述支架42沿对应所述滑轨移动。
[0073]
所述控制器分别与所述换能器、抽水泵51、输水泵52、流量调节阀、调压阀、所述摄像机7、多个所述发光件41和所述驱动件电连接，便于根据试验计划控制库水位的升降、降雨强度和时间、是否对日照、日照强度和时间、是否振动、振动的频率和强度、振动的模式，所述控制器可能够记录当前降雨强度、管道压力，当前振动的强度和频率以及当前光照数据，并可通过所述摄像机记录滑坡试验的全过程，并可记录滑坡体模型11的试验参数，便于后续的数据分析，系统更加智能。
[0074]
所述控制器用于全过程智能化监控多场耦合实验过程，能够依据实验要求制定实验计划，控制降雨、振动以及日照的时间段以及时长，通过摄像的方式可视化的记录滑坡实验的全过程，并实时记录更新多物理场实验参数，便于后续的数据分析。
[0075]
本申请所述抽水机、抽水泵51、送水泵还可通过所述台架安装在所述箱体1的一侧，避免所述抽水机、抽水泵51、送水泵输送水时产生振动对所述试验模拟的影响。
[0076]
所述试验设备还包括显示器，所述显示器与所述控制器电连接，并用以显示当前降雨强度、管道压力，当前振动的强度和频率以及当前光照数据等数据，方便工作人员实时监控所述试验装置的试验状态。
[0077]
本实施例中，还包括报警器，所述报警器与所述控制器电连接，所述控制器获取所述振动模拟机构2、降雨模拟机构3、光照模拟机构4、水位模拟机构5和摄像机7的工作信号，实时的掌握所述试验装置的运行状态，当所述试验装置运行异常时，所述控制器发送信号至所述振动模拟机构2、降雨模拟机构3、光照模拟机构4、水位模拟机构5、摄像机7和所述报警器，所述振动模拟机构2、降雨模拟机构3、光照模拟机构4、水位模拟机构5和摄像机7停止工作，且所述报警器发出警报，方便工作人员对所述试验装置进行检修。
[0078]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0079]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。