一种水软化型滑坡试验模拟装置及其模拟方法

1.本发明涉及滑坡灾害模拟装置技术领域，具体而言，涉及一种水软化型滑坡试验模拟装置及其模拟方法。


背景技术：

2.我国是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害多发的国家，其中滑坡的发生常常具有突发性、高频性、破坏性的特点，是公认的仅次于地震的第二大自然灾害。滑坡的稳定性问题一直是滑坡灾害领域一项最基本但又最重要的研究课题，科学合理的评价滑坡稳定性对于确保人民生命财产安全和保证工程正常运行有着重要的意义。滑坡是由于滑体内部软弱面在以水为主的软化作用下，滑带抗剪强度指标降低，从而使坡体失稳的现象。
3.室内模型试验是研究滑坡的重要手段，在边坡土体水软化的研究中，降雨是研究其对边坡稳定性影响的最常用方法。然而，确保雨水渗入到滑坡体的内部滑带是极为困难的。因此，很难在短时间内利用模拟斜坡上的人工降雨来重现滑坡失稳。在许多实验室研究中，人工降雨造成的是浅层滑坡，而不是内部滑带水软化引发的大型滑坡。因此，开发一种合适的室内试验方法来重现由水软化引起的滑坡失稳是极其有必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种水软化型滑坡试验模拟装置及其模拟方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：本发明提供一种水软化型滑坡试验模拟装置，包括透明试验箱和岩土体模型，所述岩土体模型设置于所述透明试验箱内，所述岩土体模型包括滑床还原层、滑带还原层和滑体还原层，所述滑床还原层设置于所述透明试验箱的底壁，所述滑床还原层的上方依次设置所述滑带还原层和所述滑体还原层，所述滑床还原层与所述滑带还原层之间设置有透水层；其中，所述滑床还原层、所述滑带还原层和所述滑体还原层分别为待模拟区域的滑坡经过回溯还原后得到的岩土体所对应的几何相似模型，所述透水层中的水向所述滑带还原层缓慢渗透而发生失稳破坏，透过所述透明试验箱实时观察岩土体模型的截面几何形状。
5.在本技术的一些实施例中，所述滑床还原层包括多个紧密排列的拼接单元，每个所述拼接单元包括伸缩杆、转动板和撑杆，所述伸缩杆的一端设置于所述透明试验箱的底壁，所述伸缩杆的另一端设有支撑板，所述支撑板与地面平行，所述支撑板的上方铰接有所述转动板，所述撑杆沿所述伸缩杆的轴线方向贯穿所述支撑板且与所述转动板抵接，所述支撑板与所述转动板的铰接点和所述撑杆位于所述伸缩杆轴线的两侧。
6.在本技术的一些实施例中，所述撑杆与所述支撑板螺纹连接。
7.在本技术的一些实施例中，所述滑床还原层还包括底轨，所述底轨固定设置于所述透明试验箱的底壁，所述伸缩杆远离所述支撑板的一端设置有滑块，所述滑块设有开口，所述开口卡合于所述底轨上。
8.在本技术的一些实施例中，所述底轨包括可拆卸连接的滑轨和阻挡件，所述滑轨
沿其延伸方向水平设置有滑槽，所述滑块设有贯穿的t型槽，所述t型槽与所述开口相连通，所述t型槽卡合于所述滑槽内，所述阻挡件卡合于所述滑槽的端口。
9.在本技术的一些实施例中，所述透水层包括无盖盒体和透水石，所述无盖盒体上分别设置有注水器和止挡件，所述止挡件平行于所述无盖盒体的底壁且间隔设置，所述注水器位于所述止挡件的下方，所述透水石设置于所述止挡件远离所述底壁的一侧。
10.在本技术的一些实施例中，所述注水器设置于所述无盖盒体的底壁。
11.在本技术的一些实施例中，所述透水层包括多个相互紧密排列的透水单元，每个所述透水单元包括所述无盖盒体和所述透水石。
12.本发明还提出一种水软化型滑坡试验模拟装置的模拟方法，采用上述水软化型滑坡试验模拟装置进行滑坡试验模拟，所述模拟方法包括：采集待试验模拟区域中滑坡中滑床、滑带和滑体的几何参数和物理参数；分别根据所述几何参数和所述物理参数，得到岩土体模型参数，所述岩土体模型参数是根据所述几何参数进行回溯还原，并按照预设比例缩小或放大后得到的相似比例参数；根据所述岩土体模型参数分别制作对应的所述滑床还原层、所述滑带还原层和所述滑体还原层；在所述透明试验箱内由下到上依次放置所述滑床还原层、所述透水层、所述滑带还原层和所述滑体还原层，完成搭建好的所述岩土体模型；向所述透水层内持续注水，随着透水层内水量的溢出缓慢向所述滑带还原层渗透，滑带还原层的抗剪切强度持续减弱而发生失稳，致使所述岩土体模型滑坡，并通过所述透明试验箱观察所述岩土体模型失稳破坏后其截面几何形状的演变过程。
13.在上述水软化型滑坡试验模拟装置的模拟方法中，所述透水层的注水速率为1ml/min~15ml/min。
14.本发明的有益效果为：本技术中，根据滑坡现场勘测的地质信息和相关的物理力学参数，采用回溯算法进行岩土体滑坡前原型的复原，得到岩土体中滑床、滑带和滑体在未发生滑坡前所对应的几何特征参数，以及滑带层、滑体层的物理力学参数，基于岩土体未发生滑坡前的几何特征参数和物理力学参数，选择相似的材料按照预设比例分别制作滑床还原层、滑带还原层和滑体还原层的几何相似模型，并按照上述岩土体模型的结构关系将其设置于透明试验箱内。当滑坡模拟实验开始时，透水层内缓慢注水，水透过透水层向滑带还原层缓慢渗透，当滑带还原层内的水量达到一定程度且在其自重的作用下，由于滑带还原层的抗剪强度下降而使得岩土体发生失稳破坏。从透明试验箱的正面可以清楚的观察到岩土体从稳定状态（实验开始前的自然状态）到发生滑坡后这段时间内其截面几何形态的变化过程，直观、明了地呈现了岩土体发生滑坡时其截面的演变过程。而且，本技术提出的水软化型滑坡试验模拟装置是基于滑带土含水率的单一性影响因素而设计的，该装置也可用于研究滑带土饱水软化对岩土体稳定性的影响，避免多因素混杂而影响其关联性的准确度，且与人工降雨造成的浅层滑坡相比，本水软化型滑坡试验模拟装置所模拟岩土体失稳是由于其内部滑带含水量的变化而引发的滑坡，该装置为基于滑带软化的牵引式滑坡的失稳机理的研究提供了更为合适的模拟工具。
15.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
17.图1所示为水软化型滑坡试验模拟装置的结构图；图2所示为水软化型滑坡试验模拟装置的截面图；图3所示为拼接单元的结构示意图；图4所示为另一种拼接单元的结构示意图；图5所示为滑轨与阻挡件的连接关系图；图6所示为透水单元的爆炸图。
18.图中标记：100-水软化型滑坡试验模拟装置；1-透明试验箱；2-滑床还原层；21-拼接单元；211-伸缩杆；212-转动板；213-支撑板；214-撑杆；215-滑块；216-开口；217-t型槽；3-透水层；31-透水单元；32-无盖盒体；33-止挡件；34-注水器；35-透水石；4-滑带还原层；5-滑体还原层；6-底轨；61-滑轨；62-滑槽；63-阻挡件。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
20.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。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.实施例1请参见图1和图2，图1所示为水软化型滑坡试验模拟装置100的结构图，图2所示为水软化型滑坡试验模拟装置100的截面图。本发明提供一种水软化型滑坡试验模拟装置100，包括透明试验箱1和岩土体模型，所述岩土体模型设置于所述透明试验箱1内，所述岩土体模型包括滑床还原层2、滑带还原层4和滑体还原层5，所述滑床还原层2设置于所述透明试验箱1的底壁，所述滑床还原层2的上方依次设置所述滑带还原层4和所述滑体还原层5，所述滑床还原层2与所述滑带还原层4之间设置有透水层3；其中，所述滑床还原层2、所述滑带还原层4和所述滑体还原层5分别为待模拟区域的滑坡经过回溯还原后得到的岩土体
所对应的几何相似模型，所述透水层3中的水向所述滑带还原层4缓慢渗透而发生失稳破坏，透过所述透明试验箱1实时观察岩土体模型的截面几何形状。
22.本技术中，根据滑坡现场勘测的地质信息和相关的物理力学参数，采用回溯算法进行岩土体滑坡前原型的复原，得到岩土体中滑床、滑带和滑体在未发生滑坡前所对应的几何特征参数，以及滑带层、滑体层的物理力学参数，基于岩土体未发生滑坡前的几何特征参数和物理力学参数，选择相似的材料按照预设比例分别制作滑床还原层2、滑带还原层4和滑体还原层5的几何相似模型，并按照上述岩土体模型的结构关系将其设置于透明试验箱1内。当滑坡模拟实验开始时，透水层3内缓慢注水，水透过透水层3向滑带还原层4缓慢渗透，当滑带还原层4内的水量达到一定程度且在其自重的作用下，由于滑带还原层4的抗剪强度下降而使得岩土体发生失稳破坏。从透明试验箱1的正面（图2所示的侧面）可以清楚的观察到岩土体从稳定状态（实验开始前的自然状态）到发生滑坡后这段时间内其截面几何形态的变化过程，直观、明了的呈现了岩土体在发生滑坡时其截面的演变过程。而且，本技术提出的水软化型滑坡试验模拟装置100是基于滑带土含水率的单一性影响因素而设计的，该装置也可用于研究滑带土饱水软化对岩土体稳定性的影响，避免多因素混杂而影响其关联性的准确度，且与人工降雨造成的浅层滑坡相比，本水软化型滑坡试验模拟装置100所模拟岩土体失稳是由于其内部滑带含水量的变化而引发的滑坡，该装置为基于滑带软化的牵引式滑坡的失稳机理的研究提供了更为合适的模拟工具。
23.请参见图3，图3所示为拼接单元21的结构示意图。进一步地，所述滑床还原层2包括多个紧密排列的拼接单元21，每个所述拼接单元21包括伸缩杆211、转动板212和撑杆214，所述伸缩杆211的下端设置于所述透明试验箱1的底壁，所述伸缩杆211的上端连接设有支撑板213，所述支撑板213与地面平行，所述支撑板213的上方铰接有所述转动板212，所述撑杆214沿所述伸缩杆211的轴线方向贯穿所述支撑板213且与所述转动板212抵接，所述支撑板213与所述转动板212的铰接点和所述撑杆214位于所述伸缩杆211轴线的两侧。在使用时，通过伸缩杆211和转动板212之间相互配合的调整，且通过多个紧密排列的拼接单元21构成滑床还原层2，为滑带还原层4的底部的几何特征的实现提供支撑面。与填筑滑床还原层2的方式相比，本技术通过伸缩杆211在高度上进行大范围的调整，同时辅以转动板212进行角度的微细调整，使得滑床还原层2能够根据滑带还原层4的需求进行灵活调整，不仅节约了填筑材料、缩短了填筑时间、降低了实验成本，还能灵活调整以满足了不同几何特征的滑带还原层4的需求，且进行多组不同滑带对比实验时较为容易。本实施例中通过调整在支撑板213上方的撑杆214的长度，进而调整转动板212的角度。进一步地，所述撑杆214与所述支撑板213螺纹连接，通过旋转使得撑杆214向上或向下移动而调整其在支撑板213上方的高度，且撑杆214与支撑板213之间的螺纹连接可以在自重作用下而卡合，结构简单，角度调节较为方便。
24.详细地，所述滑床还原层2还包括底轨6，所述底轨6固定设置于所述透明试验箱1的底壁，所述伸缩杆211远离所述支撑板213的一端设置有滑块215，所述滑块215设有开口216，所述开口216卡合于所述底轨6上。使用时，可通过开口216对拼接单元21进行安装或拆卸，可根据滑带还原层4底部的几何特征对拼接单元21的个数、水平位置进行调整，灵活性更高。
25.请参见图6，图6所示为透水单元31的爆炸图。所述透水层3包括无盖盒体32和透水
石35，所述无盖盒体32上分别设置有注水器34和止挡件33，所述止挡件33平行于所述无盖盒体32的底壁且间隔设置，所述注水器34位于所述止挡件33的下方，所述透水石35设置于所述止挡件33远离所述底壁的一侧。本实施例中，止挡件33设置于无盖盒体32竖直方向的四周侧壁上，使得透水石35与无盖盒体32的底壁之间存在一定的间隙可以容纳一定量的水，水透过透水石35后向滑带还原层4缓慢渗透，可以保证滑带还原层4被水润湿的较为均匀。且由于透水石35的存在，可避免由于水压过大而使得水射入滑体还原层5中，同时也避免了由于水压的冲击力而冲毁滑带还原层4，从而提高实验数据的准确度避免由于实验操作不当而影响实验准确性。进一步地，所述注水器34设置于所述无盖盒体32的底壁，随着注水器34内缓慢注入水流，透水石35下方的水将透水石35润湿后渐渐溢出，保证水缓缓向滑带还原层4渗透，通过对滑带土均匀定量注水，从而准确控制滑带土抗剪强度参数的软化程度，进而实现滑坡的失稳破坏，保证实验数据的准确性。
26.详细地，所述透水层3包括多个相互紧密排列的透水单元31，每个所述透水单元31包括所述无盖盒体32和所述透水石35。本实施例中，可以根据研究需求在不同的透水单元31中注水，进而研究不同位置的滑带土饱水软化对岩土体稳定性的影响，对于研究渐进式滑坡、局部失稳滑坡等具有较好的应用价值。而且可以灵活掌控其透水单元31内的水量，能够满足滑带土饱水软化定量分析的需求，为滑坡预警监测领域的研究提供数据支持。再者，透水层3由多个小尺寸的透水单元31组成，该透水单元31易于组合成各种几何形态的滑面形状，具有较好的伏贴性。
27.实施例2请参见图4和图5，图4所示为另一种拼接单元21的结构示意图，图5所示为滑轨61与阻挡件63的连接关系图。实施例2基于实施例1提供另外一种拼接单元21，所述底轨6包括可拆卸连接的滑轨61和阻挡件63，所述滑轨61沿其延伸方向水平设置有滑槽62，所述滑块215设有贯穿的t型槽217，所述t型槽217与所述开口216相连通，所述t型槽217卡合于所述滑槽62内，所述阻挡件63卡合于所述滑槽62的端口。滑块215的下端设有t型槽217与滑槽62上的滑槽62之间相互卡合使得结构更为紧凑，拼接单元21可在滑轨61上滑行。且滑轨61与阻挡件63之间可拆卸连接，在安装拼接单元21时将阻挡件63从滑槽62中取下即可，安装完毕后将阻挡件63卡接在滑槽62内即可避免拼接单元21从滑轨61上滑脱。
28.实施例3本技术还提出一种水软化型滑坡试验模拟装置100的模拟方法，采用上述水软化型滑坡试验模拟装置100进行滑坡试验模拟，所述模拟方法包括步骤s1、步骤s2、步骤s3、步骤s4和步骤s5，其中：步骤s1、采集待试验模拟区域中滑坡中滑床、滑带和滑体的几何参数和物理参数。
29.可以理解的是，在本步骤中，采用工程地质勘察方法采集滑床、滑带和滑体的几何参数和物理参数，其中几何参数包括区地形地貌、地层岩性、地质构造、地下水特征等，尤其对于岩质滑坡，还应包括岩体结构类型，风化、卸荷特征，各类结构面和软弱层的类型、产状、分布、性质及其组合关系等。物理参数为岩土体物理力学参数，根据不同的岩土体内容有所不同，通常包括重度、粘聚力、内摩擦角、泊松比、弹性模量、体积模量等，可根据实际研究对象与研究目的确定相应的物理参数。
30.步骤s2、分别根据所述几何参数和所述物理参数，得到岩土体模型参数，所述岩土
体模型参数是根据所述几何参数进行回溯还原，并按照预设比例缩小或放大后得到的相似比例参数。
31.可以理解的是，在本步骤中，根据所述几何参数和所述物理参数采用现有的回溯算法分别进行还原处理后得到岩土体中滑床、滑带和滑体在未发生滑坡前的几何特征参数，再根据岩土体未发生滑坡前的几何特征参数通过相似理论，按照预设比例计算所述几何参数和所述物理参数的相似常数，主要包含几何形状尺寸、滑体滑带使用的相似材料的物理力学参数，即岩土体模型参数。
32.步骤s3、根据所述岩土体模型参数分别制作对应的所述滑床还原层2、所述滑带还原层4和所述滑体还原层5。
33.步骤s4、在所述透明试验箱1内由下到上依次放置所述滑床还原层2、所述透水层3、所述滑带还原层4和所述滑体还原层5，完成搭建好的所述岩土体模型。
34.步骤s5、向所述透水层3内持续注水，随着透水层3内水量的溢出缓慢向所述滑带还原层4渗透，滑带还原层4的抗剪切强度持续减弱而发生失稳，致使所述岩土体模型滑坡，并通过所述透明试验箱1观察所述岩土体模型失稳破坏后其截面几何形状的演变过程。
35.可以理解的是，在本步骤中，通过在透明试验箱1的顶部安装位移计或光学测量设备用以监测坡面的位移变化情况，通过在透明试验箱1的前侧壁（图2所示侧壁）架设高速摄像机等图像采集装置，用于实时采集岩土体失稳过程中其内部截面几何变形的演变过程。再根据岩土体稳定状态下到失稳滑坡后的所有图像，利用数字图像相关法将相邻两幅数字图像通过相关计算获取感兴趣区域的变形信息，其基本原理是，对变形前图像中的感兴趣区域进行网格划分，将每个子区域当作刚性运动。再针对每个子区域，通过一定的搜索方法按预先定义的相关函数来进行相关计算，在变形后图像中寻找与该子区域的互相关系数为最大值的区域，即该子区域在变形后的位置，进而获得该子区域的位移。对全部子区域进行计算，即可获得全场的变形信息。由于该方法对实验环境要求极为宽松，并且具有全场测量、抗干扰能力强、测量精度高等优点，能够精准地得到的某一时刻岩土体内部位移变形情况，并精确分析出图像中任意一点的位移、拉伸、应变等变形情况，因此可以很好的模拟出基于滑带土饱水软化的失稳过程。
36.进一步地，上述模拟过程中，所述透水层3的注水速率为1ml/min~15ml/min。在该输水速率下可以避免在滑带还原层4中形成水压，满足水流缓慢渗透进入滑带层的需求，在上述范围中根据岩土体不同的成分以及其成分所对应的物理参数，选择不同的注水速率，具体不作限制。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
38.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。