专利名称：滑坡超前滑动力物理模拟实验方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及边坡稳定性监测预报技术研究领域，尤其涉及监测滑坡地质 灾害的滑坡超前滑动力物理模拟实验方法及装置。
背景技术：
近年来，随着国民经济的高速发展，各行各业对能源需求日益增加，我 国露天矿山目前已经陆续进入深部开采阶段，由于矿区工程地质条件复杂， 断层、岩脉纵横交错，加之矿山频繁的生产爆破振动，崩塌、滑坡、泥石流 等地质灾害更为严重，阻碍了矿山生产的正常进行，制约着矿山持续安全的 生产。过去，在滑坡过程中对滑体内部变形破坏的研究，由于埋藏在滑体内 部和底部，难以观测，使滑坡深部变形破坏资料无法取得。为解决这个问 题，滑坡工程学中都在利用滑坡模型实验来进行相关研究和观察，通过滑坡 才莫型实验研究滑坡的物理现象，着重解决滑坡工程学中的理论和实践问题。 如今，在国际国内的滑坡模型实验中，在实验技术和研究成果方面已取得显
著进展，其中，常用的滑坡模型实验有离心模型、重力模型和光塑性模型 实验，还有光弹模型实验以及磁法和底板摩擦法等。这些模型和方法虽然都 取得一定的研究效果，而且各有利弊和突破，但在实际应用中多多少少都存 在有技术复杂、费用昂贵、效果不好、成功率低、不可重复利用等问题，对 其模拟和监测分析过程进行改进和提高就成为本发明所要解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题和不足，基于滑坡发生与否决定于"下滑 力"和"抗滑力"之间的平衡状态变化这个原理。本发明提供一种搡作简单、观察方便，能够实现提前预测的滑坡超前滑动力物理模拟实验方法及装 置。
本发明是通过以下技术方案来实现的
一种滑坡超前滑动力物理模拟实验方法，包括:利用应力传感器探测滑床 模型倾斜面上滑体的内应力变化；根据内应力变化数据，结合滑床力学模型 和数学公式计算不同阶段滑体所受下滑力大小；利用位移传感器对滑体位移 进行全程探测；将滑体所受下滑力与位移探测信息相结合，确定滑体在滑动 前、滑动中和滑动后所受下滑力大小与时间的关系曲线；随时显示曲线和内 应力数值大小，分阶段进行报警，完成滑体超前滑动数据的探测和显示。
所述滑体上的内应力变化数据需进行均值计算。
所述滑体上设有预应力。
一种滑坡超前滑动力物理模拟实验装置，包括滑床和位于滑床倾斜面上 的滑体，还包括监测锚索、应力传感器、位移传感器、数据采集发射装置以 及相互电连接的数据接收装置、数据分析系统、应力电子显示装置和显示 器；监测锚索上设有预应力，监测锚索穿过倾斜面，内端固定在滑床上，外 端头部安装的应力传感器嵌入滑体内；位移传感器固定在滑床上，其探测线 与滑体相连接；数据采集发射装置固定在滑床上，应力传感器与数据采集发 射装置电连接，并将探测数据传送到数据采集发射装置中；数据分析系统处 理数据接收装置接收到的来自数据采集发射装置的数据，形成下滑力-时间曲 线和当前应力值后分别在显示器和应力电子显示装置上显示。
所述应力传感器为三弦式应力传感器。
所述数据采集发射装置对接收到的内应力数据进行均值计算后再进行传 输。 -所述数据采集发射装置以无线方式与数据接收装置进行数据传输。 本发明所述的滑坡超前滑动力物理模拟实验方法及装置，通过模拟滑坡全过程中下滑力变化特征，按滑动前、滑动中和滑动后实时记录并绘制出下 滑力-时间关系曲线，形象地反应出各阶段滑体内部应力变化特征，并用分阶 段报警方式进行提示，特别是位移开始发生阶段的报警，真正实现了滑坡地 质灾害的超前、实时预警预报。整个装置结构设计合理，使用方便，完全模 仿滑坡全过程进行模拟监测和信息处理，绘制的监测曲线真实、形象、可 靠，应力电子显示装置显示应力数值大小直观、方便，充分反应了滑^皮发生 全过程的下滑力变化特征，模拟准确、逼真。
图l为本发明的结构示意图。
具体实施例方式
本发明的主题是通过对摄动力的实时监测，计算出滑体下滑力的大小， 实现从"现象监测，，到"本质监测"的飞跃，从而得出滑动力与滑体位移的 关系，避免滑坡地质灾害对人类的影响，做到提前预报、提前准备、防灾避 灾的目的。
下面结合附图l对本发明做进一步的描述
本发明所述的一种滑坡超前滑动力物理模拟实验方法，首先，以模型方 式设立带有倾斜面的滑床7和教置于倾斜面上的滑体4，倾斜面角度、滑体4与 滑床7接触面积可根据需要设定，根据不同角度和面积对滑体4需设置一定的 预应力，使滑体4可以顺利停留在倾斜面上，不会从倾斜面上直接滑落。接 着，利用位于滑体4上的应力传感器11探测滑床7倾斜面上滑体4的下滑力变 化，根据探测到的内应力变化数据，结合滑床7的力学模型和数学公式计算 出不同时段滑动面上所受下滑力的大小。由于选用的传感器为三弦式应力传 感器，在传感器圆柱形不锈钢壳体内呈等边三角形分布，如果有偏心力作用，必然三根弦受力不统一，为了防止这种偏心作用，在取值时对三根弦测 量数据首先要进行均值计算，从而得出比较精确的测量数据，然后再根据力
学模型和相应公式进行下滑力大小的计算。最后，随着滑体4所受下滑力的 不断增大，滑体4在倾斜面上开始下滑，通过位移传感器3对滑体4位移不间 断地探测，利用探测到的数据与滑体4所受下滑力数据相比较，最终确定出 滑体4在滑动前、滑动中和滑动后所受下滑力大小与时间的关系曲线，将此 曲线和内应力数值大小随时在显示装置上显示，滑体4在各个阶段下滑力变 化过程及位移过程可以被清楚地观察和掌握，从而能超前了解滑体4上各项 指标的具体数据，进而通过此模型实验更好的帮助人们了解滑坡灾害发生的 全过程，及时发出报警信息，避免滑坡灾害对人类生活和安全的影响。 根据上述方法，本发明是通过以下设备来实现的
一种滑坡超前滑动力物理模拟实验装置，主要分为监测模拟装置和数据 处理装置两大部分，具体包括滑床7、位于滑床7倾斜面上的滑体4、监测 锚索10、应力传感器11、位移传感器3、数据采集发射装置8以及相互电连接 的数据接收装置14、数据分析系统6、应力电子显示装置2和显示器13。
其中，滑体4呈三棱柱形，滑床7上的倾斜面呈梯形，监测锚索10穿过倾 斜面后，内端9固定在滑床7上，外端头部安装的应力传感器11嵌入到滑体4 内，应力传感器11选用三弦式应力传感器，监测锚索10上设有预应力，监测 锚索10上的预应力可以辅辟防止滑体4从倾斜面上直接滑落，从而使模型能 真实再现滑体4从静止到滑落的全过程。应力传感器11与数据采集发射装置8 电连接，数据采集发射装置8固定在滑床7上，应力传感器11随时对滑体4内 应力的大小进行探测，并将探测数据传送到数据采集发射装置8中，数据采 集发射装置8对接收到的变化的内应力数据进行均值计算，以保证内应力数 值大小的准确性。位移传感器3固定在滑床7顶部，其探测线与滑体4相连 接，随着滑体4的移动，位移传感器3会将探测到的滑体4移动量利用黑红相
7间的测量线标识出来，使滑体4的移动距离在空间上有一个非常直观的反 应。
数据接收装置14、数据分析系统6、应力电子显示装置2和显示器13都独 立于滑床7外部，应力电子显示装置2可放置在滑床7顶部，这样容易观察和 随时掌握滑体4内应力的大小。数据接收装置14以无线方式与数据采集发射 装置8进行数据传输，数据分析系统6分析、处理数据接收装置14接收到的来 自数据釆集发射装置8的数据，根据力学模型和相应公式计算出滑动前、滑 动中和滑动后滑体4所受下滑力大小与时间的对应关系，并形成下滑力-时间 曲线和当前应力值分别在显示器13和应力电子显示装置2上显示，其模拟过 程能及时了解滑体4上所受下滑力大小与时间及位移的变化关系。
实际模拟实验过程中，首先为各装置接通电源，启动并激活监测模拟装 置，倾斜面上滑体4所受下滑力和抗滑力平衡被打破，下滑力在逐渐积累，监 测锚索10上初始施加的预应力由于扰动而发生变化，变化量通过安装在监测 锚索10外端头上的应力传感器11进行自动采集，并且将采集到的数据通过线 缆传输到数据釆集发射装置8中，在数据采集发射装置8中进行三弦应力均值 计算后通过无线传输方式发送到数据接收装置14。
为了验证位移监测的时间滞后性，位移传感器3始终对滑体4的移动进行 探测。当滑体4内部力学平衡被打破，下滑力发生变化，滑体4并没有滑动 时，固定在滑床7顶部的位移传感器3的探测线会始终处于松弛状态，即没有 发生任何位移变化。
数据分析系统6将上述监测信息进行分析和处理，利用下滑力和扰动力之 间的函数关系计算出滑动前、滑动中和滑动后倾斜面上滑体4所受下滑力的大 小，采用自动绘图软件将变化趋势在显示器13上通过下滑力-时间曲线显示出 来，曲线可以直观反映出滑体4的全过程下滑力演化特征，并将下滑力实时监 测数据反^t到应力电子显示装置2中显示出来。当下滑力值逐渐积累到一定程度，即超过设定的预警值时，模拟实验装
置发出预警，表示倾斜面上的下滑力已接近滑体4的扰动力，即有滑坡的危 险，此刻，滑体4并没有位移，即地表岩土体仍没有发生位移，连接在滑体4 上的位移传感器3没有任何反应。当下滑力值继续积累到大于滑体4抗滑力 时，滑体4沿着倾斜面开始下滑，滑坡发生，位移传感器3发出报警信号，但 实际滑坡灾害已经发生。应力电子显示装置2上此刻可以直接读取并显示滑4 体所受下滑力的大小，而下滑力-时间曲线也能直观地反应出滑坡发生的具体 时间。
从模拟滑坡发生的全过程可以看出，应力变化超前于表面位移的发生， 捕捉边坡岩体内应力的变化应优于对岩体位移的监测。通过对模拟滑坡发生 全过程的下滑力变化特征进行实时记录，并以下滑力-时间曲线显示在显示器 13和应力电子显示装置2中，形象地反应出了各阶段滑体4内部应力变化的特 征，并分阶段发出不同报警信号，真正实现了滑坡地质灾害的超前、实时预 警预报。
权利要求
1、一种滑坡超前滑动力物理模拟实验方法，其特征在于包括利用应力传感器探测滑床模型倾斜面上滑体的内应力变化；根据内应力变化数据，结合滑床力学模型和数学公式计算不同阶段滑体所受下滑力大小；利用位移传感器对滑体位移进行全程探测；将滑体所受下滑力与位移探测信息相结合，确定滑体在滑动前、滑动中和滑动后所受下滑力大小与时间的关系曲线；随时显示曲线和内应力数值大小，分阶段进行报警，完成滑体超前滑动数据的探测和显示。
2、 根据权利要求1所述的滑坡超前滑动力物理模拟实验方法，其特征在 于，所述滑体上的内应力变化数据需进行均值计算。
3、 根据权利要求1所述的滑坡超前滑动力物理模拟实验方法，其特征在 于，所述滑体上设有预应力。
4、 一种滑坡超前滑动力物理模拟实验装置，包括滑床和位于滑床倾斜面 上的滑体，其特征在于，还包括监测锚索、应力传感器、位移传感器、数据 采集发射装置以及相互电连接的数据接收装置、数据分析系统、应力电子显 示装置和显示器；所述监测锚索上设有预应力，监测锚索穿过倾斜面，内端固定在滑床 上，外端头部安装的应力传感器嵌入滑体内；所述位移传感器固定在滑床上，其探测线与滑体相连接；所述数据采集发射装置固定在滑床上，应力传感器与数据采集发射装置 电连接，并将探测数据传送到数据采集发射装置中；所述数据分析系统处理数据接收装置接收到的来自数据采集发射装置的 数据，形成下滑力-时间曲线和当前应力值后分别在显示器和应力电子显示装置上显示。
5、 根据权利要求4所述的滑坡超前滑动力物理模拟实验装置，其特征在 于，所述应力传感器为三弦式应力传感器。
6、 根据权利要求4所述的滑坡超前滑动力物理模拟实验装置，其特征在 于，所述数据釆集发射装置对接收到的内应力数据进行均值计算后再进行传输。
7、 根据权利要求4所述的滑坡超前滑动力物理模拟实验装置，其特征在 于，所述数据采集发射装置以无线方式与数据接收装置进行数据传输。
全文摘要
本发明公开了一种滑坡超前滑动力物理模拟实验方法及装置，利用应力传感器探测滑床模型倾斜面上滑体的内应力变化，结合位移传感器对滑体位移的探测数据，确定滑体在滑动前、滑动中和滑动后所受下滑力大小与时间的关系曲线，显示曲线和内应力数值大小，分段报警的同时完成滑体超前滑动数据的探测和显示，真正实现了滑坡地质灾害的超前、实时预警预报。整个装置结构设计合理，使用方便，完全模仿滑坡全过程进行模拟监测和信息处理，绘制的监测曲线真实、形象、可靠，应力电子显示装置显示应力数值大小直观、方便，充分反应了滑坡发生全过程的下滑力变化特征，模拟准确、逼真。
文档编号G01L1/00GK101609158SQ20091008943
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者何满潮, 斌 张, 张海鹏, 杨晓杰 申请人:中国矿业大学(北京)