实时量测降雨条件下牵引式滑坡滑动过程的模型试验装置的制作方法

本发明涉及一种岩土工程滑坡模型试验装置，尤其涉及一种可实时量测降雨条件下牵引式滑坡滑动过程的模型试验装置，应用于岩土工程的滑坡模型试验。

背景技术：

我国是滑坡地质灾害极为频繁的国家，滑坡对人民生命财产安全、经济发展、环境保护造成巨大了的损害。根据国土资源部关于全国地质灾害通报统计，2004年至2012年，全国共发生地质灾害24万多起，造成7000多人失踪、遇难，3000多人受伤，直接经济损失达300多亿元，其中滑坡所占比例约为67％。

国内外比较成熟的滑坡模型实验技术主要有滑坡底摩擦式、推移式和离心式，滑坡底摩擦式滑坡试验利用基底摩擦力代替重力模拟滑坡发生的变化和破坏过程，缺点是不能定量研究滑坡的应力应变及位移特性；推移式滑坡模型试验采用在坡体后侧施加推力的方式使坡体发生滑动，缺点是不能模拟牵引式滑坡尤其是多段牵引式滑坡的演化规律；离心式滑坡模型利用离心试验机模拟滑坡演化的相关特性，缺点是不能控制滑坡的演化过程。

牵引式滑坡是重要的滑坡类型，而牵引式滑坡的启动、发展、破坏演化过程、破坏机理的研究一直是工程地质领域中的热点、难点和重点，尤其是降雨条件下牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间、滑坡破坏演化过程、破坏机理的研究更是研究的重中之重。

长期以来，对于降雨诱发滑坡的研究，国内外学者开展了大量的内模型试验，取得了显著的成果。国内外现有的研究表明，降雨、地震、人类工程建设活动是造成滑坡的诱因，而降雨是诱发滑坡的最主要原因。但是目前鲜有关于降雨条件下牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间、滑坡破坏演化过程、破坏机理的研究。因此，深入研究降雨条件下牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间、滑坡破坏演化过程、破坏机理等对滑坡预测预报、治理等具有重要的理论和现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种实时量测降雨条件下牵引式滑坡滑动过程的模型试验装置，能够实现不同的降雨条件下(降雨强度、降雨模式)、不同的牵引速率下对滑坡的破坏模式、初始滑坡时间、滑坡破坏演化过程等进行室内模型试验研究。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种实时量测降雨条件下牵引式滑坡滑动过程的模型试验装置，包括顶部和前端开口的透明模型箱体，箱体上端设降雨系统；箱体前端底部活动连接台架，台架上设力加载装置，模拟滑面通过传力杆与力加载装置连接，所述模拟滑面与传力杆位于同一平面；在传力杆上设力传感器，模型箱体内部设含水率传感器、孔隙水压力传感器、吸力传感器和位移传感器；力传感器、含水率传感器、孔隙水压力传感器、吸力传感器和位移传感器与数据采集系统连接。

所述模型箱体由底板与底板上的有机玻璃板组成，有机玻璃板外侧设钢架。

所述模型箱体前端底部设转轴，转轴两侧设刻有角度的齿轮。

所述模拟滑面为多段式滑面，每两段模拟滑面之间通过牵引链连接，位于前端的模拟滑面与夹具连接，夹具另一端与传力杆连接。

所述台架与模型箱体底部设雨水回收槽。

所述降雨系统包括位于箱体上端的喷头以及与喷头连接的供水管，供水管上设雨强控制器、流量计和水阀。

所述含水率传感器、孔隙水压力传感器、吸力传感器垂直布置九层，分别埋设于坡顶、坡中和坡脚；位移传感器分三层布设于坡顶、坡中和坡脚。

所述试验装置还包括piv测量系统和三维激光测量系统。

所述piv测量系统包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统主要由光源、相机、图像采集及后处理设备组成；三维激光测量系统包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统主要由光源、相机、三维激光扫描仪组成。

如上所述的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)安装好模型试验装置，在模型箱体侧面依次画上坡面线、埋设测量仪器的层面线、滑面线；

(2)将配好的土体分层填筑进模型箱体至坡面线，当填筑至埋设测量仪器的层面线时，埋设测量仪器，当填筑至滑面线时，布设模拟滑面；

(3)调整台架与模型箱前端角度至预定角度；

(4)启动降雨系统、数据采集系统与力加载装置，开始试验。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明试验装置可以对降雨条件下牵引式滑坡的滑动过程进行模拟，能实时地量测初始滑坡时间、滑坡破坏演化过程；

2、本发明试验装置可以对降雨条件下牵引式滑坡演化的过程进行控制，细化研究不同演化阶段的滑坡形态及其演化规律；

3、本发明试验装置可以对降雨条件下不同规模滑面引起的滑坡进行模拟，对比研究不同规模滑面引起的滑坡形态及其演化规律；

4、本发明试验装置可以对降雨条件下不同倾角的滑面引起的滑坡进行模拟，对比研究不同倾角的滑面引起的滑坡形态及其演化规律；

5、本发明试验装置布置有力传感器、含水率传感器、孔隙水压力传感器、土体吸力传感器以及位移传感器，能实时、精确地量测土体的应力、含水率、孔隙水压力、土体吸力以及滑面的位移；

6、本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，可调性强，易于掌握。

附图说明

图1是本发明的模型试验装置总体立体图。

图2是本发明的模型试验装置总体前视图。

图3是本发明的模型试验装置总体俯视图。

图4是本发明的模型试验装置总体侧视图。

图5是本发明的模型试验装置传感器布置俯视图。

图6是本发明的模型试验装置传感器布置侧视图。

图7是本发明的模型试验装置降雨历程图。

图8是本发明的模拟滑面为两段时示意图。

图9是本发明的坡面线、滑面线、埋设仪器线设计示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的实时量测降雨条件下牵引式滑坡滑动过程的模型试验装置，如图1-4所示，包括模型箱系统、牵引滑坡模型系统、降雨系统和测量系统。模型箱系统可塑造坡体，牵引滑坡模型系统可模拟牵引式滑坡运动形式，降雨系统可模拟降雨工况，测量系统可对降雨条件下滑坡的应力、位移、形变、含水量、孔隙水压力、土体吸力、土体位移场、土体应变场、初始滑坡时间、滑坡破坏演化过程等指标进行实时、精确地量测。

模型箱系统包括顶部和前端开口的透明模型箱体，模型箱体底部设雨水回收槽12；进一步，模型箱体由底板30与底板上的有机玻璃板1组成，有机玻璃板1外侧设钢架2，有机玻璃板1和周围钢架2垂直固定于底板30上。模型箱体为透明材料，便于观察滑体的应力应变以及整体变形情况，玻璃板外侧设钢架，钢架和玻璃板不接触，可方便观察箱体内的土体变化，钢架的作用是支撑供水系统的供水管路。雨水回收槽12位于整个模型箱底板。

牵引滑坡模型系统包括与模型箱底部前端活动连接的台架11，台架11与箱体底板30之间的夹角角度可调节，优选模型箱体底板前端下沿设转轴4，转轴4连接台架11，为了方便角度调节，在转轴4两侧设带有刻度的齿轮3；台架11上设力加载装置，力加载装置连接传力杆7，传力杆7另一端通过钳形夹具6与模拟滑面5连接；所述模拟滑面5、夹具6与传力杆7位于同一平面，此平面与台架11平行，可使模拟滑面能够按照预设倾角滑动。台架11后端挖空以便于雨水流出至雨水回收槽12。

为了可模拟多段牵引式滑坡的演化规律，模拟滑面可为多段式，每两段相邻模拟滑面之间通过牵引链32连接，位于前端的模拟滑面与夹具连接，模拟滑面的尺寸可根据实际实验需求进行调整；优选模拟滑面5为铁丝网，铁丝网面相对于没有网孔的模拟滑面受力更均匀，且与周围土体有较大摩擦力；当模拟滑面即铁丝网面为两段或大于两段，每两段相邻铁丝网面通过牵引链32连接，如图8所示，牵引链优选为回形针；力加载装置为减速电机10，传力杆与减速电机之间设传力箱9。最终通过减速电机10产生的牵引力拉动铁丝网5运动来模拟滑面的滑动。

降雨系统包括位于箱体上端的喷头17以及与喷头连接的供水管13，供水管13上设雨强控制器14、电子流量计15和水阀16，喷头17设置在搭设于周围钢架2的降雨水管31上，优选降雨水管31有3排，每排降雨水管31上有3个喷头17；雨强控制器14可控制降雨强度，电子流量计15可测量雨水流量。雨强控制器14采用清华大学pxjy-c型双闭环全自动人工模拟降雨器，内置led显示屏，能够可靠显示倒计时、实时雨强、平均雨强，能够快速调节、高速跟踪数据。电子流量计采用首科实华公司生产的dmf-1-3a型液体质量流量计，量程为0-500kg/h，工作压力0-4mpa，精度±0.2％。降雨喷头采用美国sprayingsystems公司的fulljet旋转下喷式喷头，类型为hhmfp，规格为3/4，喷雾角度60°，喷头工作压力：0.15-0.25mpa，流量：70-120l/h。

测量系统包括传力杆7上设置的力传感器8以及模型箱体内部设置的含水率传感器18、孔隙水压力传感器19、吸力传感器20和位移传感器21；力传感器8、含水率传感器18、孔隙水压力传感器19、吸力传感器20和位移传感器21与数据采集系统连接；含水率传感器18用于测试土体中的含水率，孔隙水压力传感器19用于测量土体中的孔隙水压力，吸力传感器20用于测量土体中的吸力，位移传感器21用于测量坡面位移；含水率传感器18、孔隙水压力传感器19和吸力传感器20分上下九层埋设于坡体中，分别埋设于坡顶、坡中和坡脚，每层中三种传感器各布设一个，左右均匀布置。位移传感器21分三层布设于坡顶、坡中和坡脚，每层布设一个。各传感器详细布置如图5和图6。

力传感器8用型号为p306s-01，直径6mm，高度2.5mm，量程100kg精度为2±0.01mv；孔隙水压力传感器19为兰华传感器厂生产的bsy型电感调频式孔隙水压力传感器，量程为-500-100kpa；含水率传感器18为美国decagon公司生产的ec-5型体积含水量传感器，量程为0至饱和，精度为±2％；吸力传感器20为美国campbell公司生产的253型土壤吸力传感器，量程为-200kpa-0kpa；位移传感器21采用溧阳市超源仪器厂生产的ywc-c型防水位移传感器，最大量程30mm，灵敏度93με/mm，桥路电阻5ω。

试验装置还包括piv测量系统和三维激光测量系统。piv测量系统包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要由两盏泛光led灯、ccd高速相机、图像采集及后处理设备等组成，软件系统采用德国lavision公司davis8.0系列软件及pivview2c软件完成滑坡滑动全过程土体位移图像的采集与分析工作。三维激光测量系统为ms50测量系统，包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要有led泛光灯光源、cannoneos700d单反相机、徕卡ms50三维激光扫描仪(兼顾全站仪功能)等设备组成，软件系统采用瑞士leica公司的geomos自动监测系统完成在坡体运动过程中的面变形以及单点变形的采集和分析工作。采用piv测量系统和ms50三维激光测量系统能够对滑坡滑动全过程进行拍摄、量测，能实时、精确地对滑坡滑动过程中土体位移图像、滑面变形以及单点变形等进行采集与分析工作。

交直流led泛光灯的额定功率30w，它既方便、实用，又能满足实验室条件下对光源亮度和稳定性的要求；cannoneos700d单反相机，分辨率高达1800万像素，徕卡ms50三维激光扫描仪位瑞士leica公司开发，扫描精度达0.6mm，本次试验扫描区域点数大于10万，自动扫描选定区域，扫描数据精确可靠，满足了模型试验对测量精度的要求。

采用美国campbell公司生产的cr1000型数据采集仪对ec-5型体积含水量传感器、253型土壤吸力传感器和bsy型电感调频式孔隙水压力传感器测得的试验数据进行采集，采用东华测试公司生产的dh3821静态应变测试分析系统对ywc-c型防水位移传感器和p306s-01型压力传感器测得的试验数据进行采集。

如图1所示为滑面倾角为35°、滑面长度为66cm、降雨强度为小雨(降雨量8mm/d)、降雨模式为持续降雨的滑坡模型试验装置，其具体试验方法如下：

(1)安装好模型箱体，对力传感器8、含水率传感器18、孔隙水压力传感器19、吸力传感器20和位移传感器21进行标定；

(2)根据设计在模型箱两侧有机玻璃外壁上从上到下依次画上坡面线33(前端与底板垂直距离为18cm)、第三层埋设测量仪器的层面线34(坡面线向下平移7cm)、滑面线35(坡面线向下平移12cm)、第二层埋设测量仪器的层面线36(坡面线向下平移17cm)、第一层埋设测量仪器的层面线37(坡面线向下平移24cm)，倾角均为35°，如图9所示；

(3)将配好的土体按照步骤(2)中的画线分层填筑至第一层埋设测量仪器的层面线37，然后按照设计布置含水率传感器18、孔隙水压力传感器19和吸力传感器20；将配好的土体按照步骤(2)中的画线分层填筑至第二层埋设测量仪器的层面线36，然后按照设计布置含水率传感器18、孔隙水压力传感器19和吸力传感器20；将配好的土体按照步骤(2)中的画线填筑至滑面线35，然后布置铁丝网5；将配好的土体按照步骤(2)中的画线填筑至第三层埋设测量仪器的层面线34，然后按照设计布置含水率传感器18、孔隙水压力传感器19和吸力传感器20；将配好的土体按照步骤(2)中的画线填筑至坡面线33，然后按照设计布置位移传感器21；

(4)按照设计安装好钳形夹具6、传力杆7等牵引滑坡模型系统其余部分，并调整电机支架倾斜角度为35°；

(5)按照设计安装降雨系统，设定降雨强度为8mm/d；

(6)将piv测量系统泛光led灯、ccd高速相机及cannoneos700d单反相机放置于模型箱的左侧的合适位置，使其对坡体侧面能够完整地、清晰地拍摄，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片；

(7)将ms50三维激光测量系统的led泛光灯光源、cannoneos700d单反相机、徕卡ms50三维激光扫描仪由近及远放置于模型箱前端的合适位置，使其对坡面能够完整地、清晰地拍摄，并在试验开始前对坡面进行拍照作为对比照片；(8)启动减速电机、降雨系统和测量系统，开始试验；在减速电机的牵引下，带动铁丝网面沿着滑面线向前运动，在铁丝网面运动的同时，上部土层即坡面受到牵引力的影响开始变形，产生位移，力传感器8、含水率传感器18、孔隙水压力传感器19、吸力传感器20和位移传感器21可实时的将测得数据传递给数据采集系统，能实时、精确地量测土体的应力、含水率、孔隙水压力、土体吸力以及滑面的位移，同时piv测量系统和ms50三维激光测量系统对滑坡滑动全过程进行拍摄、量测，能实时、精确地对滑坡滑动过程中土体位移图像、滑面变形以及单点变形等进行采集与分析工作。

上述试验模型可实时对滑面倾角为35°、滑面长度为66cm、降雨强度为小雨(降雨量8mm/d)、降雨模式为持续降雨的牵引式滑坡进行模型试验，研究降雨强度为小雨条件下牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间以及滑坡过程；然后可通过调整不同的滑面倾角、滑面模型、土体分层、降雨模式等对不同规模、不同倾角、不同降雨条件下的滑面引起的滑坡进行模拟。

实施例2

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，调整降雨强度为大雨(降雨量为48mm/d)。可实时对滑面倾角为35°、滑面长度为66cm、降雨强度为大雨(降雨量为48mm/d)、降雨模式为持续降雨的牵引式滑坡进行模型试验，研究降雨强度为大雨条件下牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间以及滑坡过程。与实例一相结合，可研究不同降雨强度对牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间以及滑坡过程的影响。

实施例3

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，调整降雨模式为间歇式，首先进行60min雨强为小雨的降雨，然后停止降雨60min，依次循环，降雨历程见图7。可实时对滑面倾角为35°、滑面长度为66cm、降雨强度为小雨(降雨量8mm/d)、降雨模式为间歇式降雨的牵引式滑坡进行模型试验，研究降雨强度为小雨、降雨模式为间歇式条件下牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间以及滑坡过程。与实例一相结合，可研究不同降雨模式对牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间以及滑坡过程的影响。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，电机牵引速率减小一半，即3mm/min。可实时对滑面倾角为35°、滑面长度为66cm、降雨强度为小雨(降雨量8mm/d)、降雨模式为持续降雨、牵引速率为3mm/min的牵引式滑坡进行模型试验，研究降雨强度为小雨条件下、牵引速率减半的牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间以及滑坡过程。与实例一相结合，可研究不同牵引速率对降雨条件下的牵引式滑坡的破坏模式、初始滑坡时间以及滑坡过程的影响。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明一种实时量测降雨条件下牵引式滑坡滑动过程的模型试验装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。