多渗流条件下边坡稳定性机理研究通用模型试验系统的制作方法

本发明涉及试验模型技术领域，特别是涉及一种多渗流条件下边坡稳定性机理研究通用模型试验系统。

背景技术

边坡滑塌具有分布广泛、爆发频率高、危害性大等特点。研究表明大部分边坡失稳由水诱发。由水诱发的边坡失稳根据复杂水环境变化情况主要表现在以下三个方面。第一，在雨季，降雨作用明显，降雨量、雨强、短时暴雨及长历时小雨都会对边坡产生极大的威胁，此种情况常见于降雨诱发的各种边坡失稳。第二，边坡后缘的裂隙充水或者是后缘的高水位作用下，侧向坡内渗流也常常带来不利影响，此种情况多见于沿河路堤边坡或堤坝等侧向渗流失稳。第三，从旱季转为汛期，边坡地下水位会逐渐抬升，边坡底部会受到承压水或毛细水的作用含水量由边坡底面到上部不断增加导致失稳，此种情况多见于地下水环境变化复杂边坡。因此，不同渗流条件下边坡稳定性的研究是一个十分重要而复杂的课题。当前，对边坡失稳机理的研究主要集中在试验基础上。模型试验虽然在尺寸效应上有一定限制，但试验条件控制灵活，程序简单、安全低廉、具有良好的可操作性和重复性，通过室内再现边坡失稳过程，能为研究者提供直接的参考数据。因此，通过室内模型试验的方法来研究边坡失稳机理具有重要的现实意义。国内外已有的模型试验装置较少，装置简单，大都集中在模拟降雨作用下的边坡失稳。并且降雨模拟度不高、模式单一，同时并不能对裂隙充水、边坡后缘与底面水位变化、承压水等复杂水环境引起的多种渗流边界情况进行模拟研究。

当前，国内外滑坡模型试验装置存在以下几方面的不足：

(1)能模拟的地质结构构造单一，几何尺寸与实际相差较大；

(2)能模拟的渗流条件单一，大多集中在降雨型试验；

(3)模型装置密封性不够好，存在漏水的情况；

(4)试验中需要布设的传感器的电缆线和试验土体的接触问题；

(5)试验前后的运土较难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多渗流条件下边坡稳定性机理研究通用模型试验系统，以解决上述现有技术存在的问题，试验系统构造简单、对场地大小和净空要求小、投入成本低、可重复使用，为复杂水环境变化引起的不同渗流条件下，多种类型土的边坡稳定性机理探讨与模型试验研究提供有效的方法与手段。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多渗流条件下边坡稳定性机理研究通用模型试验系统，包括模型装置、降雨装置和监测数据装置，所述模型装置包括有机玻璃结构和钢框架，所述有机玻璃结构安装在所述钢框架的四周及底面，与水箱连接的所述降雨装置固定在所述钢框架的顶端；边坡试验土样呈梯形压实放置在所述模型装置的一侧，所述模型装置的另一侧设置有排水球阀；所述监测数据装置包括计算机和传感器组，所述传感器组对应设置在压实的试验土样层中并与所述计算机电联接。

优选的，所述钢框架包括四角处的主支撑柱、上横向支撑梁和依次连接主支撑柱底端的下横向支撑梁；以地面为参考，所述下横向支撑梁的高度为0.2m，位于所述主支撑柱宽度方向且与所述排水球阀同向的上横向支撑梁的高度为0.65m，其余所述上横向支撑梁均连接设置于所述主支撑柱的顶端。

优选的，位于所述边坡试验土样侧面的钢框架的上下横向支撑梁之间等距的分布有两道竖向钢支撑；位于所述边坡试验土样后侧的钢框架的上下横向支撑梁之间等距的分布有两道横向钢支撑。

优选的，钢底板固定在所述下横向支撑梁上，且所述主支撑柱位于所述钢底板下方的部分兼做支座。

优选的，所述降雨装置通过降雨装置支架固定在所述主支撑柱的顶端，所述降雨装置支架的四根竖向方钢的底端均为u型支座，所述u型支座扣接在所述上横向支撑梁上。

优选的，所述水箱通过水泵和供水管与所述降雨装置支架上的降雨装置连通，所述供水管上设置有进水阀门和流量计。

优选的，所述降雨装置由pvc管组装完成，管上打有出水孔，所述出水孔的孔径为1mm，孔间距为2.5cm。

优选的，所述钢框架内且位于所述边坡试验土样后侧设置有供水箱，所述供水箱与所述边坡试验土样相邻的一侧为多孔玻璃板，所述供水箱内从上至下与所述多孔玻璃板垂直均布有若干有机玻璃支撑；所述供水箱的外侧设置有多个不同高度的阀门。

优选的，所述边坡试验土样的底侧设置有注水空间，所述注水空间的顶面为透水板，所述注水空间的外侧面等间距安装有若干阀门。

优选的，所述监测数据装置的传感器组包括均与所述计算机联结的基质吸力传感器、空隙水压传感器和体积含水量传感器；所述体积含水量传感器通过信号传输线与数据采集仪相连；所述监测数据装置还包括与计算机联结并用于监测的高像素数码相机及摄像机。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明试验系统为考虑周围水环境变化多渗流条件下的边坡失稳通用模型试验系统。针对各种复杂水环境变化下诱发的边坡渗流类别，通过在模型装置内设计三种不同的边界来实现不同的渗流条件。边界1(降雨装置)可以用来模拟降雨作用下的边坡失稳、边界2(供水箱与多孔玻璃板)可以用来模拟边坡后缘裂隙充水或后缘的稳定水位变化引起的侧向渗流失稳、边界3(注水空间)可以用来模拟边坡底部水位上升或局部承压水作用引起的从下往上渗流失稳。三种边界既可以单独使用，也可以相互组合耦合使用，实现多种工况更好的模拟边坡周围水环境变化。根据不同的实际工程情况，通过不同的工况进行模拟，以期为边坡稳定性防灾减灾提供参考。此外，针对边坡模型及模型试验自身的特点，模型系统设计了半封闭边界，可以大大减小试验过程的运土造坡劳动强度，提高工作效率。本发明构思创新性强，试验系统构造简单、对场地大小和净空要求小、投入成本低、可重复使用，为复杂水环境变化引起的不同渗流条件下，多种类型土的边坡稳定性机理探讨与模型试验研究提供有效的方法与手段。

综上，即：(1)本发明能够进行复杂水环境变化引起的不同渗流条件下(单一及组合)，同一种渗流条件下亦可进行多组对照，多种类型土的大尺寸室内滑坡模型试验；

(2)本发明能够使实验前后的运土及边坡模型制作相对轻松，提高了试验的工作效率和减小其劳动强度；

(3)依据绘制参考线，试验中能方便地按所需高度及相应位置铺土制作边坡模型和埋设传感器；

(4)依据本发明底板的排水球阀，可以模拟边坡坡脚的多种边界条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明一种多渗流条件的边坡试验通用模型系统的结构图；

图2为供水箱的侧面示意图；

图3为降雨装置支架u型支座结构图；

图4为本发明一种多渗流条件的边坡试验通用模型系统的正立面图

图5为供水箱的左视图；

图6为多渗流条件的边坡试验通用模型系统的右立面图；

图7为多渗流条件的边坡试验通用模型试验系统图；

其中，1-主支撑柱，2-上横向支撑梁，3-下横向支撑梁，4-竖向钢支撑，5-钢底板，6-多孔玻璃板，7-供水箱，8-注水空间，9-阀门，10-有机玻璃支撑，11-透水板，12-支座，13-移动滚轮，14-横向钢支撑，15-边坡模型，16-有机玻璃结构，17-排水球阀，18-降雨装置支架，19-u型支座，20-水箱，21-水泵，22-进水阀门，23-流量计，24-供水管，25-降雨装置，26-高像数码相机，27-数据采集仪，28-计算机，29-孔隙水压传感器，30-基质吸力传感器，31-体积含水量传感器。

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。

本发明的目的是提供一种多渗流条件下边坡稳定性机理研究通用模型试验系统，以解决上述现有技术存在的问题，试验系统构造简单、对场地大小和净空要求小、投入成本低、可重复使用，为复杂水环境变化引起的不同渗流条件下，多种类型土的边坡稳定性机理探讨与模型试验研究提供有效的方法与手段。

本发明提供的多渗流条件下边坡稳定性机理研究通用模型试验系统，包括模型装置、降雨装置和监测数据装置，模型装置包括有机玻璃结构和钢框架，有机玻璃结构安装在钢框架的四周及底面，与水箱连接的降雨装置固定在钢框架的顶端；边坡试验土样呈梯形压实放置在模型装置的一侧，模型装置的另一侧设置有排水球阀；监测数据装置包括计算机和传感器组，传感器组对应设置在压实的试验土样层中并与计算机电联接。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-7，其中，图1为本发明一种多渗流条件的边坡试验通用模型系统的结构图；图2为供水箱的侧面示意图；图3为降雨装置支架u型支座结构图；图4为本发明一种多渗流条件的边坡试验通用模型系统的正立面图图5为供水箱的左视图；图6为多渗流条件的边坡试验通用模型系统的右立面图；图7为多渗流条件的边坡试验通用模型试验系统图。

如图1-7所示，本发明提供一种多渗流条件下边坡稳定性机理研究通用模型试验系统。

包括模型装置、水箱20、水泵21、进水阀门22、流量计23、供水管24、降雨装置25、基质吸力传感器30、孔隙水压传感器29、体积含水量传感器31、监测并记录数据的计算机28、数据采集仪27、高像素数码相机26及摄像机。其中模型装置由有机玻璃结构16固定在带有4～10mm厚钢底板5的钢框架内构成。包括：有机玻璃结构16、钢框架、降雨装置支架18、左侧的供水箱7、底部局部的注水空间8、排水球阀9、移动滚轮13。具体如下所述(1-8为模型装置的详细阐述，9-14为模型试验系统其它组成部分的详细阐述)：

(1)有机玻璃结构16四周(定义为前后左右四个面)及底板均由10～15mm厚有机玻璃粘接制成，粘结强度高、水密性好。长、宽、高分别为2.0～3.0m、0.9～1.5m、0.9～1.5m。其中前后两面的玻璃尺寸为全尺寸，即2.0～3.0m(长)×0.9～1.5m(高)，左面的玻璃尺寸同样为全尺寸，即0.9～1.5m(宽)×0.9～1.5m(高)，右面的玻璃尺寸为半尺寸，即0.9～1.5m(宽)×0.45～1.0m(高)。在前面、后面玻璃上，从下往上，用油性笔绘制间隔为5cm的等距实线。有机玻璃透明度高，整个结构可视性好。(为表述方便，以下发明内容是基于长、宽、高为2.0×0.9×0.9m的尺寸而言)。

(2)钢框架由方钢焊接而成。钢框架呈顶面开口的长方体结构。四角处各有一根竖向主支撑柱1，主支撑柱1高1.1m(参考地面)。布置在前面、后面、左面的主支撑柱1顶端设有上横向支撑梁2，而右面的主支撑柱1之间的上横向支撑梁2设在0.65m处(参考地面)。在各主支撑柱1高0.2m处(参考地面)，相邻主支撑柱之间设有下横向支撑梁3，沿长度方向为横梁1、宽度方向为横梁2。在横梁1之间设置有平行于横梁2的钢支撑。同时，在前面、后面的上下横向支撑梁之间等距的分布有两道竖向钢支撑4，左面的上下横向支撑梁之间等距的分布有两道横向钢支撑14。4mm厚的钢底板5固定在0.2m高处(参考地面)的横向支撑梁2及钢支撑上。4个主支撑柱1在钢底板5下方部分兼做4个支座12。所有连接地方均焊接牢固。钢框架内部尺寸与有机玻璃结构16相当。主支撑柱1、横向支撑梁、以及各钢支撑均为截面为5cm×5cm的方钢。

(3)模型装置为将有机玻璃结构16通过紧固件、螺丝等固定在钢框架中。有机玻璃结构16底板与钢框架钢底板5接触的外边缘用玻璃胶密封，避免水通过接触边缘缝隙流入，锈蚀钢底板5。

(4)降雨装置支架18由4根竖向及6根横向细薄方钢(降雨装置较轻，满足承载力要求)组成。其长宽尺寸与模型装置相当。4根竖向方钢布置在4个角，相邻竖向方钢的顶端之间有4根横向方钢，在顶端沿支架长度方向的横向方钢之间等间距的布置其余2根方钢。每根竖向方钢的底端是个u型支座，通过u型支座将降雨装置支架18扣在模型装置的上横向支撑梁2上面，使其稳固。

(5)供水箱7宽度为10cm，竖向安装在模型装置的左侧。其中供水箱7的左边界、前边界、后边界、箱底为中玻璃结构的左面、前面、后面及底板。右边界为距离左边界10cm的多孔玻璃板6，多孔玻璃板6粘结强度高，牢固可靠。各粘结处水密性好。多孔板上每隔30mm打一排小孔，孔径为2mm，孔中心距为30mm。供水箱7左边界在居中竖直方向距离底板不同高度处各设置有一个阀门9。高度分别为3cm、25cm、40cm、55cm、70cm。此外，供水箱7的左边界与右边界(多孔玻璃板6)之间从下往上设有多道横向有机玻璃支撑10，支撑粘结牢固，可以满足制备过程中及完成的模型边坡的侧向土压力。

(6)局部注水空间8为较浅的长方体结构。水平向安装在模型装置底板左边。尺寸为90cm(长)×60cm(宽)×3cm(高)，其中，60cm为注水空间8外边缘距离供水箱7右边界(多孔玻璃板6)的距离，90cm为有机玻璃结构16的宽。注水空间8顶面为透水板11，所有接触部位密封较好。在玻璃结构的前面与注水空间8公共部分(60cm宽×3cm高)等间距的安装3个阀门9。

(7)排水球阀17安装在模型装置的底板右前方，通过在模型装置底板上相应位置打孔，将3个排水球阀17沿宽度方向等距分布，用以控制模型装置内的排水和止水。

(8)移动滚轮13安装在钢框架的支座12上，方便移动模型装置，同时又能制动。

(9)水箱20、水泵21通过供水管24连接放置在降雨装置支架18上的降雨装置25。

(10)进水阀门22、流量计23连接在供水管24上，通过调节进水阀门22以及流量计23来控制进入降雨装置25的雨量。

(11)降雨装置25由pvc管(包括直管、弯头、三通接头)组装完成，直管上有打孔，孔径1mm，孔间距2.5cm。

(12)基质吸力传感器30、孔隙水压传感器29通过信号传输线与监测计算机28相连，计算机28内安装有监测软件，实时监测试验过程中土体力学性能的变化。

(13)体积含水量传感器31通过信号传输线与数据采集仪27相连，实时监测实验过程中土体含水量的变化。

(14)高清数码相机26及摄像机放在模型装置附近合适的位置并对焦，记录试验过程中的关键时间节点，重要的试验现象。

应用本发明的复杂水环境变化多渗流条件的边坡稳定性试验通用模型系统进行滑坡模拟试验具体的操作步骤如下：

1、准备所需填筑模型边坡15的试验土样。

2、借助有机玻璃结构16上绘制的等距实线，在模型装置里均匀平铺算好质量的土样，逐层压实，用水平尺控制各处高度一致，层高为5cm。层与层之间做好刮毛处理。

3、当土层压实至各传感器(包括：基质吸力传感器30、孔隙水压传感器29、体积含水量传感器31等)的位置时，在指定位置预埋，检测是否能正常工作，并做好保护。

4、根据试验选用的坡型，完成削坡。盖上塑料薄膜静置12小时，以减少由于蒸发导致的土体含水量损失，并在实验开始前使各传感器达到平衡。

5、将高清数码相机26、摄像机放在模型装置附近合适的位置并对焦，对试验过程进行全程记录。

6、对于边界1的试验，将降雨装置25放在降雨装置支架18上，调控试验所需的雨强、降雨历时、降雨模式等进行试验。

7、对于边界2的试验，将水快速引进模型装置左侧的供水箱7，并持续供给。根据试验的需要，打开供水箱7左边相应位置的阀门9，并关闭其他阀门9。打开的阀门9可以将多余的水排出而始终保持水位恒定。在恒定水位下进行试验。

8、对于边界3的试验，利用水头将水通过阀门9引进注水空间8。根据试验的需要，可以调节不同的水头大小。在恒定的水头作用下进行试验。需要说明的是，不同水头的实现装置与本发明模型装置是独立的，本发明不涉及水头装置。

9、将各传感器与数据采集仪27、监测软件等连接好，接通电路，使其正常运行。

10、打开定时拍照软件，控制数码相机每间隔30s拍照一次，开启摄像机。

11、启用不同的边界，运行不同渗流条件的滑坡模型试验。

12、待试验完成后，整理并分析试验数据。

按照上述步骤可以实现复杂水环境变化下不同渗流条件下的滑坡模型试验，可以获得不同渗流条件下的边坡失稳参考数据，边坡破坏现象，方便研究其失稳机理。本发明的保护范围不限于上述具体实施方式。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。