降雨与库水位耦合作用滑坡物理模拟试验装置的制作方法

本实用新型涉及地质灾害模型试验领域，具体涉及一种降雨与库水位耦合作用滑坡物理模拟试验装置。

背景技术：

2006年，虞修竞等发明了地质环境模拟实验装置，包括机架、储水箱、下游端与机架铰接的模拟箱，可用于模拟地质灾害的形成和对地质灾害控制以及模拟地下水运动规律。

2008年，罗先启等发明雨水作用下的大型滑坡物理模型试验系统，主要包括模型平台起降控制系统、室内人工降雨控制系统、水库水位变化控制系统、多物理量测控制系统、非接触位移光学量测系统和Y射线透射法水分测试系统，可用于雨水或库水条件下的滑坡物理模型试验。

2010年，刘东等发明了滑坡模拟实验装置，包括敞口实验箱、水平支架、实验箱和自动测角仪，可根据不同宽度边坡模型的需要调节实验箱的宽度，还可实现全过程记录。

2012年，唐辉明等公开了一种多工况框架式地质力学模型轻便试验装置，主要包括框梁式试验台架、降雨模拟器、库水位调节器和自重式水平加载机构，可用于库水位变化引起的滑坡模拟。

2013年，周军平等发明了一种模拟边坡降雨入渗及影响稳定性因素的分析实验装置，包括模拟边坡降雨系统，边坡试验框及试验检测系统，可用于分析不同坡度土质滑坡的稳定性分析。

2014年，李宏恩等公开了一种降雨与地下水耦合作用下边坡模拟试验装置及试验方法，主要以有机玻璃试验箱，降雨系统和供水箱组成，该模型可在降雨入渗与地下水变化耦合作用滑坡的变形模拟。

2015年，程圣国等人发明了一种三维人工降雨水库型滑坡物理试验设备，主要包括箱体、人工降雨系统、TDR水分测试系统，可用于控制滑坡体正前方水位变化的滑坡模拟。

2017年，殷跃平等发明了一种块状滑坡碰撞解体效应的模型试验方法，利用滑槽电动葫芦装置，解决块状岩质滑坡在高速远程运动过程的碰撞解体效应问题。

2018年，黄磊等公布了一种用于滑坡模型试验的模拟装置，包括横移结构、纵移结构、降水结构等，可模拟滑坡模型不同方位、不同方向上的降雨。

滑坡模型试验作为地质工程力学模型试验的一种类型，按照介质类型可分为岩质与土质，其模拟技术也可相应的分为两类，目前国内外的模型试验研究主要集中在岩质材料模拟方面，并取得了较大成功，其理论及应用也较为成熟；但滑坡模型试验的对象除了岩质滑坡，还有土质、碎石土、堆积体滑坡等类型，特别是含软弱夹层堆积体滑坡更为常见，目前国内外针对含软弱夹层堆积体的滑坡模型试验技术研究才刚刚起步，仍然存在较多的问题：

1）以往的滑坡物理模拟装置设计多是固定式框架结构和钢梁结构，不能实现滑坡模型的可移动化，不利于降雨场地的重复利用。

2）在滑坡变形破坏机制研究中，特别是堆积体滑坡研究中，地质结构模型对滑坡形成的影响研究已经取得了较大的进展，但在软弱夹层堆积体滑坡模型及考虑双向渗透作用的地质结构模型研究仍然存在较大的问题。以往的试验装置没有考虑到滑坡后缘裂缝和软弱夹层对降雨入渗的双重影响。

3）实际工程中应力场与地下水流场的时空特点随机性较强，滑体不同位置的应力应变关系特别是非线性关系在模型中不能得到真实体现，试验成果主要依靠于模型相似材料及数据采集的可靠性。虽然目前测试手段获得了较大的发展，但松散岩土混合物组成的堆积体的相似材料研究仍然存在很大的困难，这严重制约了地质力学模型试验技术的发展。

4）降雨入渗与库水位变化的耦合作用问题：不同于在降雨或库水位单独作用的滑坡物理模拟试验，多重力学作用下的斜坡变形破坏机制更为复杂，目前的研究表明，这种降雨入渗和库水位变化引起坡体中地下水变化和土体力学参数的变化是模型试验的主要控制条件。

5）滑坡模型相似材料配制研究是滑坡物理模型试验中的难点之一，碎石土等岩土混合物作为自然界中一定历史条件形成的自然产物，目前松散堆积体滑坡相似材料参数中，容重、粘聚力、内摩擦角、弹性模量等四个因素的相似是可以满足的，但在此基础上再加入如渗透系数时，其相似满足就存在较大的困难。

6）土工离心模型试验也存在很多缺陷，模型上各点的加速度不同，大小和方向都在发生变化，致使土工离心试验不能获得均匀的力场，这与工程实际存在较大差异；加料过程中产生的科氏加速度也会引起离心试验模型误差，旋转速度的提升和降低直至停止都需要一定的时间，这样所造成的力场变化与工程实际也是不相符的，对试验结果的可靠性造成了很大的影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单、设计合理、使用方便的降雨与库水位耦合作用滑坡物理模拟试验装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：它包含人工降雨模拟单元、模型箱单元、监测单元；

所述的人工降雨模拟单元包含储水井、人工降雨控制台、水网系统；水网系统通过大功率水泵从储水井抽取地下水；人工降雨控制台与水网系统上的大功率水泵控制连接，控制水网系统的电压和水压力；水网系统的上部设有数控分水阀门和喷嘴；水网系统的下部设有回水槽、沉沙池；回水槽经沉沙池与储水井连通；

所述的模型箱单元包含箱体；箱体的底部设有重型带刹脚轮；箱体框架的四周和底部通过透明钢化玻璃密封；箱体内设有滑床；滑床上设有滑动带；滑动带上设有滑体；滑体的后缘采用缓坡结构；滑体的后缘上设有滤水管；箱体的前缘底部设有控水闸门；箱体前缘两侧内壁设有液位计；

所述的监测单元包含高清摄像机、动力位移传感器、水分传感器、孔隙水压力传感器、土压力传感器、监控平台；高清摄像机设在箱体的外侧上方及四周；动力位移传感器、水分传感器、孔隙水压力传感器、土压力传感器均设在滑动带和滑体处；动力位移传感器、水分传感器、孔隙水压力传感器、土压力传感器通过集成卡和稳压器与监控平台连接；高清摄像机与监控平台电性连接；

进一步地，箱体的长、宽、高分别为230cm、120cm、100cm；箱体的底部设有六个重型带刹脚轮；

进一步地，箱体的前缘内侧右角设有进水管；箱体中部设有可拆卸挡板；

进一步地，箱体框架由不锈钢横支架、不锈钢纵支架和不锈钢斜支撑组成；箱体框架的四周和底部通过钢化玻璃一体式密封；

进一步地，所述的滤水管采用UPVC约翰逊管。

本实用新型所述的降雨与库水位耦合作用滑坡物理模拟试验装置的试验方法包含如下步骤：

一、将待测的不同的滑床模型置于的模型箱单元隔间内，将配置好滑动带设于滑床之上，再将筛分过的滑体按照容重相似原则分层铺设在滑动带之上，同步在滑动带和滑体上埋设各传感器，最后在滑体后缘插上滤水管；

二、连接监测单元，测试各传感器及摄像机监控及多通道数据是否正常运行，采集各模型传感器的第一数据；

三、用雨布将模型箱单元先行遮盖，先采用人工降雨模拟单元对不同的土体模型降雨滤定，待降雨稳定到设计的雨强时揭开雨布，开始降雨计时和监测数据采集；

四、根据滑坡实际工况打开或关闭控水阀门，打开进水管，通过液位计观测滑坡前缘水位变化情况；

五、将实验全过程中的各滑坡模型的孔隙水压力、土体压力、位移和土壤水分、前缘水位变化进行对比，分析所述不同的滑坡模型降雨与库水位变化对边坡变形破坏的影响。

采用上述方案后，本实用新型有益效果为：本实用新型所述的降雨与库水位耦合作用滑坡物理模拟试验装置，用于模拟山体滑坡在多工况条件下的变形破坏模型试验，可实时监测滑坡不同部位物理量参数，能够进行降雨、库水位等多参数耦合作用滑坡的试验研究，且具有结构简单、设置合理、制作成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1中A-A方向的剖视图；

图3是箱体的结构示意图；

图4是传感器的分布图。

附图标记说明：

1、沉沙池；2、储水井；3、大功率水泵；4、人工降雨控制台；5、滤水管；6、水网系统；7、数控分水阀门；8、箱体；9、滑体；10、喷嘴；11、箱体框架；12、进水管；13、高清摄像机；14、集成卡；15、稳压器；16、监控平台；17、控水阀门；18、液位计；19、回水槽；20、重型带刹脚轮；21、滑动带；22、滑床；23、可拆卸挡板；24、动力位移传感器；25、水分传感器；26、孔隙水压力传感器；27、土压力传感器；11-1、不锈钢横支架；11-2、不锈钢纵支架；11-3、不锈钢斜支撑。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步的说明。

参看图1所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含人工降雨模拟单元、模型箱单元、监测单元；

所述的人工降雨模拟单元包含储水井2、人工降雨控制台4、水网系统6；水网系统6通过大功率水泵3从储水井2抽取地下水；人工降雨控制台4与水网系统6上的大功率水泵3控制连接，控制水网系统6的电压和水压力；水网系统6的上部设有数控分水阀门7和喷嘴10；水网系统6的下部设有回水槽19、沉沙池1；回水槽19经沉沙池1与储水井2连通；雨水降落后通过回水槽19流经沉沙池1，经过沉沙池1沉淀后流回储水井2，有效节约水资源；

所述的模型箱单元包含箱体8；箱体8的长、宽、高分别为230cm、120cm、100cm；箱体8的底部设有六个重型带刹脚轮20；箱体框架11的四周和底部通过透明钢化玻璃密封；箱体8内设有滑床22；滑床22上设有滑动带21；滑动带21上设有滑体9；滑体9的后缘采用缓坡结构；滑体9的后缘上设有滤水管5，滤水管5用于模拟后缘雨水渗透；箱体8的前缘底部设有控水闸门17；箱体8前缘两侧内壁设有液位计18；箱体8前缘水位变化通过前缘两侧的液位计18、进水管12和控水阀门17共同标定；

参看图1、3所示，所述的监测单元包含高清摄像机13、动力位移传感器24、水分传感器25、孔隙水压力传感器26、土压力传感器27、监控平台16；高清摄像机13设在箱体8的外侧上方及四周；动力位移传感器24、水分传感器25、孔隙水压力传感器26、土压力传感器27均设在滑动带21和滑体9处的不同位置；动力位移传感器24、水分传感器25、孔隙水压力传感器26、土压力传感器27通过集成卡14和稳压器15与监控平台16连接；高清摄像机13与监控平台16电性连接；

参看图2所示，箱体8中部设有可拆卸挡板23，可拆卸挡板23将箱体8分隔成若干隔间；箱体8的前缘内侧右角设有进水管12；

参看图3所示，箱体框架11由不锈钢横支架11-1、不锈钢纵支架11-2和不锈钢斜支撑11-3组成，结构牢固，稳定性高；箱体框架11的四周和底部通过钢化玻璃一体式密封；

所述的滤水管5采用UPVC约翰逊管。

本实用新型所述的降雨与库水位耦合作用滑坡物理模拟试验装置的试验方法包含如下步骤：

一、将待测的不同的滑床22模型置于的模型箱单元的箱体隔间内，将配置好滑动带21设于滑床22之上，再将筛分过的滑体9按照容重相似原则分层铺设在滑动带21之上，同步在滑动带21和滑体9上埋设动力位移传感器24、水分传感器25、孔隙水压力传感器26、土压力传感器27，最后在滑体9后缘插上滤水管5；

二、连接监测单元，测试各传感器及高清摄像机监控及多通道数据是否正常运行，采集各模型传感器的第一数据；

三、用雨布将模型箱单元先行遮盖，先采用人工降雨模拟单元对不同的土体模型降雨滤定，待降雨稳定到设计的雨强时揭开雨布，开始降雨计时和监测数据采集；

四、根据滑坡实际工况打开或关闭控水阀门17，打开进水管12，通过液位计18观测滑坡前缘水位变化情况；

五、将实验全过程中的各滑坡模型的孔隙水压力、土体压力、位移和土壤水分、前缘水位变化进行对比，分析所述不同的滑坡模型降雨与库水位变化对边坡变形破坏的影响。

以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案,而非限制本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。