一种模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验装置及试验方法

1.本发明属于地质工程技术领域，涉及一种模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验装置及试验方法。


背景技术：

2.河流动力侵蚀是指河流在从高处向低处流动的过程中，依靠自身的机械剥蚀和化学剥蚀作用，通过所携带的泥沙砾石不断破坏河床的过程。滑坡是指斜坡在降雨、地震、河流冲刷、地下水活动、人工切坡等因素的影响下，斜坡上的土石整体沿着软弱面向下滑动的现象。
3.河流侵蚀可以分为下蚀和侧蚀，下蚀加深河床，侧蚀增长河谷，河流下蚀和侧蚀会导致坡脚岩土体的流失，造成岩土体松散，影响斜坡的稳定性。目前对于滑坡灾害的预报主要依靠现场观察和长期的现场监测，这些监测方法取得了一定的成果，但此类地质灾害发生迅速，破坏性强，容易引发链生灾害，仅依靠现场监测无法揭示河流动力侵蚀作用引起滑坡发生的临界条件，难以做到及时预报。此外，冲沟和河道洪水不仅快速改变两岸斜坡的地下水动力条件，地表水冲刷可能改变斜坡形态，从而改变斜坡应力状态，二者均可能引起斜坡破坏。现有技术通过现场观察和长期的现场监测对此类地质灾害进行预防，但无法准确提出灾害发生的预警阈值，存在提前预警准确度低的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在通过现场观察和长期的现场监测，提前预警准确度低的问题，本发明的目的是提供一种模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验装置及试验方法，能够有效地模拟河流动力侵蚀后斜坡变形破坏的运动过程，确定河流侵蚀下滑坡、泥石流等灾害的土质条件和水动力条件，提出河流动力侵蚀引起滑坡、泥石流灾害的预警阈值，从而有利于此类地质灾害的预防。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验装置，包括水源供给装置，模拟斜坡冲刷装置和监测装置；
7.所述水源供给装置包括蓄水池和注水箱；所述蓄水池中设置有水泵，所述注水箱与蓄水池之间通过过水管道连通，所述水泵安装在靠近蓄水池的过水管道的一端；所述模拟斜坡冲刷装置设置在蓄水池的一侧；
8.所述模拟斜坡冲刷装置包括斜坡模型和水槽；所述斜坡模型放置在水槽中；所述水槽的底部设置有注水口和排水口；注水口通过过水管道与注水箱连接；所述排水口通过管道连通至蓄水池；所述水槽设置在水槽底座上；所述监测装置设置在斜坡模型上。
9.优选的，所述模拟斜坡冲刷装置还包括水槽底座和冲刷平台；所述水槽底座放置在冲刷平台上；所述冲刷平台与蓄水池相接；所述水槽设置在水槽底座上。
10.优选的，所述蓄水池中设置有用于支撑注水箱的支架。
11.优选的，所述过水管道包括进水管道和出水管道，所述进水管道与水泵连接；所述进水管道的进水口设置在注水箱的侧壁上；所述出水管道与水槽的注水口连接；所述出水管道的出水口设置在注水箱的底部。
12.优选的，所述水槽中设置有挡板，所述挡板设置在注水口和排水口之间。
13.优选的，所述排水口的排水管道上设置有水龙头。
14.优选的，所述监测装置包括多点位移计和压力传感器；所述多点位移计设置在斜坡模型的坡面上；所述压力传感器设置在斜坡模型的内部；
15.优选的，所述水槽和注水箱的材质均为透明玻璃。
16.优选的，所述冲刷平台的高度大于蓄水池的高度。
17.一种模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验方法，包括，
18.对蓄水池进行注水，待注水结束后打开水泵将蓄水池中的水输送到注水箱中；打开注水口，关闭排水口，注水箱中的水通过过水管道进入水槽中，水槽中水位缓慢上升，通过调节水位涨落观测斜坡变形情况，随后关闭注水口，打开排水口，水槽中水位缓慢下降，重复上述步骤，可连续模拟水位涨落对斜坡侵蚀的过程；模拟水位涨落结束后，调节注水口与排水口的过水面积，通过加大流速，观测斜坡坡脚侵蚀速率，直至斜坡破坏。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
20.本发明提供一种模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验装置及试验方法，通过水源供给装置，模拟斜坡冲刷装置和监测装置的配合使用，水流通过注水口进入水槽，对斜坡坡面进行冲刷后从排水口流出；先通过缓慢调节水位涨落观测斜坡变形；再加大冲刷流速，观测斜坡坡脚侵蚀速率，直至斜坡破坏，水位涨落速度和流速按现场实测河流最大流速控制；能够有效地模拟河流动力侵蚀后斜坡变形破坏的运动过程，确定河流侵蚀下滑坡、泥石流等灾害的土质条件和水动力条件，提出河流动力侵蚀引起滑坡、泥石流灾害的预警阈值，从而有利于此类地质灾害的预防；有效的解决了通过现场观察和长期的现场监测，针对突发自然灾害，预警准确度低的问题。本发明的试验装置能够模拟斜坡在冲刷和水位涨落两种作用下的变形破坏过程，研究洪水涨落及侵蚀下的滑坡、泥石流灾害。
21.进一步,设置在斜坡内的监测装置包括200
×
200多点位移计和用于监测土压力、孔隙水压力的压力传感器，两者均插入土中，多点位移计用于监测坡体的变形程度，压力传感器用于监测坡体中土压力和孔隙水压力随时间的变化。
22.进一步，注水箱放置于蓄水池中的支架上，注水箱放置高度大于水槽高度，确保水流进入水槽后有一定流速，注水箱外接有注水管道和出水管道，注水管道连接水泵且注水口设置于水箱的上部，出水口设置于注水箱底部中央，通过出水管道将水输送到模拟冲刷的水槽中。
23.进一步，所述水槽材质为透明玻璃，便于观察水流对斜坡的侵蚀过程和确定具体水位。
24.进一步，本发明的模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验装置结构简单、原理清晰、安装方便。
附图说明
25.图1为本发明的模型试验结构示意图；
26.图2为本发明的斜坡模型侧视图；
27.图中：1、蓄水池；2、水泵；3、过水管道；4、注水箱；5、支撑支架；6、模拟斜坡；7、水槽；8、挡板；9、注水口；10、排水口；11、水龙头；12、水槽底座；13、冲刷平台；14、多点位移计；15、压力传感器。
具体实施方式
28.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
29.以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的实例性实施方式。
30.由于现有技术中存在通过现场观察和长期的现场监测，提前预警准确度低的问题，因此开展模拟河流动力侵蚀引起滑坡的模型试验是很有必要的。请参考图1、图2，一种模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验装置，方法步骤如下：该试验装置包括水源供给装置、用于模拟河流岸坡的斜坡模型、设置在斜坡模型周围的模拟斜坡冲刷装置、设置在斜坡内用于监测坡体应力应变和孔隙水压力的监测装置。
31.所述水源供给装置包括蓄水池1、水泵2、过水管道3、注水箱4，支架5，所述蓄水池1用于储存水源，设置于冲刷平台13的左侧下方；支架5放置于蓄水池中，用于支撑注水箱4；水泵2放置于蓄水池1中，过水管道3连接水泵2和注水箱4，水泵2将蓄水池1中的水由过水管道3输送到注水箱4中，注水箱再通过过水管道与模拟斜坡冲刷装置连接，为模拟冲刷提供水源。过水管道3可分为进水管道与出水管道，进水管道的进水口设置在注水箱4的侧壁上，出水管道的出水口设置在注水箱4的底部。所述水泵可以通过调节出水压力来控制水流进入注水箱的速度。
32.所述模拟斜坡冲刷装置包括用于模拟河流岸坡的斜坡模型6，所述斜坡模型6放置于水槽7的中央，模拟斜坡6的坡面背离供给水源供给装置；制作斜坡模型的土材料取自观测区现场，斜坡模型6的模型坡度按35
°
、45
°
和55
°
三种工况设计，干密度按现场实测干密度平均值控制，土层含水率按饱和控制，该实例中斜坡模型高度1.5m，侧面宽度2.5m，坡面宽度0.8m，斜坡模型四边与水槽距离为0.5m，斜坡模型6顶部为一平面，侧面为梯形。
33.所述模拟斜坡冲刷装置设置在蓄水池右侧上方，水流从注水箱进入冲刷装置的注水口后逆时针对斜坡坡面进行冲刷，冲刷后水流进入排水口从与排水口连接的水龙头流出，重新回到蓄水池中。所述冲刷装置通过调节注水口、排水口及水龙头的过水面积来控制冲刷时水位升降和冲刷流速。所述设置在斜坡模型周围的模拟斜坡冲刷装置包括水槽7、挡板8、注水口9、排水口10、水龙头11、水槽底座12、冲刷平台13；所述水槽7为一矩形水槽，设置于水槽底座12上，该实例中水槽7长度3.0m、宽度1.8m，水槽7的材质为透明玻璃，便于观察斜坡侵蚀破坏的过程。水槽7中设置有挡板8，挡板8设置于注水口9和排水口10之间，挡板8宽度0.5m，高度与水槽7保持一致，用于防止水流未冲刷坡面直接进入排水口流出。水槽7底部有注水口9和排水口10，注水口9通过管道与注水箱4连接，水流经过水管道从注水口9进入水槽，沿逆时针对坡面进行冲刷后从排水口10排出，经水龙头11回到蓄水池1中，实现
水流的循环利用；水流通过注水口进入水槽，对斜坡坡面进行冲刷后从排水口流出。先通过缓慢调节水位涨落观测斜坡变形；再加大冲刷流速，观测斜坡坡脚侵蚀速率，直至斜坡破坏，水位涨落速度和流速按现场实测河流最大流速控制。
34.所述设置在斜坡内的监测装置包括200
×
200多点位移计14、土压力和孔隙水压力传感器15；多点位移计14等间距布设，用于监测土体的变形程度，土压力、孔隙水压力传感器15可监测斜坡内土压力、孔隙水压力随时间的变化。200
×
200多点位移计，型号为长沙亿拓yt-dg-0600x，可采用不锈钢制作，用于边坡、隧道及各类地下工程中测量不同深度的位移变形。由安装基座确定测点数量，并可根据安装环境选择钻多个小孔，多孔单埋的方式，监测效果测试结果更好。多点位移计为电感调频式原理的传感器，本体内置电子标签，另可自设编号，直接输出物理量，并可进行存储1600条数据，此类原理产品精确度、稳定性高，可采用人工读数或自动采集的方式进行观测。压力传感器15包括土压力传感器和水压力传感器，其中土压力传感器为长沙亿拓yt-dz-0303微型土压力盒，水压力传感器为长沙亿拓yt-yl-0301孔隙水压计；
35.参考图1、图2，一种模拟河流动力侵蚀引起滑坡的试验装置具体实施步骤如下：
36.先搭建试验装置，包括水源供给装置、模拟斜坡冲刷装置、用于模拟河流岸坡的斜坡模型、设置在斜坡模型周围的模拟斜坡冲刷装置、设置在斜坡内用于监测坡体应力应变和孔隙水压力的监测装置；所述水源供给装置包括蓄水池1，蓄水池1为一个矩形水槽，支架5为四个支撑腿，放置于蓄水池1中，注水箱4放置于支架5上，水泵2垂直放置于蓄水池1中，过水管道3连接水泵2与注水箱4，蓄水池1蓄水后通过水泵2将水输送到注水箱4中，注水箱4为模拟冲刷提供水源。所述水源供给装置位于模拟斜坡冲刷装置的左侧下方，所述注水箱放置于蓄水池中的支架上，注水箱放置高度大于水槽高度，确保水流进入水槽后有一定流速，注水箱外接有注水管道和出水管道，注水管道连接水泵且注水口设置于水箱的上部，出水口设置于注水箱底部，通过出水管道将水输送到模拟冲刷的水槽中。
37.所述水槽材质为透明玻璃，便于观察水流对斜坡的侵蚀过程和确定具体水位。
38.所述模拟斜坡冲刷装置设置于水源供给装置右侧上方，包括斜坡模型6、水槽7、挡板8、注水口9、排水口10、水龙头11、水槽底座12、冲刷平台13。所述冲刷平台13为一矩形平台，与蓄水池相接，平台高度大于蓄水池高度。
39.所述用于模拟河流岸坡的斜坡模型6取观测区典型松散土作为材料进行制作，在水槽7中制作试样模型，该实例中斜坡尺寸按2.5m
×
0.8m
×
1.5m设计，坡度45
°
，干密度按现场实测干密度平均值控制，土层含水率按饱和控制。
40.所述设置在斜坡模型周围的模拟斜坡冲刷装置包括水槽7、挡板8、注水口9、排水口10、水龙头11、水槽底座12。水槽底座12设置在冲刷平台13上，水槽底座12侧边与冲刷平台13侧边对齐，水槽7放置于水槽底座12上，水槽7临近蓄水池1一侧设置有挡板8、注水口9、排水口10，其中挡板8将注水口9与排水口10隔开，水流从注水箱4经注水口9进入到水槽7中，沿逆时针方向对斜坡进行冲刷，冲刷后的水流经排水口10进入到蓄水池1中，挡板8可防止水流顺时针从注水口9直接进入到排水口10排出。冲刷平台13用于支撑起整个模拟冲刷装置，水槽底座12包括一块铁板，在铁板的底部安装有四个支撑腿；水槽底座12离地面有一定距离，便于观察斜坡破坏的过程，且水流冲刷后可直接流入蓄水池。
41.所述设置在斜坡内用于监测坡体应力应变和孔隙水压力的监测装置包括200
×
200多点位移计14、用于监测土压力和孔隙水压力的压力传感器15，多点位移计14等间距布设于斜坡模型6的坡面，监测斜坡破坏后的变形情况；监测设备均插入土中，多点位移计14用于监测坡体的变形程度，用于监测土压力和孔隙水压力的压力传感器15埋设于斜坡深处，监测土压力和孔隙水压力随时间的变化。
42.试验装置搭建好后，按下述步骤进行试验：
43.对蓄水池1注水，应确保蓄水池的水量足够用于模拟循环冲刷，注水结束后打开水泵2将蓄水池中的水输送到注水箱4中，注水箱4蓄满水后水源供给装置准备完毕。
44.先通过缓慢调节水位涨落观测斜坡变形，打开注水口9，关闭排水口10，注水箱4中的水通过过水管道进入水槽7中，水槽中水位缓慢上升；随后关闭注水口9，打开排水口10，水槽中水位缓慢下降，重复上述步骤，可连续模拟水位涨落对斜坡侵蚀的过程。模拟水位涨落结束后，调节注水口9与排水口10的过水面积，通过加大流速，观测斜坡坡脚侵蚀速率，直至斜坡破坏，该实例中水位涨落速度和流速按现场实测河流最大流速控制。
45.由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。