一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备的制作方法
【专利摘要】一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，包括箱体，所述箱体四周及底部密封，顶部设有人工降雨系统，箱体内设有滑坡床，滑坡床上设有滑坡体，滑坡床的顶端设有用于模拟地下水径流的后缘补水系统，滑坡体内设有物理量测试与控制系统，滑坡体的表面设有TDR水分测试系统，箱体外还设有用于控制滑坡体正前方水位的库水位控制系统，所述滑坡体正前方的箱体上还设有出闸门。该试验平台系统集成化、自动化程度高，能用来进行滑坡在多种因素作用下的变形破坏模型试验，可进行考虑降雨、库水位升降及其耦合作用下滑坡稳定特性的三维滑坡物理模拟试验研究。
【专利说明】一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备
【技术领域】
[0001]本发明属于地质灾害模型试验领域，具体设计一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备。
【背景技术】
[0002]滑坡模型试验作为地质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，其理论及应用日趋成熟；但滑坡模型试验的对象除了岩质滑坡之外，还有土质、碎石土等类型，特别是三峡库区，土质和碎石土滑坡更为普遍，目前国内外针对土质或碎石土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:
I) 土或碎石土是碎散性材料，现实还难于实施在保持其原有物理、力学性质条件下，将其自重应力水平转化为1/n，因此该试验只是部分满足了物理模型与原型间的几何相似和力学相似，而不能精确反映原型的整体特征。
[0003]2)在土体研究，特别是软土研究中，破坏模型试验已经取得较大进展，但在软土弹塑性模型以及考虑水介质作用的渗透模型研究中进行常规模型试验存在很大的困难，因为在普通重力场内，模型试验规模是有限的，但模型中各点的应力水平仍然比原型低得多，土体的许多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，试验成果主要依赖于模型相似材料的相似性以及数据采集的可靠性。从目前国内外的研究成果显示，虽然目前测试手段获得了较大发展，但软土等软弱散体的相似材料研究存在很大的困难，这严重制约了地质力学模型试验技术的发展。
[0004]3)二维滑坡模型的两侧边接触摩擦问题。二维滑坡模型试验不可避免的在两侧边产生相似材料与侧边的摩擦问题，目前的研究表明，这种摩擦系数大小成为模型试验的主要控制条件。
[0005]4)滑坡模型试验相似材料配制研究是滑坡模型中的难点之一，目前岩质滑坡的相似材料随着石膏系相似材料模拟技术的逐渐成熟而基本解决，土质滑坡特别是软土体相似材料的研究却一直存在相当的难度。土体作为自然界中一定历史条件形成的自然产物，其具有性质具有多样性、区域性等特点，要研制一种材料完全满足各方面的相似条件是不可能的，所以有必要忽略其次要因素、针对主要因素开展实验研究，并采用模糊综合评判法择优选择。目前土体相似材料参数相似中，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参量如渗透系数等时，其相似满足就存在较大的困难。
[0006]5) 土工离心模型试验也存在很多缺陷，首先离心惯性力场和重力场并不能完全相似，离心惯性力场与惯性半径成正比，模型上各点的加速度不同，大小和方向都在发生变化，致使土工离心模型试验不能获得均匀的力场，这与工程实际存在较大差异；其次加料过程中产生的科氏加速度也会引起离心模型误差；最后加速和制动问题也是离心模型试验的一个问题之一。旋转速度的提升和降低直至停止都需要一定的时间，这样所造成的力场的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。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，能够集多种物理量测试与控制系统、人工降雨控制系统、库水位控制系统、光测非接触式位移测试系统和TDR水分测试系统于一体的大型滑坡模型试验平台。
[0008]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，包括箱体，所述箱体四周及底部密封，顶部设有人工降雨系统，箱体内设有滑坡床，滑坡床上设有滑坡体，滑坡床的顶端设有用于模拟地下水径流的后缘补水系统，滑坡体内设有物理量测试与控制系统，滑坡体的表面设有TDR水分测试系统，箱体外还设有用于控制滑坡体正前方水位的库水位控制系统，所述滑坡体正前方的箱体上还设有出闸门。
[0009]所述人工降雨系统系统包括设于箱体顶部的多个喷头，喷头通过水管与电磁阀和水泵连接。该系统通过将电磁阀和水泵的开关与计算机连接，然后通过计算机模拟微雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨等常见多发雨型，降雨强度范围为10-280mm/h，实现全自动人工模拟降雨。
[0010]所述后缘补水系统由后缘补水槽和补水控制阀组成，后缘补水槽内填充卵石及砂粒。所述砂粒的粒径约为0.5?2_，通过后缘补水系统可以模拟滑坡体内地下水径流，使得环境条件更接近于实际工程条件。
[0011]所述物理量测试与控制系统包括拉线式位移传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器，拉线式位移传感器通过支架固定在滑坡体上部，土压力传感器和孔隙水压力传感器埋置在滑坡体内部。本发明设置的传感器的种类较多，使得测试的物理量更为全面；且提供的传感器的工作性能好、精度较高。
[0012]所述TDR水分测试系统包括土壤水分传感器，土壤水分传感器的水分测试探头垂直插在滑坡体表面。由于土壤含水量对于观测判断滑坡体稳定与否有至关重要的重要，非常有必要测试土壤含水量，本发明设置了 TDR水分测试系统，使得测量简便；测定速度快，精度高；无放射性，适用于长期实时定位土壤监测；数据传输灵活。
[0013]所述库水位控制系统包括进水控制阀、出水控制阀及用于测量箱体内部水位的水位器，所述进水控制阀位于箱体四周的侧壁上，出水控制阀位于箱体的底部。进水控制阀位于箱体四周的侧壁上，可使水位沿着模型内壁自然升降，减少水位变化过程中对滑坡体土体冲刷影响；出水控制阀位于箱体的底部，便于试验过程中排水及试验后废弃水、土渣等。在升、降水位时，调节进水控制阀、出水控制阀，可以使库水处于一定的流动状态，更加符合实际情况；同时，也可以将进水控制阀、出水控制阀连接上电磁阀，通过水位器与计算机连接进行控制，使其能自动控制水位变化；本发明可根据模型实验需求，设置人工控制和自动控制两种操作方式。
[0014]本装置内还可设置光测非接触式位移测试系统，其安装位置根据需要进行设置，用于观测滑坡体模型的位移情况，并根据观测的数据进行位移分析。
[0015]所述的箱体由多根立柱及立柱之间的钢板密封而成；构成一个不漏水的空间。
[0016]所述箱体四周的中部设有钢化玻璃窗，钢化玻璃窗与箱体为一体式密封设计。钢化玻璃的设置便于观测试验过程中变化。
[0017]所述箱体为两层，箱体外侧的中部及顶部设有环绕的走廊，箱体外一侧设有与走廊相配合的楼梯；所述箱体外还设有绕其一圈的外围立柱，外围立柱与对应的箱体立柱之间通过横梁及斜支撑进行连接，横梁位于走廊的底部，斜支撑一端固定在外围立柱的底部，另一端连接到箱体的立柱上。
[0018]所述走廊的外侧设有防护栏，保证在走廊上行走时的安全。
[0019]本发明可根据需要将尺寸设计的较大，克服模型试验的尺寸效应。箱体及其外围的外围立柱、横梁、斜支撑、楼梯、走廊及防护栏等构成整个设备的模型钢架；采用旋转楼梯式方案，且采用钢管混凝土进行支撑，极大的提高了模型钢架的纵向刚度，保持模型试验设备的稳定。在降雨自动精确模拟方面能做到自动化、均匀化、稳定化，在库水自动精确模拟方面能做到自动化、稳定化、水位变化速度可调性，可以更好模拟滑坡在降雨和库水位耦合作用。另外设置的钢化玻璃、行走走廊便于更好的观测试验过程变化。
[0020]本发明还具有的有益效果:
1、本发明设计了一种研究滑坡在降雨和库水位耦合作用下的滑坡模型试验平台，在此平台上可进行三维物理模型试验。通过人工降雨控制系统可模拟微雨、小雨、中雨等常见多发雨型；由库水位控制系统实现库水位的自动控制；通过人工降雨控制系统和库水位控制系统模拟滑坡在降雨和库水耦合作用下的形成机理和诱发机制。
[0021]2、集成了包含土压力、孔隙水压力、水分、位移测量的多物理量测试系统，数据采集系统等，人工降雨系统，库水位升降系统等，多物理量测试系统可实现对滑坡体内部物理力学参数的自动监测；光测非接触式位移测试系统可以自动全程获得滑坡各光学观测点的位移；后缘补水系统可以模拟滑坡体内地下水径流。
[0022]3、本设备系统集成化、自动化程度高，能用来进行滑坡在多种因素作用下的变形破坏模型试验，可进行考虑降雨、库水位升降及其耦合作用下滑坡稳定特性的三维滑坡物理模拟试验研究；模拟出实际的工况条件，并利用多物理量测试系统、数据采集系统，采集全面的、可靠的试验数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0024]图1是本发明的剖面示意图。
[0025]图2是本发明的主视图。
[0026]图3是图2的左视图。
[0027]图4是本发明楼梯结构图。
[0028]图5是图2箱体内层视图。
[0029]图6是图3箱体内层视图。
[0030]图7是本发明的俯视图。
【具体实施方式】
[0031]如图1-7所示，本发明包括箱体1，所述箱体四周及底部密封，顶部设有人工降雨系统2，箱体内设有滑坡床3，滑坡床上设有滑坡体4，滑坡床2的顶端设有用于模拟地下水径流的后缘补水系统5，滑坡体4内设有物理量测试与控制系统6，滑坡体的表面设有TDR水分测试系统7，箱体I外还设有用于控制滑坡体正前方水位的库水位控制系统8，所述滑坡体正前方的箱体上还设有出渣门11。
[0032]进一步的，所述的箱体I由多根立柱12及立柱之间的钢板13密封而成。
[0033]进一步的，所述箱体I四周的中部设有钢化玻璃窗19，钢化玻璃窗与箱体I为一体式密封设计，便于从箱体外观测内部滑坡情况，另外钢化玻璃与钢板间隔式设置。
[0034]进一步的,所述箱体为两层,具体的尺寸可设置为长*高*宽=12m*6m*6m,箱体外侧的中部及顶部设有环绕的走廊14，走廊14的外侧设有防护栏110，同时箱体外一侧设有与走廊相配合的楼梯15，方便在箱体外侧及时掌握内部的变化情况。所述箱体外还设有绕其一圈的外围立柱16，外围立柱与对应的箱体立柱之间通过横梁17及斜支撑18进行连接，横梁位于走廊的底部，斜支撑一端固定在外围立柱的底部，另一端连接到箱体的立柱上。通过外围立柱、横梁、斜支撑的设计，使得本设备的稳固性进一步增强，另外，在外围立柱之间还可设置交叉的支撑架增强其稳定性和牢固性。
[0035]所述出渣门11位于箱体一侧顶部中间位置，该门可密封防水，使得其整体结构不会漏水。
[0036]箱体内的滑坡体及滑坡床的形状尺寸根据实际情况确定，滑坡体的各个面与箱体内壁没有接触，与内壁相距一定距离，避免了滑坡模型相似材料与内壁的摩擦问题，使其更贴近真实的滑坡情况。
[0037]上述结构的箱体及外围立柱、横梁、走廊等部件组合在一起，构成该设备的钢模架，其整体为开顶的回廊式结构，方便进行试验，也能保证滑坡的安全顺利进行。
[0038]所述人工降雨系统2系统包括设于箱体I顶部的多个喷头21，喷头21通过水管22与电磁阀23和水泵24连接。
[0039]所述后缘补水系统5由后缘补水槽51和补水控制阀52组成，后缘补水槽51内填充卵石及砂粒。通过后缘补水系统对滑坡后缘源源不断的补水来模拟地下水径流。
[0040]所述物理量测试与控制系统6包括拉线式位移传感器61、土压力传感器62和孔隙水压力传感器63，拉线式位移传感器61通过支架固定在滑坡体4上部，土压力传感器62和孔隙水压力传感器63埋置在滑坡体4内部。
[0041 ] 所述TDR水分测试系统7包括土壤水分传感器71，土壤水分传感器71的水分测试探头垂直插在滑坡体4表面。
[0042]所述库水位控制系统8包括进水控制阀81、出水控制阀82及用于测量箱体内部水位的水位器83，所述进水控制阀81位于箱体四周的侧壁上，出水控制阀82位于箱体的底部。
[0043]在进行模拟试验时，首先在箱体内按所模拟滑坡斜面形状堆载轻集料，用于模拟滑坡床，然后在滑坡床上铺设滑坡体，满足滑坡相关力学特性，使得模型试验更加符合实际情况。
[0044]并在滑坡床上部修整出所模拟滑坡的三维地形。在堆载滑带和滑坡床时，同时根据该滑坡现场监测资料或数值计算结果埋置多物理量测试与控制系统中的土压力传感器和孔隙水压力传感器，当滑坡床修整好后，在滑坡床表面安装拉线式位移传感器，并把土壤水分传感器的水分测试探头垂直插在滑坡床表面。在箱体中滑坡体前缘留出部分空间，当关闭出渣门时就在滑坡体前缘形成一个空间，用于模拟库水位，通过水位器可以实时监测库水位，通过进水控制阀可以为水池供水，通过出水控制阀可以排水，上述三部分的联合使用，可以实现库水位变动的自动模拟。
[0045]以上仅是本发明的优选实施例，并非对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是脱离本发明技术方案内容依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:包括箱体(1)，所述箱体四周及底部密封，顶部设有人工降雨系统(2)，箱体内设有滑坡床(3)，滑坡床上设有滑坡体(4)，滑坡床(2)的顶端设有用于模拟地下水径流的后缘补水系统(5)，滑坡体(4)内设有物理量测试与控制系统(6)，滑坡体的表面设有TDR水分测试系统(7)，箱体(I)外还设有用于控制滑坡体正前方水位的库水位控制系统(8)，所述滑坡体正前方的箱体上还设有出渣门(11)。
2.根据权利要求1所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述人工降雨系统(2)包括设于箱体(I)顶部的多个喷头(21)，喷头(21)通过水管(22)与电磁阀(23)和水泵(24)连接。
3.根据权利要求1所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述后缘补水系统(5)由后缘补水槽(51)和补水控制阀(52)组成，后缘补水槽(51)内填充卵石及砂粒。
4.根据权利要求1所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述物理量测试与控制系统(6)包括拉线式位移传感器(61)、土压力传感器(62)和孔隙水压力传感器(63)，拉线式位移传感器(61)通过支架固定在滑坡体(4)上部，土压力传感器(62)和孔隙水压力传感器(63)埋置在滑坡体(4)内部。
5.根据权利要求1所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述TDR水分测试系统(7 )包括土壤水分传感器(71)，土壤水分传感器(71)的水分测试探头垂直插在滑坡体(4)表面。
6.根据权利要求1所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述库水位控制系统(8)包括进水控制阀(81)、出水控制阀(82)及用于测量箱体内部水位的水位器(83)，所述进水控制阀(81)位于箱体四周的侧壁上，出水控制阀(82)位于箱体的底部。
7.根据权利要求1-6之一所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述的箱体(I)由多根立柱(12)及立柱之间的钢板(13)密封而成。
8.根据权利要求1-6之一所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述箱体(I)四周的中部设有钢化玻璃窗(19)，钢化玻璃窗与箱体(I)为一体式密封设计。
9.根据权利要求7所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述箱体为两层，箱体外侧的中部及顶部设有环绕的走廊(14)，箱体外一侧设有与走廊相配合的楼梯(15);所述箱体外还设有绕其一圈的外围立柱(16)，外围立柱与对应的箱体立柱之间通过横梁(17)及斜支撑(18)进行连接，横梁位于走廊的底部，斜支撑一端固定在外围立柱的底部，另一端连接到箱体的立柱上。
10.根据权利要求9所述的三维人工降雨水库型滑坡物理模型试验设备，其特征在于:所述走廊(14)的外侧设有防护栏(110)。
【文档编号】G01N33/24GK103616493SQ201310624047
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】程圣国, 潘飞, 彭刚, 于志伟, 王乾峰, 林珊 申请人:三峡大学