地震触发水下滑坡灾害模拟试验平台的制作方法

本发明涉及海洋地质工程领域，具体涉及一种地震触发水下滑坡形成与运动过程模拟试验平台。

背景技术：

海底滑坡是一种破坏力极强的海洋地质灾害，具有滑动速度快、滑行距离远、破坏性强的特点。地震是最主要的触发因素之一，而我国海域处于强烈地震带，在我国海洋油气资源加速开发的背景下，对地震触发海底滑坡的研究已成为国家海洋工程安全领域的重大战略需求。为保证海洋工程的顺利进展及生命财产安全，研究并预防地震触发的海底滑坡是一个重要的课题。课题的进展需要进行物理模型试验，从定性和定量的角度研究地震触发海底滑坡的成因机制和运移规律，因此需要一种地震触发水下滑坡灾害模拟试验平台。

关于海底滑坡的研究包括声学设备探测、物理模型试验和数值模拟试验。目前，由于环境条件和技术条件的限制，人们还很难直接观察到海底斜坡的破坏过程，同时，数值模拟试验由于实测资料有限和边界条件难以确定，使得模拟结果的可靠性还有待提高，因此，物理模型试验仍是研究海底滑坡的主要手段。国内外学者做了大量研究工作，探索并提出很多有益的方法与结论，如早期mohrig等采用可调角度的玻璃壁水槽，并分别设置了软、硬两种底面材料模拟碎屑流的流动。laval等将低密度的砂土进行了类似的水槽试验，。marr等专门分析了粘土与水的含量对泥浆流动特性的影响。elverhoi等借鉴前人的水槽试验方法，分别对高(25％)、中(15％)、低(5％)三个不同等级粘土含量的泥浆模拟结果进行了对比。vendeville等采用高孔隙度砂、粘土以及粘性硅聚合物模拟滑坡土层，分析孔隙压力与斜坡角度对海底滑坡的触发条件。ilstad等在前人试验方案的基础上得到了与实际一致的碎屑流前部“拆离现象”。zakeri等采用水槽试验模拟了海底滑坡产生的碎屑流对海底管道的冲击影响。张春生等通过试验分析了浊流流体运动过程。杨林青采用大型鼓式离心机研究了滑速与含水量关系。综上所述，对于物理模型试验，鼓式离心机是最为理想的试验仪器，但目前试验仪器昂贵，试验过程耗资巨大，国内仅有一台，且震动破坏难以实现；对于其他的物理模型试验，学者们大多采用向静水环境倾倒泥浆来模拟滑坡滑动，属于二维模型模拟，且不能模拟海底滑坡的形成过程。因此需要组建一种地震作用下海底滑坡模拟试验平台，用来研究地震触发海底滑坡的成因机制和运移规律。

技术实现要素：

本发明的目的是克服以往技术的不足，提供一种地震触发水下滑坡灾害的模拟试验平台，解决现阶段试验平台操作复杂、体积庞大、结果与实际相差较大的难题，使得试验现象更直观，试验数据更准确。

本发明由振动台、水槽、沉淀池组成，振动台的动力设备包括油泵站和蓄能组。油泵站和蓄能组通过油管和管线与水平向作动器和竖直向作动器连接；水平向作动器和竖直向作动器，竖直向作动器安装在基座上，基座位于土坑内，振动台的振动台面穿过水槽的水槽底，水槽底的上平面与振动台面的上平面平齐，水槽底与振动台面的接触处以橡胶连接材料和止水条带密封，保证振动台在振动时连接处不透水；水槽中竖立有水位标；沉淀池位于水槽的侧面；水槽的内侧壁覆设消波材料，水槽具有水槽底进/排水口和水槽壁进/排水口，水槽底进/排水口通过排水通道和排/进水管与沉淀池连通。

所述的消波材料为单层或多层交错布置。

水槽的底部设有一个进/排水口，水槽的侧壁下方再设置一个进/排水口，水从底部注入，而不是从水槽上方倾倒，水槽的材料根据观测需要选择有机玻璃或其它材料，水槽中设置水位标，水槽四周安置消波材料。沉淀池设置于进/排水口下方，用于储存水源，回收砂、水再次利用，防止污染环境。

本发明的具体的实施过程：

1、选择场地，整平后选中心位置挖土方100cm×100cm×80cm，基坑用于放置振动台的水平向作动器、竖直向作动器、基座等装置。在基坑一侧边长中心处，沿地表向垂直于该边方向开挖宽×高为15cm×15cm的槽段，用于放置连接油泵及蓄能组的油路和电缆，长度大于150cm，具体按需设计，要考虑到设备的防水，应远离水槽一定距离。

2、安置振动台，将振动台面与水平向作动器和竖直向作动器等装置相连接，再固定于基座之上，连接好油管与油泵站、电线与蓄能组。

3、修砌水槽，水槽底面与振动台面的上表面在同一水平面上，水槽边缘与振动台边缘留设3cm，为振动台振动的自由空间，水槽底设置一个直径5cm的进/排水孔，水槽壁下部再设置一个直径5cm的进/排水孔。水槽为边长300cm，高120cm的立方体。在水槽内壁安置水位标，能够清晰观测水位刻度。

4、连接水槽与振动台面，使用可拉伸可压缩的橡胶连接材料连接，连接处使用止水条带防水。橡胶材料要薄、褶皱高度尽量小，进而保证在橡胶材料拉伸和压缩过程中不对水体产生扰动。

5、在水槽壁四周放置多孔消波材料，利用多孔介质消波原理消除水波折返的不良影响。消波材料长、高与水槽长、高一致，为了防止反射水波对试验的影响，对应于本试验平台水槽和振动台规模，消波材料最优厚度为30cm，约30层交错排列塑料圈组成，每层塑料圈间距1cm，塑料圈形状为长轴2cm、短轴1.5cm椭圆形。

6、水槽旁边修沉淀池，沉淀池规模为200cm×200cm×150cm，在沉淀池底面及四壁使用砖与水泥砂浆砌筑，将水槽底的进/排水口与沉淀池相连，用于水槽中水的排放及沉淀池有水情况时水的注入，水槽壁下方的进/排水口用于沉淀池无水情况时水的注入。使用水泵进行注水，注水过程要缓慢，防止对滑坡体模型造成破坏。

本发明的优点及效果：

1、在试验平台中的振动台上建立三维滑坡体模型而不是倾倒泥浆，可以采用特制的砂雨装置建立滑坡体模型，通过静水压力作用模拟现实海底土体沉积环境和滑坡发生前的初始状态。水槽提供了清晰直观的滑坡体从开始破坏至滑动结束的过程，真实地模拟了地震时水下滑坡在纵波及横波作用下的形成和运动过程。同时，结合相应的微型贯入仪、孔隙水压力探头、土压力传感器、波压力传感器、测冲击力传感器、粘度计、流速测量装置等，可以定量的研究滑坡体变形破坏机理和运移规律。

2、将振动台面与水槽连接为一个整体，在台面振动时水槽不会随之振动，只有台面上的滑坡体模型随之振动，继而引起破坏。因为水不传递剪切力，所以振动台大小只需要满足试验模型大小即可，节省场地和造价，更能避免水波折返对试验现象及试验结果的影响。而在振动台上放置水槽的试验方式，很难消除因为水槽壁振动而产生的水体扰动，扰动的水体会形成折返水波作用在滑坡体模型上，导致模型破坏。

3、长方形水槽适用于模拟二维滑坡试验，对于三维滑坡体的模型模拟试验，正方形水槽更符合实际、更占优势。

4、本发明结构简单，体积较小，不会占据太大空间，造价低。沉淀池提供了再次利用的砂与水，不会造成材料的过度浪费，不会污染环境。试验操作简便，试验结果相对可靠。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的左视图。

图4单层消波材料示意图。

图5消波材料交错布置图。

其中：1—水槽；2—水槽底；3—振动台面；4—橡胶连接材料；5—止水条带；61—水槽底进/排水口；62—水槽壁进/排水口；7—水位标；8—竖直向作动器；9—水平向作动器；10—基座；11—油泵站；12—蓄能组；13—油管；14—管线通道；15—土坑；16—排水通道；17—排/进水管；18—沉淀池；19—消波材料；20—振动台。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示，本发明由振动台20、水槽1、沉淀池18组成，振动台20的动力设备包括油泵站11和蓄能组12。油泵站11和蓄能组12通过油管13和管线14与水平向作动器9和竖直向作动器8连接；水平向作动器9和竖直向作动器8，竖直向作动器8安装在基座10上，基座10位于土坑15内，振动台20的振动台面3穿过水槽1的水槽底2，水槽底2的上平面与振动台面3的上平面平齐，水槽底2与振动台面3的接触处以橡胶连接材料4和止水条带5密封，保证振动台20在振动时连接处不透水；水槽1中竖立有水位标7；沉淀池18位于水槽1的侧面；水槽1的内侧壁覆设消波材料19，水槽1具有水槽底进/排水口61和水槽壁进/排水口62，水槽底进/排水口61通过排水通道16和排/进水管17与沉淀池18连通。

如图4和图5所示，所述的消波材料19为单层或多层交错布置。

水槽1的底部设有一个进/排水口61，水槽1的侧壁下方再设置一个进/排水口62，水从底部注入，而不是从水槽上方倾倒，水槽1的材料根据观测需要选择有机玻璃或其它材料，水槽1中设置水位标7，水槽四周安置消波材料。沉淀池18设置于进/排水口61下方，用于储存水源，回收砂、水再次利用，防止污染环境。

本发明的具体的实施过程：

1、选择场地，整平后选中心位置挖土方100cm×100cm×80cm，基坑用于放置振动台20的水平向作动器9、竖直向作动器8、基座10等装置。在基坑一侧边长中心处，沿地表向垂直于该边方向开挖宽×高为15cm×15cm的槽段，用于放置连接油泵及蓄能组的油路和电缆，长度大于150cm，具体按需设计，要考虑到设备的防水，应远离水槽一定距离。

2、安置振动台20，将振动台面3与水平向作动器9和竖直向作动器8等装置相连接，再固定于基座10之上，连接好油管与油泵站11、电线与蓄能组12。

3、修砌水槽1，水槽底面2与振动台面3的上表面在同一水平面上，水槽1边缘与振动台20边缘留设3cm，为振动台振动的自由空间，水槽底2设置一个直径5cm的进/排水孔61，水槽壁下部再设置一个直径5cm的进/排水孔62。水槽1为边长300cm，高120cm的立方体。在水槽1内壁安置水位标7，能够清晰观测水位刻度。

4、连接水槽1与振动台面3，使用可拉伸可压缩的橡胶连接材料4连接，连接处使用止水条带5防水。橡胶材料要薄、褶皱高度尽量小，进而保证在橡胶材料拉伸和压缩过程中不对水体产生扰动。

5、在水槽1壁四周放置多孔消波材料19，利用多孔介质消波原理消除水波折返的不良影响。消波材料19长、高与水槽长、高一致，为了防止反射水波对试验的影响，对应于本试验平台水槽1和振动台20规模，消波材料19最优厚度为30cm，约30层交错排列塑料圈组成，每层塑料圈间距1cm，塑料圈形状为长轴2cm、短轴1.5cm椭圆形。

6、水槽1旁边修沉淀池18，沉淀池18规模为200cm×200cm×150cm，在沉淀池18底面及四壁使用砖与水泥砂浆砌筑，将水槽1底的进/排水口61与沉淀池18相连，用于水槽1中水的排放及沉淀池18有水情况时水的注入，水槽1壁下方的进/排水口62用于沉淀池18无水情况时水的注入。使用水泵进行注水，注水过程要缓慢，防止对滑坡体模型造成破坏。