一种模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统的制作方法

本发明涉及滑坡灾害模型试验的技术领域，尤其涉及一种模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统。

背景技术：

滑坡是一种危害极大的自然灾害，长期以来该领域均是各国学者研究的重要方向之一。而黄土滑坡作为一种特殊的工程地质灾害，由于土质边坡本身所特有的水敏性，又呈现出和其岩质边坡、土-岩二元边坡滑塌所不同的特征。

国内外相关学者对滑坡机理的研究大多基于对滑坡孕育、启动、发生发展全过程的感性认识，而后采用理论分析法、数值模拟法以及现场监测法对滑坡全过程抽象为数学模型或力学模型再进行后续研究。理论分析法是利用经典力学理论，对滑坡及其所处地质进行简化，一般是对滑坡某一状态的分析，其在一定程度上不能准确反应滑坡发展的复杂过程；数值方法可以模拟滑坡发展动态过程，但土质滑坡模拟涉及到从连续介质到非连续介质的过渡和转变，当前多采用有限元与离散元耦合方法进行模拟，耦合机制有待进一步研究，且模型复杂，计算耗时，结果受所取土体物理力学参数影响大。现场监测方法可真实反映滑坡实际状态，但大部分时候是在滑坡有明显迹象或已经发生滑动后介入，缺乏滑坡从孕育到启动阶段的监测数据，不能反映完整的滑坡发展过程。

滑坡模型试验有完整的相似理论体系作为理论基础，同时可以控制主要试验参数而不受环境条件的限制与影响；便于改变试验参数进行对比试验；经济性好。在滑坡机理研究方面尤其特有的优势，而被广大科研工作者所采用。

由于水在坡体中渗透，使滑带岩土含水量增大，进而导致滑带土抗剪强度参数降低，出现滑坡失稳下滑。同时使滑坡体土体抗剪强度参数降低，出现坍塌现象，导致土质滑坡呈现先滑后塌、先塌后滑以及滑塌交替渐变破坏的特点。因此，模拟黄土滑坡过程的核心问题就是对水的模拟，当前对于降雨的模拟，是在坡体上方使用喷头或喷雾器，使雨水渗入坡体软化滑带，使滑坡下滑。由于受材料相似比限制，模型土体一般颗粒较细，较密实，水不容易渗入滑坡及坡体中。难以实现对滑带土及坡体含水量的控制。一般降雨试验出现的浅层破坏要早于设计滑坡失稳之前发生，导致试验的失败。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统，包括模型箱、滑床结构、滑带结构、滑体结构、崩塌模拟结构、降雨系统、控制系统和监测系统；

所述滑带结构包括上滑面、下滑面、夹层材料和电阻丝；

所述滑体结构包括多个滑体土条，所述滑体土条之间设置有湿敏性材料；

所述崩塌模拟结构包括滑床结构上部的稳定结构和滑体结构上部的崩塌结构，所述稳定结构使用分层填筑，所述崩塌结构包括多个崩塌土条，所述崩塌土条之间设置有预留气囊；

所述控制系统用于通过控制所述滑带结构的电阻丝的电阻值来实现滑坡启动方式的控制，通过控制所述崩塌模拟结构的预留气囊的充放气来实现崩塌启动方式的控制，通过控制所述降雨系统的降雨控制阀来实现对降雨强度和降雨量的控制；

所述监测系统包括颗粒图像监测系统和三维激光扫描系统，所述颗粒图像监测系统用于定时获取图像序列数据，对所述图像序列数据进行对比分析，获得降雨入渗的浸润线变化过程，以及获得土体在滑坡过程之中的位移场变化规律和速度场变化规律，所述三维激光扫描系统用于获取滑坡崩塌过程之中的三维点云数据，所述监测系统用于将所述颗粒图像监测系统获得的边坡断面位移场和所述三维激光扫描系统获得的边坡平面位移场拟合形成土体的三维位移场。

可选的，所述降雨系统包括支架、降雨喷头、供水管路、排水管路、降雨控制阀，所述支架和模型箱上部框架连接，用于固定所述降雨喷头，所述降雨喷头呈矩阵式布置于所述支架上，各个喷头通过串联方式连接至所述供水管路，所述供水管路通过控制阀与所述控制系统连接，所述排水管路布置于坡脚平台处，用于排出坡表径流的水。

可选的，所述稳定结构的分层层厚为20cm，所述崩塌土条的宽度为10cm，所述预留气囊在相邻的崩塌土条填筑时设置，所述预留气囊沿高度方向每10cm设置1条，所述预留气囊的充气口通过塑料导管连接至充气分流阀，所述充气分流阀连接至所述控制系统。

可选的，所述滑体土条使用竖向条状成型进行夯实，所述滑体土条的宽度为20cm，所述湿敏材料在相邻的滑体土条填筑时同步填筑，所述湿敏材料的宽度为1cm。

可选的，所述上滑面和所述下滑面的构成材料包括聚四氟乙烯薄膜，所述夹层材料包括分段的固体石蜡块，所述固体石蜡块的厚度为2cm，所述控制系统通过控制所述电阻丝的温度，实现对石蜡块融化程度的控制，通过石蜡块固-液两相的动态调整，实现对所述上滑面和所述下滑面之间摩擦系数的调节，实现对滑坡的分段滑动控制，所述电阻丝通过所述模型箱后面预留的小孔伸出，进行编号，连接至中继器，接入所述控制系统。

可选的，所述滑床结构包括滑床模拟材料和坡脚平台上覆材料，所述滑床模拟材料由滑坡体的滑床材料分层夯击形成，所述滑床模拟材料的厚度为20cm，每层超出滑床圆弧形断面形状5cm，当所述滑床材料整体成型时，将超出的5cm滑床模拟材料一次性去除，以保证滑面的圆弧质量；

所述坡脚平台上覆材料包括聚四氟乙烯薄膜，所述坡脚平台上覆材料的宽度与所述模型箱的宽度相同，所述坡脚平台上覆材料的长度比所述坡脚平台的长度大5cm，当滑床材料填至坡脚平台时，铺筑坡脚平台上覆材料，端头固定于下部滑床材料之中，当滑坡圆弧形断面修整完成之后，所述坡脚平台上覆材料中的5cm长度反压于坡脚内。

可选的，所述模型箱的底面、左面、右面均使用8mm的钢板，所述模型箱的前面和后面使用10mm厚的钢化玻璃，在所述模型箱的后面钢化玻璃上沿滑面设置直径为1cm的小孔。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供一种模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统，包括：模型箱、滑床结构、滑带结构、滑体结构、崩塌结构、降雨系统、控制系统和监测系统，通过对滑带摩擦系数的调整，进而达到对滑带的分段滑动控制，通过滑体土条之间的湿敏性材料吸湿膨胀收缩的特性模拟坡体裂缝，通过崩塌土条之间的预留气囊的充放气模拟崩塌体张拉裂缝，所述监测系统使用无接触技术，获得土体在滑坡过程中的位移场和速度场的变化规律。与现有技术相比，本发明提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统，可以实现对土质边坡常见的滑坡、崩塌的全过程模拟，还可以模拟降雨型滑坡的失稳过程。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统的整体示意图。

图2为本发明实施例一提供的滑床结构细部图。

图3为本发明实施例一提供的滑面结构三维图。

图4为本发明实施例一提供的滑面结构断面细部图。

图5为本发明实施例一提供的滑体结构断面图。

图6为本发明实施例一提供的崩塌模拟结构断面图。

图7为本发明实施例一提供的降雨系统三维图。

图8为本发明实施例一提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统的系统线路、管路连接以及控制系统的示意图。

图9为本发明实施例一提供的监测系统将二维图形合成三维图形的示意图。

其中，附图标记为：1：模型箱、2：滑床结构、3：滑带结构、4：滑体结构、5：崩塌模拟结构、6：降雨系统、7：控制系统、8：监测系统、201：滑床模拟材料、202：坡脚平台上覆材料、301：上滑面、302：下滑面、303：夹层材料、303-1：固体石蜡块、303-2：固体石蜡块、303-3：固体石蜡块、303-4：固体石蜡块、304：电阻丝、304-1：电阻丝、304-2：电阻丝、304-3：电阻丝、305：中继器、401：滑体土条、402：湿敏性材料、501：稳定结构、502：崩塌结构、502-1：塑料导管、502-2：塑料导管、502-3：塑料导管、502-4：塑料导管、503：充气分流阀、601：支架、602：降雨喷头、603：供水管路、604：排水管路、605：降雨控制阀、701：计算机、801：颗粒图像监测系统、801a：图像序列、801b：图像序列、801c：图像序列、802：三维激光扫描系统、802a：三维点云数据序列、802b：三维点云数据序列、802c：三维点云数据序列、803：三维位移场。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统进行详细描述。

实施例一

本实施例提供一种模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统，包括：装载相似材料的模型箱、滑床结构、滑带结构、滑体结构、崩塌结构、降雨系统、控制系统和监测系统。所述模型箱底面和左、右两面均用8mm钢板，前、后两个面用10mm厚钢化玻璃便于观察滑坡过程，在后面钢化玻璃上沿滑面钻设直径1cm的小孔。

所述滑床结构包括滑床模拟材料和坡脚平台上覆材料，所述滑床模拟材料由滑坡体现场取滑床材料分层夯击而成，层厚20cm，且每层超出滑床圆弧形断面形状约5cm，待滑床材料整体成型，将超出的5cm滑床模拟材料一次性去除，以保证滑面的圆弧质量；所述坡脚平台上覆材料由聚四氟乙烯薄膜构成，宽与模型箱同宽，长度较坡脚平台长5cm，待滑床材料填至坡脚平台时，铺筑坡脚平台上覆材料，且端头固定于下部滑床材料中。待滑坡圆弧形断面修整完毕，坡脚平台上覆材料有5cm反压于坡脚内。

本实施例中，所述滑带结构由上滑面、下滑面、夹层材料和电阻丝组成，所述边上滑面、下滑面由聚四氟乙烯薄膜构成。所述夹层材料由分段的固体石蜡块构成，石蜡块厚度约2cm，块数根据滑带长度确定。通过控制电阻丝温度，实现对石蜡块融化程度的控制，通过石蜡块固-液两相的动态调整，实现对上、下滑面两层聚四氟乙烯薄膜间摩擦系数的调节，最终实现对滑坡的分段滑动的精细控制。所述电阻丝通过模型箱后面预留的小孔伸出，并进行编号，连接至中继器，然后接入控制系统。

本实施例中，所述滑体结构由滑体土条及土条间湿敏性材料组成。滑体结构采用竖向条状成型进行夯实，条带宽约20cm，土条间湿敏材料在相邻条带土体填筑时同步填筑，以保证滑体的整体性，土条间湿敏材料宽度1cm。根据试验是否模拟崩塌要求可选择是否施作滑床结构和滑体结构上部的崩塌模拟结构。

本实施例中，所述崩塌模拟结构由滑床结构上部的稳定结构和滑体结构上部的崩塌结构组成，所述稳定结构采用分层填筑，层厚20cm，所述崩塌结构由崩塌土条和土条间预留气囊组成，土条宽度10cm，预留气囊在相邻土条填筑时埋置。气囊沿高度方向每10cm埋置1条，气囊充气口通过塑料导管连接至充气分流阀，充气分流阀连接至控制系统。

所述降雨系统由支架、降雨喷头、供水管路、排水管路、降雨控制阀组成，支架和模型箱上部框架连接，用来固定降雨喷头，降雨喷头呈矩阵式布置于降雨支架上，各喷头通过串联方式连接至供水管路，供水管路通过控制阀与控制系统连接。排水管路布置于坡脚平台处，用于把坡表径流的水的排出，避免造成坡脚浸泡造成的局部失稳。

本实施例中，所述控制系统包括计算机、连接线路、塑料导管、真空泵。通过中继器控制不同线路电阻丝的电阻值来实现滑坡启动方式的控制，通过微机控制真空泵对各管路连接的气囊的充放气来实现崩塌启动方式的控制。通过微机控制降雨控制阀，实现对降雨强度和降雨量的控制。

本实施例中，所述监测系统包括颗粒图像监测系统和三维激光扫描系统两部分。颗粒图像监测系统通过定时获取的图像序列数据进行对比分析，可获得降雨入渗的浸润线变化过程，获得土体在滑坡过程中的位移场、速度场变化规律；三维激光扫描系统通过获取滑坡体滑塌过程中的三维点云数据。通过将颗粒图像监测系统采集到的边坡断面位移场和将三维激光扫描系统采集到的边坡平面位移场拟合成土体的三维位移场。

与现有技术相比，本实施例提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统，可实现对土质边坡常见的平面滑移、转动滑移、崩塌等破坏情况的全过程模拟，还可模拟重力型、降雨型滑坡的失稳过程，模拟牵引式滑坡、推移式滑坡的滑塌过程。同时装置配套的监测系统可对土坡从初始状态到滑坡孕育-发生-发展的全过程坡体表面以及坡体内部的真实变形情况进行跟踪监测，可为滑坡学科理论研究提供基础数据。故可广泛应用于市政、公路、铁路、水利、建筑等土质边坡的滑塌过程模拟试验中。

图1为本发明实施例一提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统的整体示意图。如图1所示，本实施例提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统，包括装载相似材料的模型箱1、滑床结构2、滑带结构3、滑体结构4、崩塌模拟结构5、降雨系统6、控制系统7和监测系统8。所述模型箱1底面和左、右两面均用8mm钢板，前、后两个面用10mm厚钢化玻璃，便于观察滑坡过程，在后面钢化玻璃上沿滑面钻设直径1cm的小孔101a。

图2为本发明实施例一提供的滑床结构细部图。如图2所示，所述滑床结构2包括滑床模拟材料201和坡脚平台上覆材料202。所述滑床模拟材料201由滑坡体现场取滑床材料分层夯击而成，层厚20cm，且每层超出滑床圆弧形断面形状约5cm，待滑床材料整体成型，将超出的5cm滑床模拟材料一次性去除，以保证滑面的圆弧质量。所述坡脚平台上覆材料202由聚四氟乙烯薄膜202a构成，宽与模型箱同宽，长度较坡脚平台长5cm，待滑床材料填至坡脚平台时，铺筑坡脚平台上覆材料，且端头固定于下部滑床材料中。待滑坡圆弧形断面修整完毕，坡脚平台上覆材料有5cm反压于坡脚内。

图3为本发明实施例一提供的滑面结构三维图。图4为本发明实施例一提供的滑面结构断面细部图。如图3和图4，所述滑带结构3由上滑面301、下滑面302、夹层材料303和电阻丝304组成。所述边上滑面301、下滑面302由聚四氟乙烯薄膜构成；所述夹层材料303由分段的固体石蜡块303-1、303-2、303-3、303-4等构成，石蜡块厚度约2cm，块数根据滑带长度确定。通过控制电阻丝304温度，实现对石蜡块融化程度的控制，通过石蜡块固-液两相的动态调整，实现对上、下滑面两层聚四氟乙烯薄膜间摩擦系数的调节，最终实现对滑坡的分段滑动的精细控制；所述电阻丝304通过模型箱后面预留的小孔101a伸出，并进行编号304-1、304-2、304-3、等，连接至中继器305，最后接入控制系统7。

图5为本发明实施例一提供的滑体结构断面图。如图5所示，所述滑体结构4由滑体土条401及土条间湿敏性材料402组成。滑体结构4采用竖向条状成型进行夯实，条带宽约20cm，土条间湿敏材料402在相邻条带土体填筑时同步填筑，以保证滑体的整体性，土条间湿敏材料宽度1cm。

图6为本发明实施例一提供的崩塌模拟结构断面图。如图6所示，所述崩塌模拟结构5由稳定结构501和崩塌结构502组成，所述稳定结构501采用分层填筑，层厚20cm；所述崩塌结构502由崩塌土条502a和土条间预留气囊502b组成，土条宽度10cm，预留气囊在相邻土条填筑时埋置。气囊沿高度方向每10cm埋置1条，气囊充气口通过塑料导管502-1、502-2、502-3、502-4连接至充气分流阀503，充气分流阀503连接至控制系统7。

图7为本发明实施例一提供的降雨系统三维图。如图7所示，所述降雨系统6由支架601、降雨喷头602、供水管路603、排水管路604、降雨控制阀605组成，支架601和模型箱1上部框架连接，用来固定降雨喷头602；降雨喷头602呈矩阵式布置于降雨支架601上，各喷头602通过串联方式连接至供水管路603，供水管路603通过降雨控制阀605与控制系统7连接；排水管路604布置于坡脚平台处，用于把坡表径流的水的排出，避免造成坡脚浸泡造成的局部失稳。

图8为本发明实施例一提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统的系统线路、管路连接以及控制系统的示意图。如图8所示，所述控制系统7包括计算机701、连接线路304、塑料导管502、充气分流阀503。通过中继器305控制不同线路电阻丝304的电阻值来实现滑坡启动方式的控制，通过微机7控制充气分流阀503对各管路连接的气囊502b的充放气来实现崩塌启动方式的控制。通过微机控制7降雨控制阀605，实现对降雨强度和降雨量的控制。

图9为本发明实施例一提供的监测系统将二维图形合成三维图形的示意图。如图9所示，所述监测系统8包括颗粒图像监测系统801和三维激光扫描系统802两部分。颗粒图像监测系统801通过定时获取的图像序列801a、801b、801c进行对比分析，可获得降雨入渗的浸润线变化过程，获得土体在滑坡过程中的位移场、速度场变化规律；三维激光扫描系统802通过获取滑坡体滑塌过程中的三维点云数据序列802a、802b、802c等。通过将颗粒图像监测系统801采集到的边坡断面位移场和将三维激光扫描系统802采集到的边坡平面位移场拟合成土体的三维位移场803。

现有某高速公路黄土滑坡，滑坡是重力型滑坡，前期滑坡又诱发坡顶上部土体二次崩塌。采用本实施例提供的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验系统进行模拟操作流程如下：

首先是模型箱的制作。根据相似定律确定几何相似比，通过相似比换算，得到模型边坡几何尺寸，根据几何尺寸及滑坡影响范围得到模型箱尺寸为长×宽×高：2m×1m×1.8m。将模型箱底部和左、右两边的8mm厚铁板以及前后的10mm的钢化玻璃安装就位。其中右边坡脚测铁板根据计算得到的坡脚土体高速选择宽1m，高0.4m，方便相似材料回填和后续监测系统对坡表变形的观测。将滑待轮廓线、崩塌体轮廓线描绘于钢化玻璃上，作为相似材料填充的基准。同时在滑带对应位置每隔10cm钻设直径1cm小孔，用于电阻丝导线伸出；崩塌裂缝对应位置也钻设直径1cm小孔，用于气囊导管的伸出。

滑床结构填筑：将滑坡体现场取的滑床材料作为滑坡相似材料，分层填筑并夯击，层厚20cm，且每层超出之前钢化玻璃上做的滑带断面轮廓线约5cm。待滑床材料填至坡脚平台时，铺筑坡脚平台上覆材料，且端头固定于下部滑床材料中，坡脚平台上覆材料有5cm反压于坡脚内。待滑床材料整体成型，将超出的5cm滑床模拟材料一次性去除，以保证滑面的质量。

滑带结构填筑：在修整好的滑床滑面上铺设聚四氟乙烯薄膜下滑面并固定于模型箱上，将固体石蜡块分段填筑到下滑面上，石蜡块厚度约2cm，块数根据滑带长度确定。每个固体石蜡块中布置一根电阻丝，电阻丝通过模型箱后面预留的小孔伸出，并进行编号，连接至中继器，然后接入控制系统。

滑体结构填筑：滑体结构采用在滑坡现场取得的滑体进行填筑，进行竖向条状成型夯实，条带宽约20cm，土条间湿敏材料在相邻条带土体填筑时同步填筑，以保证滑体的整体性，土条间湿敏材料宽度1cm。

崩塌模拟结构填筑：崩塌模拟结构中的稳定结构采用滑床模拟材料分层填筑，层厚20cm；崩塌模拟结构中的崩塌结构由崩塌土条和土条间预留气囊组成，崩塌土条进行竖向条状成型夯实，土条宽度10cm，预留气囊在相邻土条填筑时埋置。气囊沿高度方向每10cm埋置1条，气囊充气口通过预留的小孔和塑料导管连接至充气分流阀，充气分流阀连接至控制系统。

降雨系统组装：将支架和模型箱上部框架连接，将降雨喷头呈矩阵式固定于降雨支架上，各喷头通过串联方式连接至供水管路，供水管路通过控制阀与控制系统连接。

监测系统调试：用颗粒图像监测系统同时对滑坡体前面的坡体内部和右边的坡体表面变形情况进行监测，用三维激光扫描系统对滑坡体坡面的三维变形情况进行监测。

模拟一：重力型滑坡(牵引式、推移式)、先滑后塌

由于无降雨，故需要降低滑带摩擦系数来模拟滑坡启动。可以通过控制系统先从坡脚侧给滑带结构石蜡块内电阻丝进行通电加热，再依次对石蜡块从坡脚向坡体上部加热，用以模拟牵引式滑坡从坡脚处开始滑移的力学特征。也可以通过控制系统先从坡顶侧给滑带结构石蜡块内电阻丝进行通电加热，再依次对石蜡块从坡顶向坡脚进行加热，用以模拟推移式滑坡从坡顶处开始滑移的力学特征。在滑坡体滑移过程中极有可能导致上部崩塌体发生崩塌，从而模拟先滑后塌的滑坡破坏模式。

模拟二：崩塌、先塌后滑

同样由于没有降雨，需要通过对崩塌结构顶部的裂缝扩张来实现崩塌的触发。可以通过控制系统从崩塌体距离坡临空面的第一道预留气囊，从上至下进行充气来模拟崩塌体裂缝扩展过程，直至崩塌体脱离相邻结构。然后进行第二道预留的充气，直至最后崩塌体塌落。从而模拟崩塌体整个崩塌过程。在崩塌体崩塌过程中极有可能诱发下部滑坡体滑移，从而模拟先塌后滑的滑坡破坏模式。

模拟三：降雨型滑坡、降雨+重力型滑坡

首先通过控制系统对边坡进行降雨，坡面之前填筑的水敏性材料遇水膨胀，可模拟坡面局部坍塌的破坏模式，如边坡在发生局部小坍塌的情况下滑坡还未按预定条件发生整体滑塌，可以采用模拟一和模拟二中的手段，进行滑坡整个体滑塌的触发。以实现降雨诱发型滑坡的模拟。

与现有技术相比，本发明的模拟土质边坡滑塌过程的模型试验装置，实现对土质边坡常见的平面滑移、转动滑移、崩塌等破坏情况进行模拟，还可以模拟重力型、降雨型滑坡的失稳过程，模拟牵引式滑坡、推移式滑坡的滑塌过程。同时装置配套的检查系统可对土坡从初始状态到滑坡孕育-发生-发展的全过程坡体表面以及坡体内部的真实变形情况进行准确跟踪监测，可为滑坡学科理论研究提供基础数据。故可广泛应用于市政、公路、铁路、水利、建筑等土质边坡的滑塌过程模拟实验中。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。