模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统及方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是指一种模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统及方法。

背景技术：

边坡稳定性分析是岩土工程的一个重要应用性研究课题，边坡稳定性问题涉及土木工程、矿山工程、水利水电工程等诸多工程领域，近年来受到越来越多的关注和重视。随着矿产资源的深入开采，矿山废石堆场占地面积越来越大，目前我国排土场占地面积已达到约115-221万平方公里，并每年以约270平方公里的面积增加，且区域分散。矿山排土场接纳、收容露天矿山剥离的废弃物，受传统价值观念影响，矿山企业过于重视经济效益，过分追求少征地、短运输、大容量，逐渐形成矿山排土场高且陡状况，易发生滑坡及泥石流，这使得矿山生产存在安全隐患。排土场一旦发生边坡失稳滑落，可能造成重大人身伤亡及财产损失。因此，保证排土场边坡的稳定性，做到杜绝滑坡事故，对提升矿山经济效益安全性具有重大的现实意义和长远影响。

矿山排土场在自然状态下也会发生滑移破坏，这种破坏征兆往往不明显。此外，排土场边坡物源为土石混合体，土石混合体(bimrocks)是一种非常复杂的不连续介质，它是由具有一定尺寸的强度较高的岩块、强度较低的土体和孔隙等组成的多相体系，各组分在外荷载作用下的力学性质有很大的差异，且组分间又存在着极其复杂的相互作用。这种岩土材料的力学性能(如应力传递、破坏模式、裂纹扩展、承载能力等)与均质岩土体有着较大的差别，块石的空间分布、级配和含石量等关键因素对土石混合体的宏观力学性质有重要影响。

目前，我国处理排土场边坡问题的主要方法有：(1)极限平衡分析法，包含瑞典法、bishop法、janbu法等；(2)数值分析法，包含有限单元法、离散元法、有限差分法等；(3)可靠度分析法，是将概率论及数理统计引入到边坡稳定性，计算边坡失稳的可能性。此外，可以采用ansys、3dmine和flac等软件建立了排土场的模型，分析影响边坡稳定性因素。然而，无法对实际边坡内部土石相互作用及结构变化全过程有一个实时观测，无法对实际滑坡面发展演化的空间构型进行探测。

伴随着工业ct的发展，研究土石混合体排土场边坡滑移失稳全过程数字化和可视化表征成为可能，而技术关键在于研发模拟排土场边坡滑移失稳过程与工业ct机配套的加载装置及方法。

基于以上需求，发明了一种模拟露天矿山排土场边坡破坏过程与工业ct机配套的加载系统及方法，模拟自然状态下土石混合体块石空间分布、级配和含石量等关键因素对边坡稳定性和生产安全的影响。此外，运用基于面阵探测器的高能x射线工业ct技术与高速摄像机技术手段，不仅可直观监测边坡土石混合体响应特性和边坡滑移面破坏形态，还能实时获取滑移过程中边坡内部高清ct图像，对边坡进行三维重构进而获知边坡的失稳演变过程，进一步分析块石含量及结构因子参数对排土场边坡失稳影响。结果有助于对土石相互作用及互馈致灾的多尺度物理过程及力学行为的理解，揭示块石结构对排土场坡面裂缝衍生及滑坡滑面形态的影响，为滑坡预测以及边坡工程的支护设计提供依据。

对比一种岩质边坡滑移试验系统发明专利，该专利申请号202010289737.5，申请公布号cn111323561a。其公开一种岩质边坡滑移试验系统，包括底座，底座上设置有安装机构及试验机构，试验机构包括底板及挡板，两挡板之间布置有坡体，坡体上方设置有循环降雨机构，底板的一端开设有滑槽；坡体由外至内依次为上覆岩层、软土夹层和基岩层，底座上设置有收集槽，收集槽底部安装有过滤机构，过滤机构与循环降雨机构连通。该发明提供的岩质边坡滑移试验系统，可以在室内实验中模拟自然界中顺层岩质边坡滑移运动，用以研究边坡破坏过程及机理；并可以模拟自然界中不同组合结构面的顺层岩质边坡滑移运动；而且该发明可以采用相应的检测仪器得到相应破坏的试验数据，用于对岩质边坡的破坏过程的深入研究。

通过对比，本发明具有以下优势：

1.上述发明可以模拟自然界中不同组合结构面的顺层岩质边坡滑移运动。本发明可以满足此基本功能，且主要模拟物源为土石混合体的排土场边坡，排土场滑坡滑面形态及边坡滑移破坏模式与均质岩土体有着很大的差别，边坡滑移失稳机理更加复杂，故本发明更有研究价值与工程意义。

2.上述发明可通过监测传感器获取边坡破坏的试验数据，但仅可得到滑移破坏过程中应力变化，试验数据过于匮乏，且无法对其内部土石相互作用全过程有一个实时观测。本发明运用基于面阵探测器高能x射线工业ct技术，实时获取动态扰动过程中边坡内部高清ct图像，获得边坡内部土石相互作用及互馈致灾的多尺度物理过程及力学行为，最后借助工业软件处理实现边坡动态失稳全过程的可视化和数字化表征；高速照相机无时间间断连续拍照，实时记录边坡表面变化情况。两技术相结合揭示边坡动态失稳的宏观和微观机理。

3.上述发明对岩质边坡滑移试验系统进行了详细的解释，但未对其具体使用方法有一个描述。本发明方法给出了模型箱制备以及ct扫描开始到ct扫描结束具体操作方法，对扫描原理及方法有一个详细的阐述。

技术实现要素：

本发明为了解决排土场边坡滑移失稳全过程可视化和数字化，揭示不同块石含量及结构因子参数对排土场边坡失稳影响机理，提供一种模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统及方法。

该系统包括ct扫描系统、模型加载系统、图像采集系统，ct扫描系统包括竖直机架、面阵探测器、x射线发射机、x射线发射孔、转台上部、转台下部、连接件、转台底座、传动轨道槽、定位孔及铁垫，模型加载系统包括模型箱框架、钢化玻璃挡板、边坡模型、承压板、反力架、螺旋千斤顶、千分表、手压泵、手压泵杆、螺丝、连接管及液压加载囊，图像采集系统包括高速摄像机、三角支架及云台，两个竖直机架对称固定在铁垫上，两个传动轨道槽分别沿垂直方向装配到两个竖直机架上，x射线发射机与面阵探测器分别与两侧传动轨道槽紧密连接，x射线发射孔位于x射线发射机中心位置，转台置于两个竖直机架中间的铁垫上，转台由转台上部、转台下部、连接件和转台底座四部分组成，转台上部与转台下部通过连接件连接在一起，转台下部安装在转台底座上，转台底座固定在铁垫上，用于承载转台主体结构，定位孔沿竖直方向等间距的布置于竖直机架上，用于安装调整面阵探测器和x射线发射机的位置，模型箱框架、钢化玻璃挡板、边坡模型共同构成试验模型箱，边坡模型设置于试验模型箱内部，钢化玻璃挡板安装在模型箱框架周围，试验模型箱设置于转台上方，承压板设置于边坡模型顶部，反力架通过螺丝固定在模型箱框架上方，从空间位置上看，手压泵和螺旋千斤顶分别位于反力架上方和下方，反力架左右两侧各设置一个千分表，千分表穿过预留孔隙与承压板直接接触，液压加载囊前后分别与承压板和试验模型箱壁紧密贴合，手压泵与液压加载囊通过连接管连接起来，手压泵上设置手压泵杆，高速摄像机置于云台上，云台固定在三角支架上。

手压泵通过人工操作使液压加载囊膨胀从而向边坡模型施加试验所需载荷。

液压加载囊使用柔性材料，液压加载囊内充填低密度液体，一般为低密度液压油，密度为0.85g/cm³；螺旋千斤顶和液压加载囊通过承压板对边坡模型施加荷载。

ct扫描系统使用dr系统转换屏+面阵探测器的高能x射线ct技术。

试验模型箱、转台上部、连接件、转台下部及转台底座中心位于同一铅垂线上，转台上部、连接件、转台下部及转台底座表面相互平行，试验过程中不产生倾斜；试验模型箱采用高强度低密度透明的航空玻璃材料制成；转台的转动采用高精度蜗轮蜗杆传动，内置交流伺服电机驱动；转台360°旋转，实现边坡模型三维立体成像。

应用该系统的方法，包括步骤如下：

s1：准备好试验所需材料，按照设计的材料比制备边坡模型，通过搅拌机使土石混合体块石均匀分布，根据试验要求确定边坡模型的尺寸及基本参数；

s2：模型基岩采用纯粘土分层强夯成形，模拟基质岩层，利用预制混凝土块夯实底座，在制作模型时，将模型的设计尺寸线在模型箱侧边用记号笔进行绘制，然后取一定量搅拌好的相似材料倒进模型箱内，倾斜制作过程中，在坡面设置支撑模板，从而使边坡达到指定坡角；

s3：边坡成形完成之后，进行一段时日固结，在固结过程中，坡体与空气接触部分用塑料薄膜密封进行保湿处理，边坡模型固结完成后，将模型箱固定在转台上部中心，同时确保模型箱与转台连接良好；

s4：闭合配电柜总电源，电源指示灯亮，表明总电源工作正常，依次闭合各分系统电源，各分系统上电，启动x射线发射机并预热，x射线发射机出束，面阵探测器接收信号，同时打开高速摄像机开关；

s5：根据工程经验以及现场调查情况，操纵手压泵与螺旋千斤顶对边坡模型施加荷载，使边坡接近真实的初始应力状态；

s6：转台带动模型箱旋转，同时进行ct扫描，实时获取滑移过程中边坡内部ct图像，对边坡进行三维重构，逐级施加荷载直至边坡滑移失稳，x射线发射机停止出束，各系统停止工作，关闭ct机放射源，拆除边坡模型，结束试验；

s7：上述s1-s6为一次边坡模型滑移失稳ct扫描试验，改变土石混合体模型块石的空间分布、级配和含石量，重复s1-s6，进行多组试验；

s8：所有检测任务完成后，等待x射线发射机散热后，关闭x射线发射机电源，断开除计算机外其他各分系统开关，借助工业计算机断层扫描数据处理软件，对边坡进行三维重构、损伤演化描述与损伤变量分析，实现排土场边坡失稳全过程的可视化和数字化表征。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)本发明模拟物源为土石混合体的排土场边坡，排土场滑坡滑面形态及边坡滑移破坏模式与均质岩土体有着很大的差别，边坡滑移失稳机理更加复杂；

(2)运用基于面阵探测器高能x射线工业ct技术，实时获取动态扰动过程中边坡内部高清ct图像，获得边坡内部土石相互作用及互馈致灾的多尺度物理过程及力学行为，最后借助工业软件处理实现边坡动态失稳全过程的可视化和数字化表征；高速照相机无时间间断连续拍照，实时记录边坡表面变化情况。

附图说明

图1为本发明模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统整体结构示意图；

图2为本发明模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统正视图；

图3为本发明模型加载系统结构示意图；

图4为本发明模型加载系统俯视图；

图5为本发明工业ct装配结构示意图；

图6为本发明图像采集系统结构示意图。

其中：1-竖直机架，2-面阵探测器，3-x射线发射机，4-x射线发射孔，5-转台上部，6-转台下部，7-连接件，8-转台底座，9-传动轨道槽，10-定位孔，11-铁垫，12-模型箱框架，13-钢化玻璃挡板，14-边坡模型，15-承压板，16-反力架，17-螺旋千斤顶，18-千分表，19-手压泵，20-手压泵杆，21-螺丝，22-连接管，23-液压加载囊，24-高速摄像机，25-三角支架，26-云台。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种模拟露天矿排土场边坡可视化破坏过程的试验系统及方法。

如图1、图2所示，该系统包括ct扫描系统、模型加载系统、图像采集系统，如图5所示，ct扫描系统包括竖直机架1、面阵探测器2、x射线发射机3、x射线发射孔4、转台上部5、转台下部6、连接件7、转台底座8、传动轨道槽9、定位孔10及铁垫11，如图3、图4所示，模型加载系统包括模型箱框架12、钢化玻璃挡板13、边坡模型14、承压板15、反力架16、螺旋千斤顶17、千分表18、手压泵19、手压泵杆20、螺丝21、连接管22及液压加载囊23，如图6所示，图像采集系统包括高速摄像机24、三角支架25及云台26，两个竖直机架1对称固定在铁垫11上，两个传动轨道槽9分别沿垂直方向装配到两个竖直机架1上，x射线发射机3与面阵探测器2分别与两侧传动轨道槽9紧密连接，x射线发射孔4位于x射线发射机3中心位置，转台由转台上部5、转台下部6、连接件7和转台底座8四部分组成，转台上部5与转台下部6通过连接件7连接在一起，转台下部6安装在转台底座8上，转台底座8固定在铁垫11上，用于承载转台主体结构，定位孔10等间距的布置于竖直机架1上，用于安装调整面阵探测器2和x射线发射机3的位置，模型箱框架12、钢化玻璃挡板13、边坡模型14共同构成试验模型箱，边坡模型14设置于试验模型箱内部，钢化玻璃挡板13安装在模型箱框架12周围，试验模型箱设置于转台上方，承压板15设置于边坡模型14顶部，反力架16通过螺丝21固定在模型箱框架12上方，从空间位置上看，手压泵19和螺旋千斤顶17分别位于反力架16上方和下方，反力架16左右两侧各设置一个千分表18，千分表18穿过预留孔隙与承压板15直接接触，液压加载囊23前后分别与承压板15和试验模型箱壁紧密贴合，手压泵19与液压加载囊23通过连接管22连接起来，手压泵19上设置手压泵杆20，高速摄像机24置于云台26上，云台26固定在三角支架25上。

实验开始后，根据工程经验以及现场调查情况，操纵手压泵与螺旋千斤顶对边坡模型施加荷载，使边坡接近初始应力状态。将ct扫描系统和图像采集系统通电预热，达到工作状态。模型加载系统放置在转台上部。一切就绪后转台开始旋转，同时对边坡模型进行ct扫描，x射线发射机经x射线发射孔发出射线，x射线穿过边坡模型，部分射线被边坡模型吸收，透过的射线由面阵探测器接收，实现边坡模型三维ct扫描。逐级施加荷载直至边坡滑移失稳。扫描结束后通过提取、识别和分析二维ct切片及三维重构图像感兴趣区域(roi)的ct数、裂纹展布、孔隙度演化、块石运动、ct损伤和应变局部化特征，对其变形破坏过程中的细观物理量进行定量化描述，揭示排土场边坡滑移失稳的内在机制。依次对空间分布、级配和含石量不同的土石混合体边坡模型进行试验，揭示块石结构对排土场坡面裂缝衍生及滑坡滑面形态的影响，阐述土石相互作用及互馈致灾的多尺度物理过程及力学行为。ct扫描的同时高速照相机无时间间断连续拍照，每秒可以拍摄10万张照相，实时记录边坡表面变化情况。

模型箱采用高强度低密度透明的航空玻璃材料制成，航空玻璃不但具有优异的光学性能、热塑和加工性能、抗老化性，而且具有比重小、高力学强度、抗压抗拉性能突出等特点，相比较金属材料而言，在满足功能需求下改善了x射线穿过时射线能量衰减情况，透明材料也实现了对边坡变形破坏的可视化。

转台的转动采用高精度蜗轮蜗杆传动，内置交流伺服电机驱动，确保转动速度及精度。转台可以360度旋转，实现边坡模型三维立体成像。

ct扫描系统使用dr系统转换屏+面阵探测器的高能x射线ct技术。采用锥束射线，投影获取系统采用闪烁晶体屏(转换屏)+面阵探测器结构，转换屏将透射x射线转换为可见光，由镜头耦合到面阵ccd探测器，一次扫描可获得整个边坡模型的二维投影图像，基于面阵探测器的ct扫描系统可以提高扫描速度以及射线利用率。

实验室人为因素会对高速摄像机的稳定运行造成影响。为保证图像质量，使用云台可有效避免拍摄过程中摄像机抖动造成图像模糊现象发生，使边坡表面变化过程更加清晰展现出来。

试验模型箱、转台上部、连接件、转台下部、转台底座中心位于同一铅垂线上，转台上部、连接件、转台下部、转台底座表面相互平行，试验过程中不产生倾斜。

液压加载囊使用柔性材料，从而实现对模型坡体载荷的柔性加载，当模型边坡失稳变形时，液压加载囊会实时地产生相应的变形，确保施加给模型边坡的荷载值恒定不变，从而更有效地模拟真实失稳滑移状态。

螺旋千斤顶和液压加载囊通过承压板对边坡模型施加荷载，使荷载均匀作用于边坡，不会产生应力集中，更加准确模拟滑移破坏过程中的边界条件和受力状态。

手压泵通过连接管与液压加载囊连接起来。液压加载囊内充填低密度液体，对ct扫描射线能量衰减几乎没有影响。同时液压加载囊与承压板无空隙接触，作用力均匀传递。

螺旋千斤顶通过丝杠移动施加荷载，应力施加更加稳定。

边坡地表的位移作为边坡失稳过程中内部微观变化的一种体现。通过反力架两侧千分表的设置，可以实时监测边坡地表位移变化。

应用该系统的方法，包括步骤如下：

s1：准备好试验所需的相似材料，按照相似关系设计的材料相似比配置，利用电子秤称量各相似材料。将各材料混合后由人工拌制均匀，再将混合材料倒入搅拌机中加配比水进行搅拌，使土石混合体块石均匀分布。

s2：模型边坡高0.6m，长0.6m，宽0.12m，层面倾角45°，边坡坡角50°，含石率40％，基覆岩层倾角10°。(具体根据野外调查结果和前人总结成果设定边坡模型基本参数)。

s3：模型基岩采用纯粘土分层强夯成形，模拟基质岩层。利用预制混凝土块夯实底座。

s4：在制作模型时，首先将模型的设计尺寸线在模型箱侧边用记号笔进行绘制，然后取一定量揽拌好的相似材料倒进模型箱内，采用木锤击实法进行击实。每次击实的土层厚度不超过5cm。击实过程中，在垫块上左中右各击一次往复三次，向前移动2/3垫块宽度，完成一个工作面的击实操作，增加垫块沿坡体倾向方向来回往复运动次数，在一定程度上增加水平向的均匀性。在倾斜制作过程中，为使斜坡坡面成型，在坡面设置支撑模板，从而使边坡达到指定坡角。

s5：边坡成形完成之后，需要进行一段时日固结再进行试验。在固结过程中，坡体与空气接触部分用塑料薄膜密封进行保湿处理。

s6：边坡模型固结完成后，将模型箱固定在转台上部中心，同时检查模型箱与转台连接良好。

s7：闭合配电柜总电源，电源指示灯亮，表明总电源工作正常。依次闭合各分系统电源，各分系统上电。

s8：启动x射线机，根据上次停机至今的时间长度选择预热模式并预热。预热结束后，x射线机出束，面阵探测器接收信号。初始阶段扫描建立边坡的初始内部结构模型，观察块石的分布情况；同时打开高速摄像机开关，记录试验前边坡宏观形态。

s9：根据工程经验以及现场调查情况，操纵手压泵与螺旋千斤顶对边坡模型施加荷载，使边坡接近真实的初始应力状态。

s10：转台带动模型箱旋转。同时进行ct扫描并将数据反馈给计算机，实时获取滑移过程中边坡内部ct图像，对边坡进行三维重构。

s11：逐级施加荷载直至边坡滑移失稳。x射线机停止出束，各系统停止工作。关闭ct机放射源，拆除边坡模型，结束试验。

s12：上述s1-s11为一次边坡模型滑移失稳ct扫描试验，改变土石混合体模型块石的空间分布、级配和含石量，重复s1-s12，进行多组试验，分析块石含量及结构因子参数等对排土场边坡失稳影响。

s13：所有检测任务完成后，等待x射线机散热后，关闭x射线机电源，断开除计算机外其他各分系统开关。

s14：借助工业计算机断层扫描数据处理软件，对边坡进行三维重构、损伤演化描述与损伤变量分析，获得不同块石含量及不同结构因子参数等条件下边坡滑移失稳过程，揭示边坡内部土石相互作用及互馈致灾的多尺度物理过程及力学行为，实现排土场边坡失稳全过程的可视化和数字化表征。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。