带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置、控制方法及应用

1.本发明属于滑坡安全评估技术领域，尤其涉及一种带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置、控制方法及应用。


背景技术：

2.目前，国内外研究现状及发展动态分析如下：滑坡启程剧发速度形成机理研究，斜坡岩土体滑坡前，在重力和其他外力作用下，往往导致基岩锁固段形成应力集中区，锁固段会以脆性剪断方式启动，与周围岩土体以一定初速度抛射而出，并可能造成下游的堵江成坝，形成堰塞湖。滑坡启程剧动机制一直是滑坡研究的热点和难点，在该方面的研究成果主要包括锁固段的存在、临床岩体的弹冲及峰残强降效应。在滑坡锁固段研究方面，滑面锁固段对岩质滑坡的抗剪稳定性起关键控制作用。进一步研究表明大型灾难性滑坡一般存在锁固段的应力集中和脆性破坏，其锁固段强度和变形对边坡整体稳定性具有重要影响。锁固段一般赋存于滑坡中部或前缘且具有不同的存在形式，据此锁固段型滑坡具有不同类型。在滑坡启程加速效应研究方面，高速滑坡启程剧动机制包括临床峰残强降加速效应、临床弹冲加速效应以及坡体波动振荡加速效应。
3.临床峰残强降加速效应(图3(a))认为在斜坡破坏前后，临床岩土体抗剪强度会出现显著“峰残差”，使得原有下滑力骤然释放导致滑坡体在启程滑动瞬间即具有较高的启程剧发速度；临床弹冲加速效应(图3(b))认为临床两侧岩体沿着滑床面瞬间剪断时，滑床上部岩体以“弹性冲动”的加速方式，骤然爆发沿滑面的滑动，形成并带动滑体，瞬间出现启程剧发速度；坡体波动振荡加速效应认为地震、爆破等外加的波动振荡通过斜坡形成了滑体的波动振荡，激发滑坡骤然而迅猛启动。在这三种加速效应的基础上，其他诸多学者对滑体启程剧发速度形成机理开展了进一步的理论与试验研究。例如，根据临床峰残强降加速动力学机理，应用断裂力学原理，通过对斜坡累进性破坏过程中锁固段岩体的剪断释能效应分析，推导了平面应力状态下峰残强降启程剧发速度公式。另外，滑体体积大小对滑坡启程剧发速度有较大影响，滑体体积越小则速度越明显，当体积小到一个岩块大小时，岩块就会像岩爆一样完全弹射出去。由此可见，许多学者在滑坡启程剧发速度形成机理及计算公式推导方面作出了重要贡献。然而，考虑到高山峡谷区工程地质环境的复杂性及真实地形三维效应，高位滑坡启程剧发速度形成机理仍有待进一步的研究探讨，启程剧发速度对滑坡运动特征以及滑坡成坝过程具有重要影响。
4.滑坡成坝机理研究，在高山峡谷区发育的滑坡往往易造成堵江而形成滑坡坝，不仅威胁着流域上下游人民生命财产安全，而且严重影响着区域内高速铁路、水能资源开发等国家重大工程的建设和运营。对于滑坡成坝机理的研究则相对较少，相关研究逐步从定性阶段到定量阶段发展。
5.滑坡成坝机理的定性研究，滑坡成坝机理的定性研究主要从地形地貌、滑坡特征、河道特征、河床水动力条件等方面对影响滑坡成坝的关键因素进行分析。滑坡堵江成坝的发生需要满足一定的地形地貌条件，发育在高山峡谷区高陡斜坡处的滑坡易堵江成坝，因
为其能够提供斜坡岩土体能量和有效临空面的深切河谷地形，而且这些地方滑坡物源丰富，且由于河谷狭窄，堵江成坝所需的滑坡体积相对较少。同时，滑坡堵江成坝的发生也取决于滑坡体积、滑坡的滑速和入江类型、河谷宽度、河水流量和流速等因素。例如，根据滑坡下滑速度、主河道水流流量和速度以及主河道宽度三个方面因素的分析，胡卸文等详细分析了唐家山滑坡的堵江成坝机制。上述研究主要从定性角度探讨了滑坡成坝机理。考虑到滑坡成坝过程的复杂性，进行滑坡成坝机理的定量研究是十分有意义的。
6.现阶段，国内外对滑坡成坝机理的定量研究主要采用数据统计方法和数值模拟方法。采用数据统计方法研究滑坡成坝机理的核心在于通过统计分析历史滑坡成坝事件的各种地貌学特征(如滑坡体积；滑坡坝的体积、宽度、长度、高度；堰塞湖的体积、宽度、长度、面积；上游流域面积等)找出滑坡成坝的关键影响因素，从而归纳得出应用于滑坡成坝可能性的判断依据。例如，通过分析2008年汶川地震(ms 8.0)诱发的828个滑坡坝的地貌参数特征，fan等(2012)发现河道宽度与滑坡坝体积呈线性相关性。这类由地貌特征构造的判据在滑坡堵江成坝灾害前后的初期阶段可以较好地预测滑坡成坝可能性及后续演化。然而，由于这些判据的获取依赖于当地历史滑坡数据库，其适用性和准确性具有一定的地域依赖性。
7.随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法正在成为工程与科学领域解决问题的主流方法之一，采用数值模拟方法探究滑坡成坝机理也逐渐流行起来。当不考虑滑体—河流耦合作用时，采用单一数值方法就能实现滑坡成坝动力灾变过程的分析。例如，zhao等基于离散数值方法，探讨了不同河谷地形条件及滑坡速度对滑坡堵江过程及坝体特征的影响，发现河谷形状、滑坡速度会影响坝体横向和纵向堆积形态，而河床坡度则主要影响其纵向堆积形态；xu等采用有限元分析技术研究了地震诱发唐家山滑坡的失稳破坏及成坝过程，阐明了其成坝机理。然而，实际的滑坡成坝过程涉及复杂的滑体—河流耦合作用，采用单一数值分析方法对其进行分析往往存在局限性。不同数值分析方法一般适用于求解特定的某类问题，因此，学者们将两种不同的数值分析方法进行耦合，以充分发挥各自的优势，实现对复杂问题的分析。例如，zhou等采用离散元、浅水波模型及有限差分法分析了杨家沟滑坡成坝形成堰塞湖的动力过程，定量给出了滑坡坝堆积特征等关键指标；wang等基于dda-sph流固耦合数值分析方法，探讨了河流流速、滑坡体积对滑坡成坝机理的影响，并重现了杨家沟滑坡坝的动力形成过程(wang等，2019)；zhao等采用耦合dem-cfd数值模拟技术，阐明了河流流速对滑坡坝颗粒沉积形态的影响，并解释了狭窄河道滑坡坝形成过程中的颗粒运输及沉积机理。由此可见，耦合的数值模拟技术是研究滑坡成坝机理的有效方法，可以更好地考虑滑坡成坝过程涉及到的滑体—河流耦合作用。综上所述，国内外许多学者对高位堵江滑坡进行了广泛而深入的研究，取得了突出成果。然而，关于高位堵江滑坡的已有研究较少考虑启程剧发速度及滑体—河流的多相耦合作用对滑坡成坝过程的影响。
8.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：关于高位堵江滑坡的已有研究较少考虑启程剧发速度及滑体—河流的多相耦合作用对滑坡成坝过程的影响，缺乏可用于开展启程剧发速度及滑体—河流的多相耦合成坝过程的试验装置，使得滑体的启程剧发速度对滑坡成坝影响机理难以研究。
9.解决以上问题及缺陷的难度为：带锁固段滑坡由于其部分锁固、突然失效的特性，模型试验设计难度高，缺少适用的实验装置，难以用试验手段重现带锁固段滑坡，从而无法
进行启程剧动滑坡运动过程和成坝试验。
10.解决以上问题及缺陷的意义为：高位滑坡一般指从高陡斜坡上部位置剪出并形成凌空加速坠落的滑坡，其具有高势能、高剪出口、临空条件好等特征。滑体在运动过程中会铲刮下部岩土体，使滑坡增容，具有明显的灾害放大效应，往往形成高速远程滑坡，堵塞河流、形成滑坡坝和堰塞湖，造成严重人员伤亡和重大财产损失。当滑坡锁固段岩体相对完整且结构面不发育时，一般呈现出较强的应力集中和剪切特性。在外力超过锁固段极限强度时，易发生脆性剪断，骤然释放的大量应变能使滑坡体突然由静态转为动态，在滑体启动瞬间即具有相当高的初速度。这类具有启程剧发速度的高位滑坡广泛发育于高山峡谷中，运动时间更短、速度更快、滑程更远，更易发生堵江成坝灾害，常常会造成比普通滑坡更严重的灾难。同时，由于滑坡组成物质的复杂性，滑坡成坝过程涉及复杂的土—水—石相互作用。本发明充分考虑滑坡启程剧发速度和成坝过程中的多相耦合作用，有助于对高位滑坡成坝进行定量预测和危险性评估。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置、控制方法及应用。
12.本发明是这样实现的，一种带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置，所述带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置设置有：
13.用于提供滑坡运动的平面，并固定岩块进行测力的滑坡模拟平台；
14.用以对河流状态进行模拟的河流模拟平台；
15.用以记录各个阶段的实验画面，并对水槽的流速进行测定的数据采集平台。
16.进一步，所述滑坡模拟平台设置有滑动平台和锁固测量模块，锁固测量模块安装在滑动平台上端。
17.进一步，所述锁固测量模块设置有固定支架，固定支架与可有限滑动粗糙底板之间设置有第二压力盒，可有限滑动粗糙底板右端安装有限位挡板。
18.进一步，所述可有限滑动粗糙底板上端安放有岩块，岩块左端为土；岩块上端安装有光滑加压板，光滑加压板上端安装有第一压力盒。
19.进一步，所述河流模拟平台设置有承台，承台上端设置有水槽，水槽侧边为对面岸坡。
20.进一步，所述承台一端安装有蓄水池，蓄水池内部安装有滤网。
21.进一步，所述承台另一端安装有储水箱，储水箱下端设置有水闸，储水箱上端安装有水龙头；
22.承台另一端侧面安装有水泵，水泵与回水水管连接。
23.进一步，所述数据采集平台设置有高速摄像机和粒子图像测速仪。
24.本发明的另一目的在于提供一种所述带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置的带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置控制方法，所述带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置控制方法包括：
25.滑动平台提供滑坡运动的平面，锁固测量模块固定岩块并测力，第一压力盒和第二压力盒分别测定垂直于坡面方向作用力和平行于坡面方向作用力；试验时，将岩块和土
体装样，先在锁固测量模块顶部施加法向应力以固定岩块，随后在土体上部施加侧向压力；整个预加载过程保证法向应力足够大以维持岩块稳定，第二压力盒读数为岩块底层剪力大小；根据第二压力盒读数调整侧向加载压力，使其达到预设值；待模型系统稳定后，快速减小或完全撤去法向加载以瞬间减小岩块底部抗剪强度，岩块和土体中积聚的应变能突然释放，整个滑体获得初速度开始向水槽运动；
26.储水箱提供的水槽，实现明渠流的水源，其水面高度通过水龙头进行调节以实现出水速度的控制，出水流量通过出水口的可升降水闸调节出水截面面积进行控制，以实现具有一定流速和流量的明渠流模拟；水槽用以实现明渠流的模拟，底面具有一定的坡降，与简化的滑坡对面岸坡对接；蓄水池存储水槽出口流出的物质；滤网过滤掉进入蓄水池的滑体物质；回水水管及水泵则将流入蓄水池的水循环利用补充到储水箱中；
27.高速摄像机记录各个阶段的实验画面，滑坡启程剧发速度基于这些滑坡启程的典型画面得以计算，粒子图像测速仪则对水槽的流速进行测定。
28.本发明的另一目的在于提供一种所述带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置在高位滑坡成坝定量预测和危险性评估中的应用。
29.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明为带锁固段滑坡堵江成坝机理提供了试验装置，可用于对考虑启程剧发速度和多相耦合作用的高位滑坡成坝机理进行基础科学研究，旨在揭示高位滑坡启程剧发速度形成机理，阐明启程剧发速度和多相耦合作用对滑坡成坝过程的影响，最终提出一套高效适用的高位滑坡成坝危险性预测的评价方法。本发明不仅对揭示高位滑坡成坝机理具有重要科学意义，而且能够为川藏铁路、滇藏铁路等国家重大工程的规划、建设及运营中面临的高位滑坡堵江问题的防灾减灾工作提供科学依据。
附图说明
30.图1是本发明实施例提供的带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置结构示意图；
31.图2是本发明实施例提供的锁固测量模块结构示意图；
32.图中：1、滑动平台；2、锁固测量模块；3、水槽；4、滤网；5、蓄水池；6、回水水管；7、承台；8、封面岸坡；9、水泵；10、水龙头；11、储水箱；12、水闸；13、粒子图像测速仪；14、高速摄像机；15、第一压力盒；16、光滑加压板；17、岩块；18、可有限滑动粗糙底板；19、限位挡板；20、固定支架；21、第二压力盒；22、土体。
33.图3是本发明实施例提供的滑坡启程剧动机制原理示意图；
34.图3中：图a、临床峰残强降加速效应；图b、临床弹冲加速效应。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
37.本发明提供的带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置业内的普通技术人员还可
以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置仅仅是一个具体实施例而已。
38.如图1所示，本发明实施例提供的带锁固段滑坡堵江成坝机理的试验装置包括：
39.滑坡模拟平台，提供滑坡运动的平面，并固定岩块进行测力；
40.河流模拟平台，用以对河流状态进行模拟。
41.数据采集平台，用以记录各个阶段的实验画面，并对水槽的流速进行测定；
42.本发明实施例提供的滑坡模拟平台设置有滑动平台和锁固测量模块，锁固测量模块安装在滑动平台上端。锁固测量模块2设置有固定支架20，固定支架20与可有限滑动粗糙底板18之间设置有第二压力盒21，可有限滑动粗糙底板18右端安装有限位挡板19；可有限滑动粗糙底板18上端安放有岩块17，岩块17左端为土22；岩块17上端安装有光滑加压板16，光滑加压板16上端安装有第一压力盒15。
43.第一压力盒15和第二压力盒21分别用来测定垂直于坡面方向作用力和平行于坡面方向作用力。试验时，将岩块17和土体22装样，先在锁固测量模块2顶部施加法向应力以固定岩块17，随后在土体22上部施加侧向压力。整个预加载过程需保证法向应力足够大以维持岩块17稳定，此时第二压力盒21读数即为岩块17底层剪力大小。根据第二压力盒21读数调整侧向加载压力，使其达到预设值。待模型系统稳定后，快速减小或完全撤去法向加载可以瞬间减小岩块底部抗剪强度，岩块17和土体22中积聚的应变能突然释放，整个滑体便获得初速度开始向水槽运动。锁固测量模块2可以较好地还原滑坡锁固段脆性剪断过程。
44.河流模拟平台包括水槽3、滤网4、蓄水池5、回水水管6、承台7、对面岸坡8、水泵9、水龙头10、储水箱11、水闸12；
45.承台7上端设置有水槽3，水槽3侧边为对面岸坡8，承台7一端安装有蓄水池5，蓄水池5内部安装有滤网4；承台7另一端安装有储水箱11，储水箱11下端设置有水闸12，储水箱11上端安装有水龙头10；承台7另一端侧面安装有水泵9，水泵9与回水水管6连接。
46.其中，储水箱11用于提供水槽3内实现明渠流的水源，截面设计为边长约1m的正方形，高度约4m，其水面高度可以通过水龙头10进行调节以实现出水速度的控制，出水流量则通过出水口的可升降水闸12调节出水截面面积进行控制，以此来实现具有一定流速和流量的明渠流模拟；水槽3用于实现明渠流的模拟，底面设计为具有一定的坡降，长度约4m，截面设计为梯形，与简化的滑坡对面岸坡8对接；蓄水池5用于存储水槽出口流出的物质；滤网4用于过滤掉进入蓄水池5的滑体物质；回水水管6及水泵9则用于将流入蓄水池的水循环利用补充到储水箱11中。
47.数据采集平台包括高速摄像机14和粒子图像测速仪13。其中，高速摄像机14用于记录各个阶段的实验画面，滑坡启程剧发速度可基于这些滑坡启程的典型画面得以计算；粒子图像测速仪13则用于对水槽的流速进行测定。
48.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
49.考虑锁固段剪切脆性破坏的高位滑坡启程剧动及滑坡成坝试验研究
50.设计一套能够考虑滑坡锁固段剪切脆性破坏及滑体—河流多相耦合作用的滑坡成坝物理模型试验。考虑不同的滑坡体积、滑坡形态、滑坡组成物质、滑坡锁固段形状和面积率、河道宽度、河道高度、河道坡度、河流流速等多因素组合，开展相应的物理模型试验，分析各个因素对高位滑坡成坝机理的影响。
51.开展带锁固段滑坡成坝试验，为了考虑滑坡锁固段剪切脆性破坏及滑体—河流多相耦合作用，拟设计一套新颖的物理模型试验。该物理模型试验装置如图1所示，主要由三个部分组成：滑坡模拟平台、河流模拟平台和数据采集平台。滑坡模拟平台主要包括滑动平台和锁固测量模块。其中，滑动平台用于提供滑坡运动的平面，具备可调节平面坡度的功能；锁固测量模块用来固定岩块并测力，第一压力盒和第二压力盒分别用来测定垂直于坡面方向作用力和平行于坡面方向作用力。试验时，将岩块和土体装样，先在锁固测量模块顶部施加法向应力以固定岩块，随后在土体上部施加侧向压力。整个预加载过程需保证法向应力足够大以维持岩块稳定，此时第二压力盒读数即为岩块底层剪力大小。根据第二压力盒读数调整侧向加载压力，使其达到预设值。待模型系统稳定后，快速减小或完全撤去法向加载可以瞬间减小岩块底部抗剪强度，岩块和土体中积聚的应变能突然释放，整个滑体便获得初速度开始向水槽运动。该锁固测量模块可以较好地还原滑坡锁固段脆性剪断过程。
52.河流模拟平台主要包括水槽、滤网、蓄水池、回水水管、承台、对面岸坡、水泵、水龙头、储水箱、水闸；其中，储水箱用于提供水槽内实现明渠流的水源，截面设计为边长约1m的正方形，高度约4m，其水面高度可以通过水龙头进行调节以实现出水速度的控制，出水流量则通过出水口的可升降水闸调节出水截面面积进行控制，以此来实现具有一定流速和流量的明渠流模拟；水槽用于实现明渠流的模拟，底面设计为具有一定的坡降，长度约4m，截面设计为梯形，与简化的滑坡对面岸坡对接；蓄水池用于存储水槽出口流出的物质；滤网用于过滤掉进入蓄水池的滑体物质；回水水管及水泵则用于将流入蓄水池的水循环利用补充到储水箱中。
53.数据采集平台主要包括高速摄像机和粒子图像测速仪。其中，高速摄像机用于记录各个阶段的实验画面，滑坡启程剧发速度可基于这些滑坡启程的典型画面得以计算；粒子图像测速仪则用于对水槽的流速进行测定。
54.开展不同滑坡特性(滑坡体积、滑坡形态、滑坡组成物质、滑坡锁固段形状和面积率)和河道特性(河道宽度、河道高度、河道坡度、河流流速)等多因素组合下的物理模型试验，分析滑坡特性对滑坡启程剧发速度的影响以及各个因素对滑坡成坝机理的影响。另外，开展岩块的剪切试验进行试验材料及滑坡区材料的抗剪强度特性及峰残强降研究。
55.本发明的工作原理为：滑动平台提供滑坡运动的平面，锁固测量模块固定岩块并测力，第一压力盒和第二压力盒分别用来测定垂直于坡面方向作用力和平行于坡面方向作用力。试验时，将岩块和土体装样，先在锁固测量模块顶部施加法向应力以固定岩块，随后在土体上部施加侧向压力。整个预加载过程需保证法向应力足够大以维持岩块稳定，此时第二压力盒读数即为岩块底层剪力大小。根据第二压力盒读数调整侧向加载压力，使其达到预设值。待模型系统稳定后，快速减小或完全撤去法向加载可以瞬间减小岩块底部抗剪强度，岩块和土体中积聚的应变能突然释放，整个滑体便获得初速度开始向水槽运动。该锁固测量模块可以较好地还原滑坡锁固段脆性剪断过程。
56.储水箱提供水槽内实现明渠流的水源，其水面高度可以通过水龙头进行调节以实现出水速度的控制，出水流量则通过出水口的可升降水闸调节出水截面面积进行控制，以此来实现具有一定流速和流量的明渠流模拟；水槽用以实现明渠流的模拟，底面设计为具有一定的坡降，与简化的滑坡对面岸坡对接；蓄水池用以存储水槽出口流出的物质；滤网用以过滤掉进入蓄水池的滑体物质；回水水管及水泵则用以将流入蓄水池的水循环利用补充
到储水箱中。
57.高速摄像机用于记录各个阶段的实验画面，滑坡启程剧发速度可基于这些滑坡启程的典型画面得以计算；粒子图像测速仪则用于对水槽的流速进行测定。
58.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
59.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。