一种降雨触发滑坡的模型试验装置

1.本实用新型涉及边坡模型试验装置技术领域，尤其涉及一种降雨触发滑坡的模型试验装置。


背景技术：

2.大型滑坡灾害因其危害面积广、危害程度深而成为我国公共安全领域重点关注的对象。因崩塌的岩土体通常具有较强的“流动性”，滑移体能够掩埋城镇、村庄、公路、铁路、市政管线等基础设施，在造成较大经济损失的同时还对公共安全产生巨大威胁。大型滑坡的发生通常存在一个灾害孕育的过程，即坡体在发生真正的滑移之前，通常在潜在滑坡体的周边出现一些“征兆性”特征，如坡体后缘与侧边的张拉裂隙、坡脚破坏性变形等。由于地质环境的复杂性，“征兆性”特征的出现并不一定预示着滑坡灾害的发生。滑坡的发生通常需要外界环境因素的触发，如地震、降雨、融雪等。
3.现场勘查中发现，大型坡体在发生滑移之前，在山体的上游(坡体后缘)，或者中下游(坡体前缘)会出现张拉裂隙区，降雨过程中，部分山体表面的径流会沿着张拉裂隙进入潜在滑移体的后缘。现场勘查发现，雨后山体坡面汇水，致水流从坡体后缘裂隙侵入，造成阻滑段逐步劣化是导致大型坡体发生滑移的主要因素之一。在降雨等环境因素作用下，阻滑段会逐步劣化直至贯通，最终出现大型滑坡现象。滑移体可能出现“蠕变滑移”的变形特征，也可能出现“无征兆”地突然失稳现象。
4.由于大型滑坡灾害复杂的地质环境，以及滑坡灾害的不可重复性，研究大型滑坡灾害发生机理通常采用现场考察、理论分析、数值计算、模型试验等方法进行。目前在研究降雨触发的大型滑坡模型试验时，鲜有考虑坡体滑移带的形态及其与滑坡灾害发生与发展过程的联系。通常的滑坡模型试验在堆筑边坡模型时没有考虑滑移带中裂隙段与阻滑段的空间位置关系，利用降雨作为触发因素的滑坡现象与实际情况存在较大的差异，不能准确评估降雨触发滑坡过程中坡体“内部”的演变机制，以及坡体阻滑段水侵劣化过程中坡体的变形响应规律。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的是现有技术无法在滑坡模型试验过程中考虑阻滑段的物理形态，及其在降雨触发滑坡过程中逐步劣化的渐变属性的技术问题，提供了一种可用于模拟大型滑坡在降雨入渗作用下的滑移特征，为边坡模型试验研究提供了新思路的降雨触发滑坡的模型试验装置。
6.为本实用新型之目的，采用以下技术方案予以实现：
7.一种降雨触发滑坡的模型试验装置，包括模型箱体、边坡模型、角度可调节承载平台、模拟降雨模块、滑移带物理指标监测模块和坡体变形监测模块；所述边坡模型设置在模型箱体内；
8.所述边坡模型包括滑移带、滑移带上方土体和滑移带下方土体；所述滑移带上方
土体为滑坡体且为滑坡过程中的主要崩塌土体；所述滑移带包括上部裂隙段、下部裂隙段和位于上部裂隙段与下部裂隙段之间的阻滑段；所述滑移带下方土体为滑坡床，且所述滑坡床在滑坡过程中不参与滑坡过程；
9.所述模型箱体和边坡模型设置在角度可调节承载平台上；所述角度可调节承载平台用于调节所述边坡模型的倾斜度；
10.所述模拟降雨模块位于边坡模型的上方，且所述模拟降雨模块用于模拟模型试验过程中的降雨过程；
11.所述滑移带物理指标监测模块设置在边坡模型构筑过程中的土体内，且滑移带物理指标监测模块用于实时获取监测数据；
12.所述坡体变形监测模块设置在所述角度可调节承载平台上；且坡体变形监测模块用于监测记录坡体变形破坏的过程。在边坡模型搭建过程通过中构建滑移带的形式来实现对降雨触发的大型滑坡过程进行模拟，可以实现因降雨导致的阻滑段在雨水径流作用下逐渐劣化引发滑坡的过程模拟，为边坡模型试验提供了一种新的思路。通过构建不同形态的滑移带，以及调整滑移带中裂隙段与阻滑段的分布形态可以分别实现牵引型、推移型、复合型滑坡的发展与发生过程的重现，解决了以往滑坡模型试验过程中模拟降雨条件无法真正触发滑坡，以及模型试验模拟失真的问题。
13.作为优选，所述上部裂隙段和下部裂隙段均采用卵石堆筑而成；所述阻滑段采用遇水容易发生软化的土体填筑而成。便于更好的贴近真实降雨触发滑坡的情况。通过上述结构，卵石区雨水易于下渗，且卵石摩擦力较小，易于土体滑移，可以实现现场中滑坡裂隙区的功能与作用；阻滑段采用遇水容易发生软化的土体填筑可以实现径流入渗过程中坡体沿着滑移带滑移的过程，更加贴近真实的滑坡过程。
14.作为优选，滑移带上方土体采用自然状态下地表浅层干土堆填而成；所述滑移带下方土体采用粘性土拌合5％-10％的水泥形成的水泥土进行填筑而成。通过上述结构，滑移带上方土体采用自然状态下地表浅层干土堆填的目的是模拟真实的滑坡环境，且地表浅层干土孔隙率大，雨水容易下渗；滑移带下方土体采用粘性土拌合5％-10％的水泥形成的水泥土进行填筑，主要是模拟滑坡现场中滑坡床的风化岩体，使滑坡过程更加真实。
15.作为优选，所述滑移带设置为圆弧状或直线状；滑移带的厚度设定为所述边坡模型高度的1/5-1/10。通过上述结构，滑移带的厚度设定为滑坡总高度1/5-1/10是根据现场的勘察数据确定，模型试验过程中是为了试验过程更加真实。
16.作为优选，所述模型箱体通过透明材料构筑，所述透明材料通过粘合并配合锚固构件拼接组合；所述模型箱体的上部和坡体滑移方向均为敞口；所述模型箱体的左侧板和右侧板顶部之间通过固定拉杆固定连接。通过透明材料，方便对边坡模型进行实时监测，同时通过锚固构件和固定拉杆提升模型箱体的连接强度，提升整体结构的稳定性。
17.作为优选，所述角度可调节承载平台包括上钢板、下钢板、铰接转轴和千斤顶；所述上钢板和下钢板平行设置，上钢板和下钢板的一侧通过铰接转轴转动连接；所述千斤顶设置在下钢板的另一侧顶面，且千斤顶的顶部抵在上钢板的另一侧底面；动作时，千斤顶向上顶向上钢板，使上钢板绕着铰接转轴转动，且上钢板的转动角度为0-20
°
。上钢板能通过千斤顶绕着铰接转轴转动，实现对上钢板上的边坡模型进行倾斜角度的辅助调节，从而便于进行多角度试验过程的开展。
18.作为优选，所述模拟降雨模块包括支撑板、多个盛水容器和软管进气量调节器；所述支撑板设置在模型箱体顶部，且对准滑移带出露位置处；多个所述盛水容器间隔排列倒置在支撑板上预留的孔洞内；所述盛水容器上设置有盛水容器盖；所述盛水容器盖上预留漏水孔洞，每个所述盛水容器上连接有进气软管，并在进气软管的连接处进行密封设置，将所有的进气软管连接至软管进气量调节器上，并通过软管进气量调节器控制每根进气软管5的进气量。通过软管进气量调节器向进气软管调节进气量从而能够有效的控制盛水容器从盛水容器盖上预留漏水孔洞排出的出水量，进而实现控制降雨量的大小。
19.作为优选，所述滑移带物理指标监测模块包括孔隙水压力计、土壤水分测试仪、微型土压力计和数据采集器；所述孔隙水压力计、土壤水分测试仪和微型土压力计埋设于所述边坡模型构筑过程中的土体内；所述孔隙水压力计、土壤水分测试仪和微型土压力计通过导线与所述数据采集器连接，并通过数据采集器实现数据的实时获取。通过孔隙水压力计、土壤水分测试仪和微型土压力计能够对降雨触发滑坡情况进行实时分析，并且通过将数据采集器连接至电脑，能够在电脑上实时采集和记录监测的数据。
20.作为优选，所述孔隙水压力计和土壤水分测试仪埋置于滑移带的土体中；所述微型土压力计埋置于滑移带下方土体中。方便对降雨入渗过程中滑移带土体物理指标的变化及坡体滑移过程进行数据监测。
21.作为优选，所述坡体变形监测模块包括多个高速摄像机；多个所述高速摄像机放置在模型箱体的外围，且每个高速摄像机通过三角支架固定放置。通过多个高速摄像机可以对滑坡前后土体变形的精准记录。
22.综上所述，本实用新型的优点是边坡模型搭建过程中构建滑移带的形式来实现对降雨触发的大型滑坡过程进行模拟，可以实现因降雨导致的阻滑段在雨水径流作用下逐渐劣化引发滑坡的过程模拟，为边坡模型试验提供了一种新的思路。通过构建不同形态的滑移带，以及调整滑移带中裂隙段与阻滑段的分布形态可以分别实现牵引型、推移型、复合型滑坡的发展与发生过程的重现，解决了以往滑坡模型试验过程中模拟降雨条件无法真正触发滑坡，以及模型试验模拟失真的问题。该装置和试验方法操作简单，为后续研究极端降雨导致的大型滑坡灾害的分析研究提供了坚实的基础，使模型试验结果更加真实可靠。
附图说明
23.图1是本实用新型的降雨触发滑坡的模型试验装置的结构示意图。
24.图2是本实用新型中模型试验装置的侧视图。
25.图3是本实用新型中图2的滑移带的投影的结构图。
26.图4是本实用新型中滑移带中孔隙水分测试仪和土壤水压力计的布设示意图。
27.图5是本实用新型中图4滑移带的投影的结构图。
28.图6是本实用新型中滑移带下方微型土压力计的布设示意图。
29.图7是本实用新型中图6滑移带的投影的结构图。
30.图8是本实用新型中模拟降雨模块中盛水容器的结构图。
31.图9是本实用新型中支撑板的安装示意图。
32.其中：1、模型箱体；2、滑移带；21、滑移带上方土体；22、滑移带下方土体；3、支撑板；4、软管进气量调节器；5、进气软管；6、盛水容器；7、高速摄像机；8、三角支架；9、上钢板；
10、铰接转轴；11、下钢板；12、千斤顶；13、上部裂隙段；14、阻滑段；15、下部裂隙段；16、刻度尺；17、孔隙水压力计；18、土壤水分测试仪；19、微型土压力计；20、盛水容器盖。
具体实施方式
33.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。
34.如图1至图9所示，一种降雨触发滑坡的模型试验装置，包括模型箱体1、边坡模型、角度可调节承载平台、模拟降雨模块、滑移带物理指标监测模块和坡体变形监测模块；边坡模型设置在模型箱体1内；所述边坡模型是指通过土料堆筑的方式在模型箱体1内形成的边坡体，边坡模型的高度低于模型箱体1的高度。边坡模型包括滑移带2、滑移带上方土体21和滑移带下方土体22；滑移带上方土体21为滑坡体且为滑坡过程中的主要崩塌土体；滑移带2包括上部裂隙段13、下部裂隙段15和位于上部裂隙段13与下部裂隙段15之间的阻滑段14；滑移带下方土体22为滑坡床，且滑坡床在滑坡过程中不参与滑坡过程；模型箱体1和边坡模型设置在角度可调节承载平台上；角度可调节承载平台用于辅助调节边坡模型的倾斜度；模拟降雨模块设置在模型箱体1顶部，且模拟降雨模块用于模拟模型试验过程中的降雨过程；滑移带物理指标监测模块设置在边坡模型构筑过程中的土体内，且滑移带物理指标监测模块用于实时获取监测数据，监测数据包括监测降雨入渗过程中坡体滑移带2中土体含水率、基质吸力等物理指标的变化，以及滑坡过程中滑移带2土压力的变化。坡体变形监测模块设置在角度可调节承载平台上；且坡体变形监测模块用于监测记录坡体变形破坏的过程，记录坡体垮塌过程中的变形规律。该装置通过边坡模型搭建过程中构建滑移带2的形式来实现对降雨触发的大型滑坡过程进行模拟，可以实现因降雨导致的阻滑段14在雨水径流作用下逐渐劣化引发滑坡的过程模拟，为边坡模型试验提供了一种新的思路。通过构建不同形态的滑移带2，以及调整滑移带2中裂隙段与阻滑段14的分布形态可以分别实现牵引型、推移型、复合型滑坡的发展与发生过程的重现，解决了以往滑坡模型试验过程中模拟降雨条件无法真正触发滑坡，以及模型试验模拟失真的问题。
35.如图1所示，模型箱体1通过透明材料构筑，透明材料通过强力胶粘合并配合锚固构件拼接组合；所述锚固构件包括但不限于隐藏式螺栓、长螺丝钉等；通过透明材料，方便对边坡模型进行实时监测，模型箱体1的上部和坡体滑移方向均为敞口；所述模型箱体1的左侧板和右侧板顶部之间通过固定拉杆固定连接。通过锚固构件和固定拉杆提升模型箱体1的连接强度，提升整体结构的稳定性。模型箱体1侧面有机玻璃板上粘贴刻度尺16用于辅助设计滑移带2。
36.如图3、图5和图7所示，上部裂隙段13和下部裂隙段15均采用卵石堆筑而成；卵石区雨水易于下渗，且卵石摩擦力较小，易于土体滑移，可以实现现场中滑坡裂隙区的功能与作用。阻滑段14采用遇水容易发生软化的土体填筑而成(采用全风化岩土堆筑)，阻滑段14采用遇水容易发生软化的土体填筑可以实现径流入渗过程中坡体沿着滑移带滑移的过程，更加贴近真实的滑坡过程。滑移带上方土体21采用自然状态下地表浅层干土堆填而成，便于更好的模拟真实的滑坡环境，且地表浅层干土孔隙率大，雨水容易下渗。滑移带下方土体22采用粘性土拌合5％-10％的水泥形成的水泥土进行填筑而成，主要是模拟滑坡现场中滑坡床的风化岩体，使滑坡过程更加真实。滑移带2设置为圆弧状(模拟深层土质滑坡)或直线
状(模拟浅层滑坡)；滑移带2的厚度设定为边坡模型高度的1/5-1/10，滑移带2的厚度设定为滑坡总高度1/5-1/10是根据现场的勘察数据确定，模型试验过程中是为了试验过程更加真实。通过上述结构能够便于更好的贴近真实降雨触发滑坡的情况。
37.如图1和图2所示，角度可调节承载平台包括上钢板9、下钢板11、铰接转轴10和千斤顶12；上钢板9和下钢板11平行设置，上钢板9和下钢板11的一侧通过铰接转轴10转动连接；千斤顶12设置在下钢板11的另一侧顶面，且千斤顶12的顶部抵在上钢板9的另一侧底面；动作时，千斤顶12向上顶向上钢板9，使上钢板9绕着铰接转轴10转动，将角度可调节承载平台组成的“书本状”开合结构，且为保证试验安全上钢板9的转动角度为0-20
°
。上钢板9能通过千斤顶12绕着铰接转轴10转动，实现对上钢板9上的边坡模型进行倾斜角度的辅助调节，从而便于进行多角度试验过程。
38.如图1、图8和图9所示，模拟降雨模块包括支撑板3、多个盛水容器6和软管进气量调节器4；支撑板3设置在模型箱体1顶部，且对准滑移带2出露位置处；多个盛水容器6间隔排列倒置在支撑板3上预留的孔洞内；盛水容器6上设置有盛水容器盖20；盛水容器盖20上预留漏水孔洞，且支撑板3上预留的孔洞与盛水容器盖20上预留漏水孔洞相连通，能够确保使盛水容器6的水通过盛水容器盖20上的预留漏水孔洞流至支撑板3上预留的孔洞，并从支撑板3上预留的孔洞流向滑坡。每个盛水容器6上连接有进气软管5，并在进气软管5与盛水容器6的连接处进行密封设置，将所有的进气软管5连接至软管进气量调节器4上，并通过软管进气量调节器4控制每根进气软管5的进气量。通过软管进气量调节器4向进气软管5调节进气量从而能够有效的控制盛水容器6从盛水容器盖20上预留漏水孔洞排出的出水量，利用盛水容器6中水的重力与瓶底进气管中空气的进入速率联合控制盛水容器6中的排水速率以实现不同强度的降雨。模拟降雨模块主要对滑移带2出露位置进行持续降雨，雨水通过上部裂隙段13(卵石区)进入阻滑段14，软化阻滑段14实现滑坡模拟。
39.如图4至图6所示，滑移带物理指标监测模块包括孔隙水压力计17、土壤水分测试仪18、微型土压力计19和数据采集器；孔隙水压力计17、土壤水分测试仪18和微型土压力计19埋设于边坡模型构筑过程中的土体内；孔隙水压力计17、土壤水分测试仪18和微型土压力计19通过导线与数据采集器连接，并通过数据采集器实现数据的实时获取。通过孔隙水压力计17、土壤水分测试仪18和微型土压力计19能够对降雨触发滑坡情况进行实时分析，并且通过将数据采集器连接至电脑，能够在电脑上实时采集和记录监测的数据。孔隙水压力计17和土壤水分测试仪18埋置于滑移带2阻滑段14的土体中其中孔隙水压力计17至上而下埋设于滑移带2轴线位置；土壤水分测试仪18自上而下埋设于滑移带2轴线两侧，同一高度处埋设两个。微型土压力计19埋置于滑移带下方土体22中，微型土压力计19顺着滑坡方向从上到下均匀布置，在同一高度处滑移带2轴线左右两侧分别布设一个。方便对滑移带2以及滑移带下方土体22进行数据监测。结合上述结构，因滑移带2有一定宽度，同一高度布设连个土壤水分测试仪18与微型土压力计19可以减少试验测试中的不均匀误差，而孔隙水压力计17因为不存在高度影响测试数据的情形，故仅在同一高度布置一个。
40.如图1所示，坡体变形监测模块包括多个高速摄像机7；多个高速摄像机7放置在模型箱体1的外围，且每个高速摄像机7通过三角支架8固定在模型箱体1上。通过多个高速摄像机7可以对滑坡前土体变形的精准记录。高速摄像机7分别放置于模型箱体1的侧面位置和边坡模型坡脚前方，放置于模型箱体1的侧面位置用于记录土体的变形特征，放置于边坡
模型坡脚前方用于记录滑坡过程中土体的崩塌过程。高速摄像机7可以连接piv系统，进行滑坡前土体变形的精准记录。
41.一种降雨触发滑坡的模型试验方法，通过所述降雨触发滑坡的模型试验装置来实现，包括下述步骤：
42.1)根据现场勘查资料进行边坡模型及滑移带形态的设计。
43.2)搭建模型试验装置，进行监测传感器的埋设以及滑坡变形监测系统的布设。
44.3)将降雨模型模块中盛水容器6装满水，通过控制软管进气量调节器4来控制通过进气软管5的进气量，实现对盛水容器6排水量大小的控制。
45.4)模拟降雨进入滑移带2中阻滑段14后会使阻滑段14土体逐渐软化，坡体在重力作用下最终出现滑移崩塌，通过模型箱体1外围高速摄像机7对滑坡过程中进行记录。
46.5)对滑坡发生过程中孔隙水压力计17、土壤水分测试仪18、微型土压力计19记录的数据进行分析，并结合模型箱体1外围高速摄像机7的记录结果对降雨触发滑坡的发展与发生过程进行评估。
47.综上所述，本实用新型的优点是通过在边坡模型搭建过程中构建滑移带的形式来实现对降雨触发的大型滑坡过程进行模拟，可以实现因降雨导致的阻滑段14在雨水径流作用下逐渐劣化引发滑坡的过程模拟，为边坡模型试验提供了一种新的思路。通过构建不同形态的滑移带，以及调整滑移带中裂隙段与阻滑段14的分布形态可以分别实现牵引型、推移型、复合型滑坡的发展与发生过程的重现，解决了以往滑坡模型试验过程中模拟降雨条件无法真正触发滑坡，以及模型试验模拟失真的问题。该装置和试验方法操作简单，为后续研究极端降雨导致的大型滑坡灾害提供了坚实的基础，使模型试验结果更加真实可靠。
48.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。