一种研究库岸边坡稳定性的实验装置及方法

本发明涉及库岸边坡稳定性研究领域，尤其涉及一种研究库岸边坡稳定性的实验装置及方法。

背景技术：

1、三峡库区地形十分复杂，以山地和丘陵为主，滑坡、塌方、泥石流等自然灾害频发。三峡工程竣工后，库水每年都将按“冬蓄夏洪”的调度计划在145m的防洪水位和175m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速的升降，在约600km长的河道两岸形成高度为30m的消落带，范围涉及湖北省4个县和重庆市22个县（区），因库水升降诱发的滑坡事故屡见不鲜，库水和降雨的联合作用对库岸边坡稳定性的影响不容忽视。

2、目前，三峡库区消落带区域滑坡室内及模型试验研究均未考虑坡体表面植被与水位升降的影响。因此，通过开展大型三维室内模型试验，结合数值分析和现场监测资料，揭示不同植被覆盖情况下库水位变动与暴雨联合作用为主要致灾因素的库岸边坡变形破坏机理，构建气候胁迫条件下不同植被覆盖率的库区典型滑坡体位移场等，构建三峡库区典型滑坡稳定性分析预测体系，保证人民的人身与财产安全。

技术实现思路

1、本发明的目的是，提供一种研究库岸边坡稳定性的实验装置及方法，通过开展植被护坡情况下库区大尺寸库水位升降-降雨滑坡模型试验，研究三峡库区典型滑坡体中孔隙水压力、土体吸力、含水率等变化规律，得到滑坡体的渗透系数、位移及变形安全系数等相关力学参数动态变化规律，进而分析植被对水动力型滑坡护坡影响机制，揭示不同植被生长情况下库水位变动与暴雨联合作用为主要致灾因素的库岸边坡变形破坏机理，最终构建基于区域气象时空分布的三峡库区典型滑坡稳定性预测分析体系。

2、为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种研究库岸边坡稳定性的实验装置，它包括用于对整个实验装置进行搭载的主体框架，所述主体框架包括伸缩杆、进水口、出水口和钢化玻璃；所述主体框架内部设置有用于模拟边坡的边坡模型，边坡模型包括基岩、滑带和滑落体；所述主体框架的侧边连接有用于模拟水位升降的水位升降模拟系统，水位升降模拟系统包括流量计和阀门；所述主体框架的顶部设置有用于模拟降雨的人工降雨模拟装置；所述滑落体的内部设置有水压力传感器和土压力传感器，滑落体的顶部设置有植被；还包括高速摄像机和三维激光扫描仪。

3、所述主体框架采用不锈钢材料制作，主体框架的四根支柱上半部分采用伸缩杆与主体相连接；将定制的钢化玻璃分别固定在主体框架的四个面，其中左侧的钢化玻璃预留进水口与出水口。

4、所述基岩底部的一侧设置有升降机，用于调整滑坡的坡度。

5、所述滑带为铺设在基岩上部一定厚度的混合体，混合体采用圆形钢珠与黏土、细砂充分混合而成。

6、所述水位升降模拟系统通过pvc管道与主体框架中的进水口与出水口进行相连接，pvc管道上安装有流量计和控制阀门。

7、所述人工降雨模拟装置为在主体框架的顶部按照一定间隔距离布置喷头，喷头的间隔距离和出水量的大小可根据实际情况进行调整。

8、所述高清摄像头布置在主体框架边坡坡脚的位置，实时记录滑落体在降雨与水位升降因素综合作用下产生裂隙与破坏的过程，便于后续进行分析。

9、所述滑落体为对所采取地区土壤进行颗粒筛分，并将筛分完成的土壤分层铺在滑带的上部；在分层铺土的过程中将水压力传感器和土压力传感器按照一定的间隔距离布设在土壤内部，并将其与数据采集系统相连接，实时记录实验过程中数据变化；

10、所述的植被铺设在滑落体的表面并进行一段时间的养护，植被的种类与覆盖率可进行调整。

11、三维激光扫描仪布设在边坡模型的底部，实验过程中对边坡进行实时扫描；

12、启动水位升降模拟系统，使得水流流入至主体框架内部，模拟河流对滑坡的浸泡作用；通过调整控制阀门的大小并观察电磁流量计数值大小，实现贴合所研究区域的水位升降因素；

13、通过调整伸缩杆的高度和调整喷头出水量的大小，模拟所研究区域不同大小的降雨量。

14、采用所述一种研究库岸边坡稳定性的实验装置的进行实验的方法，包括以下步骤：

15、step1.材料准备：准备主体框架、边坡模型、水位升降模拟系统、人工降雨模拟装置、高速摄像机、水压力传感器、土压力传感器、钢化玻璃、植被和三维激光扫描仪；

16、step2.制作主体框架：在加工厂采用不锈钢材料制作尺寸大小为80*140cm主体承重框架，主体框架的四根支柱上半部分采用伸缩杆的结构；将定制的钢化玻璃分别固定在主体框架的四个面，使主体框架形成一个密闭的空间，其中左侧的钢化玻璃预留进水口与出水口；

17、step3.布置边坡模型：将小型升降机布置在主体框架内部，并将基岩与升降机连接形成一个整体，通过调整升降机的高度调整边坡模型的倾斜程度；

18、step4.布置人工降雨模拟装置：在主体框架顶部边坡模型所对应的空间位置按照一定的间隔距离布置一定数量的降雨喷头，喷头间的距离大小和吹水量根据实际情况进行调整；

19、step5.布置滑带：将圆形钢珠、黏土与细沙按照一定的比列充分混合，然后其混合物铺设在基岩的表面，所述铺设的厚度为1cm；

20、step6.布置滑坡体：采用筛网对所采取的土壤进行颗粒筛分，对所筛分好的土壤分层铺设在滑带的表面并进行压实；分层堆土的过程中，将水压力传感器和土压力传感器按照一定的间隔距离布设在土壤内部，将其与数据采集系统相连接，实时观察实验过程中边坡内部压力的变化；

21、step7.制作水位升降模拟系统：采用透明亚克力板制作一定大小的水箱，水箱内设置有抽水装置，便于实验过程中将水箱内的水输送至主体框架内部；水箱采用pvc管道与主体框架中预设的进水口与出水口相连接， pvc管道上安装流量计和控制阀门，便于调节水位升降的快慢；

22、step8.布置植被：将植被铺在滑落体表面的土壤并进行一段时间的养护，植被的种类与覆盖率实验过程中可进行调整；

23、step9.实验过程：调节伸缩杆的高度与喷头的出水量，模拟库区不同的降雨量大小，同时，调整水位升降模拟系统的阀门，通过观察电磁流量计的数值大小使得主体框架内部的水位按照一定速度升降；开启高清摄像机与三维激光扫描仪，将水压力传感器与数据采集系统连接，记录实验过程边坡内部压力变化情况与边坡产生裂隙过程，便于后续对实验分析。

24、本发明有如下有益效果：

25、1、本发明通过水位升降系统实现对滑坡的水位高度变化，其目的是模拟库区每年在防洪水位与发电水位之间缓慢或者快速的水位变化，更好的研究由于库区水位的变化对于库岸边坡的稳定性的影响，为后期库边边坡工程防护提供理论指导。

26、2、本发明在边坡表面铺设不同类型的植被与采用不同的植被覆盖率进行实验，其目的是：分析不同植被类型及不同植被覆盖率、植被根系等作用下，对于边坡表层土体的加筋固土、抗冲刷性能以及对于深层土体的入渗量的影响规律；最终探究气候胁迫条件下，不同生长情况的植被对滑坡区域的护坡效果，为后续边坡护坡工程提供技术与理论指导。

27、3、本发明通过调节基岩中升降机的高度调节滑坡体的倾斜程度，可快速实现不同坡度的滑坡稳定性实验，降低实验实施难度和加快进度。

28、4、本发明通过调节喷头的出水量与距离坡体的高度大小，实现不同强度的暴雨对于库岸边坡变形及稳定性的研究。

29、5、本发明采用高速摄像机记录在不同环境影响作用下，滑坡体产生变形破坏的过程，便于后续对实现现象进行进一步的分析与比对。

30、6、本发明采用三维激光扫描仪对滑坡进行实时扫描并输送至电脑生成云图，能够直观的了解与分析边坡失稳产生破坏的过程，并根据实验数据进行比对与进行进一步分析。

31、7、本发明通过在边坡内部布设水压力传感器与土压力传感器，实验过程中实时记录滑坡体中孔隙水压力、位移及变形安全系数等相关力学参数的动态变化规律，进而分析植被对于动力型滑坡护坡的影响机制。