一种模拟自然降雨与地震耦合的模拟系统及方法

本发明涉及岩土工程，具体是一种模拟自然降雨与地震耦合的模拟系统及方法。

背景技术：

1、诱发自然滑坡的主要因素是地震和降雨，但这两种因素的失稳机制完全不同，对这两种因素诱发滑坡的研究往往是分开进行的，现有技术的降雨模拟装置仅能在理想情景下实现降雨与地震的相互耦合，如实现喷头角度的调整，但是这往往同真实降雨情况还是有所差别。

2、鉴于此，研发一种能还原天然情景下降雨与地震耦合作用下破坏机理的振动台模型模拟系统，是我们急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种模拟自然降雨与地震耦合的模拟系统及方法，通过风力模拟系统使模拟降雨还原自然状态的成因和降雨倾角，使实验结果更准确，更具有说服力。

2、地震和降雨是诱发滑坡的两个主要的天然因素，通过对滑坡与降雨关系的分析表明：降雨历时、降雨角度、降雨量、降雨强度及降雨形式等因素对滑坡的发生都具有重要的影响。但由于这两种因素的失稳机制完全不同，对这两种因素诱发滑坡的研究往往是分开进行的，地震是引发山体滑坡的另一个完全不同的重要因素。而以往的降雨模拟装置仅能在理想情景下实现与地震相互耦合，如实现喷头角度的调整，但是这往往同真实降雨情况还是有所差别。鉴于此，有必要研发一种能实现能够还原天然真实情景下研究降雨与地震耦合作用下破坏机理的振动台模型模拟系统，为研究边坡模型稳定性在降雨与地震下的耦合效应及抗减震措施的研究提供实验基础。

3、本发明的目的主要通过以下技术方案实现：一种模拟自然降雨与地震耦合的模拟系统，包括边坡模型；

4、降雨模拟系统，所述降雨模拟系统位于所述边坡模型的上方，所述降雨模拟系统用于调节降雨强度和调节局部降雨位置；

5、振动台，所述振动台位于所述边坡模型的下方，用于模拟地震的震动；

6、风力模拟系统，所述风力模拟系统面向所述降雨模拟系统和所述振动台之间的区域，用于调节降雨角度。

7、为研究自然环境中降雨与地震耦合对边坡模型的影响，本发明设置边坡模型后，设置降雨模拟系统模拟自然降雨，设置振动台模拟地震的震动，以此模拟自然环境中地震和降雨这两个滑坡主要诱因对边坡模型的影响，从而提前预防、减少灾害发生。

8、为还原自然情景下的降雨历时、降雨角度、降雨量、降雨强度及降雨形式等因素，利用现有技术中的降雨模拟系统控制降雨历时、降雨强度、降雨量等因素。现有技术常通过改变降雨喷头的角度来控制降雨角度的改变，但是这同真实的降雨情况还是有所差别，自然界的降雨角度改变多是受风力影响，故本发明在上述基础上设置风力模拟系统，一方面，风能对岩石的变形特性产生不利影响，并降低其它强度特性，能通过所述风力模拟系统模拟自然环境下的风力环境，还原自然环境下风力对边坡模型的影响，另一方面，利用风力对降雨施加侧向荷载，模拟在0-90°内任意角度的降雨入射角，从而能够更为真实的还原自然降雨与强烈地震的耦合作用，使实验结果更准确。

9、因不同的地区地理环境不同，其地形、气流、温度、湿度等差异不均会导致降雨形式的差异，本发明中可利用边坡模型一定程度上一定程度上还原实验的地形地貌条件，风力模拟系统结合边坡模型可在一定程度上还原实验的气流状态，利用现有技术，还原实验所需的温度、湿度的变化，使得实验中的降雨更接近自然状态下的降雨，同时结合地震模拟装置，更能反应边坡模型受自然因素影响的真实状态。

10、更进一步的，所述降雨模拟系统包括位于所述边坡模型上方的刚性支架和位于所述刚性支架上的降雨器；

11、所述降雨器配置有行走部，所述行走部可携带所述降雨器沿所述刚性支架活动。

12、所述降雨器为现有技术，能够控制雨滴的大小和出水的面积大小，为降雨器的活动提供刚性支架作为活动路径和支撑装置，使降雨器可相对边坡模型改变局部降雨位置，从而使得系统有更丰富的降雨模式，模拟多种场景下的降雨状态，增大系统的适用性。

13、所述刚性支架包括四根立柱和四根立柱上方的工字型支架。

14、更进一步的，所述行走部包括横向滑动导轨和纵向滑动导轨；

15、所述纵向滑动导轨包括相对设置的两个纵向滑轨，所述横向滑动导轨的两端分别与两个纵向滑轨滑动连接，所述降雨器滑动连接在所述横向滑动导轨上；

16、所述横向滑动导轨上有使所述降雨器沿所述横向滑动导轨运动的横向行走件，所述纵向滑动导轨内有使所述降雨器沿所述纵向滑动导轨运动的纵向行走件。

17、所述行走部包括横向行走和纵向行走的路径，通过两个不同的行走件使降雨器行走，由横向可变路径搭配纵向可变路径，使降雨器可在该刚性支架的顶面的平面内实现任意位置的变化。

18、更进一步的，所述纵向行走件包括电机、传送带和转轮，所述传送带和所述转轮位于所述纵向滑动导轨的侧面，所述转轮位于所述传送带内，所述转轮用于张紧并驱动所述传送带转动，所述电机用于驱动所述转轮转动；

19、还包括滚轮，所述滚轮转动连接在所述横向滑动导轨的底部，所述滚轮与所述传送带的内表面摩擦传动。

20、通过电机转动使转轮转动，从而带动传送带转动，并通过摩擦传动位于所述传送带内并与所述传送带内表面接触的滚轮，使滚轮沿纵向滑动导轨的路径转动，使得固定在滚轮上方的横向滑动导轨纵向移动，从而调整位于横向滑动导轨上的降雨器，通过控制所述电机的转动速度可以控制所述降雨器的纵向行走速度。

21、更进一步的，所述降雨器包括出水面板和滑槽板，所述出水面板与所述滑槽板滑动连接，所述滑槽板面向所述出水面板的一侧设有若干凸条，所述凸条能够堵住所述出水面板上的出水孔。

22、所述降雨器包括出水面板和滑槽板，所述出水面板为带有若干出水孔的面板，所述滑槽板为覆盖在所述出水面板上方且带有滑槽的面板，所述出水面板与所述滑槽板滑动连接，在出水面板和滑槽板之间充入水，使水经出水面板的出水孔向边坡模型喷淋，出水较为均匀，符合自然降雨的特点。在所述滑槽板面向所述出水面板的一侧设有若干凸条，所述凸条能够堵住所述出水面板上的出水孔，降低出水量，因所述出水面板与所述滑槽板滑动连接，故滑动所述出水面板可使所述滑槽板上的凸条让开出水孔，在所述凸条让开出水孔的过程中，相同时间内的出水量也逐渐增大。

23、更进一步的，所述振动台包括若干侧面能够相互贴合的模拟板块，每一个所述模拟板块上均设有活动件，所述活动件能够携带所述模拟板块沿水平或竖直方向的活动。

24、因地震主要是由于板块间的活动引起的，现有技术多通过震动对边坡模型施加作用力，但上述方案与地震活动的产生原理不同，产生的效果存在差异，尤其针对位于两个及两个以上板块交界处的边坡，单靠底部的震动作用于边坡模型与现实状态存在的差异较大，无法还原板块间相互摩擦、挤压和分离的状态，只针对单个板块内的边坡模型有较高的模拟效果，本发明为提高模拟结果的准确性，将振动台的表面分为若干个模拟板块，每一个模拟板块均配置行走件，使所述行走件携带该模拟板块沿水平方向的活动，从而模拟地震时板块间水平挤压和/或相离的状态；使所述行走件携带该模拟板块沿竖直方向的活动，模拟地震时地面的沉降或提升，对地面的影响更接近真实的地震环境，且能够用于研究不同类型的板块活动方式对不同类型的边坡模型稳定性的影响。

25、更进一步的，活动件包括齿条、伸缩杆和螺杆，所述齿条、伸缩杆和螺杆两两之间相互垂直；

26、分别采用齿轮齿条的传动、伸缩杆的伸缩和螺杆的使用来使模拟板块活动，所述齿条、伸缩杆和螺杆两两之间相互垂直，当需要像某个方位移动模拟板块时，解除对另外两个方向的控制，从而能够使单个模拟板块单次内朝任意平面活动，并通过多次改变模拟板块的活动方向使模拟板块任意活动，模拟地震板块间的活动方式；当模拟的边坡模型处于一块板块中部时，将本模拟系统中的边坡模型置于一块模拟板块中。

27、所述伸缩杆固定连接在所述模拟板块的外侧并垂直于所述模拟板块的相对面；

28、现有振动台常利用震动作用于实验对象，无法模拟地震时板块间的挤压与分离，板块张裂形成裂谷和海洋，板块对撞导致地壳的隆起和山体的抬升，本发明为能够模拟位于板块交界处的边坡在地震与降雨耦合的影响，使所述伸缩杆固定连接在所述模拟板块的外侧并垂直于所述模拟板块的相对面，从而通过伸缩杆的伸长来推动所述模拟板块相互挤压，或使伸缩杆收缩使模拟板块之间相互远离。

29、所述齿条位于所述模拟板块的底面，所述模拟板块的下方设有与所述齿条相互啮合的齿轮；

30、通过齿轮齿条的传动使模拟板块沿齿条的延伸方向运动，当相邻的两个模拟板块之间的活动方向与活动速度不同，则相邻的两个模拟板块能相互摩擦、错开。

31、所述螺杆通过伸出块与所述模拟板块螺纹连接，所述螺杆的端部设有电机，所述伸出块上还设有平行于所述螺杆的固定杆。

32、在一个活动方向上利用螺纹传动搭配固定杆限位，使螺杆的转动带动伸出块使模拟板块活动。

33、因所述齿条、伸缩杆和螺杆两两之间相互垂直，若需要同时调整两个方向，使所述伸缩杆的另一端与所述振动台的侧边可拆卸连接或滑动连接；使所述螺杆与固定杆的两端均为可拆卸连接或设置网格状的活动轨道。通过对不同方位的调节，可满足地震时板块间的各种活动方式，更贴近真是的地震环境，达到的效果更真实。

34、更进一步的，所述振动台上方设置有刚性模型箱，所述边坡模型置于所述刚性模型箱内，所述刚性模型箱底部有若干可调节大小的孔隙，所述刚性模型箱底部与所述振动台之间有盛水箱，所述震动接触。

35、刚性模型箱包括可拆卸前板、箱面螺栓还有两侧的刚性玻璃，所述刚性模型箱内侧包裹聚苯乙烯泡沫板等减震材料，减小地震波在刚性模型箱边界产生的反射与折射效应。

36、所述刚性模型箱底部有孔隙用于渗透雨水，所述孔隙大小可调节用于模拟边坡模型对雨水的不同吸收和渗透效果，当降雨和地震同时作用于边坡模型，边坡模型的内部结构、吸水渗水效果均可能发生变化，对边坡模型的稳定性产生影响。

37、在所述刚性模型箱底部与所述振动台之间设置盛水箱，接住从所述刚性模型箱底部孔隙渗透下的雨水，静止沉淀后可循环利用节约水资源，同时该盛水箱可用于模拟地下水环境，还原地下水单独或受地震影响时对边坡模型稳定性的影响。

38、边坡模型的土质、土层结构、植被状态不同且边坡模型本身也存在大量的空隙，经地震震动、雨水冲刷、风化均会加剧边坡模型土层内部结构的变化，本系统可同时控制降雨强度、边坡模型土质、边坡模型吸水渗水效果和地下水位的高度等因素，使实验因素多元化，更贴近自然状态，使边坡模型会因上诉因素在经受地震与降雨时被雨水冲刷边坡模型表面和/或改变内部结构，相较于单一的边坡模型和地震模拟器、降雨模拟器，本发明的模拟系统更接近自然状态，结果更准确。

39、更进一步的，还包括给水系统，所述给水系统与所述降雨模拟系统连通，为所述降雨模拟系统供水。

40、通过给水系统对降雨模拟系统供水，保证降雨模拟系统长时间的大降雨量也能维持稳定的供水。

41、一种模拟自然降雨与地震耦合的模拟方法，包括如下步骤：

42、s1、根据研究主题确定实验中变量的参数，根据参数调试系统，所述变量包括降雨强度、降雨倾角、可控变换的降雨面积范围、地震等级和边坡模型的土质、气候特点；

43、根据确定的降雨强度和降雨量，开启给水系统，在给水箱内导入满足试验要求的模拟雨水；

44、根据确定的降雨倾角，调节风力模拟系统的风力等级，之后关闭；

45、根据可控变换的降雨面积范围规划降雨器的初始位置和活动轨迹；

46、根据地震等级调试振动台；

47、根据边坡模型的土质特点搭建边坡模型并调整所述刚性模型箱底部的孔隙大小；

48、为最大限度的还原研究对象本身的土质特点，本发明的隧道模型、围岩和边坡模型材料均为物理模拟实验相同或相似材料，根据研究区域工程地质勘察报告和隧道模型类型，确定物理隧道模型结构和围岩材料的力学性能参数。通过buckingham-π相似理论，设计正交试验，调配出相似材料，相似材料与研究区工程原型的力学性能参数符合相似关系。相似材料常用微粒混凝土或由石膏、重晶石、石英砂等材料组成的混合材料。其中，混合材料需设计相应的正交试验，设计室内三轴试验，直剪试验，得到满足物理力学性能参数满足相似关系的最佳配比。

49、s2、在设计高度放置隧道模型，安装加速度计、土压力盒、应变片、位移计等检测装置；

50、s3、开始试验并记录检测装置的检测数据；

51、开启实验系统，记录并分析试验过程中，加速度计、土压力盒、应变片、位移计等检测装置的示数。

52、开启实验系统，使自然降雨模拟系统以横向导轨与纵向导轨两个方向的运动。导轨内部设有给水管道，管道与下部抽水装置连接，可使降雨器实现可控的降雨强度，并通过调整风力系统使得雨水可以实现任意角度的入射；通过控制电动马达的驱动降雨器运动，控制降雨器的转速从而控制降雨装置在横向方向和纵向方向上的运动速度，进而使得降雨模拟系统可在固定面积范围内任意移动以改变降雨位置，从而模拟不同类型降雨和地震动力作用下的力学响应规律。

53、综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

54、1、本发明基于边坡模型设置振动台和降雨模拟器的基础上，增设风力模拟系统，一方面，利用风力模拟系统模拟实验对象在自然环境下的风力环境，另一方面，使风力作用于降雨，还原自然环境下降雨倾斜的情况，使实验结果更准确；

55、2、能够模拟多个因素之间的互相耦合，如洞口、边坡模型、降雨、地震、风力、地下水等因素的互相耦合；

56、3、还设置有刚性模型箱和盛水箱和振动台，能够模拟地震时的板块活动，同时模拟地震和降雨所引起的地下水位变化，并反应上述变化最终作用于边坡模型的效果，使实验环境更真实，效果更准确。