一种冲击铲刮厚层冰碛物大型物理模型试验方法及系统

本发明涉及工程地质试验，尤其涉及一种冲击铲刮厚层冰碛物大型物理模型试验方法及系统。

背景技术：

1、冰碛物是高寒高海拔地区冰川长期搬运和堆积形成的特殊松散堆积体，广泛分布于高山沟谷区域，具有颗粒组成复杂、结构松散、孔隙发育以及含冰含水状态敏感等特点。当高位崩滑体沿坡高速运动时，其前缘和底部会对下伏厚层冰碛物产生强烈的冲击铲刮作用，使冰碛物发生侵蚀、剪切破坏及物质卷入，进而影响滑体的运动规模、运移距离及最终堆积形态，因此厚层冰碛物在冲击铲刮作用下的动力响应特征已成为高寒山区地质灾害研究中的重要内容。

2、为了探究上述过程，现有技术通常采用数值模拟、小尺度水槽试验及常规大型滑槽试验等方法对该过程进行分析。这些方案虽然上述方法能够在一定程度上反映颗粒流运动规律，但普遍将冰碛物简化为均质材料，仅对试验环境进行整体统一控温，难以真实反映天然冰碛物在侵蚀区不同位置的温度差异及其对力学性质的影响，且试验缩尺越大，高粘性介质对碎屑流运动特性影响越显著，使试验结果与真实运动特性之间存在较大偏差。事实上，冰碛物内部温度变化会直接影响孔隙冰融化程度、含水状态以及颗粒间胶结强度，从而改变其抗剪强度和抗侵蚀能力。而在冲击铲刮过程中，侵蚀区前缘、中部和后缘由于受力方式不同，其温度响应也存在明显差异：前缘区域主要承受瞬时冲击荷载，温度变化较快；中部区域受持续摩擦剪切作用易产生局部升温；后缘区域受扰动较弱，温度变化相对缓慢。如果试验过程中无法对侵蚀区不同位置进行独立温度控制，就难以准确再现冰碛物在真实工况下的热-力耦合侵蚀过程。

3、具体而言，如常规大型滑槽物理模型试验方法，是在倾斜滑槽底部铺设冰碛物相似材料作为侵蚀层，在滑槽上部设置颗粒物料仓，通过闸门释放颗粒流，使其沿滑槽高速下滑并冲击下伏侵蚀层，从而模拟天然条件下滑体对冰碛物的冲击铲刮过程。其还存在以下缺陷：其一，采用整体统一控温方式，只能控制试验区域平均温度，无法对侵蚀区不同位置进行独立调节，难以反映天然冰碛物沿程温度差异。其二，颗粒流冲击过程中会产生局部升温，而现有技术缺少动态温度调控手段，导致实际温度场与预设条件偏差较大。其三，现有技术难以揭示温度变化对冰碛物内部含冰状态、含水率及抗侵蚀能力的影响，无法真实反映热—力耦合侵蚀过程。其四，主要关注侵蚀深度等宏观现象，对侵蚀区温度场与侵蚀行为之间的关系研究不足，难以满足精细化试验需求。

4、综上所述，现有技术存在的主要问题在于：缺乏对侵蚀区不同空间位置进行分区、分层和动态控温的技术手段，无法真实反映冰碛物在冲击铲刮过程中的热—力耦合侵蚀机制，导致试验结果的真实性和可靠性不足。因此，亟需建立一种能够对侵蚀区不同位置温度进行精确控制的冲击铲刮厚层冰碛物大型物理模型试验方法，以提高试验结果的真实性和可靠性。

技术实现思路

1、鉴于以上技术问题，本发明实施例提供一种冲击铲刮厚层冰碛物大型物理模型试验方法，包括以下步骤：

2、s1、构建由料斗滑源区、第一段滑槽、第二段滑槽、堆积平台及监测系统组成的试验设备；所述料斗作为滑源区，其坡度由底部液压杆控制；第一段滑槽和第二段滑槽作为势能向动能转换区，每段滑槽的角度由液压控制支架支撑和调节，所述堆积区设置于试验设备底部，用于承接冲击后的滑体和侵蚀物；

3、s2、在所述第二段滑槽的侵蚀段放置可移动式凹腔，以卡扣和滑槽相接，可移动式凹腔通过温控系统可划分多个独立温控区域，各区域分别配置独立控温装置，对各区域温度进行独立调节，使侵蚀段沿程形成预设的温度分布；

4、s3、按预设配比制备冰碛物相似材料并控制其含水率和含冰量，分层装填至可移动式凹腔内，并通过卡扣嵌合于所述第二段滑槽侵蚀段的凹腔结构内，并在冰碛物内部埋设温度传感器，以实时监测试验过程中冰碛物内部温度变化信息；

5、s4、开启料斗滑源区的闸门释放滑体，滑体沿第一段滑槽和第二段滑槽加速下滑，在侵蚀段对不同温度条件下的冰碛物产生冲击铲刮作用，同步记录滑体运动和冰碛物响应过程；

6、s5、通过包括高速摄像机、温度传感器、力传感器、孔隙压力传感器和激光位移传感器的监测系统，同步获取滑体运动轨迹、侵蚀形态演化、各独立温控区域的温度变化及动力响应参数，试验结束后对侵蚀段和堆积平台进行三维扫描，通过对比试验前后形态变化，计算冰碛物侵蚀量、运移距离和堆积范围，分析不同区域温度条件下厚层冰碛物冲击铲刮的动力响应规律。

7、可选地，步骤s1还包括以下子步骤：

8、s101、在料斗滑源区搭建源区料斗，所述源区料斗的几何尺寸为3.2m×1.2m×1.5m，其坡度由底部液压杆控制，并可根据第一段滑槽的坡度进行调节；

9、s102、搭建第一段滑槽与所述料斗滑源区连接，作为势能向动能转换的第一级转换区，其截面尺寸为1.2m×1.2m，长度为11m，由四根液压控制支架支撑和调节，其坡度在40～50°范围内调节；

10、s103、搭建第二段滑槽与所述第一段滑槽连接，作为势能向动能转换的第二级转换区，宽度为1.2m，长度为11m，截面高度通过底部丝杆在1.2～1.5m范围内调节，使内部形成可填充冰碛物的凹腔结构，由四根液压控制支架支撑和调节，其坡度在30～40°范围内调节；

11、s104、在装置底部设置堆积平台作为堆积区，平台长度为12m，宽度为4.8m，用于承接冲击后的滑体和侵蚀物；

12、s105、所述第一段滑槽和所述第二段滑槽的底板及一侧壁均采用不锈钢板制成，另一侧壁均采用透明防弹玻璃制成。

13、可选地，步骤s2还包括以下子步骤：

14、s201、在所述第二段滑槽的侵蚀段沿滑动方向划分近端、中部和远端三个独立温控区域；

15、s202、各独立温控区域分别配置独立控温装置，分别调节各区域温度，使侵蚀段沿程形成预设的温度分布；

16、s203、根据不同季节条件，设置不同的区域温度组合，使近端、中部和远端分别维持不同的目标温度，模拟不同环境下厚层冰碛物在冲击铲刮过程中的温度变化特征。

17、可选地，步骤s3还包括以下子步骤：

18、s301、按预设配比制备冰碛物相似材料，控制其含水率和含冰量；

19、s302、将制备好的冰碛物相似材料分层装填至可移动式凹腔的近端、中部和远端三个独立温控区域内，通过卡扣嵌合在所述第二段滑槽的侵蚀段；

20、s303、在装填过程中，在冰碛物内部沿深度和水平方向埋设温度传感器，以实时监测试验过程中冰碛物内部温度变化信息。

21、可选地，步骤s4还包括以下子步骤：

22、s401、开启料斗滑源区的料斗闸门释放滑体，滑体沿所述第一段滑槽和所述第二段滑槽加速下滑；

23、s402、滑体在所述第二段滑槽的侵蚀段的近端、中部和远端三个独立温控区域，对不同温度条件下的冰碛物产生冲击铲刮作用；

24、s403、同步记录滑体运动和冰碛物响应过程。

25、可选地，步骤s5还包括以下子步骤：

26、s501、通过高速摄像机记录滑体运动轨迹和侵蚀形态演化过程；

27、s502、通过温度传感器实时获取各独立温控区域的温度变化信息；

28、s503、通过力传感器、孔隙压力传感器和激光位移传感器同步获取动力响应参数；

29、s504、试验结束后，对侵蚀段和堆积区进行三维扫描，通过对比试验前后形态变化，计算冰碛物侵蚀量、运移距离和堆积范围；

30、s505、分析不同区域温度条件下厚层冰碛物冲击铲刮的动力响应规律，并将分析结果反馈，以优化下一组试验的温控区域温度分布设定。

31、可选地，所述试验设备的高度范围为14～21m，高度为31-34m。

32、可选地，所述温度传感器与所述独立控温装置联动，使试验过程中各区域温度能够实时反馈并动态调节。

33、本发明还提供一种冲击铲刮厚层冰碛物大型物理模型试验系统，利用上述的冲击铲刮厚层冰碛物大型物理模型试验方法实现，包括以下系统：

34、料斗，作为料斗滑源区，其坡度由底部液压杆控制；

35、第一段滑槽，与所述料斗连接，作为势能向动能转换的第一级转换区，由液压控制支架支撑和调节；

36、第二段滑槽，与所述第一段滑槽连接，作为势能向动能转换的第二级转换区，其截面高度及角度均由液压控制支架支撑和调节，且内部形成可填充冰碛物的凹腔结构，其规模和可移动式凹腔一致，通过卡扣相接；所述第二段滑槽的侵蚀段和可移动式凹腔嵌合，沿滑动方向划分多个独立温控区域；

37、独立控温装置，以计算机测控系统为中枢，根据预设的温度曲线驱动加热器，动态调节输出功率，加热器产生的热量作用于炉膛内独立区域，可移动式凹腔通过卡槽、卡扣限位推入炉膛，内部填充冰碛物样品，并布设有温度传感器，以监测冰碛物温度信息，数据采集仪同步采集温度传感器的信号，形成动态数据闭环，实现对各独立温控区域的温度进行独立调节；

38、温度传感器，埋设于所述冰碛物内部，用于实时监测试验过程中冰碛物内部的温度变化信息；

39、堆积平台，设置于试验设备底部，用于承接冲击后的滑体和侵蚀物；

40、监测系统，包括高速摄像机、力传感器、孔隙压力传感器和激光位移传感器，用于同步获取滑体运动轨迹、侵蚀形态演化及动力响应参数。

41、可选地，所述冲击铲刮厚层冰碛物大型物理模型试验系统还包括三维扫描设备，用于在试验结束后对侵蚀区和堆积区进行三维扫描，以获取形态变化数据。

42、本发明有益效果为：

43、本发明中，通过分区独立控温，实现了真实模拟沿程温度梯度。通过在侵蚀段沿冲击方向设置近端、中部和远端多个独立温控区域，可对不同位置的冰碛物进行分区温度调节，克服了传统整体统一控温无法反映沿程温度差异的缺陷，提高了试验工况的真实性和环境模拟精度。

44、本发明中，通过设置温度传感器与控温装置联动，实现了动态精准控温。通过埋设于冰碛物内部的温度传感器与独立控温装置实时联动，使试验过程中各区域温度能够动态反馈并自动调节，有效抑制了冲击铲刮引起的局部温度波动，提高了温度控制精度和试验重复性。

45、本发明中，通过将温度控制与冲击铲刮过程深度耦合，揭示了热-力耦合机制。将温度控制与冲击铲刮过程同步结合，能够捕捉冲击动态下的热-力响应，揭示温度变化对冰碛物冰水相态转化、孔隙水迁移及抗侵蚀能力的影响规律，为厚层冰碛物热-力耦合侵蚀机制研究提供了新的试验手段。

46、本发明中，实现了多参数同步监测与三维定量分析，适用多种气候场景。融合高速摄像、力传感器、孔隙压力传感器、激光位移传感器及三维扫描技术，同步获取运动轨迹、变形特征和温度演化信息，实现冲击铲刮过程的多参数定量分析；通过调整不同区域的温度组合，可灵活模拟暖季、冷季或昼夜温差等环境条件，为高寒山区冰碛物地质灾害机理研究及防灾减灾决策提供可靠试验支撑。