一种库水位波动下三维滑坡力学试验装置及方法与流程

1.本发明涉及一种库水位波动下三维滑坡物理力学试验装置和方法。


背景技术：

2.滑坡是一种常见的地质灾害，滑坡的发生可能会导致河流堵塞，交通阻断，电力、通讯措施受损，房屋被毁，和其他的经济损失，甚至会造成人员伤亡。我国山区（包括丘陵和高原）面积663.6万平方公里，占全国国土总面积的69.1%。故滑坡灾害发生密度大，频率高，我国已成为世界上受滑坡危害最严重的国家之一，每年因滑坡灾害造成的损失数以亿计，给国家和人民生命财产带来巨大损失，产生严重社会影响。为了减小滑坡给人类带来的损失，需要探究滑坡体内部运动机制，了解滑坡发生破坏的内部因素。这即是崩塌滑坡运动学研究的重要内容，也是地质灾害预警的重要基础。
3.目前滑坡的模型试验以二维居多，这种模型以小巧，简单易操作而受到大多研究者的欢迎，但随着技术发展和研究的深入二维模型的局限日益凸显，难以满足研究者不断提高的要求，于是，存在一定的局限性，不能模拟空间上运动较为复杂的滑坡。而目前的三维滑坡地质模型体积太大，不易操作。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种库水位波动下三维滑坡物理力学试验装置和方法，能够根据实际滑坡体结构制作出滑坡地质力学模型，并对滑坡地质模型进行试验，以获取滑坡地质模型的相关数据。
5.为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种库水位波动下三维滑坡物理力学试验装置，包括试验槽、地下水控制系统、试验水位控制系统、试验检测仪器和滑坡地质模型；滑坡地质模型设置在试验槽一端；地下水控制系统包括水箱、分水器和渗流管，分水器连通在水箱上，渗流管两端分别与分水器和试验槽上的多个渗透孔连通；试验水位控制系统包括连通在试验槽上下两端的进水管和排水管；试验检测仪器包括数据采集仪、水压力传感器、土压力传感器和激光位移传感器，激光位移传感器设置在试验槽上方，水压力传感器和土压力传感器设置在滑坡地质模型内，水压力传感器和土压力传感器通过数据线与数据采集仪连接，数据采集仪与电脑连接通讯。
6.本发明一种库水位波动下三维滑坡地质力学试验装置为采用钢架和钢化玻璃组合制成的长2m、宽1m、高1m的长方体透明结构，在充分利用空间的基础上，呈现出完整的三维滑坡物理力学地质模型。利用多方位的高速摄影相机及多个内外部应力应变监测设备捕获滑坡在蓄水前、蓄水中、蓄水后的变形特征及破环模式。自制的地下水控制系统在滑坡物理力学地质模型的后缘，可模拟滑坡在地下水补给过程中的滑坡体内部渗流场变化特征及滑坡体在非饱和-饱和状态下内部应力变化情况。因此，本发明具有如下有益效果：（1）本发明克服了原大型三维物理滑坡模拟试验价格昂贵、体积庞大、实施难度大等问题，所用装置结构简单合理，制造成本低，操作简单；
（2）通过三维可视化物理模型可直观模拟滑坡在库水位波动下的变型特征和破环模式；（3）自制的地下水控制系统在一定程度上可以模拟滑坡在地下水补给与库水位波动耦合作用下的运动过程，有利于多条件滑坡运动特征的研究；（4）采用可调节流量的进水口及出水口的设置能很好的模拟出库水位周期性变化，从上至下的进水口方式相较于在水槽底部设进水口的方式很好的规避了因水位上升的压力而产生回灌。
附图说明
7.下面结合附图对本发明做进一步的说明：图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的侧视结构示意图，图3为本发明局部结构示意图。
8.图中：试验槽1、钢化玻璃11、支架12、支腿13、地下水控制系统2、支架21、分水器22、多条渗流管23、水箱24、水位控制阀3、进水管31、进水阀32、排水管33、排水阀34、试验检测组件4、数据采集台41、数据采集仪42、水压力传感器43、土压力传感器44、激光位移传感器45、摄像机46、滑坡地质力学模型5、基座51、土体52。
具体实施方式
9.如图1和2所示，本发明一种三维滑坡试验模型，包括试验槽1、地下水控制系统2、试验水位控制系统3、试验检测仪器4和滑坡地质模型5。
10.所述试验槽1为上侧开口的中空框架，各侧面为透明的钢化玻璃11，可以盛装水用于有水试验，透明的钢化玻璃11有利于观察和记录；底部设置支腿13使试验槽1底部高于地面10-15公分；所述地下水控制系统2包括水箱24，水箱24设置在支架21，水箱24一侧连通有分水器22，分水器22通过多根渗流管23与试验槽1上的多个渗透孔接通。
11.所述试验水位控制系统3包括进水管31和排水管33，进水管31和排水管33上分别安装有进水阀32和排水阀34，由进水管31向试验槽1内灌入自来水浸泡滑坡地质模型5，以期达到更符合滑坡实际情况的模拟效果。
12.所述试验检测组件4包括位于试验槽1外部的数据采集台41、应力应变数据采集仪42、水压力传感器43、土压力传感器44、激光位移传感器45和摄像机46。激光位移传感器45固定在移动板12上，移动板12放置在试验槽1上部槽口上，移动板12可沿着试验槽1槽口移动；摄像机46用于实时拍摄滑坡地质力学模型5和水的运动视频；水压力传感器43和土压力传感器44设置在滑坡地质力学模型5内，水压力传感器43和土压力传感器44通过数据线与数据采集仪42连接，数据采集仪42与电脑连接通讯；数据采集仪42通过水压力传感器43和土压力传感器44实时记录滑坡地质力学模型5内岩土体应力应变的变化情况，激光位移传感器45实时监测滑坡地质力学模型5表层形变情况，结合以上各类数据综合分析滑坡地质力学模型5的运动特性。
13.滑坡地质力学模型5包括坡形基座51和铺设在基座51上方的土体52；
所述的三维滑坡物理力学试验装置的试验方法及其特征是包括如下步骤：第一步：构建滑坡地质模型5，在实际的滑坡体上挖掘土壤作为模拟材料，先在试验槽1一端铺设模拟材料夯实成坡形后作为基座51，而后在基座51上铺设土壤拍实后作为土体52，同时在铺设建筑材料的过程中，将土压力传感器44埋设到基座51内，水压力传感器43埋设到土体52中。
14.第二步：开启电脑、数据采集仪42、激光位移传感器45和摄像机46。
15.第三步：将水箱24里面的水由多根渗流管23渗透进入滑坡地质模型5中，可实现滑坡在地下水补给过程中的滑坡体内部渗流场变化特征及滑坡体在非饱和或饱和状态下内部应力变化情况。。
16.第四步：打开进水管31上的进水阀32，向试验槽1内注水，当水位到达指定水位时，通过进水阀32控制流量，以实现模拟滑坡地质力学模型5在实际水位变动情况下的运动特征。
17.第五步：在蓄水结束后，通过电脑观察激光位移传感器45、土压力传感器44和水压力传感器43测量到数据，止到激光位移传感器45监测数据不在变化，表明蓄水期滑坡地质力学模型5变形结束。打开排水管33上的排水阀34，通过排水阀34调节排水速度，以获取滑坡在水位退水使的位移变化。
18.第六步：收集数据，在水位下降结束后，导出数据采集仪、激光位移传感器、摄像机进行跟踪摄像在试验过程中的数据。


技术特征：
1.一种库水位波动下三维滑坡地质力学试验装置，其特征在于：包括试验槽（1）、地下水控制系统（2）、试验水位控制系统（3）、试验检测仪器（4）和滑坡地质力学模型（5）；滑坡地质力学模型（5）设置在试验槽（1）一端；地下水控制系统（2）包括水箱（24）、分水器（22）和渗流管（23），分水器（22）连通在水箱（24）上，渗流管（23）两端分别与分水器（22）和试验槽（1）上的多个渗透孔连通；试验水位控制系统（3）包括连通在试验槽（1）上下两端的进水管（31）和排水管（33）；试验检测仪器（4）包括数据采集仪（42）、水压力传感器（43）、土压力传感器（44）和激光位移传感器（45），激光位移传感器（45）设置在试验槽（1）上方，水压力传感器（43）和土压力传感器（44）设置在滑坡地质模型（5）内，水压力传感器（43）和土压力传感器（44）通过数据线与数据采集仪（42）连接，数据采集仪（42）与电脑连接通讯。2.根据权利要求1所述的一种库水位波动下三维滑坡地质力学试验装置，其特征在于：还包括摄像机（46），摄像机（46）用于实时拍摄滑坡地质力学模型（5），数据采集仪实时监测滑体内部岩土体应力应变的变化情况，激光位移传感器实时监测滑坡地质力学模型（5）的表层形变情况。3.根据权利要求1或2所述的一种库水位波动下三维滑坡地质力学试验装置，其特征在于：所述试验槽（1）包括方框架，方框架上安装有透明钢化玻璃板（11）。4.根据权利要求1或2所述的一种库水位波动下三维滑坡地质力学试验装置，其特征在于：在试验槽（1）上放置有移动板（12），激光位移传感器（45）安装在移动板（12）上。5.一种使用权利要求2所述库水位波动下三维滑坡地质力学试验装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：构建滑坡地质力学模型（5），根据实际的滑坡体结构通过相似比换算后，将准备好的滑坡模拟材料在试验槽（1）内构建出滑坡地质力学模型（5），同时在地质模型内（5）预埋土压力传感器（44）和水压力传感器（43）；第二步：通过水头差将水箱（24）里面的水压进入滑坡地质模型（5）中，模拟滑坡在地下水补给过程中的滑坡体内部渗流场变化特征及滑坡体在非饱和或饱和状态下内部应力变化情况；第三步：由进水管（31）向试验槽（1）内注水至指定水位，以实现模拟滑坡地质力学模型（5）在实际水位变动情况下的运动特征；第四步：在蓄水结束后，观察和记录数据采集仪（42）收集到的数据，直到激光位移传感器（45）监测滑坡地质模型（5）表层数据不在变化；打开底部的排水管（33），激光位移传感器（45）检测滑坡地质模型（5）在水位下降时的位移变化量。

技术总结
一种库水位波动下三维滑坡力学试验装置及方法，包括试验槽、地下水控制系统、试验水位控制系统、试验检测仪器和滑坡地质模型；滑坡地质模型设置在试验槽一端；地下水控制系统包括水箱、分水器和渗流管，分水器连通在水箱上，渗流管两端分别与分水器和试验槽上的多个渗透孔连通；水压力传感器和土压力传感器设置在滑坡地质模型内，水压力传感器和土压力传感器通过数据线与数据采集仪连接，数据采集仪与电脑连接通讯。本发明能够根据实际滑坡体结构制作出滑坡地质力学模型，并对滑坡地质力学模型进行试验，以获取滑坡力学模型的相关数据。以获取滑坡力学模型的相关数据。以获取滑坡力学模型的相关数据。


技术研发人员：张鹏 张森林 黄波林 秦臻 陈小婷 秦盼盼 白林丰
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2021.11.03
技术公布日：2022/3/25