一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统及方法 |
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| 申请号 | CN201710059945.4 | 申请日 | 2017-01-24 | 公开(公告)号 | CN106644386A | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
| 申请人 | 中国地质大学(武汉); | 发明人 | 何春灿; 胡新丽; 周昌; 丛璐; 徐楚; 谭福林; 张玉明; 章涵; 王强; 吴爽爽; 张佳运; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种库 水 作用下推移式滑坡物理模型试验系统及方法，包括U型槽，U型槽的一端密封设置有 挡板 ，U型槽内设置有模拟滑床，模拟滑床上设置有模拟滑坡体，且模拟滑坡体的坡表朝向挡板，U型槽、挡板、模拟滑床和模拟滑坡体围成蓄水区，蓄水区连接有进水装置和出水装置；还包括推 力 加载装置，推力加载装置设置于模拟滑坡体的 后缘 。提供一种可进行库水位周期性 波动 下推移式滑坡演化过程与 变形 破坏模式研究的滑坡物理模型试验系统，且基于库水位和降雨量两个实际条件，将库水位波动与滑坡体后缘推力的施加进行合理匹配，真实模拟滑坡外部条件，此试验系统结构简单、操作简便、经济实用，便于推广。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，其特征在于，包括U型槽(1)，所述U型槽(1)的一端密封设置有挡板(2)，所述U型槽(1)内设置有模拟滑床(3)，所述模拟滑床(3)上设置有模拟滑坡体(4)，且所述模拟滑坡体(4)的坡表(41)朝向所述挡板(2)，所述U型槽(1)、挡板(2)、模拟滑床(3)和模拟滑坡体(4)围成蓄水区(5)，所述蓄水区(5)连接有进水装置(6)和出水装置(7)；还包括推力加载装置(8)，所述推力加载装置(8)设置于所述模拟滑坡体(4)的后缘(42)。 |
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| 说明书全文 | 一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及地质灾害模型试验技术领域，特别涉及一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统及方法。 背景技术[0002] 滑坡作为一种破坏性极大的地质灾害，一旦发生，将会给人民生命财产与国家基础设施，如铁路、公路、航道等带来巨大损害。滑坡是一种拥有发展演变过程的地质灾害，是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。移动的土体或岩体称为滑坡体，滑坡体下方未移动的土体或岩体称为滑床。按滑坡受力特征可分为牵引式滑坡、推移式滑坡等，推移式滑坡是由于滑坡后缘力的长期加载，出现由后往前的渐进破坏，并最终导致滑坡整体发生破坏。 [0003] 随着经济建设的全面推进，人类对自然的干扰日益加剧，盘山公路、大型水电站的修建为人民生活带来便捷与经济效益的同时，也在改变大自然原有的状态。大型水库的修建导致原有库岸初始条件发生改变，库区中水库运行引起的库水位周期性波动等成为诱发滑坡的重要因素，并且库区也存在着大量推移式滑坡，因此研究库水位周期性波动条件下推移式滑坡的演化过程、启动机制、变形破坏模式将具有重要意义，同时也能为此类滑坡的防治提供坚实的基础。 [0004] 目前室内物理模型试验已成为研究滑坡演化过程与变形破坏模式的重要手段，国内外学者通过室内物理模型试验对滑坡进行了各方面的研究，也取得了一定进展，但目前的滑坡物理模型试验装置或方法仍存在一定局限性： [0005] (1)现有的滑坡物理模型试验装置或方法很少涉及库水位周期性波动下滑坡的演化过程与变形破坏模式，而库水位周期性波动对滑坡具有重要影响，研究此类条件下滑坡的演化过程与变形破坏模式十分必要。 [0006] (2)现有的滑坡物理模型试验装置或方法并未考虑滑坡模型后缘推力与前缘库水位周期性波动的合理匹配关系，而切合实际对二者进行合理匹配，是研究库水位周期性波动下推移式滑坡演化过程与变形破坏模式的基础与关键所在。 [0007] (3)现有的滑坡物理模型试验装置或方法操作起来十分复杂或造价较高，不能在达到试验目的、获得有效试验成果的前提下，简化试验装置或降低经济成本，使得试验装置或方法能够简单易行且经济实用。 [0008] (4)现有的滑坡物理模型试验装置或方法很少基于实际情况，如具体暴雨时段和库水位具体升降时段等，对滑坡外部条件进行模拟，无法达到真实模拟滑坡外部条件的目的。 发明内容[0009] 本发明目的是提供一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统及方法，解决现有技术中存在的上述问题。 [0010] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下： [0011] 一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，包括U型槽，所述U型槽的一端密封设置有挡板，所述U型槽内设置有模拟滑床，所述模拟滑床上设置有模拟滑坡体，且所述模拟滑坡体的坡表朝向所述挡板，所述U型槽、挡板、模拟滑床和模拟滑坡体围成蓄水区，所述蓄水区连接有进水装置和出水装置；还包括推力加载装置，所述推力加载装置设置于所述模拟滑坡体的后缘。 [0012] 本发明的有益效果是：提供一种可进行库水位周期性波动下推移式滑坡演化过程与变形破坏模式研究的滑坡物理模型试验系统，通过进水装置和出水装置控制蓄水区的水位的升降，以模拟实际滑坡的库水位周期性波动，通过推力加载装置对模拟滑坡体的后缘进行推力的加载与保持，以模拟不同演变阶段实际滑坡的滑坡体后缘推力的变化，进而实现库水位周期性波动下推移式滑坡演化过程与变形破坏模式的研究，且此试验系统结构简单、操作简便、经济实用，便于推广。 [0013] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。 [0015] 采用上述进一步方案的有益效果是：第一控制阀用于控制外部水源的流入以及调节进水管中水的流量，第一调节阀用于进一步调节进水管中水的流量，第一流量计用于监测进水管中水的流量，第一控制阀、第一调节阀和第一流量计相互配合，可精确控制蓄水区水位的上升，以模拟实际滑坡的库水位的上升，且使用方便，成本低廉。 [0016] 进一步，所述出水装置包括与所述蓄水区连接的出水管，以及沿逐渐远离蓄水区方向依次设置在所述出水管上的第二流量计、第二调节阀和第二控制阀。 [0017] 采用上述进一步方案的有益效果是：第二控制阀用于控制蓄水区水源的流出以及调节出水管中水的流量，第二调节阀用于进一步调节出水管中水的流量，第二流量计用于监测出水管中水的流量，第二控制阀、第二调节阀和第二流量计相互配合，可精确控制蓄水区水位的下降，以模拟实际滑坡的库水位的下降，且使用方便，成本低廉。 [0018] 进一步，所述推力加载装置包括加载板、加载仪、反力连接块和反力墙；所述加载板设置于所述模拟滑坡体的后缘，所述加载仪的一端与所述加载板连接，另一端通过所述反力连接块与所述反力墙连接。 [0019] 采用上述进一步方案的有益效果是：通过加载仪对模拟滑坡体的后缘进行推力的加载与保持，力度控制精准；且加载仪的力通过加载板施加到模拟滑坡体的后缘，使模拟滑坡体的后缘受力均匀；从而进一步实现精准模拟不同演变阶段实际滑坡的滑坡体后缘推力的变化。 [0020] 进一步，所述加载仪为电液伺服加载仪。 [0021] 采用上述进一步方案的有益效果是：电液伺服加载仪进一步提高力度的控制精准性。 [0022] 进一步，所述反力墙竖直固定设置，所述反力连接块与所述加载仪相连接的一面与所述反力墙之间具有倾斜角度，且所述倾斜角度的大小可调节。 [0023] 采用上述进一步方案的有益效果是：反力连接块与加载仪相连接的一面与反力墙之间的倾斜角度的大小可调节，从而保证加载仪的倾斜角度与模拟滑坡体的倾斜角度一致，便于力的施加，且保证加载仪的力能够完全施加于模拟滑坡体的后缘，提高模拟滑坡体的后缘受力精准度。 [0025] 采用上述进一步方案的有益效果是：挡板的材质采用透明钢化玻璃，便于从挡板外侧观测模拟滑坡体的坡表的位移情况和蓄水区水位变化情况；U型槽为三面一体的钢板，便于生产加工，且结构牢固稳定。 [0027] 采用上述进一步方案的有益效果是：焊接方式操作方便，且连接密封性好，不易漏水。 [0028] 本发明的另一技术方案如下： [0029] 一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法，采用上述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，所述方法包括如下步骤： [0030] 步骤1，根据实际滑坡的库水位周期性波动曲线，概化出实际单周期库水位波动曲线，并将所述实际单周期库水位波动曲线的时间轴按预设比例进行等比例压缩，生成试验单周期库水位波动曲线；根据所述试验单周期库水位波动曲线，生成试验多周期库水位波动曲线； [0031] 步骤2，根据所述实际滑坡所在地区的降雨量周期性直方图，获取实际单周期多雨期时间段和实际单周期少雨期时间段，将所述实际单周期多雨期时间段和实际单周期少雨期时间段按所述预设比例进行等比例压缩，生成试验单周期多雨期时间段和试验单周期少雨期时间段；并令所述试验单周期多雨期时间段为所述模拟滑坡体的后缘推力加载期，所述试验单周期少雨期时间段为所述模拟滑坡体的后缘推力保持期，生成试验单周期滑坡体后缘推力曲线；根据力的叠加及所述试验单周期滑坡体后缘推力曲线，生成与所述试验多周期库水位波动曲线同时间段的试验多周期滑坡体后缘推力曲线； [0032] 步骤3，利用所述进水装置和出水装置控制所述蓄水区的水位的升降，并使所述蓄水区的水位符合所述试验多周期库水位波动曲线；利用所述推力加载装置对所述模拟滑坡体的后缘进行推力的加载与保持，并使所述模拟滑坡体的后缘推力符合所述试验多周期滑坡体后缘推力曲线；以实现利用所述试验系统模拟所述实际滑坡的滑坡演变。 [0033] 本发明的有益效果是：依据实际滑坡的库水位周期性波动，生成试验多周期库水位波动曲线；依据实际滑坡所在地区的降雨量，生成与试验多周期库水位波动曲线同时间段的试验多周期滑坡体后缘推力曲线；基于库水位和降雨量两个实际条件，将库水位波动与滑坡体后缘推力的施加进行合理匹配，实现真实模拟滑坡外部条件的目的，进一步实现库水位周期性波动下推移式滑坡演化过程与变形破坏模式的有效研究。附图说明 [0034] 图1为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统的结构示意图； [0035] 图2为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统图1的正视图； [0036] 图3为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统图1的侧视图； [0038] 图5为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法的具体实施例马家沟滑坡的实际单周期库水位波动曲线图； [0039] 图6为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法的具体实施例马家沟滑坡的试验单周期库水位波动曲线图； [0040] 图7为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法的具体实施例马家沟滑坡所在地区的降雨量周期性直方图； [0041] 图8为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法的具体实施例马家沟滑坡的实际单周期多雨期时间段和实际单周期少雨期时间段图； [0042] 图9为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法的具体实施例马家沟滑坡的试验单周期多雨期时间段和试验单周期少雨期时间段图； [0043] 图10为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法的具体实施例马家沟滑坡的试验单周期滑坡体后缘推力曲线图； [0044] 图11为本发明一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法的具体实施例马家沟滑坡的试验多周期库水位波动曲线和试验多周期滑坡体后缘推力曲线图。 [0045] 附图中，各标号所代表的部件列表如下： [0046] 1、U型槽，2、挡板，3、模拟滑床，4、模拟滑坡体，41、坡表，42、后缘，5、蓄水区，6、进水装置，61、进水管，62、第一流量计，63、第一调节阀，64、第一控制阀，7、出水装置，71、出水管，72、第二流量计，73、第二调节阀，74、第二控制阀，8、推力加载装置，81、加载板，82、加载仪，83、反力连接块，84、反力墙。 具体实施方式[0047] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。 [0048] 如图1、图2和图3所示，本发明实施例1所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，包括U型槽1，所述U型槽1的一端密封设置有挡板2，所述U型槽1内设置有模拟滑床3，所述模拟滑床3上设置有模拟滑坡体4，且所述模拟滑坡体4的坡表41朝向所述挡板2，所述U型槽1、挡板2、模拟滑床3和模拟滑坡体4围成蓄水区5，所述蓄水区5连接有进水装置6和出水装置7；还包括推力加载装置8，所述推力加载装置8设置于所述模拟滑坡体4的后缘42。 [0049] 本发明实施例2所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，在实施例1的基础上，所述进水装置6包括与所述蓄水区5连接的进水管61，以及沿逐渐远离蓄水区5方向依次设置在所述进水管61上的第一流量计62、第一调节阀63和第一控制阀64。 [0050] 本发明实施例3所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，在实施例1或2的基础上，所述出水装置7包括与所述蓄水区5连接的出水管71，以及沿逐渐远离蓄水区5方向依次设置在所述出水管71上的第二流量计72、第二调节阀73和第二控制阀74。 [0051] 本发明实施例4所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，在实施例1至3任一实施例的基础上，所述推力加载装置8包括加载板81、加载仪82、反力连接块83和反力墙84；所述加载板81设置于所述模拟滑坡体4的后缘42，所述加载仪82的一端与所述加载板 81连接，另一端通过所述反力连接块83与所述反力墙84连接。 [0052] 本发明实施例5所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，在实施例4的基础上，所述加载仪82为电液伺服加载仪。 [0053] 本发明实施例6所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，在实施例4或5的基础上，所述反力墙84竖直固定设置，所述反力连接块83与所述加载仪82相连接的一面与所述反力墙84之间具有倾斜角度，且所述倾斜角度的大小可调节。 [0054] 本发明实施例7所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，在实施例1至6任一实施例的基础上，所述挡板2的材质为透明钢化玻璃，所述U型槽1为三面一体的钢板。 [0055] 本发明实施例8所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，在实施例7的基础上，所述进水装置6和出水装置7通过焊接方式连接在所述U型槽1的侧壁上。 [0056] 本发明实施例9所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验方法，采用实施例1至8任一所述一种库水作用下推移式滑坡物理模型试验系统，所述方法包括如下步骤： [0057] 步骤1，根据实际滑坡的库水位周期性波动曲线，概化出实际单周期库水位波动曲线，并将所述实际单周期库水位波动曲线的时间轴按预设比例进行等比例压缩，生成试验单周期库水位波动曲线；根据所述试验单周期库水位波动曲线，生成试验多周期库水位波动曲线； [0058] 步骤2，根据所述实际滑坡所在地区的降雨量周期性直方图，获取实际单周期多雨期时间段和实际单周期少雨期时间段，将所述实际单周期多雨期时间段和实际单周期少雨期时间段按所述预设比例进行等比例压缩，生成试验单周期多雨期时间段和试验单周期少雨期时间段；多雨期时，雨水入渗与降雨诱发滑坡体后缘发生崩塌，均将引起滑坡体后缘推力的增加，因此令所述试验单周期多雨期时间段为所述模拟滑坡体的后缘推力加载期，所述试验单周期少雨期时间段为所述模拟滑坡体的后缘推力保持期，生成试验单周期滑坡体后缘推力曲线；根据力的叠加及所述试验单周期滑坡体后缘推力曲线，生成与所述试验多周期库水位波动曲线同时间段的试验多周期滑坡体后缘推力曲线； [0059] 步骤3，利用所述进水装置6和出水装置7控制所述蓄水区5的水位的升降，并使所述蓄水区5的水位符合所述试验多周期库水位波动曲线；利用所述推力加载装置8对所述模拟滑坡体4的后缘42进行推力的加载与保持，并使所述模拟滑坡体4的后缘推力符合所述试验多周期滑坡体后缘推力曲线；以实现利用所述试验系统模拟所述实际滑坡的滑坡演变。 [0060] 具体实施例，采用上述试验系统及方法对三峡库区宜昌市秭归县马家沟滑坡进行室内物理模型试验。试验中首先根据马家沟滑坡的滑床和滑坡体的岩土成分，分别对上述试验系统中模拟滑床3和模拟滑坡体4的岩土成分进行相似材料配比，制作上述试验系统的模拟滑床3和模拟滑坡体4。 [0061] 根据2010年1月1日至2016年1月1日，马家沟滑坡的库水位采集数据，绘制生成马家沟滑坡的库水位周期性波动曲线，如图4所示，从图4可以看出，由于三峡水库的运行，使库水位的波动以年为单周期保持周期性变化，变化趋势为：12月初库水位开始匀速下降，至次年6月初结束下降；接着低水位保持2个月；8月初库水位开始匀速上升，11月初结束上升；接着高水位保持1个月至12月初；根据此变化趋势可概化出马家沟滑坡的实际单周期库水位波动曲线，如图5所示；将此马家沟滑坡的实际单周期库水位波动曲线的时间轴进行等比例压缩，生成以60分钟为单周期的马家沟滑坡的试验单周期库水位波动曲线，如图6所示； 再根据此马家沟滑坡的试验单周期库水位波动曲线生成马家沟滑坡的试验多周期库水位波动曲线，如图11所示。 [0062] 根据2010年1月1日至2016年1月1日，马家沟滑坡所在地区的降雨量采集数据，绘制生成马家沟滑坡所在地区的降雨量周期性直方图，如图7所示，从图7可以看出，降雨量以年为单周期保持周期性变化，降雨多集中于4月初至10月初，此阶段降雨量可占全年总降雨量的60％至90％，因此，令4月初至10月初为马家沟滑坡的实际单周期多雨期时间段，1月初至4月初和10月初至次年1月初为马家沟滑坡的实际单周期少雨期时间段，如图8所示；将此马家沟滑坡的实际单周期多雨期时间段和实际单周期少雨期时间段，按与马家沟滑坡的实际单周期库水位波动曲线的时间轴压缩比例相同的比例进行等比例压缩，生成以60分钟为单周期的马家沟滑坡的试验单周期多雨期时间段和试验单周期少雨期时间段，如图9所示；结合马家沟滑坡的降雨量及地质情况，根据实际经验令试验单周期多雨期时间段内模拟滑坡体的后缘推力匀速增加400牛顿，生成马家沟滑坡的试验单周期滑坡体后缘推力曲线，如图10所示；再根据力的叠加及此试验单周期滑坡体后缘推力曲线，生成与马家沟滑坡的试验多周期库水位波动曲线同时间段的马家沟滑坡的试验多周期滑坡体后缘推力曲线，如图 11所示。 [0063] 利用上述试验系统的进水装置6和出水装置7控制蓄水区5的水位的升降，并使蓄水区5的水位符合马家沟滑坡的试验多周期库水位波动曲线；利用上述试验系统的推力加载装置8对模拟滑坡体4的后缘42进行推力的加载与保持，并使模拟滑坡体4的后缘推力符合马家沟滑坡的试验多周期滑坡体后缘推力曲线；从而实现利用上述试验系统模拟马家沟滑坡的滑坡演变。 |
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