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一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统及试验方法

阅读：875发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统及试验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统和试验方法，主要用于研究波浪振动作用下海底滑坡的动力响应，揭示海底滑坡的孕育机制和破坏机理。其结构包括框架支撑结构、滑坡模拟装置、波浪模拟装置和滑坡监测装置，所述滑坡模拟机构包括模拟滑坡体和倾角调整机构，所述波浪模拟机构包括激振板和激振驱动机构，所述滑坡监测装置包括孔压监测计和位移传感器。本发明充分考虑了波浪荷载在海底滑坡中的重要作用，大量克服了大型港池试验和理论数值计算的缺点，可用于揭示在波浪荷载作用下海底滑坡的孕育机制和破坏机理。，下面是一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统及试验方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，其特征是，包括框架支撑结构、滑坡模拟装置、波浪模拟装置和滑坡监测装置，所述框架支撑结构包括玻璃容器，所述滑坡模拟机构包括模拟滑坡体(11)和倾角调整机构，所述波浪模拟机构包括激振板(17)和激振驱动机构，所述激振板(17)通过激振驱动机构设置于玻璃容器的顶部，模拟滑坡体(11)设置于玻璃容器的底部，倾角调整机构设置于模拟滑坡体(11)下方，所述滑坡监测装置包括孔压监测计(12)和位移传感器(13)，所述孔压监测计(12)预埋于所述模拟滑坡体(11)内，所述位移传感器(13)设置于模拟滑坡体(11)表面，所述孔压监测计(12)和位移传感器(13)用于模拟滑坡体(11)的动态响应的监测和记录。
2.根据权利要求1所述的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，其特征是，所述倾角调整机构包括螺旋飞轮(7)、飞轮横轴(5)、驱动电机(8)、滑动板(9)，所述模拟滑坡体(11)底部设置滑动板(9)，滑动板(9)设置有若干贯穿滑动板(9)上下表面的滑动板底孔(10)，飞轮横轴(5)横置于玻璃容器底部位于滑动板(9)下方，所述螺旋飞轮(7)设置于飞轮横轴(5)上，螺旋飞轮(7)顶靠滑动板(9)下方，驱动电机(8)通过飞轮横轴(5)驱动螺旋飞轮(7)旋转。
3.根据权利要求2所述的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，其特征是，玻璃容器底部设有两根平行的支撑梁(4)，所述飞轮横轴(5)横置于两根支撑梁(4)之间，飞轮横轴(5)设有横轴螺栓(6)与支撑梁(4)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，其特征是，所述的激振驱动机构包括牛腿梁(14)、支撑弹簧(15)、弹簧螺栓(16)、振动电机(20)，所述牛腿梁(14)设置在玻璃容器内侧，牛腿梁(14)上方设置支撑弹簧(15)，所述激振板(17)四角设置于支撑弹簧(15)顶端并通过弹簧螺栓(16)连接支撑弹簧(15)，所述振动电机(20)设置于激振板(17)顶部。
5.根据权利要求4所述的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，其特征是，激振板(17)顶部设有振动电机底板(18)，所述振动电机底板(18)和激振板(17)之间通过若干底板螺栓(19)固定连接，振动电机(20)设置于振动电机底板(18)上。
6.根据权利要求1所述的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，其特征是，所述框架支撑结构包括支撑柱(1)、支撑板(2)、玻璃容器和支撑梁(4)，支撑板(2)四角设置支撑柱(1)，支撑板(2)上方在支撑柱(1)之间设置有机玻璃(3)构成玻璃容器，支撑板(2)上方设置两根平行的支撑梁(4)。
7.一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟试验方法，其特征是，所述方法应用权利要求1-6中任一项所述的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，并包括以下步骤：
步骤1，模拟滑坡制备：采用ISO标准砂、重塑粘土和膨润土按照一定的配合比混合均匀，加适量水后充分搅拌；按照试验设定的形态，将充分搅拌的土料分层堆砌成模拟滑坡体(11)；
步骤2，监测设备安置：在模拟滑坡体(11)的分层堆砌过程中，按照试验设定的位置，布设孔压监测计(12)和位移传感器(13)；在模拟滑坡体(11)堆砌完成后，将全部的监测设备与主机连接，调试并获得初始监测数据，验证监测设备的完好；
步骤3，滑坡姿态调整：启动模拟滑坡装置的驱动电机(8)，将螺旋飞轮(7)转至合适位置，使得滑动板(9)调整至预定的倾角；
步骤4，振动系统安装：将波浪模拟系统的激振板(17)与支撑弹簧(15)，采用弹簧螺栓拧紧连接；
步骤5，试验设备注水：向试验装置内注水，当水位淹没模拟滑坡体(11)时，注意控制注水速率，从而减少注水过程对模拟滑坡体(11)的扰动影响，当水位达到预设高度后，停止注水，静置48h；
步骤6，滑坡过程模拟：将所有监测设备的监测数据清零，启动波浪模拟系统的振动电机，并将启动时间作为时间0点，通过孔压监测计(12)和位移传感器(13)动态监测试验过程中模拟滑坡体(11)各部位的孔隙水压力和位移变形情况，直至到达预设试验时间或模拟滑坡体(11)失稳破坏后，结束试验；
步骤7，监测数据处理：以时间为横坐标，以位移为纵坐标，建立时间-位移坐标系，在时间-位移坐标系中绘制位移传感器(13)的监测数据曲线，从而研究在波浪荷载作用下，模拟滑坡体(11)不同位置的位移变形发展情况；以时间为横坐标，以孔压为纵坐标，建立时间-孔压坐标系，在时间-孔压坐标系中绘制孔压监测计(12)的监测数据曲线，从而研究在波浪荷载作用下，模拟滑坡体(11)不同位置的孔隙水压力的累积分布情况；根据时间-位移曲线的识别出滑坡失稳的时间点tf，在时间-孔压曲线中时间点tf对应的孔隙水压力pf，即是该试验条件下模拟滑坡体(11)的累积孔压阈值。在波浪荷载作用过程中，海底模拟滑坡体(11)内的累积孔压没有超过阈值pf时，则不会发生失稳破坏；当海底模拟滑坡体(11)内的累积孔压超过阈值pf时，则会触发海底滑坡失稳破坏；
步骤8，重复模拟试验：根据试验需求，可以改变土料配合比，振动荷载振幅，振动荷载频率和滑动板(9)倾角等影响因素，再次按照步骤1～7重复开展试验，研究不同试验情况下海底滑坡的累积孔压阈值。

说明书全文

一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统及试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋地质灾害技术领域，具体涉及一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，主要用于研究在波浪荷载作用下，海底滑坡的动力响应及触发机制。

背景技术

[0002] 海底滑坡作为一种极具破坏力的海洋地质灾害，对海底光缆、风电桩基、港口码头和钻井平台等近海工程具有重大的破坏作用，给沿海地区发展和人民生命财产安全带来不可估量的损失。由于海底滑坡的赋存环境与陆地滑坡有明显区别，海底滑坡的成因机制和触发因素均较为复杂。因此，近年来海底滑坡的相关研究逐步成为海洋工程学科和海洋灾害学科的研究热点，研究表明波浪振动作用是触发海底滑坡，尤其是近海海底滑坡的一个重要影响因素。波浪振动荷载对海底滑坡的影响主要分为两个方面：1、波浪作为一种振动荷载，在其传播过程中引起滑坡体受力条件的改变，循环增加滑坡体的下滑作用力，从而降低滑坡体的稳定性；2、波浪作为一种循环荷载，在其传播时引起滑坡体内的孔压改变，包括瞬时孔压和累计孔压，降低土体有效强度，从而进一步降低滑坡体的稳定性。

[0003] 目前，学术界研究波浪对海底滑坡影响的主要手段为：理论算法、数值模拟和大型港池物理模型试验。然而，理论算法和数值模拟受限于较多的假设前提，致使其研究结果与工程实际的匹配程度较低；大型港池物理模型试验是现阶段开展海底滑坡相关研究最为直观和可靠的方法，但是其具有成本高、周期长等缺点。目前尚未有实验室尺度的小型物理模拟设备，可用于开展波浪荷载对海波滑坡影响的试验研究。

发明内容

[0004] 本发明为了克服现有技术中理论计算和数值模拟的缺点，避免大型港池物理模型试验成本高、周期长的不足，提供一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统及试验方法，用于研究波浪荷载作用下，海底滑坡的动力响应及触发机制。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 本发明的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，包括框架支撑结构、滑坡模拟装置、波浪模拟装置和滑坡监测装置，所述框架支撑结构包括玻璃容器，所述滑坡模拟机构包括模拟滑坡体和倾角调整机构，所述波浪模拟机构包括激振板和激振驱动机构，所述激振板通过激振驱动机构设置于玻璃容器的顶部，模拟滑坡体设置于玻璃容器的底部，倾角调整机构设置于模拟滑坡体下方，所述滑坡监测装置包括孔压监测计和位移传感器，所述孔压监测计预埋于所述模拟滑坡体内，所述位移传感器设置于模拟滑坡体表面，所述孔压监测计和位移传感器用于模拟滑坡体的动态响应的监测和记录。

[0007] 作为优选，所述倾角调整机构包括螺旋飞轮、飞轮横轴、驱动电机、滑动板，所述模拟滑坡体底部设置滑动板，滑动板设置有若干贯穿滑动板上下表面的滑动板底孔，飞轮横轴横置于玻璃容器底部位于滑动板下方，所述螺旋飞轮设置于飞轮横轴上，螺旋飞轮顶靠滑动板下方，驱动电机通过飞轮横轴驱动螺旋飞轮旋转。

[0008] 作为优选，玻璃容器底部设有两根平行的支撑梁，所述飞轮横轴横置于两根支撑梁之间，飞轮横轴设有横轴螺栓与支撑梁固定连接。

[0009] 作为优选，所述的激振驱动机构包括牛腿梁、支撑弹簧、弹簧螺栓、振动电机，所述牛腿梁设置在玻璃容器内侧，牛腿梁上方设置支撑弹簧，所述激振板四角设置于支撑弹簧顶端并通过弹簧螺栓连接支撑弹簧，所述振动电机设置于激振板顶部。

[0010] 作为优选，激振板顶部设有振动电机底板，所述振动电机底板和激振板之间通过若干底板螺栓固定连接，振动电机设置于振动电机底板上。

[0011] 作为优选，所述框架支撑结构包括支撑柱、支撑板、玻璃容器和支撑梁，支撑板四角设置支撑柱，支撑板上方在支撑柱之间设置有机玻璃构成玻璃容器，支撑板上方设置两根平行的支撑梁。

[0012] 本发明同时提供一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟试验方法，所述方法应用上述的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，并包括以下步骤：

[0013] 步骤1，模拟滑坡制备：采用ISO标准砂、重塑粘土和膨润土按照一定的配合比混合均匀，加适量水后充分搅拌；按照试验设定的形态，将充分搅拌的土料分层堆砌成模拟滑坡体；

[0014] 步骤2，监测设备安置：在模拟滑坡体的分层堆砌过程中，按照试验设定的位置，布设孔压监测计和位移传感器；在模拟滑坡体堆砌完成后，将全部的监测设备与主机连接，调试并获得初始监测数据，验证监测设备的完好；

[0015] 步骤3，滑坡姿态调整：启动模拟滑坡装置的驱动电机，将螺旋飞轮转至合适位置，使得滑动板调整至预定的倾角；

[0016] 步骤4，振动系统安装：将波浪模拟系统的激振板与支撑弹簧，采用弹簧螺栓拧紧连接；

[0017] 步骤5，试验设备注水：向试验装置内注水，当水位淹没模拟滑坡体时，注意控制注水速率，从而减少注水过程对模拟滑坡体的扰动影响，当水位达到预设高度后，停止注水，静置48h；

[0018] 步骤6，滑坡过程模拟：将所有监测设备的监测数据清零，启动波浪模拟系统的振动电机，并将启动时间作为时间0点，通过孔压监测计和位移传感器动态监测试验过程中模拟滑坡体各部位的孔隙水压力和位移变形情况，直至到达预设试验时间或模拟滑坡体失稳破坏后，结束试验；

[0019] 步骤7，监测数据处理：以时间为横坐标，以位移为纵坐标，建立时间-位移坐标系，在时间-位移坐标系中绘制位移传感器的监测数据曲线，从而研究在波浪荷载作用下，模拟滑坡体不同位置的位移变形发展情况；以时间为横坐标，以孔压为纵坐标，建立时间-孔压坐标系，在时间-孔压坐标系中绘制孔压监测计的监测数据曲线，从而研究在波浪荷载作用下，模拟滑坡体不同位置的孔隙水压力的累积分布情况；根据时间-位移曲线的识别出滑坡失稳的时间点tf，在时间-孔压曲线中时间点tf对应的孔隙水压力pf，即是该试验条件下模拟滑坡体的累积孔压阈值。在波浪荷载作用过程中，海底模拟滑坡体内的累积孔压没有超过阈值pf时，则不会发生失稳破坏；当海底模拟滑坡体内的累积孔压超过阈值pf时，则会触发海底滑坡失稳破坏；

[0020] 步骤8，重复模拟试验：根据试验需求，可以改变土料配合比，振动荷载振幅，振动荷载频率和滑动板倾角等影响因素，再次按照步骤1～7重复开展试验，研究不同试验情况下海底滑坡的累积孔压阈值。

[0021] 本发明的有益效果是：

[0022] 1、实现了一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，充分考虑了波浪荷载在海底滑坡中的重要作用，克服了理论计算和数值模拟的缺点，可基于海底滑坡的实际地质条件和海况条件，开展多种组合工况下的海底滑坡模拟试验。

[0023] 2、克服了大型港池试验成本高、周期长的缺点，将波浪振动荷载简化为简谐振动荷载，并通过激振板和支撑弹簧的组合使用传递简谐振动荷载，在不改变力学本质的前提下，实现了试验装置的小型化和简便化，大幅提高了实验设备的可操作性。

[0024] 3、通过驱动电机和螺旋飞轮的组合使用，使得模拟滑坡体的姿态在一定范围内精确可调，便于开展不同地质条件下的海底滑坡模拟试验；在滑动板内开设滑动板气孔，从而有效避免了滑动板和模拟滑坡体接触面上的孔压累积，大幅提高了模拟试验的准确性。

[0025] 4、采用孔压监测计和位移传感器的联合动态监测，充分反映了模拟滑坡体在波浪荷载作用下的动力响应，为海底滑坡的孕育机制和破坏机理研究提供了强有力的数据支撑。附图说明

[0026] 图1是本发明的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统的正视图。

[0027] 图2是本发明的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统的俯视图。

[0028] 图3是本发明的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统的左视图。

[0029] 图4是本发明的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统的剖视图。

[0030] 图中标号：1：支撑柱；2：支撑板；3：有机玻璃；4：支撑梁；5：飞轮横轴；6：横轴螺栓；7：螺旋飞轮；8：驱动电机；9：滑动板；10：滑动板底孔；11：模拟滑坡体；12：孔压监测计；13：
位移传感器；14：牛腿梁；15：支撑弹簧；16：弹簧螺栓；17：激振板；18：振动电机底板；19：底板螺栓；20：振动电机。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

[0032] 如图1、图2、图3、图4所示，本发明的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，包括框架支撑结构、滑坡模拟装置、波浪模拟装置和滑坡监测装置，所述框架支撑结构包括玻璃容器，所述滑坡模拟机构包括模拟滑坡体11和倾角调整机构，所述波浪模拟机构包括激振板17和激振驱动机构，所述激振板17通过激振驱动机构设置于玻璃容器的顶部，模拟滑坡体11设置于玻璃容器的底部，倾角调整机构设置于模拟滑坡体11下方，所述滑坡监测装置包括孔压监测计12和位移传感器13，所述孔压监测计12预埋于所述模拟滑坡体11内，所述位移传感器13设置于模拟滑坡体11表面，所述孔压监测计12和位移传感器13用于模拟滑坡体11的动态响应的监测和记录。

[0033] 所述的模拟坡体是采用ISO标准砂、重塑粘土和膨润土按照一定的配合比混合均匀，加适量水后充分搅拌；按照试验设定的形态，将充分搅拌的土料分层堆砌成。

[0034] 所述框架支撑结构包括支撑柱1、支撑板2、玻璃容器和支撑梁4，支撑板2四角设置支撑柱1，支撑板2上方在支撑柱1之间设置有机玻璃3构成玻璃容器，支撑板2上方设置两根平行的支撑梁4。

[0035] 所述倾角调整机构包括螺旋飞轮7、飞轮横轴5、驱动电机8、滑动板9、滑动板底孔10，所述模拟滑坡体11底部设置滑动板9，滑动板9设置有若干贯穿滑动板9上下表面的滑动板底孔10，飞轮横轴5横置于玻璃容器底部位于滑动板9下方，所述螺旋飞轮7设置于飞轮横轴5上，螺旋飞轮7顶靠滑动板9下方，驱动电机8通过飞轮横轴5驱动螺旋飞轮7旋转。所述飞轮横轴5横置于两根支撑梁4之间，飞轮横轴5设有横轴螺栓6与支撑梁4固定连接。

[0036] 所述的激振驱动机构包括牛腿梁14、支撑弹簧15、弹簧螺栓16、振动电机20，所述牛腿梁14设置在玻璃容器内侧，牛腿梁14上方设置支撑弹簧15，所述激振板17四角设置于支撑弹簧15顶端并通过弹簧螺栓16连接支撑弹簧15，所述振动电机20设置于激振板17顶部。激振板17顶部设有振动电机底板18，所述振动电机底板18和激振板17之间通过若干底板螺栓19固定连接，振动电机20设置于振动电机底板18上。

[0037] 本发明同时提供一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟试验方法，所述方法应用上述的一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，并包括以下步骤：

[0038] 步骤1，模拟滑坡制备：采用ISO标准砂、重塑粘土和膨润土按照一定的配合比混合均匀，加适量水后充分搅拌；按照试验设定的形态，将充分搅拌的土料分层堆砌成模拟滑坡体11；

[0039] 步骤2，监测设备安置：在模拟滑坡体11的分层堆砌过程中，按照试验设定的位置，布设孔压监测计12和位移传感器13；在模拟滑坡体11堆砌完成后，将全部的监测设备与主机连接，调试并获得初始监测数据，验证监测设备的完好；

[0040] 步骤3，滑坡姿态调整：启动模拟滑坡装置的驱动电机8，将螺旋飞轮7转至合适位置，使得滑动板9调整至预定的倾角；

[0041] 步骤4，振动系统安装：将波浪模拟系统的激振板17与支撑弹簧15，采用弹簧螺栓16拧紧连接；

[0042] 步骤5，试验设备注水：向试验装置内注水，当水位淹没模拟滑坡体11时，注意控制注水速率，从而减少注水过程对模拟滑坡体11的扰动影响，当水位达到预设高度后，停止注水，静置48h；

[0043] 步骤6，滑坡过程模拟：将所有监测设备的监测数据清零，启动波浪模拟系统的振动电机20，并将启动时间作为时间0点，通过孔压监测计12和位移传感器13动态监测试验过程中模拟滑坡体11各部位的孔隙水压力和位移变形情况，直至到达预设试验时间或模拟滑坡体11失稳破坏后，结束试验；

[0044] 步骤7，监测数据处理：以时间为横坐标，以位移为纵坐标，建立时间-位移坐标系，在时间-位移坐标系中绘制位移传感器13的监测数据曲线，从而研究在波浪荷载作用下，模拟滑坡体11不同位置的位移变形发展情况；以时间为横坐标，以孔压为纵坐标，建立时间-孔压坐标系，在时间-孔压坐标系中绘制孔压监测计12的监测数据曲线，从而研究在波浪荷载作用下，模拟滑坡体11不同位置的孔隙水压力的累积分布情况；根据时间-位移曲线的识别出滑坡失稳的时间点tf，在时间-孔压曲线中时间点tf对应的孔隙水压力pf，即是该试验条件下模拟滑坡体11的累积孔压阈值。在波浪荷载作用过程中，海底模拟滑坡体11内的累积孔压没有超过阈值pf时，则不会发生失稳破坏；当海底模拟滑坡体11内的累积孔压超过阈值pf时，则会触发海底滑坡失稳破坏；

[0045] 步骤8，重复模拟试验：根据试验需求，可以改变土料配合比，振动荷载振幅，振动荷载频率和滑动板9倾角等影响因素，再次按照步骤1～7重复开展试验，研究不同试验情况下海底滑坡的累积孔压阈值。

[0046] 本发明实现了一种基于波浪振动作用的海底滑坡模拟系统，充分考虑了波浪荷载在海底滑坡中的重要作用，克服了理论计算和数值模拟的缺点，可基于海底滑坡的实际地质条件和海况条件，开展多种组合工况下的海底滑坡模拟试验。

[0047] 本发明克服了大型港池试验成本高、周期长的缺点，将波浪振动荷载简化为简谐振动荷载，并通过激振板17和支撑弹簧15的组合使用传递简谐振动荷载，在不改变力学本质的前提下，实现了试验装置的小型化和简便化，大幅提高了实验设备的可操作性。

[0048] 本发明通过驱动电机8和螺旋飞轮7的组合使用，使得模拟滑坡体11的姿态在一定范围内精确可调，便于开展不同地质条件下的海底滑坡模拟试验；在滑动板9内开设滑动板9气孔，从而有效避免了滑动板9和模拟滑坡体11接触面上的孔压累积，大幅提高了模拟试验的准确性。

[0049] 本发明采用孔压监测计12和位移传感器13的联合动态监测，充分反映了模拟滑坡体11在波浪荷载作用下的动力响应，为海底滑坡的孕育机制和破坏机理研究提供了强有力的数据支撑。

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