CN109425723A - 地下水和降雨条件下边坡模拟及监测*** - Google Patents
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Abstract
一种地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，包括边坡模拟***和设置在其内的监测***，边坡模拟***上方设有降雨***，边坡模拟******设有地下水***，地下水***的顶部与降雨***相连接。降雨***用于实现边坡模拟***上方不同强度的降雨；地下水***用于实现边坡模拟***地下水分布及变化情况；监测***用于监测边坡模拟***在地下水和/或降雨条件下其内部孔压、应力、重力及位移变化情况。该边坡模拟及监测***中的降雨***、地下水***及边坡模拟***，既可独立工作，又可以协同配合工作，从而可在不同条件下监测边坡模拟***的变化情况，为工程设计提供可靠的实验数据和技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***。
背景技术
降雨和地下水作用对边坡的稳定性影响一直是岩土工程界关于滑坡研究的一个热点问题。水的渗流作用和软化作用对边坡的稳定性具有重要的影响。历史资料统计，80％-90％的滑坡复活及形成滑坡现象与水有关。一般而言，降雨和地下水的渗流活动是引起滑坡灾害发生的直接原因，也是最复杂和变化最频繁的因素。地下水渗流运动以及降雨入渗会引起坡体内部孔隙水压力升高，对岩体起到一定的物理化学软化作用。鉴于流-固耦合高度的复杂性和降雨-入渗-软化共同作用的强破坏性，研究地下水以及降雨入渗对边坡体的影响变得十分重要。本发明是“十三五”国家重点研发计划重点专项(2016YFC080250504)、国家自然科学基金(41472259)资助的研究成果。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，既可以在地下水或者降雨条件下进行单独模拟，又可以在地下水和降雨共同条件下模拟，从而可监测在不同条件下边坡模拟***变化情况，为有效研究流-固耦合复杂的边坡工程问题提供了可靠的实验装备。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，包括边坡模拟***和设置在其内的监测***，其特征是：所述边坡模拟***上方设有降雨***，边坡模拟******设有地下水***，地下水***的顶部与降雨***底部相连接；降雨***用于实现边坡模拟***上方不同强度的降雨；地下水***用于实现边坡模拟***地下水分布及变化情况；监测***用于监测边坡模拟***在地下水和/或降雨条件下其内部孔压、应力、重力及位移变化情况。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，所述边坡模拟***内还设有降温***，用于实现负温条件下边坡模拟***冻胀和融沉作用引起的边坡变形，同时受地下水和降雨作用下边坡变形情况。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，所述边坡模拟***的边坡上设有施压装置，用于模拟不同载荷变化下地下水和降雨作用对边坡稳定性的影响。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，所述降雨***包括水箱及与水箱连通的输水管；水箱的下表面设置多个喷头。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，所述地下水***包括具有夹层结构的箱体，该箱体一侧的夹层结构与降雨***的输水管连通；箱体内侧壁上设有第一出水孔；箱体另一侧夹层结构底部设有第二出水孔，第二出水孔的下方设有储水器。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，所述箱体内四周设有旋转风扇，用于模拟边坡模拟***自然风及不同风向、风速对降雨的影响。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，所述监测***包括多个孔压传感器、多个应力传感器、多个重力传感器及多个位移计；多个孔压传感器、多个应力传感器、多个重力传感器均设置在边坡模拟***内各测点处，用于对边坡模拟***内各测点孔隙水压力、重力、内部应力进行监测；多个位移计设置边坡模拟***边坡上，用于对边坡各测点处位移进行监测。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，所述降雨***，通过单位时间内进入水箱的水量与水箱的底面积大小来控制降雨量，即计算公式为：其中Q为进入水箱的水量，T为时间，A为储水器的底面积。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，所述边坡模拟***整体渗透系数，利用达西公式进行计算，即其中， Q'为第二出水孔流入储水器的水量，A为储水器底面积，L为边坡模拟***边坡长度，ΔH为水体损失，T为时间。
进一步，上述所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，根据监测***中位移计对边坡模拟***边坡各测点位移的监测，再根据无纲量位移公式计算，即可计算出边坡模拟***边坡最大位移；其中，E为最大位移测点处弹性模量，δmax为边坡测点的最大位移，γ为边坡体容重，H 为边坡高度。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明的地下水***、降雨***、边坡模拟***、降温***既可独立工作，又可以协同配合工作，从而能够监测边坡模拟***在不同条件下的变化情况，为有效研究流-固耦合复杂的边坡工程问题提供了可靠的实验装备；
(2)本发明的降雨***，可通过控制单位时间内进入水箱的水量与水箱底面积控制降雨量大小，进而模拟不同降雨强度等级条件下边坡变形破坏情况；
(3)本发明的监测***，可通过位移计对边坡模拟***各个测点位移的监测，计算出在不同的条件下边坡模拟***边坡最大位移值，从而判断边坡模拟***是否存在滑坡危险；
(4)本发明的地下水***，可通过改变箱体两侧夹层结构水位高低变化来模拟现场地下水分布及变化情况，简单易行。
附图说明
图1是本发明边坡模拟及监测***的主视图；
图2是本发明边坡模拟及监测***的侧视图。
图中：
1-水龙头，2-输水管，3-加压阀，4、5-控流器，6-第一止水阀，7-第二止水阀，8-风扇，9-水箱，10-喷头，11-地下水，12-第一出水孔，13-边坡， 14-千斤顶，15-位移计，16-雅克力板，17-金属滤网，18-孔塞，19-第二出水孔，20-数据采集仪，21-计算机，22-储水器，23-孔压传感器，24-应力传感器，25-重力传感器，26-冻结管，27-止水阀3，28-箱体
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
如图1、2所示，是本发明提供的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，包括边坡模拟***、设置在边坡模拟***上方的降雨***、设置在边坡模拟******的地下水***及设置在边坡模拟***内部的监测***和降温***，降雨***的下端与地下水***上端相连接，且两者可共用水源。
降雨***包括水箱9及与水箱9相连通的输水管2。水箱9的下表面设置多个喷头10，水从喷头10均匀喷出。水箱9上设有刻度，用来观察流出水量的变化。输水管2上依次设有水龙头1、加压阀3、两个控流器4、5、第一止水阀6及水表。第一止水阀6设置在水箱9内部，用于控制进入水箱的水量。加压阀3和控流器4、5均设置在水箱外部，用于控制水的流速。降雨***主要通过加压阀3和控流器4、5控制流速，然后通过水箱上的喷头喷出，从而实现边坡模拟***上方不同强度的降雨。
地下水***包括具有夹层结构的箱体28，该箱体28的顶端与水箱9底端通过连接件连接，连接处加橡胶止水条止水。箱体一侧的夹层结构与降雨***的输水管2相连通，箱体的内侧壁上设有第一出水孔12，从而输水管2 中的水源变成地下水11水头通过箱体夹层结构、第一出水孔12进入边坡模拟***，实现边坡模拟***地下水分布及变化情况。箱体的外侧壁上设有第二止水阀7，用于控制地下水水量。箱体另一侧夹层结构的内侧壁设有孔塞18，用于堵住出水口，底部设有第二出水孔19和止水阀27，第二出水孔19 的下方设有储水器22。由此，地下水可从箱体一侧夹层结构流入，从箱体另一侧夹层结构流出。为了保证流出水的清洁度，在该侧箱体的内壁上设有金属滤网17。箱体可采用透明的雅克力板16，三面固定、一面活动连接方式，以保证边坡模拟***的进出。箱体内四周安装有旋转的风扇8，可模拟现场边坡模拟***不同方向自然风以及降雨受风向影响情况，提高模拟相似度。箱体上设有刻度，用来观察地下水位的变化。由此，地下水***可通过改变箱体两侧夹层结构水位的高低来模拟现场地下水分布及变化情况。
降温***包括多个冷冻管26，均布在边坡模拟***内不同测点处，用于模拟冬季岩土体边坡负温条件下冻结冻胀和融沉作用引起边坡变形，同时受到地下水和降雨作用边坡变形情况。
监测***包括多个孔压传感器23、多个应力传感器24、多个重力传感器 25及多个位移计15；多个孔压传感器23、多个应力传感器24、多个重力传感器25均布在边坡模拟***内各测点上，用于对边坡模拟***孔隙各测点处水压力、重力、内部应力；多个位移计15均布在边坡模拟***的边坡13各测点处，用于对边坡13各测点处位移进行监测。多个孔压传感器23、多个应力传感器24、多个重力传感器25及多个位移计15均与箱体外部设置的数据采集仪20相连接，实时采集边坡模拟***内部各个指标的变化情况。数据采集仪20与计算机21连接，将数据传输给计算机21，计算计21通过计算，确定在不同条件下边坡模拟***是否发生滑坡事故。
边坡模拟***的边坡13上设有施压装置，该施压装置可采用千斤顶14，用于模拟不同荷载变化条件下地下水及降雨作用对边坡稳定性的影响。
边坡模拟***是结合理论以及现场实际坡体情况进行建立，即根据现场地质勘查资料，进行配比相似材料，模拟不同材料岩层，并进行了边坡岩土体加载力学模拟实验，从而增加了与现场实际情况的相似度。
另外，本发明的降雨***，可通过控制单位时间内进入水箱的水量与水箱底面积控制降雨量大小，进而模拟不同降雨强度等级条件下边坡变形情况，其计算公式为：其中Q为进入水箱的水量，T为时间，A为水箱的底面积。
本发明的边坡模拟***，可通过达西公式计算出该***整体渗透系数，即其中，Q'为第二出水孔流入储水器的水量，A为储水器底面积，L为边坡模拟***边坡长度，ΔH为水体损失，T为时间。由此可知，当渗透系数增大，孔隙水压增大，有效应力减小，边坡安全系数就会降低，边坡稳定性降低。
本发明的监测***，根据位移计对边坡模拟***边坡各测点位移的监测，再根据无量纲位移公式计算，即从而可计算出边坡模拟***最大位移；其中，E为最大位移测点处弹性模量，δmax为边坡测点的最大位移，γ为边坡体容重，H为边坡高度。由此可知，当边坡模拟***最大位移F突然增加时，可能出现滑坡事故。
下面对本***操作进行简单说明：
如图1、2所示，打开第一止水阀6和第二止水阀7，水通过水龙头1、输水管2到达水箱9和夹层结构，从而模拟不同强度的降雨和地下水。
当单独使用地下水***时，可关闭第一止水阀6，打开第二止水阀7，在夹层结构内进行水位的补给；当单独使用降雨***时，可关闭第二止水阀7，打开第一止水阀6，在水箱9中进行水量的补给；当模拟地下水和降雨***共同作用时，可以先打开第二止水阀7，进行地下水的补给，再打开第一止水阀6，进行降雨***的供给。
本发明的地下水和降雨条件下边坡相似模拟及监测***，并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
Claims (10)
1.一种地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，包括边坡模拟***和设置在其内的监测***，其特征是：所述边坡模拟***上方设有降雨***，边坡模拟******设有地下水***，地下水***的顶部与降雨***底部相连接；降雨***用于实现边坡模拟***上方不同强度的降雨；地下水***用于实现边坡模拟***地下水分布及变化情况；监测***用于监测边坡模拟***在地下水和/或降雨条件下其内部孔压、应力、重力及位移变化情况。
2.如权利要求1所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：所述边坡模拟***内还设有降温***，用于实现负温条件下边坡模拟***冻胀和融沉作用引起的边坡变形，同时受地下水和降雨作用下边坡变形情况。
3.如权利要求2所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：所述边坡模拟***上设有施压装置，用于模拟不同载荷变化下地下水和降雨作用对边坡稳定性的影响。
4.如权利要求1-3任一项所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：所述降雨***包括水箱(9)及与水箱(9)连通的输水管(2)；水箱(9)的下表面设置多个喷头(10)。
5.如权利要求4所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：所述地下水***包括具有夹层结构的箱体(28)，该箱体(28)一侧的夹层结构与降雨***的输水管(2)连通；箱体(28)内侧壁上设有第一出水孔(12)；箱体(28)另一侧夹层结构底部设有第二出水孔(19)，第二出水孔(19)的下方设有储水器(22)。
6.如权利要求5所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：所述箱体内四周设有旋转风扇(8)，用于模拟边坡模拟***自然风及不同风向、风速对降雨的影响。
7.如权利要求6所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：所述监测***包括多个孔压传感器(23)、多个应力传感器(24)、多个重力传感器(25)及多个位移计(15)；多个孔压传感器(23)、多个应力传感器(24)、多个重力传感器(25)均设置在边坡模拟***内各测点处，用于对边坡模拟***内各测点孔隙水压力、重力、内部应力进行监测；多个位移计(15)设置边坡模拟***边坡(13)上，用于对边坡(13)各测点处位移进行监测。
8.如权利要求4所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：所述降雨***，通过单位时间内进入水箱(9)的水量与水箱(9)的底面积大小来控制降雨量，即计算公式为：其中Q为进入水箱的水量，T为时间，A为水箱的底面积。
9.如权利要求5所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：所述边坡模拟***整体渗透系数，利用达西公式进行计算，即其中，Q'为第二出水孔流入储水器的水量，A为储水器底面积，L为边坡模拟***边坡长度，ΔH为水体损失，T为时间。
10.如权利要求7所述的地下水和降雨条件下边坡模拟及监测***，其特征是：根据监测***中的位移计对边坡模拟***边坡各测点位移的监测，再根据无纲量位移公式计算，即计算出边坡模拟***边坡最大位移；其中，E为最大位移测点处弹性模量，δmax为边坡测点的最大位移，γ为边坡体容重，H为边坡高度。
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