CN111796071A - 降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，包括离心分层渗流模型箱、降雨模拟控制***、坡体含水率监测***、坡体受力变形监测***和高速摄像***；离心分层渗流模型箱内设置高陡边坡模型，降雨模拟控制***设置在离心分层渗流模型箱上端并向下正对高陡边坡模型，坡体含水率监测***和坡体受力变形监测***的检测传感器设置在高陡边坡模型内部，高速摄像***设置在离心分层渗流模型箱内并正对高陡边坡模型。本发明试验***的通用性强，可广泛适用于各类工况的边坡模型；各种坡度和开挖、加固形式的边坡模型均可进行试验测试。

Description

降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***。

背景技术

藏东南某铁路工程铁路走行于高海拔、寒冷地区，该地区断裂、构造极为复杂、地震烈度高且频发，地形地貌十分复杂，地质条件较极差，如滑坡、崩塌、泥石流、岩溶和地震等地质灾害在该区内发生频率极高，沿线隧道洞口多位于高陡边坡上，洞口以上边坡最高可达800m，边坡岩体破碎，风化强烈，稳定性差。这对藏东南某铁路工程的顺利建设和安全运营提出了严峻的挑战。

现有诱发高陡边坡地质灾害的主要因素包括地震、施工开挖和降水入渗等。降水入渗诱发滑坡灾害占滑坡灾害的很大比例。研究降雨作用下坡面渗流与坡体内部水分场的改变对于确定边坡失稳临界条件具有积极意义。国内研究者对高陡边坡一般指高于50m的自然边坡，而如藏东南某铁路工程所遇到的500m以上的高陡边坡，工程案例极少。尤其藏东南某铁路工程处于高海拔地区，目前国内关于高陡边坡破坏形式、稳定性评价、工程防护措施等均不适用。土工离心模型试验能够模拟坡体真实应力场条件，但现有的室内边坡降雨试验***多为常重力环境下的试验装置，无法真实还原坡体原型应力场，无法满足模型试验相似条件。现有离心试验***仅适用一般边坡不考虑降水因素的试验要求，无法满足开展降雨条件下高陡边坡受力变形特性的测试需求。因此，亟需一套能够适用于降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，开展降雨作用下高陡边坡受力变形失稳机制研究。

当前，国内外降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***存在以下不足：

1)多数降雨模型试验在常重力条件模拟，无法还原原型坡体的真实应力场；

2)离心机内降雨条件模拟较为困难，多用其他近似渗流条件代替模拟，失去还原坡体降雨渗流的真实性；

3)现有少数离心机降雨***无法精确控制降雨强度与持时，准确还原原型边坡降雨条件；

4)现有模型试验设备无法用于模拟高陡边坡降雨入渗边界条件，容易产生较大渗流边界干扰影响实验模拟的真实性；

5)对于降雨条件下高陡边坡坡面径流和坡面入渗过程缺乏***研究，高陡边坡内部渗流场变化带来的坡体受力和变形机制尚不明确，无法确定坡体的变形失稳判据；

6)现有实验监测降雨边坡坡体内部参数多为只有含水率等简单参数的记录，未能取得对坡体内部水分场、应力场以及坡体外部表观变形的***性监测和记录；

7)现有离心模型试验***影像记录较为粗略，缺少能够量化坡表裂缝发展和坡体变形破坏过程的全过程的影像记录***。

发明内容

本专利的目的是提供一种降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，解决现有技术中的不足。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，包括离心分层渗流模型箱、降雨模拟控制***、坡体含水率监测***、坡体受力变形监测***和高速摄像***；所述离心分层渗流模型箱内设置高陡边坡模型，降雨模拟控制***设置在离心分层渗流模型箱上端并向下正对高陡边坡模型，坡体含水率监测***和坡体受力变形监测***的检测传感器设置在高陡边坡模型内部，高速摄像***设置在离心分层渗流模型箱内并正对高陡边坡模型。

进一步的，降雨模拟控制***包括储水罐、储水罐水位变送器、高压微型水泵、电磁阀、微型流量计、高压雾化降雨喷头、喷头固定支架和DC调速器；所述高压雾化降雨喷头有多组，设置在喷头固定支架上；多组高压雾化降雨喷头向下正对测试坡体。

进一步的，所述离心分层渗流模型箱包括铝制模型箱、有机玻璃侧壁和箱体上盖，铝制模型箱的内部设置分层隔水底板和带孔坡脚支架；所述带孔坡脚支架设置在高陡边坡模型坡脚，分层隔水底板上设置渗流孔，分层隔水底板将离心分层渗流模型箱底部分隔出一个隔水底板下部空间。

进一步的，所述坡体含水率监测***主要包括埋设于高陡边坡模型内部的多组EC-5含水率传感器、土壤基质吸力传感器，设置在隔水底板下部空间内的隔水板下水位传感器，多通道数据采集仪和计算机。

进一步的，所述坡体受力变形监测***主要包括埋设于高陡边坡模型内部的数组土压力传感器、光纤光栅和安置于高陡边坡模型坡面的三个非接触式红外位移传感器。

进一步的，所述高速摄像***包括摄像机固定支架和高速摄像机，摄像机固定支架设置在离心分层渗流模型箱内部，高速摄像机正对高陡边坡模型的坡面。

进一步的，所述带孔坡脚支架内部设置过滤海绵。

进一步的，所述分层隔水底板为铝制，分层隔水底板通过多个矩形支脚支撑在离心分层渗流模型箱底部。

进一步的，所述渗流孔设置在分层隔水底板靠近坡脚的一侧，其数目为16个。

进一步的，所述高压雾化降雨喷头设置有组，分三排设置在喷头固定支架上。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)、本发明试验***的通用性强，可广泛适用于各类工况的边坡模型。各种坡度和开挖、加固形式的边坡模型均可进行试验测试。

(2)、本发明的分级降雨模拟反馈***主要由储水罐、微型高压水泵、电磁阀、微型流量计、高压雾化降雨喷头、喷头支架以及相关供水管路组成。实现了离心加载过程中对降雨强度与持时的实时精准调控。

(3)、降雨喷头支架由不锈钢丝杠、橡胶支座、正反丝螺母和固定夹组成。整个支架通过锁紧正反丝螺母进行伸缩，支撑固定于模型箱两侧壁之间。固定方式简单且牢固可靠，能够灵活调整位置。丝杠上设有可滑动的喷头固定夹，可以自由调节喷头位置。

(4)、本发明的坡体含水率监测***主要包括埋设于边坡模型内部若干含水率传感器、箱底高精度水位传感器、静态数据采集仪和供实时监测记录数据的计算机，以及上述所有传感器与数据采集仪相连接的数据线和与之配套的各种信号放大器。可监测不同降雨工况下坡体内水分场的实时响应情况，获取高陡边坡坡体含水率与基质吸力间的水土特征曲线关系。配合隔水板底部水位传感器能够量化降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量大小，对水分在高陡边坡表面和内部的演化路径进行研究。

(5)、本发明的坡体受力变形监测***通过埋设于高陡边坡模型内部数组土压力传感器26、光纤光栅27和安置于坡面的三个非接触式红外位移传感器19对降雨条件下高陡边坡模型的内部受力和内外部变形进行实时监测，能够有效监测和记录高陡边坡受力变形失稳的演变的全过程。

(6)、本发明的分层隔水底板下部具有50mm高度空间，底板靠近坡脚一侧设有数个渗流孔。坡脚处设有带孔坡脚支架，内部填充过滤海绵，起到吸收并过滤坡脚聚集水分的作用。这些构件共同作用，储存从坡面径流下的多余水分，减少水分汇集于坡脚，消除了由于坡脚入渗对于试验的影响，有效还原了高陡边坡降雨入渗边界工况。

(7)、本发明的高速摄像***包括位于高陡边坡模型正面的高速摄像机以及固定支架组成。高速摄像机能有效记录整个坡面的雨水入渗与坡面冲刷情况，捕捉坡表裂缝发展、延伸和贯通情况，监测高陡边坡坡体的失稳演变过程，为确定降雨入渗条件下坡体失稳模式提供依据。

(8)、本发明构思独特，创新性强，结构合理，功能完善。本***自动化完整度高，信息化水平较高，可通过较少成本改造现有离心机设备进行试验。本***通用性强，模型制作有完整工艺流程可供参照，可运用于降雨条件下高陡边坡受力变形特性的研究。本发明一定程度上提高了离心模型试验***技术的标准与技术水平。

附图说明

图1为本发明***的结构图；

图2为本发明***工作方式正视图；

图3为模型箱底部分层隔水底板结构布置图；

图4为降雨***喷头支撑杆支架与喷头结构图；

图中，1-储水罐，2-高压微型水泵，3-电磁阀，4-微型流量计，5-高压雾化降雨喷头，6-喷头固定支架，7-DC调速器，8-储水罐水位变送器，9-铝制模型箱，10-有机玻璃侧壁，11-箱体上盖，12-分层隔水底板，13-带孔坡脚支架，14-过滤海绵；15-渗流孔，16-隔水底板下部空间，17-EC-5含水率传感器，18-土壤基质吸力传感器，19-红外位移传感器，20-多通道数据采集仪，21-计算机，22-摄像机固定支架，23-高速摄像机；24-高陡边坡模型；25-隔水板下水位传感器，26-土压力传感器，27-光纤光栅，28-光电信号转换器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附和实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，以解决上述现有技术存在的问题。本发明依托相似理论，降雨构件构思独特，结构布置合理，功能完善。能够开展降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试，可运用于确定降雨条件下高陡边坡受力变形失稳临界条件，为探究降降雨条件下高陡边坡受力变形特性提供了技术和思路。

为使本发明的上述目的、特征、构造和创新点能够更加易懂，结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1-4所示，本发明提供了一种降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，该***包括离心分层渗流模型箱、降雨模拟控制***、坡体含水率监测***、坡体受力变形监测***和高速摄像***；所述离心分层渗流模型箱内设置高陡边坡模型24，降雨模拟控制***设置在离心分层渗流模型箱上端并向下正对高陡边坡模型24，坡体含水率监测***和坡体受力变形监测***的检测传感器设置在高陡边坡模型24内部，高速摄像***设置在离心分层渗流模型箱内并正对高陡边坡模型24。

离心分层渗流模型箱包括模型箱体9、有机玻璃侧壁10、箱体上盖11、分层隔水底板12以及带孔坡脚支架13。模型箱体9的侧面安装有机玻璃侧壁10。侧壁与模型箱螺栓固定并用胶圈密封，方便模型制作和试验后清理。

在一个具体的实施例中，隔水底板12为15mm厚整块铝板制作，下部为10个50mm×30mm×200mm矩形支脚，整体尺寸长×宽×高为800mm×600m×700m，底板储水空间16净高50mm储存从坡面径流下的多余水分，减少了水分于坡脚的大量汇集。底板靠近坡脚一侧设有数个渗流孔15。坡脚处还设有带孔坡脚支架13，长×宽×高600mm×100mm×100mm。

在一个具体的实施例中，坡脚处带孔坡脚支架13为铝制，长×宽×高600mm×100mm×100mm。正对坡脚面上开孔，便于水分进入。为防止土体堵塞，需覆盖80目纱网。支架后部填充过滤海绵14以过滤坡脚聚集的水分，以防止隔水底板渗流孔15堵塞。

降雨模拟控制***主要由储水罐1、储水罐水位变送器8、高压微型水泵2、电磁阀3、微型流量计4、高压雾化降雨喷头5、喷头固定支架6、DC调速器7等构成，如图2所示。降雨模拟控制***可随所需降雨强度调整水泵功率和送水时间，达到模拟特定降雨强度与持时的要求。

在一个具体的实施例中，微型高压水泵2最大功率为180W，最大工作压强为1.5MPa。微型高压水泵2的长×宽×高尺寸为200mm×100mm×80mm，固定于模型箱上盖11顶部。

在一个具体的实施例中，微型流量计4是一种采用涡轮原理，用于测量微小流量，具有精度高、稳定性强的特点。其工作压力最高2MPa，口径1.5mm，测量范围0.015-1.8L/min，精度±2％。

在一个具体的实施例中，高压雾化降雨喷头5主体和顶针为不锈钢制成，喷口为陶瓷激光开孔，孔径0.3mm，弹簧压力适中可适用于较大压力范围。喷头相关供水管路接头为黄铜镀镍，牢固耐用，供水管路使用直径9.5mm的硬质PU管。

降雨喷头支架6由不锈钢丝杠，橡胶支座和喷头固定架组成。通过锁紧丝杠螺母进行伸缩，支架长度调节范围55-65cm。支架撑开后紧紧抵住模型箱侧壁，牢固固定高压雾化降雨喷头5。此支架***固定方式简单且牢固可靠，支架丝杠上设有可滑动的喷头固定夹，便于调节喷头位置。喷雾范围部分重叠使得降雨均匀性更好。

微型高压水泵2将纯净水从储水罐1引出，水流过泵后进入微型流量计4，而后进入喷头供水管路，由高压雾化降雨喷头5喷出。微型高压水泵2控制线数据通道接到控制室的数据采集仪20。试验时根据采集到的微型流量计4得到的流量数据实时调整降雨强度，使用DC调速器7调整供水速率以达到试验工况所需降雨强度要求。

坡体含水率监测***主要包括坡体内部埋设的EC-5含水率传感器17、土壤基质吸力传感器18和隔水板底部水位传感器25、以及静态数据采集处理仪20与控制室计算机21。

EC-5含水率传感器17壤基质吸力传感器18和在坡体内部延深度呈不均匀分布，靠近坡面布置较为密集，坡体内部则较为稀疏。主要是考虑到坡面雨水入渗特点，这样的布置方式较为合理。含水率传感器和土壤基质吸力传感器对应埋入，所得数据互为对应，可得到实时的水土特征曲线。

光纤光栅27在坡体内部延横纵向均匀布置，实验过程通过监测光路改变能够精确得到坡体内部形变数据。光纤光栅***还包括自带的光信号发生器和信号接收器28，将光信号转换为电信号连接输入数据处理仪20中。

隔水底板下储水空间16贴近模型箱底部，安装水位传感器25，用于监测坡面径流汇聚的水量，与含水率传感器17协同工作量化降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量大小，研究降雨在坡面渗流过程和演进路径，揭示水分入渗对坡体稳定性的影响过程。

土压力传感器26埋设于高陡边坡模型24内部，实时监测坡体由降雨引发的内部受力变化；三个非接触式红外位移传感器19放置于坡体正面和坡顶，用于检测坡面水平位移和坡顶竖向位移；由坡体内部的光纤光栅27监测坡体内部形变。

数据采集仪20放置于离心机控制室，通过离心机预留信号通道连接模型箱内各类传感器，其中包括EC-5含水率传感器17、隔水板底部水位传感器18、土压力传感器26、储水罐水位变送器8、微型流量计4、红外位移传感器19、光纤光栅27等。

高速摄像***包括位于模型箱内部的高速摄像机23以及固定于箱体上盖11的高速摄像机支架22。高速摄像机23自带大容量存储，本身还可通过局域网的方式将所摄内容无线实时传输于手机等其他移动设备。而且其自带的防抖稳定功能也保证了能有效客服试验时箱体内部的抖动等不利条件，有效的记录试验坡体的整个雨水入渗与坡面冲刷情况，记录坡表裂缝发展、延伸、贯通情况，记录高陡边坡坡体失稳完整过程。

本发明降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***的具体操作步骤如下：

1.根据现场工点的地质勘察资料，室内测试岩土体材料的物理力学参数。挑选模型材料遵循模型试验相似理论，模拟不同坡体地层结构的物理力学参数。试验前应提前配置所需模型土样，并密封静置48小时。

2.安装分层隔水底板12以及下部水位传感器25。安装有机玻璃侧壁10，并用玻璃胶密封缝隙，防止漏水。安装带孔坡脚支架13，支架后填充过滤海绵14。

3.分层分块填筑坡体模型并压实。填筑时埋设EC-5含水率传感器17、土壤基质吸力传感器18和土压力传感器26。在坡体内部横纵向均匀布设光纤光栅27，根据模型设计密度称量所需土样，逐次填入并压实。

4.模型整体填筑完成后使用削坡法，根据预留坡面线削去多余土体，引出各类传感器信号线，完成高陡边坡坡体模型的制作。

5.根据降雨均匀度要求，确定高压雾化喷头5位置和布置间距，固定喷头支架6位置。将支架固定于模型箱两侧壁，用扳手锁紧正反丝螺母固定。之后调整喷头固定夹角度和间距，使得各喷头的降雨覆盖面在坡面处部分叠加，保证坡面降雨的均匀度。

6.安装箱体上盖11，使用龙门吊将箱体上盖11吊起，将高速摄像机23安装于上盖下部。将箱体上盖缓慢吊装到位，将模型箱内信号线以及供水管路从上盖开孔处引出。将储水罐1、微型高压水泵2、电磁阀3、微型流量计4、使用螺栓固定于上盖预留位置，将管路连接并测试连通状态。用螺栓锁紧上盖，使用密封膜密封上盖开孔处。

7.将模型箱整体吊入离心机转臂吊篮并固定，连接各信号线路与端口，从控制室引出端口并连接静态数据采集处理仪27，并查看采集情况。检测各类传感器工作情况，检测微型高压水泵2工作状况。查看影像***拍摄情况。关闭离心机室，正式试验前静置模型48小时。

8.离心机开机达到预定转速后进入正式试验阶段。保持离心机预定转速稳定，使模型初始固结1小时，而后开启降雨***对不同雨强和持时进行模拟。根据微型流量计4得到的实时流量数据，对降雨强度进行修正和调整，以精准模拟不同降雨工况。

10.监视并记录高速摄像机记录裂缝发展、延伸和贯通的过程以及发生的时间点。

11.完成试验降雨加载过程后停机。保存测试数据和高速摄像机影像。整体吊出模型箱，开箱取样拍照记录。拆除模型，清理模型箱。

12.按照上述步骤完成的降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试，可对不同降雨条件下的不同坡度的高陡边坡模型24进行多次试验，分析降雨强度、持时和不同加固条件对坡体受力变形的影响过程。试验数据包括坡表裂缝开裂和贯通过程、各类传感器测得的含水率、基质吸力和土压力以及光纤光栅、红外位移计测得的坡体内外部变形数据。结合降雨过程中坡面入渗量和坡面径流量的数据，综合分析确定降雨条件下高陡边坡受力变形失稳的临界条件。本发明的保护范围不限于上述具体实施方式。

13.本发明中采用了具体工程案例对本发明原理及实施方法进行了***阐述，上述具体实施方式说明只是用于介绍本发明的方法和实施方式。依据本发明具体实施方法和试验范围可开展多种组合工况研究。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.降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，包括离心分层渗流模型箱、降雨模拟控制***、坡体含水率监测***、坡体受力变形监测***和高速摄像***；所述离心分层渗流模型箱内设置高陡边坡模型(24)，降雨模拟控制***设置在离心分层渗流模型箱上端并向下正对高陡边坡模型(24)，坡体含水率监测***和坡体受力变形监测***的检测传感器设置在高陡边坡模型(24)内部，高速摄像***设置在离心分层渗流模型箱内并正对高陡边坡模型(24)。

2.根据权利要求1所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，降雨模拟控制***包括储水罐(1)、储水罐水位变送器(8)、高压微型水泵(2)、电磁阀(3)、微型流量计(4)、高压雾化降雨喷头(5)、喷头固定支架(6)和DC调速器(7)；所述高压雾化降雨喷头(5)有多组，设置在喷头固定支架(6)上；多组高压雾化降雨喷头(5)向下正对测试坡体。

3.根据权利要求1或2所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，所述离心分层渗流模型箱包括铝制模型箱(9)、有机玻璃侧壁(10)和箱体上盖(11)，铝制模型箱(9)的内部设置分层隔水底板(12)和带孔坡脚支架(13)；所述带孔坡脚支架(13)设置在高陡边坡模型(24)坡脚，分层隔水底板(12)上设置渗流孔(15)，分层隔水底板(12)将离心分层渗流模型箱底部分隔出一个隔水底板下部空间(16)。

4.根据权利要求3所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，所述坡体含水率监测***主要包括埋设于高陡边坡模型(24)内部的多组EC-5含水率传感器(17)、土壤基质吸力传感器(18)，设置在隔水底板下部空间(16)内的隔水板下水位传感器(25)，多通道数据采集仪(20)和计算机(21)。

5.根据权利要求4所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，所述坡体受力变形监测***主要包括埋设于高陡边坡模型(24)内部的数组土压力传感器(26)、光纤光栅(27)和安置于高陡边坡模型(24)坡面的三个非接触式红外位移传感器(19)。

6.根据权利要求5所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，所述高速摄像***包括摄像机固定支架(22)和高速摄像机(23)，摄像机固定支架(22)设置在离心分层渗流模型箱内部，高速摄像机(23)正对高陡边坡模型(24)的坡面。

7.根据权利要求6所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，所述带孔坡脚支架(13)内部设置过滤海绵(14)。

8.根据权利要求7所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，所述分层隔水底板(12)为铝制，分层隔水底板(12)通过多个矩形支脚支撑在离心分层渗流模型箱底部。

9.根据权利要求8所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，所述渗流孔(15)设置在分层隔水底板(12)靠近坡脚的一侧，其数目为十六个。

10.根据权利要求9所述降雨条件下高陡边坡受力变形特性离心机模型测试***，其特征在于，所述高压雾化降雨喷头(5)设置有(18)组，分三排设置在喷头固定支架(6)上。

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