一种地质灾害链模拟试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种地质灾害链模拟试验装置及方法，包括模型箱、注水箱、管道、升降装置、降雨模拟装置和变水位装置；模型箱为框架结构的长方体，模型箱侧面为挡土板，模型箱底面为底板，底板其中一边与模型箱侧面铰接，底板能够绕铰接的铰接轴翻转，底板下方连接有升降装置，升降装置位于地面上；降雨模拟装置位于模型箱顶部，降雨模拟装置包括多个朝向模型箱内部的喷头；变水位装置包括多根注水管，挡土板和/或底板上设置有多个通孔，注水管滑动连接在通孔中；注水箱位于模拟箱侧面，注水箱内设置有注水泵，注水泵通过管道连接喷头和注水管。能够满足模拟黄土高原灾害链诱发的特殊复杂地质结构和多类型的灾害链种模拟试验。

说明书

技术领域

本发明属于地质灾害链研究领域，涉及一种地质灾害链模拟试验装置及方法。

背景技术

我国黄土高原地势沟壑纵横、黄土结构疏松多孔、暴雨量大集中导致地质灾害频发如滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降与塌陷、地裂缝，且灾害往往链生成链，突发性强、影响范围广、危害程度大。近年来黄土高原重大工程建设如平山造城、治沟造地、固沟保塬等强烈改造地貌单元，形成大量挖填方边坡与大面积堆填体。特殊的挖填、堆填界面，深厚的填方体，地下水位抬升，均导致潜在地质灾害风险加剧，如边坡滑移、地面沉降、淤地坝溃散等。黄土高原地质灾害链日趋复杂，因此需要采用室内大型物理模拟试验手段进一步揭示黄土高原灾害链机制。目前传统地质灾害室内物理模拟系统种类多样，但功能及控制诱灾因素均单一，不能满足模拟黄土高原灾害链诱发的特殊复杂地质结构和多类型的灾害链种模拟试验。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种地质灾害链模拟试验装置及方法，能够满足模拟黄土高原灾害链诱发的特殊复杂地质结构和多类型的灾害链种模拟试验。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种地质灾害链模拟试验装置，包括模型箱、注水箱、管道、升降装置、降雨模拟装置和变水位装置；

模型箱为框架结构的长方体，模型箱侧面为挡土板，模型箱底面为底板，底板其中一边与模型箱侧面铰接，底板能够绕铰接的铰接轴翻转，底板下方连接有升降装置，升降装置位于地面上；

降雨模拟装置位于模型箱顶部，降雨模拟装置包括多个朝向模型箱内部的喷头；

变水位装置包括多根注水管，挡土板和/或底板上设置有多个通孔，注水管滑动连接在通孔中；

注水箱位于模拟箱侧面，注水箱内设置有注水泵，注水泵通过管道连接喷头和注水管。

优选的，注水管包括主撑管和出水管，主撑管嵌套在出水管外部，主撑管沿轴向设置有多个销孔，出水管周面上设置有径向的弹簧销，弹簧销从销孔中伸出主撑管外。

进一步，出水管顶部密封连接有橡胶螺纹管的一端，橡胶螺纹管的另一端外壁与主撑管顶部内壁密封连接。

优选的，注水泵和注水管之间的管道上设置有注水阀。

优选的，挡土板朝向模型箱内部的一面设置有测压管。

优选的，降雨模拟装置外部嵌套有降雨框架，降雨框架底面与模型箱顶面形状大小相同，模型箱顶面设置有滑轨，降雨框架底面设置有滚轮，滚轮与滑轨滑动连接。

优选的，每个喷头内均设置有流量计。

优选的，注水泵和注水管之间的管道上设置有降水阀。

优选的，模型箱侧面设置有库水位升降装置，库水位升降装置位于底板的铰接侧，库水位升降装置包括库水箱、挡水板和水位传感器，挡水板位于库水箱朝向底板的铰接侧的侧面，挡水板上设置有进出水口，进出水口与库水箱内连通，进出水口设置有密封件；注水泵通过管道与库水箱内连通；水位传感器固定在库水箱内壁上。

一种基于上述任意一项所述装置的地质灾害链模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤一：采用砂雨法在模型箱内分层铺设砂土；

步骤二：当填土达到坡体的设定高度后，将模型箱通过下方的升降装置提升至适当高度以模拟不同角度的坡体。

步骤三：调节变水位装置，向试验坡体内不同深度位置进行注水，直到试验坡体内部动水压力、孔隙水压力等达到要求的数值，以模拟不同水文地质调节下的坡体；

步骤四：通过降雨系统模拟降雨工况；

步骤五，采集所需数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过模型箱底部的升降装置，能够将底板绕铰接轴转动，可模拟不同角度坡面的试验条件；通过设置所述的降雨模拟装置，能够将水箱的水从喷头中喷出，可模拟对边坡失稳的影响；通过变水位装置，注水管在通孔中任意伸出或缩回，能够将注水管插入至坡体内的任意位置，可模拟不同水文地质条件对坡体内部不同区块的的影响，从而能够为地质灾害的研究，提供全面、有效和可靠的原位模拟系统。

进一步，通过橡胶螺纹管将出水管和主撑管顶部连接，从而防止水泄漏。

进一步，注水阀能够调节注水管注入的水量，从而实现更真实的模拟。

进一步，测压管用于观测试验坡体内的水位变化。

进一步，降雨模拟装置通过滚轮与滑轨在模型箱顶部移动，可模拟分区块降雨对边坡失稳的影响。

进一步，流量计能够统计模拟的降雨量，方便试验数据统计。

进一步，降水阀能够调节模拟的降雨量大小，可模拟不同的降雨强度、雨型和降雨时间对边坡失稳的影响。

进一步，库水位升降装置能够在使用时将密封件从进出水口出取出，可模拟坡体失稳过程中库水位的变化。

进一步，抽水泵用于控制库水箱内的水位高度。

附图说明

图1为本发明的结构立体图；

图2为本发明的结构主视图；

图3为本发明的降雨模拟装置结构主视图；

图4为本发明的降雨模拟装置结构侧视图；

图5为本发明的模拟箱侧面的变水位装置结构示意图；

图6为本发明的模拟箱底面的变水位装置结构示意图；

图7为本发明的变水位装置管道部分示意图；

图8为本发明的注水管结构示意图；

图9为本发明的库水位升降装置结构示意图。

其中：1-模型箱；2-支撑柱；3-挡土板；4-底板；5-升降装置；6-降雨框架；7-喷头；8-主导水管；9-副导水管；10-分水管；11-流量计；12-滚轮；13-定滑轮；14-降水阀；15-绳索；16-主撑管；17-出水管；18-弹簧销；19-橡胶螺纹管；20-密封螺帽；21-注水阀；22-测压管；23-注水箱；24-库水箱；25-挡水板；26-水位传感器；27-进水阀；28-抽水泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，为本发明所述的地质灾害链模拟试验装置，包括模型箱1、注水箱23、管道、升降装置5、降雨模拟装置、变水位装置和库水位升降装置5。

模型箱1为框架结构，为顶部开口、底部封闭的长方体，模型箱1包括底板4、挡土板3和多根支撑柱2，模型箱1侧面为挡土板3，模型箱1底面为底板4，模型箱1侧壁上开设有挡土板3卡槽，所述的挡土板3卡槽中安装有挡土板3；模型箱1的这种构造可以清晰的观测箱内的试验过程。

底板4其中一边与模型箱1侧面铰接，底板4能够绕铰接的铰接轴翻转，底板4下方连接有升降装置5，升降装置5固定在地面上，升降装置5采用千斤顶，底板4可以为多个，能够在不同角度下进行试验。

降雨模拟装置位于模型箱1顶部，如图3所示，降雨模拟装置包括降雨框架6，布置在降雨框架6内的可替换式的喷头7，主导水管8、与主导水管8联通的多个副导水管9，实现移动降雨的滚轮12、定滑轮13和位于模型箱1顶部的导轨，降雨框架6底面与模型箱1顶面形状大小相同，滚轮12设置在降雨框架6底面，滚轮12与滑轨滑动连接，定滑轮13设置在模型箱1侧面外顶部，绳索15穿过模型箱1连接降雨模拟装置，通过拉动绳索15移动降雨模拟装置。

如图4所示，副导水管9与喷头7并连，所述副导水管9连接有分水管10，所述分水管10和副导水管9之间连接有流量计11，且每一所述可替换式降雨喷头7的所述管道内均设有降水阀14，降水阀14采用电动球阀，所述降水阀14用于控制喷头7的出水量，以模拟分区块降雨、降雨强度、雨型和降雨时间对边坡失稳的影响。

如图2、图5和图6所示，变水位装置包括多根注水管，挡土板3和/或底板4上设置有多个通孔，注水管滑动连接在通孔中。

如图8所示，注水管包括主撑管16和出水管17，主撑管16嵌套在出水管17外部，主撑管16沿轴向设置有多个销孔，出水管17周面上设置有径向的弹簧销18，弹簧销18从销孔中伸出主撑管16外，出水管17与主撑管16通过弹簧销18改变高度。主撑管16顶部为圆锥状开孔，主撑管16顶部采用正三角形；出水管17顶部通过橡胶螺纹管19与主撑管16部内壁密封连接，主撑管16顶部设有密封螺帽20；出水管17固定在挡土板3和底板4上。

如图7所示，副导水管9与变水位装置并联，且每一所述变水位装置的所述管道内均设有注水阀21，注水阀21采用电动球阀，注水阀21用于控制所述出水管17的出水量。

调节主撑管16伸出长度，从试验坡体内不同位置注水，实现试验坡体内部动水压力、孔隙水压力等的精确调节，以模拟不同水文地质条件下的坡体模拟试验。

测压管22安装在模型箱1一侧，用于观测试验坡体内的水位变化。

注水箱23位于模拟箱侧面，注水箱23内设置有注水泵，注水泵通过主导水管8连接喷头7和注水管。

模型箱1侧面设置有库水位升降装置5，库水位升降装置5位于底板4的铰接侧，如图9所示，库水位升降装置5包括库水箱24、挡水板25和水位传感器26，挡水板25位于库水箱24朝向底板4的铰接侧的侧面，挡水板25上设置有进出水口，进出水口与库水箱24内连通，进出水口设置有密封件，密封件为橡胶材质，用于密封挡水板25与试验坡体的间隙；水位传感器26固定在库水箱24内壁上。

注水泵通过主导水管8和副导水管9与库水箱24内连通，库水位升降装置5内的主导水管8和副导水管9之间设置有进水阀27，进水阀27采用电动球阀；库水箱24内设置有抽水泵28，抽水泵28采用底吸泵，位于库水箱24底部，抽水泵28连接有抽水管，抽水管自由端伸出库水箱24。

采用本实施例进行模拟试验时，包括以下步骤：

步骤一：牵引操纵杆，使降雨模拟装置移动到需要降雨的位置；

步骤二：采用砂雨法在模型箱内分层铺设砂土。

步骤三：当填土达到坡体的设定高度后，将模型箱通过下方的升降装置提升至适当高度以模拟不同角度的坡体。

步骤四：坡体里埋置孔隙水压力、位移、土压力、含水率传感器。

步骤四：调节变水位装置，向试验坡体内不同深度位置进行注水，直到试验坡体内部动水压力、孔隙水压力等达到合适的数值，以模拟不同水文地质调节下的坡体。

步骤五：打开挡水板内部的密封件，放置水位传感器。

步骤六：通过降雨系统模拟降雨工况。

步骤七：开始试验，采集孔隙水压力、位移、土压力、含水率数据。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。