一种基于边坡稳定性研究的模拟强降雨室内模型结构

技术领域

本发明涉及一种室内模型结构，具体是一种基于边坡稳定性研究的模拟强降雨室内模 型结构。

背景技术

随着我国基础设施建设的迅速发展，经过边坡的高速公路等基础设施的数量越来越 多。边坡的稳定性直接决定了工程项目建设以及运营的安全性，水对边坡稳定性的影响主 要表现为两方面：一方面，水入渗边坡导致渗流场和应力场进行改变，土体饱和度增大，边坡的孔隙水压力及基质吸力的减小，抗剪强度降低，当渗流量达到一定程度时，可能引起边坡失稳破坏；地下水位线的抬升,水与边坡结构的相互作用,也会对边坡的稳定性产生不利影响。另一方面，水对坡面及坡脚的冲刷致使坡面储水凹槽形成向下荷载、坡脚出现临空面，上部岩土体失去支撑，导致边坡失稳。因此，分析强降雨作用下边坡内部应力变 化规律对揭示边坡岩土体结构劣化机理尤为重要；目前针对边坡的稳定性已开展了大量的研究，基本明确了导致边坡稳定性降低、边坡失稳的主要因素，前人的研究成果对本模型的开展提供了重要的借鉴和指导；鉴于边坡岩土体设置的复杂性，对于存在隔水层和远方补给的情况下的岩土体内部渗流研究还稍显不足。另外，考虑降雨时间效应的边坡岩土体内部结构劣化机理研究也相对欠缺。

因此亟需设计一种基于边坡稳定性研究的模拟强降雨室内模型结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于边坡稳定性研究的模拟强降雨室内模型结构，以解决 上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于边坡稳定性研究的模拟强降雨室内模型结构，包括模拟仓，所述模拟仓内部 上方设置有既定规格的筛孔板，所述模拟仓内侧底部设置有挡土墙结构和降雨强度测量装 置，所述模拟仓的顶部开设有与导水管一端连接的进水口，所述模拟仓顶部进水口通过导 水管与储水仓的出水口连接，导水管上安装有出水阀门，所述储水仓底部对称设置有伸缩 支架，所述储水仓的顶部开设有进水孔，进水孔与导水管的一端连接。

作为本发明进一步的方案：所述模拟仓内壁位于筛孔板下方的位置固定安装有用于对 筛孔板进行支撑的搭板。

作为本发明再进一步的方案：搭板与筛孔板之间的缝隙处涂抹有防水胶。

作为本发明再进一步的方案：所述伸缩支架包括筒体和杆体。

作为本发明再进一步的方案：所述杆体外侧设置有外螺纹，筒体和杆体螺纹连接，筒 体内壁设置有与杆体外侧外螺纹相适配的内螺纹，杆体顶端固定安装在储水仓的底部。

作为本发明再进一步的方案：所述储水仓一侧开设有与防溢管道一端连接的出水口。

作为本发明再进一步的方案：所述模拟仓一侧通过螺栓固定安装有水压表，所述水压 表的探测端伸入模拟仓内筛孔板上方的位置，水压表能够直观反映出筛孔板上部水压，防 止筛孔板或模拟仓因水压过大破坏。

作为本发明再进一步的方案：所述挡土墙结构外部围挡为一块透明高强度塑料板，以 便观察挡土墙结构在强降雨条件下的性能和破坏状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过转动杆体，从而实现对伸缩支架整体高度的调节，进而改变储水仓液面与筛 孔板之间的高程，模拟实际降雨的强度；

2、调节出水阀门的开闭程度从而可以改变水流的流量；

3、伸缩支架的长度是可以随意调节，并且可以拆卸，方便工作人员的运输与携带，本发明实用性强，易改装，可适用于不同地区各大工程的强降雨模拟；

4、本发明模型结构稳定性好，受外在因素影响较小，而且具有安装简便、成本低、精度高等优点，便于进行大规模应用。

附图说明

图1为基于边坡稳定性研究的模拟强降雨室内模型结构的结构示意图。

图2为边坡的滑动面示意图。

图3为现场实验装置图。

图4为降雨强度测量装置示意图。

图中所示：模拟仓1、水压表2、筛孔板3、出水阀门4、储水仓5、进水孔6、防溢管道7、伸缩支架8、自动调压装置9、挡土墙结构10和降雨强度测量装置11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 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他实 施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，本发明实施例中，一种基于边坡稳定性研究的模拟强降雨室内模型结 构，包括模拟仓1、水压表2、筛孔板3、出水阀门4、储水仓5、进水孔6、防溢管道7、 伸缩支架8、自动调压装置9、挡土墙结构10和降雨强度测量装置11，所述模拟仓1内部 上方设置有既定规格的筛孔板3，所述模拟仓1内壁位于筛孔板3下方的位置固定安装有 用于对筛孔板3进行支撑的搭板，搭板与筛孔板3之间的缝隙处涂抹有防水胶，所述模拟 仓1内侧底部设置有挡土墙结构10和降雨强度测量装置11，所述模拟仓1的顶部开设有 与导水管一端连接的进水口，所述模拟仓1顶部进水口通过导水管与储水仓5的出水口连 接，导水管上安装有出水阀门4，所述储水仓5底部对称设置有伸缩支架8，所述伸缩支 架8包括筒体和杆体，杆体外侧设置有外螺纹，筒体和杆体螺纹连接，筒体内壁设置有与 杆体外侧外螺纹相适配的内螺纹，杆体顶端固定安装在储水仓5的底部，所述储水仓5的 顶部开设有进水孔6，进水孔6与导水管的一端连接，所述储水仓5一侧开设有与防溢管 道7一端连接的出水口，所述模拟仓1一侧通过螺栓固定安装有水压表2，所述水压表2 的探测端伸入模拟仓1内筛孔板3上方的位置。

所述挡土墙结构10外部围挡为一块透明高强度塑料板，以便观察挡土墙结构在强降 雨条件下的性能和破坏状态。

所述水压表2和降雨强度测量装置11均为市面上在售的现有设备。

本发明的工作原理是：

通过转动杆体，从而实现对伸缩支架8整体高度的调节，进而改变储水仓5液面与筛 孔板3之间的高程，模拟实际降雨的强度，调节出水阀门4的开闭程度从而可以改变水流的流量，伸缩支架8的长度是可以随意调节，并且可以拆卸，方便工作人员的运输与携带，本发明实用性强，易改装，可适用于不同地区各大工程的强降雨模拟，同时本发明模型结构稳定性好，受外在因素影响较小，而且具有安装简便、成本低、精度高等优点，便于进 行大规模应用。

模拟舱1内的挡土墙结构10具备滑动面以便于模拟挡土墙结构10中软弱易塌陷结构 在其中添加松散土层。通过转动杆体，从而实现对伸缩支架8整体高度的调节，进而改变储水仓5液面与筛孔板3之间的高程，模拟实际降雨的强度，降雨强度测量装置11收集 并处理各组数据，计算对应的筛孔板3洒水速度，建立储水仓5液面与筛孔板3之间高程 与洒水速度的函数关系，以筛孔板3的洒水速度近似模拟实际工程中强降雨的强度。

运用文献调研的方法，查找整理不同边坡地表的降雨强度及降雨历时数据。

运用数值模拟的方法以缓冲板的洒水速度近似模拟实际工程中强降雨的强度。通过调 整孔间距、孔大小，探明最优镂空缓冲板的材质和规格；测试不同升降水箱高程对应的镂 空缓冲板洒水速度，建立水箱高程与洒水速度的函数关系。

运用模型试验的方法建立室内模拟模型。在模拟舱中加入梯形土体、挡土墙结构以及 软弱松散土体构成的滑动面。基于不同边坡地表的降雨强度及降雨历时数据，利用函数关 系反演模型试验中需要设置的水箱高程后，以此模拟实际降雨强度及降雨历时，探明边坡 在强降雨作用下的破坏机理与破坏形式。

通过调节可伸缩支架8的高度，进而改变储水仓5液面与筛孔板3之间的高程，模拟实际降雨的强度。当各实验设备依次放置在正确的位置后，本模型就可以正常工作了，计算对应镂空缓冲板洒水速度，建立水箱高程与洒水速度的函数关系。本发明具有测量精度高，操作简单、结构简单、成本低等优点。

简要工作原理：采用控制变量法研究镂空缓冲板的洒水速度，通过升降水箱控制水箱 与镂空缓冲板之间的高程，进而改变镂空缓冲板的洒水速度，以缓冲板的洒水速度近似模 拟实际工程中强降雨的强度。(注：控制变量法的变量：通过改变镂空缓冲板的孔洞直径 和孔洞间距，使水流均匀透过缓冲板流下，从而均匀洒至边坡结构。)

传感器现场实施方案如下：将水源通过进水管注入储水仓中，调节伸缩支架升降水箱， 在适当并且相同的时间内，收集水的体积，进而计算水流流量，一组实验结束。更换镂空 缓冲板的孔洞直径和孔洞间距，进行相同试验；

实验步骤：

现场试验装置整体图见图3，实验操作流程如下：

(1)通过水桶上部孔道向白色储水桶中输水，使得桶中液面保持在大致桶总高约2/3 时停止输水；

(2)调整可伸缩支撑架(图3左下)的位置使镂空板与地面大致水平；

(3)测量储水桶中液面至镂空板的高差；

(4)放置降雨强度测量装置；

(5)放下储水桶下部水管，向镂空板上方通水，同时计时，待镂空板上方液面稳定后测出液面距镂空板底部高度h，大约15s后停止向镂空板输水，停止计时，并记录时间 数值，记为t；

(6)将降雨强度测量装置(图4)中各部分水体积Vi与总体积V分别测出；

(7)排放储水桶内部分水，使液面下降约5cm，重复1～6过程。

2.基本假设：

单次输水历时较短，认为白色储水桶中高程不变，则高差：

3.数据整理：

根据流量公式：

求出所测时间内各部分水流量以及总水流量。其中，Q(iml/s)为部分水流量或总流 量，Vi(ml)为部水的体积或总体积，t(s)为对应洒水时间。

再利用公式：

可测得模拟降雨强度。其中，R(mm/min-1)为降雨强度，Q(ml/s)为流量，A(cm2) 为测量降雨量容器底面积。

4.数据处理

(1)比对各部分流量Qi，观察流量分布情况；

(2)拟合总流量与高差

研究不同孔洞直径对降雨量的影响

根据在暴雨的判定方法和评价指标一文中提到的关于暴雨判定指标表1初步确定合适 镂空板孔洞直径范围

表1日降雨量标准下暴雨判定指标

Tab.1 Determination index of rainstorm under daily rainall standard

实验中降雨强度以平均流量代替，利用转换公式

其中，R为降雨强度(mm/s)，Q为流量(ml/s)，A为测量降雨量容器底面积(cm2)。 初步确定镂空板直径为≤5mm，并制成孔径为5mm、孔密度为235个/m2的镂空板，具体 排布方式如图1，在补给水头与镂空板上方水面的高差H为1.1-1.9范围之内测量降雨强 度，得到的降雨强度范围介于11.33-40.7mm·min-1之间，严重超出在实验比例中对应暴 雨判定标准0.035mm·min-1，由此减小孔径至3mm，其他条件保持一致，测得降雨强度 范围落在5.01～19.12mm·min-1之间，此时由于加工难度较大，难以继续缩减孔径，若想 继续降低模拟降雨强度，需调整其他变量；

研究孔密度对模拟降雨量的影响

由流量公式：

其中，Q(ml/s)为流量，cm2)为液柱平均截面积，h为液柱高度，t为模 拟降雨历时。

假定液柱平均截面积等于镂空板孔洞总面积，即流量与孔洞总面积成正比，由孔密度 为235个/m2设置孔密度为其75％、50％的镂空板进行试验，收集数据进而验证假设。由 于现阶段模拟降雨量偏大，在目前孔密度235个/m2的规格上向下设置3组孔密度递 减的镂空板规格进行测量，孔密度分别为：235个/m2、178个/m2(75％)、119个/m2 (50％)；

表2不同孔密度下模拟降雨强度

Tab.2 Simulated rainfall intensity under different hole densities

根据现场测量数据结果，发现孔密度对模拟降雨量影响较大。模拟降雨强度与预期的 理想降雨强度相差不大，引起误差的原因可能是：①高差的测量存在误差；②镂空板上方 补给水柱的冲击压强对实验结果产生影响；

研究液面高差对模拟降雨量的影响

在上述实验得到镂空板规格对模拟降雨强度影响规律之后，利用孔径为3mm，孔密度为235个/m2的镂空板进行研究补给水头液面到镂空板上方液面高差对模拟降水量的 影响规律。液面高差对镂空板处压强有较大影响，进而影响水流量大小，即模拟降雨强度 大小。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。