一种能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备

技术领域

本发明涉及边坡防护、地质灾害防治领域，尤其涉及一种能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备。

背景技术

我国山地山火高发季节为春季，山火作用下坡体表面植物被破坏，植物灰烬在边坡表层堆积，为火后雨季的滑坡和泥石流等地质灾害提供了物质条件。在山火燃烧过程中，高温使得边坡表层土体板结，表层土体的物理力学特性发生改变，同时在坡体表面形成斥水层降低了土体的渗透性。

现有技术将山火和降雨对边坡的影响分开来考虑，且主要以研究降雨对边坡的致灾机理为主。此外，现有技术中关于山火对土体特性影响的相关研究主要以现场调研及现场试验为主，缺乏可耦合山火和降雨两种致灾因子的室内模拟设备。

因此，如何同时模拟山火和降雨两种致灾因子对边坡的影响是当前面临的问题。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备，能解决目前缺乏可耦合山火和降雨两种致灾条件的室内模拟设备，和无法同时模拟山火和降雨两种致灾因子对边坡影响的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备，包括：

支架装置、地质灾害模拟装置、山火模拟装置、降雨模拟装置和数据采集装置；其中，

所述地质灾害模拟装置、山火模拟装置和降雨模拟装置从下至上依次间隔设置在所述支架装置上；

所述数据采集装置设置在所述支架装置上，能自动记录所述山火模拟装置的模拟山火过程和所述降雨模拟装置的模拟降雨过程以及自动采集所述地质灾害模拟装置的土体物理状态。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备，其有益效果为：

通过在支架装置上，从下至上依次间隔设置地质灾害模拟装置、山火模拟装置和降雨模拟装置，并设置采集数据的数据采集装置，能在室内模拟火后及雨后边坡灾害，不但可以单独模拟某一致灾因子，还可以模拟耦合山火及降雨共同作用引发的边坡地质灾害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的边坡灾害试验模拟设备的示意图；

图2为本发明实施例提供的边坡灾害试验模拟设备的地质灾害模拟装置的平面示意图；

图3为本发明实施例提供的地质灾害模拟装置的透明模型箱的角度调节装置示意图；

图4为本发明实施例提供的边坡灾害试验模拟设备的底盘平面图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，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，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，本发明实施例提供一种能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备，可以在室内同时模拟山火和降雨这两种致灾条件，并实现两种致灾条件下边坡类地质灾害的模拟，包括：

支架装置1、地质灾害模拟装置2、山火模拟装置3、降雨模拟装置4和数据采集装置5；其中，

所述地质灾害模拟装置2、山火模拟装置3和降雨模拟装置4从下至上依次间隔设置在所述支架装置1上；

所述数据采集装置5设置在所述支架装置1上，能自动记录所述山火模拟装置3的模拟山火过程和所述降雨模拟装置4的模拟降雨过程以及自动采集所述地质灾害模拟装置2的土体物理状态。

如图1、2所示，上述模拟设备中，所述地质灾害模拟装置2包括：

透明模型箱21、支撑组件25、角度调节装置24、溢流槽23和溢流物收集箱22；其中，

所述透明模型箱21的顶部设有开口，该透明模型箱21内部填筑有用于模拟边坡土体的填土213和坡面植被214；

所述透明模型箱21的底端前部与所述支撑组件25活动连接；

所述角度调节装置24支撑在所述透明模型箱21的底端后部，能支撑调节所述透明模型箱21后端高度来调节该透明模型箱21的倾斜角度；

所述透明模型箱21内的前端上部经所述溢流槽23与所述溢流物收集箱22连接。

上述模拟设备中，所述透明模型箱21是由前挡板、两侧挡板、后挡板和底板围成的上端开口的方形箱体，所述前挡板、两侧挡板、后挡板和底板均采用透明有机玻璃板；

该透明模型箱21的前挡板219中间卡设有能调节该前挡板219高度的装配式挡板212；

该透明模型箱21的一侧挡板上设有测试仪器传输孔211；

所述溢流物收集箱22采用顶部开口的矩形有机玻璃桶，该溢流物收集箱22内的中部设有过滤网223，该过滤网223的上部空间为固体收集箱221，该过滤网223的下部为集水箱224；

所述溢流物收集箱22的侧壁上标注有刻度线222。

参见图3，上述模拟设备中，所述支撑组件25由第一轴承支架217和第一横向支撑钢管220组成；其中，

所述第一轴承支架217固定设置在所述支架装置1上；

所述第一横向支撑钢管220设置在所述第一轴承支架217上端，能在该第一轴承支架217上自由转动，该第一横向支撑钢管220与所述透明模型箱21的底端前部固定连接；

所述角度调节装置24由第二横向支撑钢管215、第二轴承支架216和千斤顶241组成；

所述第二横向支撑钢管215设置在所述第二轴承支架216的顶端，该第二横向支撑钢管215与所述透明模型箱21的底端后部固定连接，所述第二轴承支架216的底端与所述千斤顶241的伸缩端固定连接。

上述模拟设备中，所述千斤顶241的底部设有滑轮2411，该滑轮2411嵌套设置在所述支架装置1的底盘11的槽钢滑槽1112内。

参见图1，上述模拟设备中，所述山火模拟装置3包括：多个加热线圈31、封装钢板32、电线33、控制器34和电源35；其中，

所述多个加热线圈31横向间隔设置在所述封装钢板32上，各加热线圈31通过电线33经所述控制器34与所述电源35电气连接；

所述封装钢板32固定设置在所述支架装置1的第三升降支架133上；

或者，所述山火模拟装置3采用明火式火焰模拟装置，如可采用气体燃料或液体燃料的具有多个喷头的火焰喷射装置。

参见图1，上述模拟设备中，所述降雨装置4包括：降雨喷头组件41、水管42、流量计43、阀门44、水泵45和水箱46；其中，

所述降雨喷头组件41经设有所述流量计43和所述阀门44的所述水管42与所述水泵45连接，所述水泵45设置在所述水箱46内；

所述降雨喷头组件41上间隔设有多个降雨喷头，该降雨喷头组件41固定设置在所述支架装置1的第二升降支架132上。

上述模拟设备中，所述支架装置1包括：

底盘11、立柱支架12和升降支架组件13；其中，

所述立柱支架12设置在所述底盘11上；

所述升降支架组件13设置在所述立柱支架12的上端，该升降支架组件13上从上至下间隔设置所述数据采集装置5、降雨模拟装置4和山火模拟装置3。

如图4所示，上述模拟设备中，所述底盘11是由端部设有槽钢端板112的多个支架槽钢111通过固定螺栓113连接而成的长方形结构体；各支架槽钢111设有槽钢翼缘1111和槽钢滑槽1112，所述槽钢翼缘1111上设有预留螺栓孔1113；

如图3所示，所述立柱支架12上设有多个螺栓孔121，该立柱支架12通过螺栓122固定连接在所述底盘11上；

所述升降支架组件13包括：第一升降支架131、第二升降支架132和第三升降支架133；其中，所述第一升降支架131、第二升降支架132和第三升降支架133从上至下依次间隔设置在所述立柱支架12的上部，所述第一升降支架131、第二升降支架132和第三升降支架133均能沿所述立柱支架12上升降；

所述第一升降支架131上固定设置所述数据采集装置5的视频采集装置51；

所述第二升降支架132上固定设置所述降雨装置4；

所述第三升降支架133上固定设置所述山火模拟装置3。

参见图1，上述模拟设备中，所述数据采集装置5包括：视频采集装置51、土体状态采集仪器53、数据传输线52和数据处理装置54；其中，

所述视频采集装置51安装在所述支架装置1的升降支架组件13的第一升降支架131上，经数据线与所述数据处理装置54电气连接；

所述土体状态采集仪器53设置在所述地质灾害模拟装置2内，该土体状态采集仪器53经所述数据传输线52与所述数据处理装置54电气连接，数据传输线52经地质灾害模拟装置2的透明模型箱21的一侧挡板218上设置的测试仪器传输孔211从透明模型箱21内穿出。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备，该设备包括：支架装置1、地质灾害模拟装置2、山火模拟装置3、降雨模拟装置4和数据采集装置5；其中，地质灾害模拟装置2、山火模拟装置3、降雨模拟装置4和数据采集装置5从下至上设置在支架装置1上；

其中，所述的支架装置1由底盘11、立柱支架12和升降支架组件13组成(参见图1)；其中，底盘11由支架槽钢111通过槽钢端板112和固定螺栓113实现固定连接；支架槽钢111包含槽钢翼缘1111和槽钢滑槽1112，在槽钢翼缘上带有预留螺栓孔1113。

立柱支架12上带有螺栓孔121，立柱支架12与底盘11之间通过螺栓122固定；

升降支架13包含第一升降支架131、第二升降支架132和第三升降支架133；升降支架组件13通过螺栓122固定于立柱支架12上部；通过将升降支架13与立柱支架12上不同高度处的螺栓孔121连接固定，可以调节升降支架组件13的高度；第一升降支架131用于固定数据采集装置5的视频采集装置51，第二升降支架132用于固定降雨装置4，第三升降支架133用于固定山火模拟装置3；立柱支架12上留有备用螺栓孔121，可根据试验需要，增加其他升降支架用于模拟其他试验条件。

参见图1、2，所述的地质灾害模拟装置2主要由透明模型箱21、溢流物收集箱22、溢流槽23、角度调节装置24和支撑组件25组成；

其中，所述的透明模型箱21的顶部敞开，其余五面由透明有机玻璃板构成(前、后挡板、两侧挡板和底板)，所述透明模型箱21的前端为装配式挡板212，装配式挡板212卡在前挡板219中间，可根据需要在前挡板219中间安装不同高度的装配式挡板212；

所述一侧挡板218上预留有测试仪器传输孔211，用于土体状态采集仪器53的数据传输线52从透明模型箱21内部穿出；

所述透明模型箱21底部分别设置有两根支撑钢管215、220，其中，第一支撑钢管220和第一轴承支架217组成支撑组件25，第一支撑钢管220两端设置在第一轴承支架217上，第一轴承支架217与支架装置1的底盘11固定连接，设置在透明模型箱21底部前端，第一支撑钢管220与透明模型箱21底部的底板固定连接，第一轴承支架217可绕第一支撑钢管220转动，便于透明模型箱角度的调节；

所述透明模型箱21内部填筑用于模拟边坡土体的填土213和坡面植被214。

所述溢流物收集箱22为矩形有机玻璃桶，顶部开口，在溢流物收集箱22中部设置有过滤网223，过滤网223上部空间为固体收集箱221，过滤网223下部为集水箱224。所述溢流物收集箱22侧壁上标注有刻度线222，用于直观读取溢流物体积。

所述溢流槽23用于将透明模型箱21前端与溢流物收集箱22连接起来，当透明模型箱21内部发生滑坡和泥石流等地质灾害时，泥石流等物体可通过溢流槽23滑动至溢流物收集箱22内，并实现固液分离。

参见图3，所述角度调节装置24包括第二支撑钢管215、第二轴承支架216和千斤顶241(优选采用机械千斤顶)，第二支撑钢管215支撑在透明模型箱21后端，第二支撑钢管215两端安装在第二轴承支架216上，第二轴承支架216可绕第二支撑钢管215转动，第二轴承支架216设置在千斤顶241上，千斤顶241能支撑调节透明模型箱21后端的高度，进而调节透明模型箱21的倾斜角度，从而模拟不同的斜坡角度。

进一步的，千斤顶241底部设有滑轮2411，且滑轮2411嵌套于支架装置1的底盘11的槽钢滑槽1112内；在调节边坡角度时必然会带来千斤顶位置的改变，滑轮2411的设置可以实现千斤顶位置的自适应。上述设计可确保调节模型箱角度过程中，使得支撑力与模型箱重力在同一条竖直线上。

参见图1，所述山火模拟装置3由多个加热线圈31、封装钢板32、电线33、控制器34和电源35组成。山火模拟装置3安装在第三升降支架133上，通过调节第三升降支架133的高度可以控制加热线圈到坡面的距离，从而可以实现树冠火、地表火等不同山火情况模拟。通过控制器34的温度调节，可以调节加热线圈31温度，模拟不同的山火强度。通过控制器34的升温及降温曲线，可以模拟不同类型的火灾情况。

参见图1，所述降雨装置4包括降雨喷头组件41、水管42、流量计43、阀门44、水泵45和水箱46；所述降雨喷头组件41安装在第二升降支架132上，通过调节第二升降支架132的高度可以调节降雨喷头组件41的多个降雨喷头到地质灾害模拟装置2内土坡坡面的距离，可通过流量计43控制降雨强度，模拟不同的降雨条件。

参见图1，所述数据采集装置5包括视频采集装置51、数据传输线52、土体状态采集仪器53和数据处理装置54；其中，所述视频采集装置51(优选采用摄像机)安装在第一升降支架131上，在模拟山火或降雨过程中，通过视频采集装置51实时记录，可得到坡面土体龟裂、侵蚀情况。所述土体状态采集仪器53包括水分传感器、温度传感器和孔隙水压力传感器等测试仪器，可以实现土体物理状态的自动化采集；土体状态采集仪器53安装在地质灾害模拟装置2内，该土体状态采集仪器53经数据传输线52通过模型箱21侧面预留的测试仪器传输孔211外接至数据处理装置54。

实施例1

本发明实施例提供的能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备，单一模拟山火条件下的边坡变化过程，具体实施过程如下：

(11)安装支架装置1：

在实验室地面上安装底盘11，摆放好支架槽钢111，并将支架槽钢111通过固定螺栓113连接固定；安装立柱支架12，将立柱支架12与支架槽钢111通过预留螺栓孔1113连接固定；在立柱支架12上安装第一升降支架131和第三升降支架133，将第一升降支架131和第三升降支架133与立柱支架12通过螺栓122固定。

(12)安装地质灾害模拟装置2：

安装透明模型箱21，首先，分别将第二轴承支架216和第一轴承支架217套入第二支撑钢管215和第一支撑钢管220上；然后，将第一轴承支架217与支架槽钢111通过预留螺栓孔1113连接固定；其次，将千斤顶241放入槽钢滑槽1112内，将升降千斤顶241支撑在第二轴承支架216上，通过升降千斤顶241将透明模型箱21顶升至设计角度。

在透明模型箱21内分层填筑填土213，用于模拟实际边坡土体，并在表面种植坡面植被214，模拟带植被边坡；在填土过程中埋置土体状态采集仪器53，包括温度传感器、水分传感器和孔隙水压力传感器；将上述土体状态采集仪器53的数据传输线52从测试仪器传输孔211穿出。

(13)安装数据采集装置5：

在立柱支架12上安装第一升降支架131，在第一升降支架131上安装作为视频采集装置51的摄像机，通过调整第一升降支架131，使摄像机能够清晰拍摄到透明模型箱21内坡面土体变化情况，并将视频采集装置51连接至数据采集装置54，将上述土体状态采集仪器53连接到数据处理装置54。

(14)安装山火模拟装置3：

在立柱支架12上安装第三升降支架133，在第三升降支架133上安装山火模拟装置3，调整第三升降支架133的高度到适当位置，并接通电源35。

(15)山火试验模拟：

151)透明模型箱21内填土231和坡面植被214需经历长时间养护；

152)打开数据采集装置5，对试验进行实时监控；

153)调整山火模拟装置3的控制器34调节温度，对边坡进行加热，模拟山火条件；

154)通过数据处理装置分析，获得边坡在不同山火条件下的响应。

实施例2

本发明实施例提供的能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备，单一模拟降雨条件下的边坡变化过程，具体实施过程如下：

(21)安装支架装置1：

在实验室地面上安装底盘11，摆放好支架槽钢111，并将支架槽钢111通过固定螺栓113连接固定；安装立柱支架12，将立柱支架12与支架槽钢111通过预留螺栓孔1113连接固定；在立柱支架12上安装第一升降支架131和第二升降支架132，将第一升降支架131和第二升降支架132与立柱支架12通过螺栓122固定。

(22)安装地质灾害模拟装置2：

安装透明模型箱21，首先，分别将第二轴承支架216和第一轴承支架217套入支撑钢管215上；然后，将第一轴承支架217与支架槽钢111通过预留螺栓孔1113连接固定；其次，将机械千斤顶241放入槽钢滑槽1112内，将升降千斤顶241支撑在第二轴承支架216上，通过升降千斤顶241将模型箱顶升至设计角度。并通过安装不同高度的装配式挡板212开放边坡前缘。

在透明模型箱21内分层填筑填土213，用于模拟实际边坡土体，并在表面种植坡面植被214，模拟带植被边坡。在填土过程中埋置土体状态采集仪器53，包括温度传感器、水分传感器和孔隙水压力传感器。将上述土体状态采集仪器53的数据传输线52从测试仪器传输孔211穿出。

(23)安装数据采集装置5：

在立柱支架12上安装第一升降支架131，在第一升降支架131上安装作为视频采集装置51的摄像机，通过调整第一升降支架131，使摄像机能够清晰拍摄到坡面土体变化情况，并将视频采集装置51连接至数据采集装置54，将上述土体状态采集仪器53连接到数据处理装置54。

(24)安装降雨装置4：

在立柱支架12上安装第二升降支架132，在第二升降支架132上安装具有多个降雨喷头的降雨喷头组件41，调整第二升降支架132的高度到适当位置，依次将降雨喷头组件41、水管42、流量计43、阀门44、水泵45和水箱46进行连接。

(25)安装溢流槽23和溢流物收集箱22：

将溢流物收集箱22放置于透明模型箱21前端，并将溢流槽23的两端分别搭设在透明模型箱21和溢流物收集箱22上。

(26)降雨试验模拟：

261)透明模型箱21内填土231和坡面植被214需经历长时间养护；

262)打开数据采集装置5，对试验进行实时监控；

263)调整降雨装置4的流量计43，控制降雨强度，模拟降雨条件；

264)通过数据处理装置54分析，获得边坡在不同降雨条件下的响应；

265)通过溢流物收集箱22内部的固体收集箱221和集水箱224上的刻度线，直观读取降雨所产生的边坡土体流失情况。

实施例3

本发明实施例提供的能耦合山火及降雨作用的边坡灾害试验模拟设备，耦合模拟山火及降雨条件下的边坡变化过程，具体实施过程如下：

(31)安装支架装置1：

在实验室地面上安装底盘11，摆放好支架槽钢111，并将支架槽钢111通过固定螺栓113连接固定；安装立柱支架12，将立柱支架12与支架槽钢111通过预留螺栓孔1113连接固定；在立柱支架12上安装第一升降支架131、第二升降支架132和第三升降支架133，将第一升降支架131、第二升降支架132和第三升降支架133与立柱支架12通过螺栓122固定。

(32)安装地质灾害模拟装置2：

安装模型箱21，首先，分别将第二轴承支架216和第一轴承支架217套入支撑钢管215上；然后，将第一轴承支架217与支架槽钢111通过预留螺栓孔1113连接固定；其次，将机械千斤顶241放入槽钢滑槽1112内，将升降千斤顶241支撑在第二轴承支架216上，通过升降千斤顶241将模型箱顶升至设计角度。并通过安装不同高度的装配式挡板212开放边坡前缘。

在模型箱21内分层填筑填土213，用于模拟实际边坡土体，并在表面种植坡面植被214，模拟带植被边坡。在填土过程中埋置土体状态采集仪器53，包括温度传感器、水分传感器和孔隙水压力传感器。将上述土体状态采集仪器53的数据传输线52从测试仪器传输孔211穿出。

(33)安装数据采集装置5：

在第一升降支架131上安装作为视频采集装置51的摄像机，通过调整第一升降支架131，使摄像机能够清晰拍摄到坡面土体变化情况，并将视频采集设备51连接至数据采集装置54。将上述土体状态采集仪器53连接到数据处理装置54。

(34)安装山火模拟装置3：

在第三升降支架133上安装山火模拟装置3，调整第三升降支架133的高度到适当位置，并接通电源35。

(35)安装降雨装置4：

在第二升降支架132上安装具有多个降雨喷头的降雨喷头组件41，调整第二升降支架132的高度到适当位置，依次将降雨喷头组件41、水管42、流量计43、阀门44、水泵45和水箱46进行连接。

(36)安装溢流槽23和溢流物收集箱22：

将溢流物收集箱22放置于透明模型箱21前端，并将溢流槽23的两端分别搭设在透明模型箱21和溢流物收集箱22上。

(37)山火及降雨耦合试验模拟：

371)透明模型箱21内填土231和坡面植被214需经历长时间养护；

372)打开数据采集装置5，对试验进行实时监控；

373)调整山火模拟装置3的控制器34调节温度，对边坡进行加热，模拟山火条件；

374)通过数据处理装置54分析，记录边坡在山火影响下的土体变化；

375)拆除山火模拟装置3；

376)调整降雨装置4的流量计43，控制降雨强度，模拟降雨条件；

377)通过数据处理装置54和溢流物分析，获得边坡在山火及降雨耦合作用下的响应。

本发明至少具有以下有益效果：

1)能在室内模拟火后及雨后边坡灾害，不但可以单独模拟某一致灾因子，还可以模拟耦合山火及降雨共同作用引发的边坡地质灾害。

2)采用电加热的方式模拟山火条件，不但可以模拟树冠火、地表火等山火情况，还可以模拟不同强度的山火条件，此外，采用电加热的方式在操作上更加安全可控。

3)立柱支架上留有备用螺栓孔，可根据试验需要增加升降支架用于模拟其他试验条件，如可增加土体降温装置、土体风干装置以及能够模拟植被所需光照条件的光照装置等。

4)数据采集装置不仅实现了边坡状态变化的可视化采集，还实现了土体状态情况的自动化采集，实验过程中可以将试验人员解放出来，更加专心的进行试验操作。

5)可通过调节千斤顶位置控制边坡角度，便于模拟多个不同角度的边坡。

6)所有结构之间采用装配式连接的形式，试验结束后可拆卸放置，占地面积小。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。