一种边坡地下水渗流场模型试验系统

技术领域

本发明涉及地质灾害模拟试验装置技术领域，尤其涉及一种边坡地下水渗流场模型试验系统。

背景技术

滑坡是一种常见的地质灾害，形成滑坡的条件是多种多样的，其影响因素也非常复杂，暴雨和地震是诱发滑坡的主要自然因素；另外，伴随着工程建设和各种人类活动的增加，不断发生人为因素诱发滑坡的事件。目前，滑坡治理工程措施以抗滑桩、挡土墙、锚杆锚索、削坡压脚等工程为主，其工程量大、治理成本高、治理周期长。

通过对滑坡形成机理、破坏原理和相关统计数据的分析，发现80％～90％的滑坡都是由于水的作用导致的。水是诱导滑坡产生最主要的影响因素，也是最难定量研究的因素。通过地下排水洞、排水孔、支撑盲沟等疏排地下水、提高滑体和滑带的岩土强度参数、削减下滑力，提高滑坡稳定性，是一种行之有效的治理手段，已被越来越多的工程所采用。

现有的地下排水措施得不到广泛推广，主要是对滑坡体渗流场的研究不够深入，对集水井等地下排水措施在滑坡治理中的效果得不到明确。

发明内容

本发明旨在提出一种边坡地下水渗流场模型试验系统，便于研究集水井的抽水作用对滑坡体稳定性的影响。

本发明提供一种边坡地下水渗流场模型试验系统，包括：试验箱、模拟降雨装置、集水井和滑坡监测装置；

所述试验箱的内部设置有模拟滑床和模拟滑坡体；所述模拟滑床设置在所述试验箱的底部；所述模拟滑坡体倾斜设置在所述模拟滑床的顶部；所述模拟滑坡体较低的一侧设置有挡板；

所述模拟降雨装置设置在所述试验箱的顶部，用于将模拟雨水喷淋至所述模拟滑坡体的上表面；

所述集水井竖直设置在所述模拟滑坡体的内部，用于收集所述模拟滑坡体中的水；

所述滑坡监测装置包括设置在所述模拟滑坡体内部的水位应力监测模块、光纤应变传感器和压力盒；所述水位应力监测模块包括湿度传感器和应力传感器，分别用于监测所述模拟滑坡体内部的水位和应力值；所述光纤应变传感器用于监测所述模拟滑坡体内的应变值；所述压力盒设置在所述挡板与所述试验箱的内侧壁之间，用于监测所述模拟滑坡体的下滑推力。

在一些优选地实施例中，所述模拟滑坡体包括泥岩块石层和砂岩块石层；所述泥岩块石层倾斜设置在所述模拟滑床的上表面；所述砂岩块石层倾斜设置在所述泥岩块石层的上表面；

在一些优选地实施例中，所述砂岩块石层的顶部设置有GPS监测墩，用于监测所述砂岩块石层表面的位移值。

在一些优选地实施例中，所述集水井的内部设置有水位计，用于监测所述集水井内部的水位值。

在一些优选地实施例中，所述模拟降雨装置包括S型弯管、增压泵和流量计；所述S型弯管悬挂设置在所述试验箱的顶部，所述S型弯管的底部设置有喷淋孔；所述增压泵的出水口与所述S型弯管连通，所述增压泵的进水口与所述流量计连通。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明中的边坡地下水渗流场模型试验系统包括试验箱、模拟降雨装置、集水井和滑坡监测装置；通过在所述试验箱的内部设置模拟滑床和模拟滑坡体，在所述模拟滑坡体的内部设置水位应力监测模块、光纤应变传感器和所述集水井，并在所述模拟滑坡体较低的一侧设置挡板和压力盒，能够模拟集水井在抽水作用下对滑坡体稳定性的影响，进而便于研究集水井在滑坡治理中的可行性及有效性，并指导工程实践。

附图说明

图1为本发明某一实施例中边坡地下水渗流场模型试验系统的结构示意图；

图2为图1边坡地下水渗流场模型试验系统中模拟降雨装置12的结构示意图；

其中，1、试验箱；2、模拟滑床；3、砂岩块石层；4、泥岩块石层；5、挡板；6、压力盒；7、集水井；701、井盖；8、水位计；9、光纤应变式传感器；10、水位应力监测模块；11、GPS监测墩；12、模拟降雨装置；1201、S型弯管；1202、喷淋孔；1203、增压泵；1204、流量计。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种边坡地下水渗流场模型试验系统，包括：试验箱1、模拟降雨装置12、集水井7和滑坡监测装置；

试验箱1的内部设置有模拟滑床2和模拟滑坡体；模拟滑床2设置在试验箱1的底部；所述模拟滑坡体倾斜设置在模拟滑床2的顶部；所述模拟滑坡体较低的一侧设置有挡板5，挡板5活动设置在所述模拟滑坡体的一侧；示例性地，在本实施例中，模拟滑床2通过混凝土材料堆积而成；

模拟降雨装置12设置在试验箱1的顶部，用于将模拟雨水喷淋至所述模拟滑坡体的上表面；

集水井7竖直设置在所述模拟滑坡体的内部，用于收集所述模拟滑坡体中的水；集水井7的顶部可拆卸地设置有井盖701；试验过程中，所述模拟滑坡体中的水通过集水井7侧壁上的过滤孔进入到集水井7的内部，实现对所述模拟滑坡体中水的收集；当集水井7中的水位达到一定高度时，通过水泵将集水井7中的水抽出；

所述滑坡监测装置包括设置在所述模拟滑坡体内部的水位应力监测模块10、光纤应变式传感器9和压力盒6；水位应力监测模块10包括湿度传感器和应力传感器，分别用于监测所述模拟滑坡体内部相应位置的湿度和应力值；光纤应变式传感器9用于监测所述模拟滑坡体内的应变值；压力盒6设置在挡板5与试验箱1的内侧壁之间，用于监测所述模拟滑坡体的下滑推力；当所述模拟滑坡体发生形变时，所述模拟滑坡体较低的一侧会挤压挡板5，挡板5与试验箱1的侧壁配合挤压压力盒6，从而监测所述模拟滑坡体的下滑推力；所述湿度传感器可测量所述模拟滑坡体的含水率，当含水率超过一定程度时，可认为所述模拟滑坡体的含水量达到饱和，根据监测到所述模拟滑坡体的含水量达到饱和时的所述湿度传感器所在的高度即可估算出所述模拟滑坡体的水位。

具体地，在所述模拟滑坡体的前、中、后三段分别纵向布置若干个水位应力监测模块10；示例性地，在本实施例中，在所述模拟滑坡体的前、中、后段中分别布置3个、7个和6个水位应力监测模块10，具体的布置情况可以根据实际地质结构进行相应的调整；水位应力监测模块10还包括信号传输装置；所述湿度传感器和所述应力传感器分别与所述信号传输装置电性连接；所述信号传输装置用于与外部电脑终端进行通讯；所述信号传输装置将所述湿度传感器和所述应力传感器采集的数据传输至所述电脑终端；所述信号传输模块可以为蓝牙传输模块或者WIFI模块。

示例性地，所述模拟滑坡体包括泥岩块石层4和砂岩块石层3；泥岩块石层4倾斜设置在模拟滑床2的上表面；砂岩块石层3倾斜设置在泥岩块石层4的上表面；可以理解的是，所述模拟滑坡体的构造可以根据实际滑坡体的具体情况进行模拟设置，包括层状结构的数量、组成材料等。

进一步地，参考图1，砂岩块石层3的顶部设置有GPS监测墩11，用于监测砂岩块石层3表面的位移值；示例性地，在本实施例中，GPS监测墩11的数量为三个，三个GPS监测墩11分布在砂岩块石层3上表面的前、中、后三段上。

集水井7的内部设置有水位计8，用于监测集水井7内部的水位；通过对集水井7内的水位进行监测，可以研究集水井7中抽水的水位对滑坡体稳定性的影响，从而得到集水井7的最佳抽水水位。

具体地，参考图2，模拟降雨装置12包括S型弯管1201、增压泵1203和流量计1204；S型弯管1201悬挂设置在试验箱1的顶部，S型弯管1201的底部设置有喷淋孔1202；增压泵1203的出水口与S型弯管1201连通，增压泵1203的进水口与流量计1204连通；通过增压泵1203可以实现不同降雨强度下的边坡入渗模拟，同时通过流量计1204可以记录实时降雨量，实现了精确的降雨量监测，以此可进行较为准确的定量分析。

采用本实施例中的所述边坡地下水渗流场模型试验系统的试验方法，包括如下步骤：

S1、启动所述边坡地下水渗流场模型试验系统，调试光纤应变式传感器9、湿度传感器、应力传感器和压力盒6，记录试验开始阶段的所述模拟滑坡体的各初始参数；

S2、通过模拟降雨装置12进行模拟降雨，历时1-3小时；关闭模拟降雨装置12，等待24小时的雨水消散和自然排泄，所述模拟斜坡体达到天然的渗流状态；再等待3天的自然蒸发和消散，记录此阶段全过程的数据，尤其关注压力盒6的监测值的变化；

S3、启动模拟降雨装置12，将增压泵1203压力调至不同压力状态，模拟不同降雨、历时情况下所述模拟滑坡体的渗流场变化；其中，增压泵1203的泵送压力范围为0.3-15Mp，降雨历时范围为0.5-12h；监测不同工况下，所述模拟滑坡体内的水位和压力变化；关闭模拟降雨装置12后，监测未来5天内的所述模拟滑坡体的各个参数；

S4、全过程分析光纤应变式传感器9的监测值，持续观测是否出现应变值的突变，如果应变值出现突变，及时记录并分析突变原因；

S5、通过分析前述各步骤中监测的各个参数，分析滑坡致灾的主控因素，并分析所述模拟斜坡体中水位、单位时间降雨量和历时之间的实时关系，找到滑坡致灾的阈值；

S6、降雨后5天，模拟集水井7抽水的工况，期间实时监测所述模拟滑坡体中水位、应力值、应变值、下滑推力，分析集水井7抽水治理滑坡的可行性及有效性；

S7、根据抽水阶段监测资料，分析合理的抽水水位值，并对集水井7结构进行优化设计。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。