降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
【專利摘要】滑坡是當(dāng)今世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重的影響了人類生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，中國(guó)是亞洲乃至世界上滑坡災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，滑坡已經(jīng)引起了政府和巖土工程界學(xué)者的高度重視。研究表明，降雨是引起滑坡的主要原因，邊坡降雨入滲，究其實(shí)質(zhì)是導(dǎo)致邊坡非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低，構(gòu)成邊坡土體抗剪強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑坡。模型試驗(yàn)是研究邊坡滑坡的重要手段，目前研究降雨入滲條件下邊坡滑坡的試驗(yàn)裝置僅考慮了降雨對(duì)滑坡的影響，實(shí)際上，邊坡滑坡是降雨和地下水位上升相互作用的結(jié)果。因此，需要研究一種考慮降雨入滲與地下水變化耦合作用的邊坡滑坡模型試驗(yàn)裝置，對(duì)進(jìn)一步闡明邊坡滑坡機(jī)理和防止邊坡滑坡具有重要意義。
【專利說(shuō)明】降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
[0001]一、【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明屬于一種應(yīng)用于水利、鐵路、公路等工程領(lǐng)域，具體是一種降雨與地下水耦合作用下邊坡滑坡模型試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，利用該裝置及試驗(yàn)方法能進(jìn)一步闡明邊坡滑坡機(jī)理，為邊坡滑坡治理提供技術(shù)支持。
[0002]二、【背景技術(shù)】
在我國(guó)發(fā)生的各類自然災(zāi)害中，滑坡已成為僅次于地震的第二大地質(zhì)災(zāi)害。大量滑坡實(shí)例表明，降雨是觸發(fā)滑坡、泥石流、山洪等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因。隨著雨水的滲入，地下水位抬升，邊坡土體飽和度逐漸增加，孔隙水壓力明顯上升，對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力不斷降低進(jìn)而引起土體及潛在破裂面抗剪強(qiáng)度下降，當(dāng)降雨強(qiáng)度和持時(shí)達(dá)到一定程度時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。
[0003]邊坡模型試驗(yàn)研究具有邊界條件多樣、操作簡(jiǎn)便、重現(xiàn)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理研究的常用手段。傳統(tǒng)研究降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性的試驗(yàn)裝置一般只考慮了降雨條件的影響，并沒(méi)有考慮地下水變化對(duì)邊坡性態(tài)的影響。
[0004]因此需要發(fā)明一個(gè)能夠反映降雨入滲與地下水變化耦合作用的邊坡模擬試驗(yàn)裝置，并監(jiān)測(cè)不同降雨條件下邊坡土體的表面和內(nèi)部性態(tài)。
[0005]三、
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的在于提供一種降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。
[0006]本發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于該試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱1，降雨系統(tǒng)2和供水箱3所制成，其中，降雨系統(tǒng)2安裝在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的上方，供水箱3放置在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的一側(cè)；將兩塊網(wǎng)狀隔板7的底部和兩側(cè)面與試驗(yàn)箱I的底部和兩側(cè)面粘結(jié)，形成1、I1、III三個(gè)小箱體，在I小箱體側(cè)面的底部安裝一個(gè)PVC水管4，PVC水管4上安裝第一自動(dòng)流量計(jì)5和第一節(jié)制閥6 ;降雨系統(tǒng)2從左到右前6節(jié)PVC水管4分別與7節(jié)PVC三通管8連接，后4節(jié)PVC水管4分別與水壓表9、第二節(jié)制閥
6、第二自動(dòng)流量計(jì)5、加壓水泵10相連接后通入供水箱3中，在7節(jié)PVC三通管8的下端分別安裝噴頭11，在第二自動(dòng)流量計(jì)5與加壓水泵10之間的PVC水管4上連接I個(gè)PVC水管4，在PVC水管4上端安裝第三個(gè)自動(dòng)流量計(jì)5與第三節(jié)制閥6，在兩塊網(wǎng)狀隔板7的內(nèi)側(cè)面上各粘貼一塊土工布12。
[0007]所述的降雨誘發(fā)滑坡模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的PVC水管4、PVC三通管8、噴頭11、水壓表9、節(jié)制閥6、自動(dòng)流量計(jì)5和加壓水泵10的口徑相匹配并用螺紋連接。
[0008]所述的降雨誘發(fā)滑坡模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)的方法，其試驗(yàn)方法步驟如下:
1)將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的粘土在恒溫烘箱中烘干，按照原狀土級(jí)配、初始含水量制備土樣；
2)在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體內(nèi)的有機(jī)玻璃內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，將制備好的土樣按照原狀樣密度裝入有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體內(nèi)，將土樣放置一定厚度后依次埋設(shè)變形標(biāo)點(diǎn)塑料管13，間距為10cm，然后在變形標(biāo)點(diǎn)塑料管13上部放置試樣土，形成AB⑶試樣土斜坡； 3)在試樣土斜坡中依次插入4支張力計(jì)14，間距為10cm、在4個(gè)張力計(jì)14的后方平行插4支孔隙水壓力計(jì)15，間距為10cm，
4)然后在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上繪制網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為Icm ；
5)在供水箱3中注滿水，分別打開(kāi)第三節(jié)制閥6，第三自動(dòng)流量計(jì)5，然后啟動(dòng)加壓水泵10，記錄第三自動(dòng)流量計(jì)5初始讀數(shù)，向有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的III小箱體內(nèi)注水，注入一定水頭后停止注水，關(guān)閉加壓水泵10，記錄第三自動(dòng)流量計(jì)5讀數(shù)，關(guān)閉第三節(jié)制閥6 ;等待24h后，重復(fù)步驟5)直到有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的III小箱體內(nèi)保持恒定水頭；
6)打開(kāi)第二節(jié)制閥6、加壓水泵10，通過(guò)第二節(jié)制閥6控制降雨量，直至設(shè)定降雨量為止，開(kāi)始降雨，記錄第二自動(dòng)流量計(jì)5初始值，
7)間隔30min分別記錄4支張力計(jì)14、4支孔隙水壓力計(jì)15的讀數(shù)，間隔Imin讀取邊坡變形標(biāo)點(diǎn)塑料管13數(shù)值，該數(shù)值通過(guò)有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上繪制網(wǎng)格獲取，間隔Imin測(cè)量滑坡前緣、后緣的變形，直至邊坡發(fā)生滑坡破壞為止；
8)先關(guān)閉加壓水泵10，然后關(guān)閉第二節(jié)制閥6，停止降雨，記錄第二自動(dòng)流量計(jì)5數(shù)值，并通過(guò)有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上繪制網(wǎng)格記錄試驗(yàn)土樣地下水位值，試驗(yàn)結(jié)束。
[0009]本發(fā)明的原理如下:
本發(fā)明能夠模擬降雨入滲與地下水變化耦合作用的邊坡?；伦冃?，包括:有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱；降雨系統(tǒng)；供水箱；PVC水管；自動(dòng)流量計(jì)；節(jié)制閥；網(wǎng)狀孔隔板；PVC三通管；水壓表；加壓水泵；PVC三通管；土工布；變形標(biāo)點(diǎn)塑料管；張力計(jì)；孔隙水壓計(jì)；將試驗(yàn)土樣放置在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱內(nèi)，根據(jù)實(shí)際邊坡滑坡情況，通過(guò)地下水位與降雨耦合作用下邊坡滑坡模型試驗(yàn)揭示邊坡滑坡機(jī)理，為邊坡治理提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
1.本發(fā)明針對(duì)降雨入滲與地下水變化耦合作用下的土質(zhì)邊坡滑坡室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析不同降雨強(qiáng)度、不同降雨持時(shí)及地下水變化等相互作用下的邊坡滑坡情況。
[0011]2.本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)單因素與多因素對(duì)比，獨(dú)立控制降雨及地下水變化的運(yùn)行模式與過(guò)程，為精確分析不同因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度提供了便利條件，可實(shí)現(xiàn)控制荷載量與對(duì)比效應(yīng)量的試驗(yàn)要求。
[0012]3.本發(fā)明具有原理簡(jiǎn)單、操作便利、監(jiān)測(cè)快捷、可多次利用、試驗(yàn)容錯(cuò)率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0013]四、【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
圖1降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置正視圖；
圖2有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱正視圖；
圖3降雨系統(tǒng)正視圖；
圖4帶孔隔板結(jié)構(gòu)正視圖；
圖5供水箱正視圖。
[0014]附圖標(biāo)記:1 一有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱；2—降雨系統(tǒng)；3—供水箱；4一PVC水管；
5一自動(dòng)流量計(jì)；6—節(jié)制閥；7—網(wǎng)狀孔隔板；8—PVC 二通管；9一7jC壓表；10—加壓水泵；11—PVC 二通管；12—土工布；13—變形標(biāo)點(diǎn)塑料管；14一張力計(jì)；15—孔隙水壓計(jì)； 五、【具體實(shí)施方式】
本發(fā)明主要是提供一個(gè)降雨與地下水耦合作用下邊坡滑坡模型試驗(yàn)裝置，利用該裝置及試驗(yàn)方法能進(jìn)一步闡明邊坡滑坡機(jī)理，為邊坡滑坡治理提供技術(shù)支持。
[0015]實(shí)施例1
一種降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于該試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱1，降雨系統(tǒng)2和供水箱3所制成，其中，降雨系統(tǒng)2安裝在機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的上方，供水箱3放置在機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的一側(cè)；將兩塊網(wǎng)狀隔板7的底部和兩側(cè)與有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的底部和兩側(cè)面粘結(jié)，形成1、IIJII三個(gè)小箱體，在I小箱體側(cè)面的底部安裝一個(gè)PVC水管4，PVC水管4上安裝第一自動(dòng)流量計(jì)5和第一節(jié)制閥6 ;降雨系統(tǒng)2從左到右前6節(jié)PVC水管4分別與7節(jié)PVC三通管8連接，后4節(jié)PVC水管4分別與水壓表9、第二節(jié)制閥
6、第二自動(dòng)流量計(jì)5、加壓水泵10相連接后通入供水箱3中，在7節(jié)PVC三通管8的下端分別安裝噴頭11，在第二自動(dòng)流量計(jì)5與加壓水泵10之間的PVC水管4上連接I個(gè)PVC水管4，在PVC水管4上端安裝第三個(gè)自動(dòng)流量計(jì)5與第三節(jié)制閥6，在兩塊網(wǎng)狀隔板7的內(nèi)側(cè)面上各粘貼一塊土工布12。
[0016]其中:
1)有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I由前、后、左、右和底板5塊有機(jī)玻璃板制成,前、后兩塊有機(jī)玻璃板相同，厚度5cm,長(zhǎng)710cm、高200cm,左、右兩塊有機(jī)玻璃板相同，厚度5cm,長(zhǎng)200cm、高200cm ;有機(jī)玻璃底板厚度5cm，長(zhǎng)710cm、寬210cm ;兩塊帶孔隔板將有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I分隔成1、I1、III小箱體，將兩塊土工布分別粘貼在帶孔隔板的內(nèi)側(cè)面，帶孔隔板7厚度5cm、長(zhǎng)200cm、高200cm、孔徑0.3cm，供水箱3為圓柱形鐵桶250cmX 200cm(直徑X高)，土工布12厚度0.2cm，長(zhǎng)200cm、高200cm ； PVC水管4直徑2cm，自動(dòng)流量計(jì)5型號(hào)為FTB300數(shù)字式(美國(guó))，節(jié)制閥6型號(hào)為HANOVER KGT(美國(guó))；
2)水壓表9型號(hào)為ACD-200/201、加壓水泵10型號(hào)為2BV5水環(huán)式真空泵；PVC三通管8直徑為3cm、噴頭11為垂直旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭降雨半徑1.0?1.5m、變形標(biāo)點(diǎn)塑料管13直徑為0.3cm,張力計(jì)14型號(hào)為2710AR系列土壤水分張力計(jì)，孔隙水壓力計(jì)15型號(hào)為加拿大振弦式孔隙水壓力計(jì)CLl ；
實(shí)施例2，使用降雨與地下水耦合作用下邊坡滑坡模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)的方法，其步驟如下:
1)將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的粘土在105°C的恒溫烘箱中烘干24h，按照原狀土級(jí)配、初始含水量為15%制備土樣；
2)在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體內(nèi)的有機(jī)玻璃內(nèi)壁均勻涂抹3mm厚的凡士林，將制備好的土樣按照原狀樣密度1.62g/cm3裝入有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體內(nèi)，將土樣放置厚度達(dá)到IOOcm時(shí)，將5根變形標(biāo)點(diǎn)塑料管13依次埋設(shè)在土樣內(nèi)，變形標(biāo)點(diǎn)塑料管13與有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面相緊貼，變形標(biāo)點(diǎn)塑料管間距為10cm，然后在變形標(biāo)點(diǎn)塑料管13上部放置試樣土，形成AB⑶試樣土斜坡；斜坡AB、BC、⑶的長(zhǎng)度分別為 100cm、510cm、IOOcm ；
3)在邊坡模型的BC段中從左向右依次豎直插入4支張力計(jì)14，間距為10cm，在4支張力計(jì)14的后方平行插4支孔隙水壓力計(jì)15，孔隙水壓力計(jì)間距為10cm，張力計(jì)與孔隙水壓力計(jì)間距為100cm, 4)然后在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上用記號(hào)筆和直尺繪制網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為Icm;
5)在供水箱3中注水，水頭為200cm，分別打開(kāi)第三節(jié)制閥6，第三自動(dòng)流量計(jì)5，然后啟動(dòng)加壓水泵10，記錄第三自動(dòng)流量計(jì)5初始讀數(shù)，向有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的III小箱體內(nèi)注水，注入IOOcm的水頭后停止注水，關(guān)閉加壓水泵10，記錄第三自動(dòng)流量計(jì)5讀數(shù)，關(guān)閉第三節(jié)制閥6 ;等待24h后，重復(fù)步驟5)直到有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的III小箱體內(nèi)保持IOOcm的恒定水頭；
6)打開(kāi)第二節(jié)制閥6、加壓水泵10，通過(guò)第二節(jié)制閥6控制降雨量，降雨量為500_；直至設(shè)定降雨量為止，開(kāi)始降雨，記錄第二自動(dòng)流量計(jì)5初始值，
7)間隔30min分別記錄4支張力計(jì)14、4支孔隙水壓力計(jì)15的讀數(shù)，間隔Imin讀取邊坡變形標(biāo)點(diǎn)塑料管13數(shù)值，該數(shù)值通過(guò)有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上繪制網(wǎng)格獲取，間隔Imin用直尺測(cè)量滑坡前緣、后緣的變形，直至邊坡發(fā)生滑坡破壞為止；
8)先關(guān)閉加壓水泵10，然后關(guān)閉第二節(jié)制閥6，停止降雨，記錄第二自動(dòng)流量計(jì)5數(shù)值，并通過(guò)有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱I的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上繪制網(wǎng)格記錄試驗(yàn)土樣地下水位值，試驗(yàn)結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.一種降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于該試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)，降雨系統(tǒng)(2)和供水箱(3)所制成，其中，降雨系統(tǒng)(2)安裝在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的上方，供水箱(3)放置在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的一側(cè)；將兩塊網(wǎng)狀隔板(7)的底部和兩側(cè)面與有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的底部和兩側(cè)面粘結(jié)，形成1、I1、III三個(gè)小箱體，在I小箱體側(cè)面的底部安裝一個(gè)PVC水管(4)，PVC水管(4)上安裝第一自動(dòng)流量計(jì)(5)和第一節(jié)制閥(6);降雨系統(tǒng)⑵從左到右前6節(jié)PVC水管(4)分別與7節(jié)PVC三通管⑶連接，后4節(jié)PVC水管(4)分別與水壓表(9)、第二節(jié)制閥(6)、第二自動(dòng)流量計(jì)(5)、加壓水泵(10)相連接后通入供水箱(3)中，在7節(jié)PVC三通管(8)的下端分別安裝噴頭(11)，在第二自動(dòng)流量計(jì)(5)與加壓水泵(10)之間的PVC水管(4)上連接I個(gè)PVC水管(4)，在PVC水管(4)上端安裝第三個(gè)自動(dòng)流量計(jì)(5)與第三節(jié)制閥(6)，在兩塊網(wǎng)狀隔板(7)的內(nèi)側(cè)面上各粘貼一塊土工布(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的PVC水管(4)、PVC三通管⑶、噴頭(11)、水壓表(9)、節(jié)制閥(6)、自動(dòng)流量計(jì)(5)和加壓水泵(10)的口徑相互匹配并用螺紋連接。
3.一種使用權(quán)利要求1所述的降雨與地下水耦合作用下邊坡模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)的方法，其試驗(yàn)方法步驟如下: . 1)將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的粘土在恒溫烘箱中烘干，按照原狀土級(jí)配、初始含水量制備土樣； .2)在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的II小箱體內(nèi)的有機(jī)玻璃內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，將制備好的土樣按照原狀樣密度裝入有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的II小箱體內(nèi)，將土樣放置一定厚度后依次埋設(shè)變形標(biāo)點(diǎn)塑料管(13)，間距為10cm，然后在變形標(biāo)點(diǎn)塑料管(13)上部放置試樣土，形成AB⑶試樣土斜坡； .3)在試樣 土斜坡中依次插入4個(gè)張力計(jì)(14)，間距為10cm、在4個(gè)張力計(jì)(14)的后方平行插4個(gè)孔隙水壓力計(jì)(15)，間距為10cm， .4)然后在有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上繪制網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為Icm ； .5)在供水箱(3)中注滿水，分別打開(kāi)第三節(jié)制閥(6)，第三自動(dòng)流量計(jì)(5)，然后啟動(dòng)加壓水泵(10)，記錄第三自動(dòng)流量計(jì)(5)初始讀數(shù)，向有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的III小箱體內(nèi)注水，注入一定水頭后停止注水，關(guān)閉加壓水泵(10)，記錄第三自動(dòng)流量計(jì)(5)讀數(shù)，關(guān)閉第三節(jié)制閥(6);等待24h后，重復(fù)步驟5)直到有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的III小箱體內(nèi)保持恒定水頭； .6)打開(kāi)第二節(jié)制閥(6)、加壓水泵(10)，通過(guò)第二節(jié)制閥(6)控制降雨量，直至設(shè)定降雨量為止，開(kāi)始降雨，記錄第二自動(dòng)流量計(jì)(5)初始值， . 7)間隔30min分別記錄4支張力計(jì)(14)、4支孔隙水壓力計(jì)(15)的讀數(shù)，間隔Imin讀取邊坡變形標(biāo)點(diǎn)塑料管(13)數(shù)值，該數(shù)值通過(guò)有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上繪制網(wǎng)格獲取，間隔Imin測(cè)量滑坡前緣、后緣的變形，直至邊坡發(fā)生滑坡破壞為止； .8)先關(guān)閉加壓水泵(10)，然后關(guān)閉第二節(jié)制閥(6)，停止降雨，記錄第二自動(dòng)流量計(jì)(5)數(shù)值，并通過(guò)有機(jī)玻璃試驗(yàn)箱(1)的II小箱體的正前方的有機(jī)玻璃外表面上繪制網(wǎng)格記錄試驗(yàn)土樣地下水位值，試驗(yàn)結(jié)束。
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK103728435SQ201410016669
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】李宏恩, 何勇軍, 范光亞, 李錚, 李卓, 徐海峰, 楊陽(yáng), 畢朝達(dá) 申請(qǐng)人:水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院