降雨与地下水耦合作用下边坡模拟试验装置及试验方法

摘要

滑坡是当今世界上最严重的自然灾害之一，严重的影响了人类生命财产和经济社会发展，中国是亚洲乃至世界上滑坡灾害最严重的国家之一，滑坡已经引起了政府和岩土工程界学者的高度重视。研究表明，降雨是引起滑坡的主要原因，边坡降雨入渗，究其实质是导致边坡非饱和区基质吸力降低，构成边坡土体抗剪强度降低，从而导致边坡发生滑坡。模型试验是研究边坡滑坡的重要手段，目前研究降雨入渗条件下边坡滑坡的试验装置仅考虑了降雨对滑坡的影响，实际上，边坡滑坡是降雨和地下水位上升相互作用的结果。因此，需要研究一种考虑降雨入渗与地下水变化耦合作用的边坡滑坡模型试验装置，对进一步阐明边坡滑坡机理和防止边坡滑坡具有重要意义。

说明书

一、技术领域

本发明属于一种应用于水利、铁路、公路等工程领域，具体是一种降雨与地下水耦合作用下边坡滑坡模型试验装置及试验方法，利用该装置及试验方法能进一步阐明边坡滑坡机理，为边坡滑坡治理提供技术支持。

二、背景技术

在我国发生的各类自然灾害中，滑坡已成为仅次于地震的第二大地质灾害。大量滑坡实例表明，降雨是触发滑坡、泥石流、山洪等严重地质灾害的主要诱因。随着雨水的渗入，地下水位抬升，边坡土体饱和度逐渐增加，孔隙水压力明显上升，对应的基质吸力不断降低进而引起土体及潜在破裂面抗剪强度下降，当降雨强度和持时达到一定程度时，便会导致边坡失稳。

边坡模型试验研究具有边界条件多样、操作简便、重现性强等优点，已成为降雨诱发滑坡机理研究的常用手段。传统研究降雨入渗条件下边坡稳定性的试验装置一般只考虑了降雨条件的影响，并没有考虑地下水变化对边坡性态的影响。

因此需要发明一个能够反映降雨入渗与地下水变化耦合作用的边坡模拟试验装置，并监测不同降雨条件下边坡土体的表面和内部性态。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种降雨与地下水耦合作用下边坡模拟试验装置及试验方法。

本发明目的是通过以下技术方案实现的： 

一种降雨与地下水耦合作用下边坡模拟试验装置，其特征在于该试验装置由有机玻璃试验箱1，降雨系统2和供水箱3所制成，其中，降雨系统2安装在有机玻璃试验箱1的上方，供水箱3放置在有机玻璃试验箱1的一侧；将两块网状隔板7的底部和两侧面与试验箱1的底部和两侧面粘结, 形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个小箱体，在Ⅰ小箱体侧面的底部安装一个PVC水管4，PVC水管4上安装第一自动流量计5和第一节制阀6；降雨系统2从左到右前6节PVC水管4分别与7节PVC三通管8连接，后4节PVC水管4分别与水压表9、第二节制阀6、第二自动流量计5、加压水泵10相连接后通入供水箱3中，在7节PVC三通管8的下端分别安装喷头11，在第二自动流量计5与加压水泵10之间的PVC水管4上连接1个PVC水管4，在PVC水管4上端安装第三个自动流量计5与第三节制阀6，在两块网状隔板7的内侧面上各粘贴一块土工布12。

所述的降雨诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于所述的PVC水管4、PVC三通管8、喷头11、水压表9、节制阀6、自动流量计5和加压水泵10的口径相匹配并用螺纹连接。

所述的降雨诱发滑坡模拟试验装置进行模拟试验的方法，其试验方法步骤如下：

1) 将现场开挖的粘土在恒温烘箱中烘干，按照原状土级配、初始含水量制备土样；

2) 在有机玻璃试验箱1 的Ⅱ小箱体内的有机玻璃内壁均匀涂抹凡士林，将制备好的土样按照原状样密度装入有机玻璃试验箱1 的Ⅱ小箱体内，将土样放置一定厚度后依次埋设变形标点塑料管13，间距为10cm，然后在变形标点塑料管13上部放置试样土，形成ABCD试样土斜坡；

3) 在试样土斜坡中依次插入4支张力计14，间距为10cm、在4个张力计14的后方平行插4支孔隙水压力计15，间距为10cm，

4) 然后在有机玻璃试验箱1的Ⅱ小箱体的正前方的有机玻璃外表面上绘制网格，网格间距为1cm；

5) 在供水箱3中注满水，分别打开第三节制阀6，第三自动流量计5，然后启动加压水泵10，记录第三自动流量计5初始读数，向有机玻璃试验箱1的Ⅲ小箱体内注水，注入一定水头后停止注水，关闭加压水泵10，记录第三自动流量计5读数，关闭第三节制阀6；等待24h后，重复步骤5）直到有机玻璃试验箱1 的Ⅲ小箱体内保持恒定水头；

6) 打开第二节制阀6、加压水泵10，通过第二节制阀6控制降雨量，直至设定降雨量为止，开始降雨，记录第二自动流量计5初始值，

7) 间隔30min分别记录4支张力计14、4支孔隙水压力计15的读数，间隔1min读取边坡变形标点塑料管13数值，该数值通过有机玻璃试验箱1 的Ⅱ小箱体的正前方的有机玻璃外表面上绘制网格获取，间隔1min测量滑坡前缘、后缘的变形，直至边坡发生滑坡破坏为止；

8) 先关闭加压水泵10，然后关闭第二节制阀6，停止降雨，记录第二自动流量计5数值，并通过有机玻璃试验箱1的Ⅱ小箱体的正前方的有机玻璃外表面上绘制网格记录试验土样地下水位值，试验结束。

本发明的原理如下：

本发明能够模拟降雨入渗与地下水变化耦合作用的边坡模滑坡变形，包括：有机玻璃试验箱；降雨系统；供水箱；PVC水管；自动流量计；节制阀；网状孔隔板；PVC三通管；水压表；加压水泵；PVC三通管；土工布；变形标点塑料管；张力计；孔隙水压计；将试验土样放置在有机玻璃试验箱内，根据实际边坡滑坡情况，通过地下水位与降雨耦合作用下边坡滑坡模型试验揭示边坡滑坡机理，为边坡治理提供技术支持和理论依据。

本发明的优点为：

1. 本发明针对降雨入渗与地下水变化耦合作用下的土质边坡滑坡室内模型试验，分析不同降雨强度、不同降雨持时及地下水变化等相互作用下的边坡滑坡情况。

2. 本发明可实现单因素与多因素对比，独立控制降雨及地下水变化的运行模式与过程，为精确分析不同因素对边坡稳定性的影响程度提供了便利条件，可实现控制荷载量与对比效应量的试验要求。

3. 本发明具有原理简单、操作便利、监测快捷、可多次利用、试验容错率高等优点。

四、附图说明

图1 降雨与地下水耦合作用下边坡模拟试验装置正视图；

图2 有机玻璃试验箱正视图；

图3 降雨系统正视图；

图4 带孔隔板结构正视图；

图5 供水箱正视图。

附图标记：1—有机玻璃试验箱；2—降雨系统；3—供水箱；4—PVC水管；

5—自动流量计；6—节制阀；7—网状孔隔板；8—PVC三通管；9—水压表；10—加压水泵；11—PVC三通管；12—土工布；13—变形标点塑料管；14—张力计；15—孔隙水压计；

五、具体实施方式

本发明主要是提供一个降雨与地下水耦合作用下边坡滑坡模型试验装置，利用该装置及试验方法能进一步阐明边坡滑坡机理，为边坡滑坡治理提供技术支持。

实施例1

一种降雨与地下水耦合作用下边坡模拟试验装置，其特征在于该试验装置由有机玻璃试验箱1，降雨系统2和供水箱3所制成，其中，降雨系统2安装在机玻璃试验箱1的上方，供水箱3放置在机玻璃试验箱1的一侧；将两块网状隔板7的底部和两侧与有机玻璃试验箱1的底部和两侧面粘结，形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个小箱体，在Ⅰ小箱体侧面的底部安装一个PVC水管4，PVC水管4上安装第一自动流量计5和第一节制阀6；降雨系统2从左到右前6节PVC水管4分别与7节PVC三通管8连接，后4节PVC水管4分别与水压表9、第二节制阀6、第二自动流量计5、加压水泵10相连接后通入供水箱3中，在7节PVC三通管8的下端分别安装喷头11，在第二自动流量计5与加压水泵10之间的PVC水管4上连接1个PVC水管4，在PVC水管4上端安装第三个自动流量计5与第三节制阀6，在两块网状隔板7的内侧面上各粘贴一块土工布12。

其中：

1) 有机玻璃试验箱1由前、后、左、右和底板5块有机玻璃板制成，前、后两块有机玻璃板相同，厚度5cm，长710cm、高200cm，左、右两块有机玻璃板相同，厚度5cm，长200cm、高200cm；有机玻璃底板厚度5cm，长710cm、宽210cm；两块带孔隔板将有机玻璃试验箱1分隔成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ小箱体，将两块土工布分别粘贴在带孔隔板的内侧面，带孔隔板7厚度5cm、长200cm、高200cm、孔径0.3cm，供水箱3为圆柱形铁桶250cm×200cm(直径×高)，土工布12厚度0.2cm，长200cm、高200cm； PVC水管4直径2cm，自动流量计5型号为FTB300数字式(美国)，节制阀6型号为HANOVER KGT(美国)；

2) 水压表9型号为ACD-200/201、加压水泵10型号为2BV5水环式真空泵；PVC三通管8直径为3cm、喷头11为垂直旋转下喷式喷头降雨半径1.0～1.5m、变形标点塑料管13直径为0.3cm，张力计14型号为2710AR系列土壤水分张力计，孔隙水压力计15型号为加拿大振弦式孔隙水压力计CL1；

实施例2，使用降雨与地下水耦合作用下边坡滑坡模型试验装置进行试验的方法，其步骤如下：

1) 将现场开挖的粘土在105℃的恒温烘箱中烘干24h，按照原状土级配、初始含水量为15%制备土样；

2) 在有机玻璃试验箱1 的Ⅱ小箱体内的有机玻璃内壁均匀涂抹3mm厚的凡士林，将制备好的土样按照原状样密度1.62g/cm³装入有机玻璃试验箱1 的Ⅱ小箱体内，将土样放置厚度达到100cm时，将5根变形标点塑料管13依次埋设在土样内，变形标点塑料管13与有机玻璃试验箱1 的Ⅱ小箱体的正前方的有机玻璃外表面相紧贴，变形标点塑料管间距为10cm，然后在变形标点塑料管13上部放置试样土，形成ABCD试样土斜坡；斜坡AB、BC、CD的长度分别为100cm、510cm、100cm；

3) 在边坡模型的BC段中从左向右依次竖直插入4支张力计14，间距为10cm，在4支张力计14的后方平行插4支孔隙水压力计15，孔隙水压力计间距为10cm，张力计与孔隙水压力计间距为100cm，

4) 然后在有机玻璃试验箱1的Ⅱ小箱体的正前方的有机玻璃外表面上用记号笔和直尺绘制网格，网格间距为1cm；

5) 在供水箱3中注水，水头为200cm，分别打开第三节制阀6，第三自动流量计5，然后启动加压水泵10，记录第三自动流量计5初始读数，向有机玻璃试验箱1的Ⅲ小箱体内注水，注入100cm的水头后停止注水，关闭加压水泵10，记录第三自动流量计5读数，关闭第三节制阀6；等待24h后，重复步骤5）直到有机玻璃试验箱1 的Ⅲ小箱体内保持100cm的恒定水头；

6) 打开第二节制阀6、加压水泵10，通过第二节制阀6控制降雨量，降雨量为500mm；直至设定降雨量为止，开始降雨，记录第二自动流量计5初始值，

7) 间隔30min分别记录4支张力计14、4支孔隙水压力计15的读数，间隔1min读取边坡变形标点塑料管13数值，该数值通过有机玻璃试验箱1 的Ⅱ小箱体的正前方的有机玻璃外表面上绘制网格获取，间隔1min用直尺测量滑坡前缘、后缘的变形，直至边坡发生滑坡破坏为止；

8) 先关闭加压水泵10，然后关闭第二节制阀6，停止降雨，记录第二自动流量计5数值，并通过有机玻璃试验箱1的Ⅱ小箱体的正前方的有机玻璃外表面上绘制网格记录试验土样地下水位值，试验结束。