一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验装置及方法，边坡的临水侧与模型箱内壁之间形成库水位模拟区，库水位模拟区的模型箱顶壁上开设有进水口，库水位模拟区的模型箱侧壁自上而下依次开设有溢流口和出水口，出水口处设置有电磁阀A；边坡的背水侧与模型箱内壁之间设置有三角支架，三角支架底边支撑在支座上，边坡的背水侧与模型箱内壁之间形成地下水位模拟区，支座上固连有连通管，连通管连通库水位模拟区与地下水位模拟区，边坡内部设置有微型压力式水位传感器。本发明能够模拟库水位高程、涨落速度和稳定休止角，可保证试验结果能真实反映实际库岸边坡的变形和稳定情况，对边坡维护和加固技术有较好的借鉴意义。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验装置及方法。

背景技术

为了防洪需求和充分开发水利水电资源，我国近几十年来建设了一大批水电工程。水库大坝的建设改变了原有河道流域的水文特征，水库上游水位的涨落同时也改变了库岸边坡土体的受力特征，继而引发库岸边坡的失稳。库岸边坡的土体遇水饱和，物理力学强度降低，并受到周期性往返渗流作用，最终造成库岸地形的改变，形成某个角度的休止角。

库水周期性涨落作用诱发土质岸坡变形的动态发展过程，是坡体内的动静水压力反复变化、不断调整的过程，普通物理模型试验很难模拟真实的应力环境，故多数学者通常采用离心模型试验方法对库岸边坡演化和变形破坏开展研究。

但现有的边坡离心模型试验装置和方法存在模型结构单一、可重复性低、试验操作与实际条件不符等缺点。申请号为2018106427390，发明名称为一种模拟地下水诱发土质边坡失稳的物理模型的中国发明专利申请，只考虑了地下水位升降对库岸边坡产生的影响，忽略了实际水库运行情况，无法实现库水位多次循环涨落对边坡的影响效果。该申请公开的离心模型装置中，将水箱设在模型箱一侧，在离心机高速运转时容易发生磨损，且该装置在离心机高速旋转产生的离心力作用下难以保证水流的持续供给同时也较难实现1g重力场到Ng重力场水流的转化。

发明内容

本发明的目的是针对库位水涨落条件下库岸边坡失稳破坏的工程问题，提供一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验装置及方法，可以较为真实地模拟库水位涨落对边坡稳定性的影响，使试验结论更接近实际情况，为边坡稳定加固及处置提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验装置，包括模型箱，模型箱底部设置有支座，边坡模型设置在支座上，边坡的临水侧为斜面，边坡的临水侧与模型箱内壁之间形成库水位模拟区，库水位模拟区的模型箱顶壁上开设有进水口，库水位模拟区的模型箱侧壁自上而下依次开设有溢流口和出水口，出水口处设置有电磁阀A；边坡的背水侧与模型箱内壁之间设置有三角支架，三角支架底边支撑在支座上，边坡的背水侧与模型箱内壁之间形成地下水位模拟区，支座上固连有连通管，连通管上设置有电磁阀B，连通管连通库水位模拟区与地下水位模拟区，边坡内部设置有微型压力式水位传感器。

装置还包括数据采集系统包括离心机转臂上的数据采集模块、图像监测系统和地面工控机组成，可同步采集应变信号、视频信号和电压信号。通过在边坡模型内安装微型压力式水位传感器可得到边坡的水位和变形情况，模型箱内安装的高速高清摄像机可逐帧提取视频图像，分析试验细节，地面工控机可实现监测数据的实时控制、采集和存储。因数据采集系统为现有技术，在此不多赘述。

溢流口、支座以及电磁阀共同构成水位自动控制系统。

支座与三角支架、连通管的连接处，待安装完后对接缝涂抹防渗快干胶水，以保证支撑结构内蓄水后单向往边坡模型内渗流。

本发明利用离心机产生的“时空放大效应”，使模型与原型边坡处于相同应力状态，以及能够模拟库水位高程、涨落速度和稳定休止角，可保证试验结果能真实反映实际库岸边坡的变形和稳定情况，对边坡维护和加固技术有较好的借鉴意义。

进一步地，边坡的背水侧设置有不锈钢板，不锈钢板上还设置有不锈钢网，不锈钢网通过三角支架固定在不锈钢板上。

背水侧的不锈钢板上开设有若干个直径为3mm的圆孔，起透水作用，三角支架由304不锈钢制作，起支撑作用。不锈钢网优选为200目，可以防止边坡模型中的细小颗粒通过开孔反向滑落到蓄水结构中。

优选地，连通管位于库水位模拟区的一端设置有滤网。

连通管道和电磁阀B，利用连通器原理使边坡模型两侧水位保持在预定高度，连通管进水口一侧管道加设有滤网，防止冲刷的土样堵住管道。

优选地，电磁阀A采用日本TACO双联组合电磁阀。通过内置的PLC控制模块驱动电磁阀，将模拟量输出模块连接到电磁阀的控制器上，当电磁阀A的大阀门关闭，输入预计泄流流量，控制模块会转化成相应的电流或脉冲信号，控制器会根据接收到的信号来控制小阀门的开度，以满足控制精度的要求。通常控制开度由负反馈信号叠加输入信号来确定，整个控制过程不受超重力场影响，可快速对控制信号作出响应。

电磁阀A采用双联组合，由一大一小双阀门组合，大阀开启可使水流在较短时间内泄流，小阀可进一步控制泄流精度。

优选地，模型箱底部的支座为防渗钢板。

优选地，溢流口下游面与上游面成一定夹角，优选为20°～30°。可快速泄流以控制模型箱内最大水位高度。

优选地，库水位模拟区底部、支座与模型箱侧壁之间具有间隙，形成沉砂池。以保护模型箱内管道等设施免受磨损和阻塞。

一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验方法，包括步骤：

(1)结合原型边坡的规模、现场形态、离心机荷载容量条件，确定离心模型和现场边坡的相似比N；对现场边坡的岩石土样和水文水环境条件进行勘察，测出岩土材料的密度、颗粒级配、含水率、压缩性和渗透系数，配置与现场边坡实际物理力学性质相近的基岩和填土材料；

在制作模型前，需要对原型滑坡的地质资料，如材料性质和边界条件的问题等进行分析，以便在制备模型时能尽可能接近原型边坡。需要对原型边坡所处的库区水位高程、坡比以及水文数据等数据进行采集分析，以尽可能与原型边坡所处条件相同。通常需要设计正交配比试验，最终确定相似材料和配比。边坡基岩大多为砂岩，材料一般采用重晶石粉、水泥和石膏制成。覆盖的土体材料大致分为砂质粘性土和砾质粘性土，砂质土可直接采用原型边坡的现场土料，砾质土一般选取石英砂、水泥、石膏和硼砂加水混合。粘结剂一般采用石膏、水泥和水混合配制。试验前需要对用到的岩土材料过筛，以保证各粒径混合均匀。

(2)根据确定的相似比N，制备对应库水流量和大小的模型箱，在模型箱内安装好进水管、支座和蓄水结构；

根据确定的相似比N设计模型箱，箱体外壳采用铝合金材质，刚度极大，几乎不产生变形。模型箱尺寸与供水系统的储水箱一致。其中供水系统通过在离心机室外设置4个储水箱同时供水，通过模型箱顶部的进水口向箱内库水位模拟区供水，利用接水环与离心机转轴同轴转动，在高速旋转条件下可保证水流的持续供给，也可保证整体结构的安全稳定，能够克服现有技术中水箱设在模型箱一侧，在离心机高速运转时容易发生磨损的技术问题。

(3)在模型箱内按原型边坡的实际形态进行模型的制备，边坡模型内部埋设监测器材，制模完成后将模型箱吊装固定在离心机吊篮上，在吊篮上安装高清摄像机并连接数据采集系统，测试各监测装置能否正常工作；

依据现场实测资料模型可分为深层有岩体和无岩体的土质边坡。对于深层有岩体的库岸边坡，先将重晶石粉和水泥等材料拌和浇筑振捣在模型箱底，静止24小时待凝固成型。上部土体填筑与深层无岩体的土质边坡一致，采用分层填筑法，每层堆砌高度为4cm，通过质量控制法，将一定含水率拌合均匀的土体均匀的铺开，采用平面夯板在一定的击实力作用下夯击至预定高度。每层填土之间应进行刮毛处理，每填筑一层都需要喷涂一层粘结剂，当滑坡模型填筑到传感器标记的高程时，埋设相应的监测器材。传感器的埋设应当与模型材料接触密实，动力线和传感器的导线应弯曲成蛇形固定在转臂的导杆上或模型箱周壁上，以防止受力拉断。在同一测点上尽可能平行设置两个同类传感器，便于互相校核。模型箱的侧壁与模型接触面应采取措施，可涂抹硅油或凡士林以减少摩擦阻力。

将模型箱吊装入吊篮后，需要对传感器进行线性度测试和转换系数率定，以测试监测装置能否正常工作。在模型箱顶部和下游坡正前方各安置一台高清摄像机，以实时监测边坡在库水位涨落作用下的发展过程。

(4)对离心机进行配重后开始逐级加速，使模型与原型边坡处于同一应力状态下；待离心加速度稳定至目标加速度后开启供水系统，通过模型箱顶部的进水口向库水位模拟区注水，关闭电磁阀A，打开电磁阀B，使边坡模型两侧、库水位模拟区和地下水位模拟区保持在较高水位；

(5)待边坡模型内孔隙水压的变化趋于稳定后，控制电磁阀A流量变大，电磁阀A泄水流量大于供水系统的进水流量，关闭电磁阀B，将库水位模拟区的水位以一定速度降低，模拟水库腾库容时水位快速降落过程；

库水位与水库涨落时间在离心机中均存在N倍的相似比，因此库水位一侧的平均涨落速度与现场实测的最大平均涨落速度保持一致。

关闭支座内电磁阀，开启电磁阀A，调节电磁阀A泄水流量大于进水流量，保持水位按照预期的速率下降至电磁阀A底高程。可通过内部传感器和外部标识点坐标记录边坡模型内水位、孔压和休止角的变化。压力式水位传感器输出信号为电压信号，可以直接连接在离心机数据采集系统的电压信号采集模块上进行数据采集。边坡的变形破坏情况可采用离心机内图像采集与位移测量系统观测。

具体的下降水位和速度均可由电磁阀内的输出水流量控制，计算公式如下：

其中，Q

(6)待边坡模型内孔隙水压的变化趋于稳定后，控制电磁阀A流量变小，电磁阀A泄水流量小于供水系统的进水流量，使库水位模拟区的水位以一定速度抬升，模拟水库蓄水时水位快速上涨过程；

保持电磁阀B关闭，调节电磁阀A泄水量小于进水流量，使库水位以一定速度，其具体大小依照公式(1)进行计算，上涨至溢流口底高程并保持水位稳定。地下水位模拟区在经历步骤(5)后产生回落，保持电磁阀B关闭，模型两侧由水位差的存在从而形成水库模拟区至地下水位模拟区的渗流。通过内部传感器和外部标识点坐标记录边坡模型内水位、孔压和休止角的变化，至此为一次往返渗流循环。

(7)待孔隙水压基本保持稳定后，打开电磁阀B将地下水位模拟区水位抬升至初始高度，重复步骤(4)-(7)，即可模拟周期性往返渗流对库岸边坡的影响。

试验过程中，供水系统始终注水，待试验结束后关闭供水系统。

为了模拟库水位多次循环涨落对库岸边坡产生的影响，在水位涨落过程计算边坡休止角的变化幅度，如两次涨落的变化幅度小于10％可停止试验，记录试验数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明设计库水位模拟区和地下水位模拟区，通过溢流口和电磁阀，模拟库水位的多次循环涨落，模拟水库水位的多次循环涨落对边坡失稳的影响，较好地反映了水库的实际情况。

本发明模型箱内由溢流口和电磁阀等构成的水位自动控制系统，可精确调节边坡内外水位高度和涨落速度，通过控制模块驱动电磁阀的过程不受超重力场影响，可快速对控制信号作出响应，以满足控制速度和精度的要求。

本发明通过微型压力式水位传感器可准确得到边坡模型在多次库水位涨落作用下的水位变化和不同时刻的水压力，辅助高清图像可以直观描述边坡模型休止角的变化情况，为削坡加固等工程提供依据。

本发明供水系统置于离心机室外，不间断地向模型箱内供水，减少了离心机高速旋转过程的磨损，实际试验操作更安全稳定，供水速度可人为调整。

本发明对库岸边坡加固与处置工程具有重要的指导和实用价值。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明，其中：

图1为本发明一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验装置及方法的流程图；

图2为本发明中模型的立体图；

图3为本发明中模型箱的正面图；

图4为本发明中库水位自动控制系统；

图5为不锈钢板的结构；

图6为三角支架的结构；

图中标记：1、模型箱，2、电磁阀A，3、电磁阀B，4、进水口，5、溢流口，6、出水口，7、边坡模型，8、微型压力式水位传感器，9、连通管，10、不锈钢网，11、不锈钢板，12、滤网，13、沉砂池，14、支座，15、三角支架，16、高速高清摄像机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明的技术方案做进一步说明。

如图2-6，一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验装置，包括铝合金材质的模型箱1，模型箱底部设置有支座14，边坡模型7设置在支座上，边坡的临水侧为斜面，边坡的临水侧与模型箱内壁之间形成库水位模拟区，库水位模拟区的模型箱顶壁上开设有进水口4，库水位模拟区的模型箱侧壁自上而下依次开设有溢流口5和出水口6，出水口处设置有电磁阀A2，采用日本TACO双联组合电磁阀；边坡的背水侧与模型箱内壁之间设置有三角支架15，三角支架底边支撑在支座上，边坡的背水侧与模型箱内壁之间形成地下水位模拟区，支座上固连有连通管9，连通管上设置有电磁阀B3，连通管连通库水位模拟区与地下水位模拟区，边坡内部设置有微型压力式水位传感器8。边坡的背水侧设置有不锈钢板11，不锈钢板上还设置有不锈钢网10，不锈钢网通过三角支架15固定在不锈钢板上。连通管位于库水位模拟区的一端设置有滤网12，库水位模拟区底部、支座与模型箱侧壁之间具有间隙，形成沉砂池13。

如图1所示，一种模拟水位涨落诱发库岸边坡失稳的离心模型试验方法，包括如下步骤。

步骤1，对现场边坡进行勘察测量材料参数，配置与现场边坡实际物理力学性质相近的基岩和填土材料。本发明中，以深层无岩体的库岸边坡为例进行说明。

对原型边坡所处的库区水位高程、坡比以及水文数据等数据进行采集分析，以尽可能与原型边坡所处条件相同。在原型边坡沿多条勘探线路选取多个不同位置，钻孔取得不同深度的原状试样，进行级配试验。土体材料大致分为砂质粘性土和砾质粘性土，因砂质粘性土整体粒径较小，若离心模型试验中按照相似比尺将粒径进行缩尺，很可能会影响边坡性质，因此直接采用原始边坡土料，砾质土一般选取石英砂、水泥、石膏和硼砂加一定比例的水混合。通过室内试验测量原状边坡土料干密度和含水率的空间分布，对照统计分析结果，得出模型试样填筑的干密度和含水率。将上述试验土样进行称重后按方案设计的含水率，配比适量水并搅拌均匀，用塑料膜包裹静置48小时用于后续制作模型。

步骤2，根据确定的相似比N，制备对应库水量和大小的模型箱，预设并安装供水系统、水位自动控制系统和边坡内地下水位模拟区。结合原型边坡的规模、现场形态、离心机荷载容量等条件，确定离心模型和现场边坡的相似比N，取原型高度和模型箱高度之比，通常为1:100～1:200。根据确定的相似比N设计模型箱，箱体外壳采用铝合金材质，刚度极大，几乎不产生变形。如图2所示，本发明中离心模型试验的模型箱内部有效尺寸为1200×600×800mm，包括：供水系统、水位自动控制系统、边坡内地下水位模拟区以及数据采集系统。

供水系统通过在离心机室外设置4个储水箱同时供水，利用接水环与离心机转轴同轴转动，单次试验的最大供水量为10m

如图3所示，水位自动控制系统包括矩形薄壁的溢流口5、底部支座14和电磁阀组成。如图4所示，溢流口5开设与进水管一侧的箱壁，溢流口宽度c为200mm，溢流口外侧开口高度a为80mm，内侧开口高度b为50mm，堰顶至模型箱底的距离为200mm，溢流口下游面与上游直立面成20°～30°夹角，便于快速泄流。溢流口正下方开设出水口6，其中电磁阀A采用双联组合，由一大一小双阀门组合，大阀开启可使水流在较短时间内泄流，小阀可进一步控制泄流精度。底部支座14主体为防渗钢板，内部安装连通管9和电磁阀B，进水口一侧管道加设有滤网12，防止冲刷的土样堵住管道。钢板前侧设置有小型沉砂池13，以保护模型箱内管道等设施免受磨损和阻塞。

如图5所示，边坡内地下水位模拟区由侧部支撑蓄水结构组成，由304不锈钢制作，外部长宽高尺寸为600×100×800mm。与边坡模型7接触的一侧由直径

数据采集系统包括离心机转臂上的数据采集模块、图像监测系统和地面工控机组成，可同步采集应变信号、视频信号和电压信号。如图3所示，边坡模型内安装的微型压力式水位传感器8可得到边坡的水位和变形情况，模型箱内安装的高速高清摄像机16可逐帧提取视频图像，分析试验细节，地面工控机根据PID控制算法可实现监测数据的实时控制、采集和存储。

步骤3，在模型箱内按原型边坡的实际形态进行模型的制备，模型内部埋设微型压力式水位传感器等监测器材，制模完成后将模型箱吊装固定在离心机吊篮上，安装连接数据采集系统，测试各监测装置能否正常工作。以深层无岩体的土质边坡为例，采用分层填筑法对边坡土样按照设计干密度进行填筑，每层堆筑高度为4cm，通过质量控制法，将一定含水率拌合均匀的土体均匀的铺开，采用平面夯板在一定的击实力作用下夯击至预定高度。每层填土之间应进行刮毛处理，每填筑一层都需要喷涂一层粘结剂，当滑坡模型填筑到传感器标记的高程时，埋设相应的监测器材。传感器的埋设应当与模型材料接触密实，动力线和传感器的导线应弯曲成蛇形固定在转臂的导杆上或模型箱周壁上，以防止受力拉断。在同一测点上尽可能平行设置两个同类传感器，便于互相校核。模型箱的侧壁与模型接触面应采取措施，可涂抹硅油或凡士林以减少摩擦阻力。

将模型箱吊装入吊篮后，需要对传感器进行线性度测试和转换系数率定，以测试监测装置能否正常工作。在模型箱顶部和下游坡正前方各安置一台高清摄像机，以实时监测边坡在库水位涨落作用下的发展过程。

步骤4，待离心加速度稳定至目标加速度后开启供水系统，关闭电磁阀A，打开电磁阀B，使边坡模型两侧保持在同一较高水位。

对离心机进行配重后，为避免急剧加载造成坡体突然破坏，离心加速度从1g逐渐加速至Ng，每一级增加的离心加速度为5g，待土体变形稳定一段时间后再施加下一级。对传感器进行线性度测试和转换系数率定，以提高数据准确性。

开启供水系统后，模型箱内开始蓄水，此时控制电磁阀A的开启大小，将水位与溢流口齐平，此时在高水位下边坡模型内外会发生入渗，从而加速模型材料的水饱和情况。观察实时数据，待模型内孔压稳定，表明入渗基本完成。

步骤5，待边坡模型内孔隙水压的变化趋于稳定后，控制电磁阀A流量变大，关闭电磁阀B，将蓄水池一侧的水位以一定速度降低，模拟水库腾库容时水位快速降落过程。

关闭电磁阀B，开启电磁阀A，调节电磁阀A泄水流量大于进水流量，保持水位按照预期的速率下降至电磁阀A底高程。可通过内部传感器和外部标识点坐标记录边坡模型内水位、孔压和休止角的变化。压力式水位传感器输出信号为电压信号，可以直接连接在离心机数据采集系统的电压信号采集模块上进行数据采集。边坡的变形破坏情况可采用离心机内图像采集与位移测量系统观测。

具体的下降水位和速度均可由电磁阀内的输出水流量控制，计算公式如下：

其中，Q

当电磁阀A中大阀门关闭，输入计算得到的泄流流量，控制模块会转化成相应的电流或脉冲信号，控制器会根据接收到的信号来控制小阀门的开度，以满足控制精度的要求。

步骤6，待边坡模型内孔隙水压的变化趋于稳定后，控制电磁阀A流量变小，使蓄水池一侧的水位以一定速度抬升，模拟水库蓄水时水位快速上涨过程。

保持电磁阀B关闭，调节电磁阀A泄水量小于进水流量，使库水位以一定速度(其具体大小依照公式(1)进行计算)上涨至溢流口底高程并保持水位稳定。地下水位模拟区在经历步骤(5)后产生回落，保持电磁阀B关闭，模型两侧由水位差的存在从而形成水库模拟区至地下水位模拟区的渗流。通过内部传感器和外部标识点坐标记录边坡模型内水位、孔压和休止角的变化，至此为一次往返渗流循环。

步骤7，待孔隙水压基本保持稳定后，打开电磁阀B将地下水位模拟区水位抬升至初始高度，重复步骤(4)-(7)，即可模拟库水位多次循环涨落对库岸边坡的影响。

为了模拟库水位多次循环涨落对库岸边坡产生的影响，在水位涨落过程计算边坡休止角的变化幅度，如两次涨落的变化幅度小于10％可停止试验，记录试验数据。