一种用于模拟海底滑坡的新型室内模型试验装置

摘要

本发明公开了一种用于模拟海底滑坡的新型室内模型试验装置，该装置包括模型箱主体、假坡、漏斗、切土板、传感器支架以及龙门架抬升装置。该试验装置可通过龙门架抬升装置在0‑20度范围内实现箱体任意角度的抬升，尤其是该装置可通过可变长度的切土板来开挖不同位置的土体，模拟斜坡坡脚不同程度的冲刷现象；另外，通过龙门架起吊装置将装满泥浆的漏斗吊起，对斜坡顶部进行加载，同样可以模拟快速沉积引起的滑坡；同时也可以采用该装置，结合室内水槽试验模拟并评价海底斜坡在波浪荷载作用下的稳定性。该试验装置能够同时考虑坡角变化、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程研究领域，具体涉及一种用于模拟海底滑坡的新型室内模型试验装置。

背景技术

在二十一世纪的今天，人类文明得到了飞跃式的发展，能源——这一战略资源在每一个国家的国民经济中起到了越来越大的作用。众所周知，海洋中石油、天然气等常规能源的蕴藏量十分丰富，据不完全统计，在全世界范围内，海洋石油储量约1450亿吨，占全球石油总储量的34％，其中已探明的储量约为380亿吨；仅在大陆架区域，目前发现的含的油气盆地面积就达到1500万平方千米，已发现800多个含油气盆地，1600多个油气田，天然气地质储量达约140万亿立方米。

我国是一个拥有漫长海岸线的海洋大国，海洋资源开发与利用的意识正逐步增强。但是，由于人类对海洋大规模的开发与利用，诸如海底平台、海底管道、电缆等海底工程设施的大量建造与使用以及由外力引起的海底自身环境的剧烈变化，海床本身或者海底构筑物的恶性破坏事件也日益增长，造成大量的经济财产损失和人员伤亡，这使得人类对于海洋地质灾害的研究变得越来越迫切和实用，对于认识海洋地质灾害的重要性也越发凸显。我国是一个典型的沿海大国，东部近海地区与西北太平洋几条大型地震带距离较近，极易受到海底地震的波及而造成损失；而南部中国海域处于大陆坡与海槽区域的交汇地带，这使得这一区域的海水水深变化极大，区域内地形条件(多海槽)与水体流动(洋流)剧烈变化，地质条件复杂多变，极易发生海底地质灾害。所以，对于海底地质灾害的研究应予以高度重视。

海底滑坡是海洋地质灾害中的主要形式，随着海底滑坡的发生，大量沉积物可被搬运至很远的距离，这种搬运过程可以对海洋油气工程设施、海底电缆构成严重威胁，海底滑坡也被认为是引起海底输油管道扭曲失效或者切断的重要诱发因素；大规模的海底滑坡还经常性的伴有破坏性极强的海啸发生；海底滑坡的频繁发生，严重威胁着海洋工程结构及海洋相关人员的生命安全。因此，对海底斜坡稳定性及海底滑坡的触发机制的研究已成为当前海洋工程与海洋地质灾害领域的研究热点问题。

然而，目前的研究中大多采用理论分析以及数值技术计算，并且试验装置很少能够同时考虑坡角变化、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响。如申请号为CN108894182A的发明专利提供了一种应用于海底滑坡水槽试验研究的滑坡触发装置及方法，但是该专利仅考虑了坡角对斜坡稳定性的影响；申请号为CN207764186U的发明专利提供了一种模拟海底滑坡的试验装置，该装置主要研究滑坡触发以后的流滑过程，而且其触发因素也是仅考虑了坡角的影响。

针对海底斜坡的稳定性及其触发机制的研究不足，本发明提出了一套能够实现多个坡角、多工况模拟海底滑坡的试验装置。并可以模拟坡脚冲刷、快速沉积等因素对海底斜坡的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，进一步探究海底滑坡的破坏机制。本发明提出了一套能够实现多个坡角、多工况模拟海底滑坡的试验装置。该装置可通过龙门架抬升装置在0-20度范围内实现箱体任意角度的抬升，尤其是该装置可通过可变长度的切土板开挖不同位置的土体，模拟由斜坡坡脚不同程度的冲刷现象；另外，通过起吊装置将漏斗吊起，对斜坡顶部进行加载，同样可以模拟快速沉积引起的滑坡；同时也可以采用该装置，结合室内水槽试验模拟并评价海底斜坡在波浪荷载作用下的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供一种用于模拟海底滑坡的新型室内模型试验装置，包括：

模型箱主体，所述模型箱主体由箱体和底座组成，其中箱体包括位于两端的闸板、侧板和底板；箱体的顶部为一斜坡，其前端低于后端；所述箱体两端还设有转轴，后端的转轴可使箱体模拟多角度滑坡，前端的转轴用于在土体固结过程中抬起箱体前端，从而使箱体的顶部处于平面状态，以保证土体强度太低时，不会流出箱体，从而更好的完成固结；

假坡，所述假坡包括连接于箱体前端的前水平段、连接于前水平段前端的斜坡段以及连接于箱体后端的后水平段；所述的斜坡段与前水平段相接，以达到稳定波浪的目的；设置前后水平段与斜坡段均是为了稳定波形，使波浪在上坡之前达到稳定状态。

漏斗，所述漏斗包括圆筒段和连接于圆筒段下方的梯形段，且漏斗位于箱体上方；所述梯形段通过螺丝链接到圆筒段的下方；在试验时，通过起吊装置将漏斗整体吊起放于箱体上；漏斗的作用：一、撒砂：落雨法制备砂坡；二、模拟斜坡快速沉积效应。

切土板，所述切土板包括用于切割土体的钢板和一端与钢板连接另一端与位于前端的闸板连接的顶杆，且顶杆长度可变，使切土板可沿斜坡不同位置切割开挖土体，模拟斜坡不同程度的坡脚冲刷现象；开挖土体时，首先将切割土体的钢板插入土体指定位置处，然后调整顶杆的长度将顶杆顶在模型箱前端的闸板上，最后用铁锹将切割土体挖除。

传感器支架，所述传感器支架包括传感器固定装置和传感器保护装置，所述传感器固定装置用于将传感器固定于底板上；具体的传感器种类可根据需要进行选择，所述传感器保护装置套在传感器外面，用来保护传感器不受损坏。

以及龙门架抬升装置，所述龙门架抬升装置包括两台龙门架和控制装置，所述两台龙门架分别布置在箱体的前后两端，通过前后两端的转轴抬起箱体；其中位于后端的龙门架可实现箱体在0-20度范围内任意角度抬升，位于前端的龙门架用于在土体固结过程中抬起箱体前端；所述控制装置用于控制龙门架的运动，调整龙门架的位置以及抬升高度。

作为本发明的一种优选技术方案，所述位于箱体前端的闸板可拆卸；在向箱体中堆填土体时，前端的闸板处于锁死状态，当土体固结完成进行实验时，前端的闸板被提起，防止阻碍斜坡滑动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述侧板采用透明有机玻璃制作，可以清晰的观察到滑坡的破坏过程。

作为本发明的一种优选技术方案，所述底板采用不锈钢制作且均匀分布有排水孔，可以满足箱体内的土体完成排水固结。

作为本发明的一种优选技术方案，所述前水平段和后水平段二者的高度分别与箱体的前端和后端保持一致，两段水平段的长度可根据波浪条件(如周期和波长)进行调节。后水平段高度与箱体后端高度一致，以平稳反射波，同时也防止波浪在箱体后端产生漩涡。

作为本发明的一种优选技术方案，所述漏斗的梯形段可根据模型斜坡的角度调节尺寸，为了使梯形段与箱体完全贴合，所述梯形段下边缘斜边的倾斜角度与箱体被抬升的角度相同。

作为本发明的一种优选技术方案，所述传感器固定装置由扁钢条和空心圆管垂直焊接组成，所述空心圆管上固定有传感器。由于箱体是一个斜坡，故空心圆管的高度需根据放置在箱体的位置确定；为了更方便快捷的固定传感器，将空心圆管沿高度方向切掉1/2，然后根据试验监测的不同位置在空心圆管的不同高度处开螺栓孔，这样可以通过手将事先开有螺纹的传感器固定在不同位置的螺栓孔上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述底座采用井字结构，可使箱体的稳定性更高。

作为本发明的一种优选技术方案，所述传感器保护装置由3层有机玻璃刻制而成，内嵌滤网和透水石。传感器的探头外侧为透水石，透水石另一侧为滤网，以防止由于土颗粒过细导致传感器损坏。

作为本发明的一种优选技术方案，所述滤网为400目/英寸的ICr18Nig，所述透水石的厚度为5mm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明提出了一套能够实现多个坡角、多工况模拟海底滑坡的试验装置。该装置可通过龙门架抬升装置在0-20度范围内实现箱体任意角度的抬升，尤其是该装置可通过可变长度的切土板开挖不同位置的土体模拟由斜坡坡脚不同程度的冲刷现象；通过起吊装置将装满泥浆的漏斗吊起，对斜坡顶部进行加载，同样可以模拟快速沉积效应引起的滑坡；同时也可以采用该装置，结合室内水槽试验模拟并评价海底斜坡在波浪荷载作用下的稳定性。更重要的是该装置可同时考虑波浪浅水化、坡脚冲刷以及快速沉积三者相互耦合作用对海底滑坡的影响。

附图说明

图1是本发明的试验装置示意图；

图2是本发明的模型箱主体与漏斗三维图；

图3是本发明的模型箱主体三维图；

图4是本发明的模型箱主体与漏斗主视图；

图5是本发明的模型箱主体与漏斗俯视图；

图6是本发明的切土板三维图；

图7是本发明的切土板与模型箱位置关系图；

图8是本发明的假坡结构图；

图9是本发明的漏斗梯形段三维图；

图10是本发明的漏斗圆筒段及梯形段主视图；

图11是本发明的闸板结构图；

图12是本发明的传感器固定装置；

图13是本发明的传感器保护装置。

其中，1-模型箱主体、2-假坡、3-漏斗、4-切土板、5-传感器支架、6-龙门架抬升装置、7-箱体、8-底座、9-转轴、10-闸板、11-侧板、12-底板、13-斜坡段、14-前水平段、15-后水平段、16-圆筒段、17-梯形段、18-顶杆、19-钢板、20-传感器固定装置、21-传感器保护装置、22-滤网、23-透水石。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

下面结合附图1～13和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1所示，本实施例提供一种用于模拟海底滑坡的新型室内模型试验装置，包括模型箱主体1，还包括假坡2、漏斗3、切土板4、传感器支架5以及龙门架抬升装置6；所述模型箱主体1由箱体7、底座8组成，其中箱体7包括闸板10、侧板11、底板12。

所述箱体7的顶部为一斜坡，其前端低于后端；所述箱体7两端还设有转轴9，后端的转轴9可使箱体7模拟多角度滑坡，前端的转轴9用于在土体固结过程中抬起箱体前端，从而使箱体7的顶部处于平面状态，以保证土体强度太低时，不会流出箱体7，从而更好的完成固结。所述假坡2包括斜坡段13和两段水平段14、15三部分。所述漏斗3包括圆筒段16和梯形段17，梯形段17可根据模型斜坡的角度调节尺寸；所述切土板4包括顶杆18以及切割土体的钢板19；所述传感器支架5包括传感器固定装置20和传感器保护装置21。

上述的假坡2的斜坡段13和水平段14放置于箱体7前端，水平段15位于箱体7后端，所述水平段14和水平段15的高度分别与箱体7的前端和后端保持一致，水平段14和15的长度可根据具体试验工况进行调节。

漏斗3包括圆筒段16和梯形段17。梯形段17通过螺丝链接到圆筒段16的下方。试验时通过起吊装置将漏斗3整体吊起，放置箱体7上，为了使梯形段17与箱体7完全贴合，梯形段17下边缘的斜边，倾斜角度与箱体被抬升的角度相同。漏斗3的作用：一、撒砂：落雨法制备砂坡；二、模拟斜坡快速沉积效应。

所述切土板4包括顶杆18以及切割土体的钢板19，所述顶杆18一端与位于前端的闸板10连接，另一端与钢板19连接，且顶杆18长度可变；所述切土板4通过顶杆18可沿斜坡不同位置切割并开挖土体，用以模拟斜坡不同程度的坡脚冲刷现象。

所述传感器支架5包括传感器固定装置20和传感器保护装置21；所述传感器固定装置20用于将传感器固定于底板12上；固定装置20由扁钢条和空心圆管垂直焊接组成，由于箱体7顶端是一个斜坡，故空心圆管的高度需根据放置在箱体7的位置确定。为了更方便快捷的固定传感器，将空心圆管沿高度方向切掉1/2，然后根据试验监测的不同位置在空心圆管的不同高度处开螺栓孔，这样可以手动将事先开有螺纹的传感器固定在不同位置的螺栓孔上。同时可根据试验具体工况确定传感器支架5布置位置；所述传感器保护装置21由3层有机玻璃刻制而成，内嵌400目/英寸的ICr18Nig滤网22和厚度为5mm的透水石23，传感器的探头外侧为透水石23，透水石23另一侧为滤网。传感器保护装置21套在传感器外面，以防止由于土颗粒过细导致传感器损坏。本实施例中采用的传感器包括孔隙传感器、压力传感器、加速度传感器。

所述龙门架抬升装置6的两台龙门吊分别安装在箱体7的前后两端，位于后端的龙门吊可实现箱体在0-20度范围内任意角度抬升，位于前端的龙门吊用于抬起箱7前端可使箱体7的斜边保持一个平面，防止斜坡土体流出。

上述的闸板10位于箱体7前端，闸板10可拆卸；在向箱体7中堆填土体时，闸板10处于锁死状态，当土体固结完成进行实验时，前端闸板10被提起，防止阻碍斜坡滑动；底座8位于箱体7的底部，采用井字结构可使箱体7稳定性更高。转轴9位于箱体7两端，箱体7后端转轴9的作用是为了实现箱体7可以模拟多角度滑坡，箱体7前端转轴9则在土体固结过程中使用，抬起箱体前端可使箱体7的斜边保持一个平面，以保证土体不会流出箱体7，从而更好的完成固结。侧板11采用透明有机玻璃制作，可以清晰的观察到滑坡的破坏过程。底板12采用不锈钢制作且均匀分布直径5毫米的排水孔，可以满足箱体7内的土体完成排水固结。

该装置为一套能够实现多个坡角、多工况模拟海底滑坡的试验装置。可同时考虑坡角变化、坡脚冲刷以及快速沉积三者相互耦合作用对海底滑坡的影响。同时可结合室内水槽试验探究波浪浅水化、坡脚冲刷以及快速沉积三者耦合作用对海底滑坡的影响。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种用于模拟海底滑坡的新型室内模型试验装置，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。

除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。