[发明专利]滑坡物理模型试验水位自动化控制系统

说明书

技术领域

本发明属于地质灾害模型试验领域，具体的指一种滑坡物理模型试验水位自动化控制系统。

背景技术

因水库调度运营需要，库水位长期处于升降变动之中，库岸边坡内外水体的相互补给使其内部渗流场发生变化，因而孔隙水压力场也处在不断变化之中，这影响了库岸边坡的稳定性，往往会加剧甚至诱发滑坡。

在国外，F. O. Jones等人（1961）调查并研究了Roosevelt湖周边1941~1953年间发生的滑坡，研究结果表明，49%的滑坡发生在1941~1942年蓄水初期，30%的滑坡在水位骤降10~20m的情况下发生，其余为发生在其它时间段的小型滑坡；日本学者经统计发现，大约60%的水库滑坡发生在库水位骤降时期，其余近40%的水库滑坡发生在水位上升时期，包括蓄水初期。

国内方面，随着三峡水库蓄水以及蓄水后的正常运行，库区水位变化对库区内滑坡的稳定性产生着重要影响。根据三峡水库的调控方案，每年库水位将在145~175m范围内周期性波动，极大地改变了滑坡体内的水文地质条件，降低了滑坡稳定性。例如：滑坡涉水段在水的浸泡下发生软化作用，使岩土体抗剪强度大大下降；库水位骤降引起滑体内孔隙中地下水渗流，会产生指向坡外的动水压力；水库蓄水使滑坡浸没水中，有效应力减小使得滑坡阻滑段抗滑力大大降低。此外，水库运营过程中，大量边坡和滑坡的加固治理工程全部或部分浸没在水下，抗滑桩和地质体的相互作用在很大程度上也受到库区蓄水和长期库水位升降作用的影响。

因此，对于库区边坡、滑坡而言，在进行滑坡稳定性评价、成因机制分析、防治工程设计等过程中，必须考虑库区蓄水和水位循环涨落这一重要影响因素。

目前，库区滑坡稳定性研究方法主要有工程地质分析法、刚体极限平衡法、数值模拟方法和物理模型试验等。其中：工程地质分析法只能对滑坡稳定性进行定性评价；刚体极限平衡法过于简化，且不能给出滑坡的变形和位移状态；数值模拟方法在建模、参数选取方面与实际情况很难相符，本构模型高度概化，难以准确描述滑坡变形特征。而物理模型试验可同时考虑多种因素及复杂的边界条件，能够直观地模拟岩土体的变形和破坏机理，被广泛用于重大工程和复杂、特殊结构的建筑物。滑坡物理模型试验属于地质力学模型试验的范畴，早在80年代，国内外的学者就开始采用该方法研究滑坡的稳定性，21世纪以来，研究人员在考虑水位作用的滑坡物理模型试验研究方面取得了一些研究成果，其具有代表性的研究成果简介如下。

2004年，张均锋等人以箱体、透水板、挡网、插板为主要构件公开了一种水诱发滑坡模拟试验装置，用于模拟库水位涨落、上游供水、地下水位变化对滑坡的影响，并在此基础上提出了具体的试验方法。

同年，李世海等人发展了水诱发滑坡模型试验，该实验装置主要包括试验台、试验箱、供水系统和设置在试验箱上的滑坡体，可对滑坡失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面积之间的关系开展研究。

2006年，罗先启等人研发了一种可考虑降雨作用的大型滑坡物理模型试验系统，该系统集起降系统、降雨系统、监测系统于一体，实现了系统集成化、自动化。

2008年，李邵军等人以离心模型试验为手段，基于三峡库区典型滑坡的工程地质特征，建立相应的土质边坡离心模型，模拟库区边坡在水位升降作用下的失稳过程，获取了该试验条件下的土坡在水位升降过程中典型位置的孔隙水压力变化、全断面位移矢量演化、滑面形态及裂缝形成发展过程，并详细分析了边坡在这种外部水环境影响下的变形演化、失稳和破坏模式。

2009年，贾官伟等人通过水位控制系统实现坡外水位的骤降，利用仪器设备详细记录水位骤降过程中边坡内的孔隙水压力、土水总压力，滑动面形态及坡面裂缝的形成和发展过程，揭示水位骤降引起边坡失稳的原因及模式。

2011年，王世梅等人发明了一种由前面板、后面板、左面板、右面板组成的滑坡模型试验装置，其最大的优点在于便于调节、拆卸组装、方便搬运移动及试验后的改装。

2012年，范永波等人公开了一种多因素作用下的大型滑坡物理模型试验系统，具有大尺度、高精度、分段式特点，并且考虑了多种水动力耦合作用，利用多场测试手段获取滑坡各阶段的关键参数。

虽然上述研究成果中关于水位模拟系统或装置的研发在一定程度上促进了滑坡物理模型试验的发展，但分析上述多个水位模拟系统或装置，发现均存在一定程度的局限或缺陷：

（1）考虑库水作用的传统滑坡物理模型装置一般将滑坡体后部渗流边界设为定水头边界条件，与实际滑坡变化的渗流场特征不符；