[發明專利]根系與滲流耦合下坡體破壞判據研究離心模型試驗系統

在審

• 申請號: 202010138547.3
• 申請日: 2020-03-03
• 公開（公告）號: CN111189995A
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 張崇磊;蘇立君;蔣關魯;劉琪;余方威;韓宜均
• 申請（專利權）人: 中國科學院;水利部成都山地災害與環境研究所
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 茍銘

1.一種根系與滲流耦合下坡體破壞判據研究離心模型試驗系統，其特征在于，包括：坡體模型(35)、剛性模擬箱、地下水高度控制系統、根系生物力學固土系統、坡體水分-應力-變形監測系統和控制室計算機(30)；

剛性模擬箱內安裝地下水高度控制系統、根系生物力學固土系統以及坡體水分-應力-變形監測系統；

所述坡體模型(35)呈梯形，采用土樣分層壓實填筑在剛性模擬箱的一側；

所述剛性模擬箱包括：鋁合金箱體(9)、有機玻璃側壁(10)、箱體上部蓋板(11)、坡體后側密封槽(12)以及坡腳帶孔鋼支架(13)；

鋁合金箱體(9)的側面安裝透明有機玻璃側壁(10)，用于實時監測坡體濕潤鋒的遷移過程以及浸潤線高度的演變規律；有機玻璃側壁(10)與模擬箱(9)箱體接觸面安裝膠圈，并通過螺栓固定密封，坡體模型(35)左側下部安裝密封槽(12)，模型右側坡腳安裝帶孔鋼支架(13)；

有機玻璃側壁(10)可拆卸，利于試驗前后坡體模型(35)的制作和拆模；

所述地下水高度控制系統包括：儲水箱(1)、流速控制蠕動泵(2)、單向電磁閥(3)、分流管路(4)、入滲多孔不銹鋼管(5)、微型水位傳感器(6)、流速控制器(7)和水位變送器(8)；

所述蓋板(11)上部固定儲水箱(1)，儲水箱(1)內底部安裝水位變送器(8)，流速控制蠕動泵(2)通過航空插頭將蠕動泵(2)控制信號導線連接到流速控制器(7)上，實現開閉蠕動泵(2)，并能調整注水速率和地下水位高度；流速控制器(7)調控蠕動泵(2)運轉，蠕動泵(2)運轉帶動水流運動將水由大型儲水箱(1)引出，水流通過單向電磁閥(3)以及蠕動泵(2)后，由一根管路進分八路的分流管路(4)，八路分流管路同步將水輸送到八根入滲多孔不銹鋼管(5)底部；入滲多孔不銹鋼管(5)內設置微型水位傳感器(6)，用于實時反饋水位高度；

所述根系生物力學固土系統包括：高進氣值陶土頭(14)、不同形狀的人造根(22)、抽水單向閥(15)、一級儲水罐(16)、二級儲水罐(17)、一級儲水罐(16)底部的吸力變送器(18)、一級儲水罐吊桿(19)、吸力輸水管路(21)、真空泵(20)和啟停開關(23)；

真空泵(20)與啟停開關(23)電路連接，真空泵(20)和二級儲水罐(17)安裝于箱體上部蓋板(11)的表面，一級儲水罐吊桿(19)固定于箱體上部蓋板(11)的下表面，一級儲水罐吊桿(19)用于安裝一級儲水罐(16)，一級儲水罐(16)底部安裝吸力變送器(18)用于監測真空泵(20)負壓值；真空泵(20)通過吸力輸水管路(21)依次連接二級儲水罐(17)、一級儲水罐(16)、抽水單向閥(15)、人造根(22)；

所述人造根(22)主要由高進氣值陶土頭(14)與不同形狀的聚酰胺PA空心管搭接裝配構成；

啟停開關(23)啟動真空泵(20)，抽水管路中負壓啟動；人造根(22)的高進氣值陶土頭(14)在真空負壓下將坡表根端的水分抽出，水分沿吸力輸水管路(21)經過抽水單向閥(15)，到達一級儲水罐(16)和二級儲水罐(17)并進行貯存；一級儲水罐(16)底部的吸力變送器(18)監測真空泵(20)負壓值，并測量從土中抽水過程的蒸騰水量；關閉真空泵時，抽水單向閥(15)可防止抽水管路和儲水罐內的水分倒流回根端，并進入坡體；兩級儲水罐設計有效防止水分進入真空泵(20)；

水分-應力-變形監測系統包括：應力類土壓力傳感器(24)、水分類含水率傳感器(25)、基質吸力傳感器(26)、孔隙水壓力傳感器(27)、變形類位移傳感器(28)、坡體外部變形攝錄組件和數據采集處理儀(29)；

坡體內部埋設應力類土壓力傳感器(24)、水分類含水率傳感器(25)、基質吸力傳感器(26)和孔隙水壓力傳感器(27)；坡體表面布設的變形類位移傳感器(28)；

應力類土壓力傳感器(24)、水分類含水率傳感器(25)、基質吸力傳感器(26)、孔隙水壓力傳感器(27)、變形類位移傳感器(28)都通過數據傳輸線連接至數據采集處理儀(29)；

所述數據采集處理儀(29)通過數據傳輸線與控制室計算機(30)連接，監測坡體應力、水分以及變形實時響應情況；鋁合金T形支架(31)固定于箱體上部蓋板(11)上，變形類位移傳感器(28)通過夾具固定于鋁合金T形支架(31)上；

所述坡體外部變形攝錄組件用于間隔記錄坡體正面分級失穩崩塌過程，實時觀測模型側面的失穩過程與浸潤線演變；

所述密封槽(12)用于將入滲多孔鋼管(5)固定在水槽內，并控制坡體地下水高度從20cm處提高；模型坡腳的帶孔鋼支架(13)內部填充海綿，用于儲存從坡體內滲流出的多余水分，防止水分在坡腳堆積；入滲多孔鋼管(5)管外包扎一層50目不銹鋼紗網，用于調控供水滲流速率。