一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬裝置及其測量方法與流程

2023-08-13 03:13:11 2

本發明涉及滑坡模擬技術領域，具體涉及一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬裝置及其測量方法。

背景技術：

滑坡地質災害具有發生頻度高、範圍廣、危害大等特點，已經在全世界範圍內造成了大量的人員傷亡和經濟損失。僅2004年到2010年間，全球至少發生了2620次不同程度的山體滑坡，超過32322人在滑坡災害中喪失了寶貴的生命。我國擁有大面積的山區不利地形，加之雨季等惡劣氣象的影響，加劇了滑坡災害發生的規模和頻率，更容易造成人員傷亡和經濟損失。滑坡災害越來越受到研究者的關注。

邊坡模擬材料方面：傳統方法如採用水泥、石膏、重晶石粉、蒙脫石、鐵粉、石英砂、細砂、硼砂、甘油、有機質、水為基本原料模擬邊坡材料。為了更好地實現相似材料特性的模擬，多數研究者更傾向於採用多種原料製作成試驗用複合材料的方法來模擬邊坡，優點是每種原料容易獲得，缺點是需要對多種配比進行大量的實驗，才能確定各種原料最優化配比。百分表是模型測量最常用的方法。含弱層型邊坡具有分布廣、巖體參數易受周圍環境的影響、穩定性較低等特點，巖體參數對巖體強度和穩定性具有極其關鍵的作用。因此含弱層型邊坡的研究對滑坡危害的防禦與治理具有重要意義。

技術實現要素：

針對上述背景技術的不足，本發明提供了一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬裝置及其測量方法，用以解決現有技術中對含弱層缺陷型邊坡研究的缺乏及溫度對弱層影響的研究的空缺。

本發明的技術方案是：一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬裝置，包括邊坡模型、紅外熱成像儀、連續攝像機、信息調理器、計算機，紅外熱成像儀、連續攝像機分別於信息調理器相連接，信息調理器與計算機相連接，邊坡模型包括滑坡體、弱層、滑床、底座，滑床安裝在底座上，滑坡體與滑床相配合，弱層位於滑坡體與滑床之間，弱層下部設有加熱板，加熱板上連接有溫度傳感器和溫度控制器。

所述溫度傳感器和溫度控制器相連接。

所述弱層的材質為熱敏材料。

所述滑床上部設有傾斜面Ⅰ，滑坡體上設有傾斜面Ⅱ，傾斜面Ⅰ與傾斜面Ⅱ相配合。

一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬的測量方法，包括步驟一：確定紅外熱成像儀所能測量區域、跟被測對象的距離：紅外熱像儀空間解析度為ρsr；紅外熱像儀與被測物體中心線距離為L，像素大小為m×n，單個像素測量的面積為Sr，紅外熱像儀所能測量的被測物體為矩形區域，矩形區域長度為a，紅外熱像儀所能測量的被測物體寬度為b，紅外熱成像儀與被測矩形區域的中心點對齊，那麼有如下關係式成立： ρsr×L=Sr

m×Sr=a

n×Sr=b

實驗時通過調節紅外熱像儀的空間解析度ρsr、像素大小m×n和紅外熱像儀與被測物體距離L的方式來滿足測量區域大小的要求；

步驟二：連續攝像機的定位：連續攝像機放置於支架上，通過調節支架的水平位置、高度、俯仰角使連續攝像機與被測矩形區域的中心點對齊；

步驟三：對加熱板電加熱：對加熱板設定一溫度值，運用溫度控制器對加熱板進行溫度控制，通過溫度傳感器將加熱板的實時實際溫度測出，並且反饋至溫度控制器與溫度設定值比較；

步驟四：信息處理：連續攝像機、紅外熱成像儀所採集到模型的熱紅外場信息傳遞給信息調理器進行轉換處理，然後再將所得到的信息傳輸至計算機中進行存儲、分析與處理。

本發明抓住邊坡受外界條件變化時，弱層力學性質逐漸劣化的特點，採用熱敏材料隨溫度上升軟化的特性進行模擬。基於光學基本原理採用連續攝像技術對滑坡全過程進行連續記錄和測量，基於熱力學基本原理採用紅外熱成像技術對滑坡全過程進行連續記錄和測量，取得了含弱層型滑坡室內試驗的第一手資料，對研究含弱層型邊坡滑坡災害具有重要的理論意義和現實價值。本發明中邊坡模型製作方法可以敏銳地體現出邊坡中弱層對滑坡成災的關鍵影響作用，模型試驗過程採用連續攝像機技術和紅外熱成像技術對試驗全過程進行無縫記錄，試驗記錄結果直觀、信息量大，便於對試驗結果的處理、分析和研究。

附圖說明

圖1為本發明邊坡模型結構示意圖。

圖2為本發明加熱板工作過程框圖。

圖3為本發明加熱板溫度隨時間變化曲線圖。

圖4為紅外熱成像儀工作過程流程圖。

圖5為紅外熱成像儀測試區域示意圖。

圖6為紅外熱成像儀安裝測試示意圖。

圖7為邊坡模型及測量儀器總體布局圖。

具體實施方式

1、實施例1：如圖1-7所示，一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬裝置，包括邊坡模型、紅外熱成像儀6、連續攝像機8、信息調理器10、計算機11，紅外熱成像儀6、連續攝像機8分別於信息調理器10相連接，信息調理器10與計算機11相連接，邊坡模型包括滑坡體1、弱層2、滑床3、底座4，滑床3安裝在底座4上，滑坡體1與滑床3相配合，弱層2位於滑坡體1與滑床3之間，弱層2下部設有加熱板12，加熱板12上連接有溫度傳感器和溫度控制器。一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬的測量方法，包括步驟一：確定紅外熱成像儀所能測量區域、跟被測對象的距離：紅外熱像儀空間解析度為ρsr；紅外熱像儀與被測物體中心線距離為L，像素大小為m×n，單個像素測量的面積為Sr，紅外熱像儀所能測量的被測物體為矩形區域，矩形區域長度為a，紅外熱像儀所能測量的被測物體寬度為b，紅外熱成像儀與被測矩形區域的中心點對齊，那麼有如下關係式成立：ρsr×L=Sr，m×Sr=a，n×Sr=b實驗時通過調節紅外熱像儀的空間解析度ρsr、像素大小m×n和紅外熱像儀與被測物體距離L的方式來滿足測量區域大小的要求。步驟二：連續攝像機的定位：連續攝像機放置於支架上，通過調節支架的水平位置、高度、俯仰角使連續攝像機與被測矩形區域的中心點對齊；步驟三：對加熱板電加熱：對加熱板設定一溫度值，運用溫度控制器對加熱板進行溫度控制，通過溫度傳感器將加熱板的實時實際溫度測出，並且反饋至溫度控制器與溫度設定值比較；步驟四：信息處理：連續攝像機、紅外熱成像儀所採集到模型的熱紅外場信息傳遞給信息調理器進行轉換處理，然後再將所得到的信息傳輸至計算機中進行存儲、分析與處理。

實施例2：如圖1-7所示，一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬裝置，包括邊坡模型、紅外熱成像儀6、連續攝像機8、信息調理器10、計算機11，紅外熱成像儀6、連續攝像機8分別於信息調理器10相連接，信息調理器10與計算機11相連接，邊坡模型包括滑坡體1、弱層2、滑床3、底座4，滑床3安裝在底座4上，所述滑床3上部設有傾斜面Ⅰ，滑坡體1上設有傾斜面Ⅱ，傾斜面Ⅰ與傾斜面Ⅱ相配合。弱層2位於滑坡體1與滑床3之間，弱層2由熱敏材料組成，弱層2下部設有加熱板12，加熱板12上連接有溫度傳感器和溫度控制器。所述溫度傳感器和溫度控制器相連接。加熱板對弱層加熱，隨著加熱板溫度的升高，弱層溫度升高，導致熱敏材料力學性質下降，邊坡趨於不穩定狀態，最終導致滑坡災害的發生，紅外熱成像儀、連續攝像機分別於信息調理器相連接，信息調理器與計算機相連接，實現了實驗過程信息的全程記錄、存儲和分析處理。

一種含弱層缺陷型邊坡滑坡室內模擬的測量方法：紅外熱成像儀所能測量的區域、跟被測對象的距離確定方法如下：

紅外熱像儀空間解析度為ρsr；紅外熱像儀與被測物體中心線距離為L，L大小受到試驗場地尺寸等因素的制約；像素大小為m×n，單個像素測量的面積為Sr，紅外熱像儀所能測量的被測物體為矩形區域（圖5），矩形區域長度為a，紅外熱像儀所能測量的被測物體（矩形）寬度為b，紅外熱成像儀與被測物體布設方式如圖6所示，那麼有如下關係式成立：ρsr×L=Sr，m×Sr=a，n×Sr=b因此，實驗時可以通過調節紅外熱像儀的空間解析度ρsr、像素大小m×n和紅外熱像儀與被測物體距離L的方式來滿足測量區域（長度×寬度=a×b）大小的要求。

加熱板的工作過程框圖如圖2所示，根據試驗溫度要求，對加熱板設定一溫度值，運用溫度控制器對加熱板進行溫度控制，通過溫度傳感器將加熱板的實時實際溫度測出，並且反饋至溫度控制器與溫度設定值比較，從而實現對加熱板溫度的實時控制。加熱板工作時其自身溫度隨時間變化過程特徵曲線如圖3所示，試驗時，室內溫度為19℃，試驗開始後，電加熱溫度開始逐漸升高，480 s時，加熱板溫度達到最高溫度112℃，最高溫度保持到510 s，之後，電熱板溫度開始下降，直至600 s時，溫度下降到91.7℃，而後溫度又開始上升。電熱板溫度之所以出現溫度升高到112℃，再到91.7℃，然後再上升的波動，主要是由於受溫度控制器的作用產生的，溫度控制器溫度設定值穩定在100℃，當電加熱片在電流作用下溫度還未達到100℃時，溫度控制器的感溫棒內液體受熱膨脹作用不足以引起控制盒中接線開關的變動，但是當電熱片溫度超過100℃後，溫度傳感器測得的實際溫度通過溫度控制器與設定溫度比較，採取了切斷電源的措施。電源切斷後，電加熱片無電流通過，溫度出現回落，當溫度低於100℃的設定溫度後，溫度傳感器測得的實際溫度通過溫度控制器與設定溫度比較，採取了接通電源的措施，繼續對電加熱片加熱。從電加熱片溫度隨時間變化曲線圖可以看出，溫控控制器對電熱板板溫度的調節具有一定的時間滯後性。為了獲得試驗的全程無縫紅外溫度場信息，採用熱紅外成像儀進行試驗信息採集。紅外熱成像儀工作過程圖如圖4所示。紅外熱像儀的基本原理是基於被測對象與周圍環境溫度、發射率等參數的差異所引起熱對比度的不同，從而把不可見的紅外輻射能量密度分布探測出來。

紅外熱成像儀放置於支架上，通過調節支架的水平位置、高度、俯仰角使紅外熱成像儀與被測矩形區域的中心O點對齊，以達到最佳的測量效果；連續攝像機放置於支架上，通過調節支架的水平位置、高度、俯仰角使連續攝像機與被測矩形區域的中心O點對齊，以達到最佳的測量效果。連續攝像機、紅外熱成像儀所採集到模型的熱紅外場信息傳遞給信息調理器進行轉換處理，然後再將所得到的信息傳輸至計算機中進行存儲、分析與處理。本發明主要用於模擬含弱層型邊坡滑坡全過程的一套方法，還可以對試驗結果進行全過程連續記錄和分析，對滑坡研究具有重要意義。

紅外熱成像儀的優點主要有以下優點：1、紅外熱成像儀探測距離遠，可以實現非接觸測量，避免測量過程對模型的幹擾；2、運用紅外熱成像儀能夠探測物體表面溫度，獲得溫度能量場圖；3、採用紅外熱成像儀能夠方便的實現實驗數據的存儲和計算機分析；4、紅外熱成像儀的結果直觀，易於分析；5、紅外熱成像儀溫度解析度高，精確度高，極微小的溫度變化也能夠探測出來。本發明利用紅外熱像儀基於熱力學原理記錄試驗全過程，利用連續攝像機基於可見光學原理記錄試驗全過程，兩種方法互為補充和印證，有利於更好地分析和研究含弱層型邊坡滑坡。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。