一种排土场变形破坏物理模型试验系统及方法

1.本发明属于排土场变形破坏模型试验的技术领域，具体涉及一种排土场变形破坏物理模型试验系统及方法。

背景技术：

2.排土场规模较大，目前尚未有公认的理想理论模型能够较为准确地完整描述排土场的破坏行为。数值模拟目前已经成为一种研究工程破坏问题的有效方法和手段，但模拟三维问题时常受计算效率和计算规模的限制。物理模型试验作为岩石力学领域重要的研究手段，尤其是在理论尚不完备、非连续数值模拟技术尚未成熟的现阶段，物理模型试验提供了一种探讨复杂排土场潜在破坏机制的有效手段。
3.关于露天矿排土场变形破坏如滑坡或泥石流的物理模型试验不多。多数研究为降雨条件下模型排土场的稳定性分析，其余研究集中在物理模型试验相似材料的选取及其影响上。对于北方寒冷地区的露天矿排土场，每年通常经历长达四、五个月的寒冷冰冻期，在冻融循环和自重等作用下，坍塌、不均匀沉降、碎屑流和浅层滑坡等常常出现，土体内部结构和力学特性因弱面、空隙和裂缝的不均匀分布而变得复杂，因此会衍生各种各样的地质灾害。而综合考虑冰雪层融化、外荷载等综合作用影响下的排土场物理模型试验，目前尚未开展。此外，排土场规模很大，受到环境和技术因素制约，排土场现场试验较难实现，且内部应变演化信息难以获取。因此，很有必要提供一种在冻融及外荷载等复合荷载作用下，借助分布式光纤监测技术实现排土场外部变形破坏及内部应变演化同步监测的物理模型试验系统。
4.因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现要素：

5.本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种排土场变形破坏物理模型试验系统及方法。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种排土场变形破坏物理模型试验系统，包括：
8.模型排土场，所述模型排土场为土体堆筑而成，用于对排土场形态进行模拟；
9.冰雪层，所述冰雪层铺设在所述模型排土场内，并位于所述模型排土场坡面的设计高程处；
10.加载装置，所述加载装置设置于所述模型排土场的坡肩处，以向所述模型排土场分级施加外荷载；
11.分布式光纤监测装置，所述分布式光纤监测装置包括多根预埋在所述模型排土场内的分布式光纤，以对试验过程中所述模型排土场的应变和温度信息进行监测；
12.图像采集装置，所述图像采集装置用于记录试验过程中所述模型排土场的变形破坏过程。
13.优选地，所述模型排土场堆筑在试验台架内，在所述试验台架内按照真实三维地形浇注下卧层，所述下卧层对排土场下卧层真实地表进行模拟。
14.优选地，在所述试验台架设有分别对应所述模型排土场左右两侧和后侧的挡板，所述挡板为透明亚克力材质。
15.优选地，所述冰雪层设置于所述模型排土场坡面之下10-20cm深度处；
16.所述冰雪层的厚度为5-10cm。
17.优选地，所述分布式光纤监测装置包括：
18.光纤应变解调仪，所述光纤应变解调仪对应连接所述分布式光纤，用于分析所述分布式光纤应变发生时的布里渊散射光频率信息；
19.光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪对应连接所述分布式光纤，用于求解所述分布式光纤监测点的温度变化。
20.优选地，所述加载装置采用砝码模拟外荷载，将所述砝码依次放置在所述模型排土场坡肩左、中和右位置处。
21.优选地，所述图像采集装置包括多个摄像机，全程记录模型排土场的前方、后方、左方、右方和上方的试验图像。
22.一种排土场变形破坏物理模型试验方法，包括：
23.通过土体堆筑形成模型排土场，以对排土场形态进行模拟，在模型排土场堆筑过程中预埋多根分布式光纤；
24.在模型排土场堆筑至设计高程处对冰雪层进行铺设，并在冰雪层铺设完成后完成模型排土场的堆筑；
25.使冰雪层进行融化，通过加载装置开始分级施加外荷载，模拟在冻融和外荷载复合作用下排土场变形破坏特征，并通过图像采集装置记录模型排土场的变形破坏过程，以对冰雪层融化过程中土体渗透以及土体发生的不均匀沉降、坍塌和碎屑流现象进行记录和分析；
26.在试验过程中，试验过程中通过分布式光纤定时对所述模型排土场的应变和温度信息进行监测。
27.优选地，在冰雪层初步融化后，在所述模型排土场坡肩左、中和右位置处依次施加外载荷，每级所增加的外荷载为25kg，在施加每个分级外荷载前后，通过分布式光纤进行一次模型排土场的应变信息记录。
28.优选地，结合土体应变信息确定模型排土场的土体变形特征，划定土体变形范围和深度信息，进而划定模型排土场的危险区域，在模型排土场内部的危险区域进行分布式光纤预埋。
29.有益效果：该试验系统具有模拟排土场形态以及冻融作用的冰雪层，通过加载装置分级进行外荷载加载，通过图像采集装置监测排土场外部土体变形，通过分布式光纤监测装置监测排土场土体应变及土体温度变化的监测系统，既可以有效地模拟排土场在冻融和外荷载作用下的外部破坏变形特性，又可以获得内部应变演化和温度场分布信息，大大提高冻融作用等复合荷载下的排土场边坡破坏特性试验的准确性和科学性，实现了复合荷载作用及分布式光纤监测技术下对排土场边坡变形破坏特性研究的飞跃。
附图说明
30.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
31.图1为本发明所提供具体实施例中试验系统的结构简图；
32.图2为本发明所提供具体实施例中分布式光纤的分布示意图。
33.图中：1、光纤应变解调仪；2、光纤光栅解调仪；3、模型排土场；4、砝码；5、冰雪层；6、下卧层；7、图像采集装置；8、亚克力板；9、电脑主机；10、分布式光纤。
具体实施方式
34.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为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而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.如图1-2所示，一种排土场变形破坏物理模型试验系统，包括模型排土场3、冰雪层5、加载装置、分布式光纤10监测装置和图像采集装置7，所述模型排土场3为土体堆筑而成，用于对排土场形态进行模拟，用于进行模型排土场3堆筑的土体取材于实际排土场，并通过相似理论进行相似比计算，以对实际排土场进行真实模拟，提高所获取试验参数的真实有效；所述冰雪层5铺设在所述模型排土场3内，冰雪层5应铺设均匀；或者根据对实际排土场的探测进行冰雪层5厚度的真实模拟，冰雪层5具体位于模型排土场3坡面之下，并位于所述模型排土场3坡面的设计高程处；所述加载装置设置于所述模型排土场3的坡肩处，以向所述模型排土场3分级施加外荷载，可以有效地模拟排土场在冻融和外荷载作用下的外部破坏变形特性，所述分布式光纤10监测装置包括多根预埋在所述模型排土场3内的分布式光纤10，以对试验过程中所述模型排土场3的应变和温度信息进行监测；所述图像采集装置7用于记录试验过程中所述模型排土场3的变化过程。
38.在另一可选实施例中，所述模型排土场3堆筑在试验台架上，试验台架由不锈钢型材设计加工焊接而成。在所述试验台架内按照真实三维地形，采用混凝土浇注排土场下卧层6(基岩)。首先对混凝土进行养护至一定强度，之后进行分布式光纤10的布设。最后，在真实三维地表即排土场下卧层6(基岩)上堆筑模型土体。其中，模型松散土体采用人工模拟排岩机排土，待土体堆筑一定高度后进行分层压实。
39.在另一可选实施例中，在所述试验台架设有分别对应所述模型排土场3左右两侧和后侧的挡板，具体地，以模型排土场3对应坡肩的一侧为后侧，模型排土场3靠近后侧的两侧侧面为左右两侧，所述挡板为透明材质。挡板由高透明亚克力板8组成。设置高透明亚克
力板8的目的是便于在试验过程中对土体不均匀沉降、坍塌和碎屑流以及冰雪层5融化、冰雪水渗透等进行观测。
40.在另一可选实施例中，在模型土体堆筑至设计排土场坡面高程之下10-20cm时铺设冰雪层5，冰雪层5厚度设置为5-10cm。待冰雪层5铺设完成后，继续后续的排土工作直至模型排土场3堆筑完成。按照设定的试验要求进行冻融作用模拟，即让冰雪层5进行融化，观察记录冰雪层5融化和分级外荷载复合作用导致的排土场变形破坏特征，具体包括冰雪层5融化过程中土体的不均匀沉降、坍塌、碎屑流以及冰雪水渗透现象的记录和分析。在试验过程同时每隔30min进行分布式光纤10的监测工作。
41.在另一可选实施例中，所述分布式光纤10监测装置包括光纤应变解调仪1和光纤光栅解调仪2：所述光纤应变解调仪1对应连接所述分布式光纤10，用于分析所述分布式光纤10应变发生时的布里渊散射光频率信息；所述光纤光栅解调仪2对应连接所述分布式光纤10，用于求解所述分布式光纤10监测点的温度变化。具体地，光纤应变解调仪1全称为双端高精分布式光纤10应变解调仪1(bofda)；光纤光栅解调仪2全称为柜式光纤光栅解调仪2(fbg)组成，双端高精分布式光纤10应变解调仪1(bofda)和柜式光纤光栅解调仪2(fbg)对应连接在电脑主机9上。其中，双端高精分布式光纤10应变解调仪1采用领先的光频域散射技术，用于分析光纤应变发生时的布里渊散射光频率信息。当排土场土体发生变形时，光纤中相关点的布里渊散射光频率随之发生变化，该频率的变化量只与光纤的轴向应变线性相关，进而可以确定待监测部位土体应变的变化。光纤光栅解调仪2内置激光光源模块，根据输出的波长信息来求解监测点的温度。
42.在另一可选实施例中，所述加载装置中采用砝码4来模拟外荷载，待冻融作用进行到一定时间(2h)后，依次对所述模型排土场3坡肩左、中和右位置处分级施加外荷载。在试验过程中，加载装置分级施加0-200kg外荷载，每级外荷载为25kg。在施加每个分级外荷载前后，均进行光纤扫描工作。其中，施加的0kg外荷载，即无外荷载作用时土体在冻融和自重作用下进行沉降作用。在另一实施例中，外荷载加载间隔：30min；冰雪层5融化2h后开始进行试验，光纤频率扫描步进：5mhz；光纤应变测试精度：
±
2με；光纤最高采样分辨率：0.05m；光纤空间分辨率：0.2m；光纤应变系数：50。
43.在另一可选实施例中，图像采集装置7在物理模型试验过程中，从土体堆筑至试验结束，记录其整个试验过程。
44.所述图像采集装置7包括多个摄像机或者数码相机，采用固定机位拍摄，在物理模型试验过程中，全程记录模型的前方、后方、左方、右方和上方的试验图像。拍摄时间为从物理模型试验土体堆筑开始到模型试验结束全过程。
45.本发明还提供一种排土场变形破坏物理模型试验方法，主要应用于北方寒冷地区排土场在冻融和外荷载等复合荷载作用下的变形破坏物理模型试验领域，该试验由浇筑下卧层6(基岩)、堆筑模型土体、铺设冰雪层5、进行冻融作用、分级施加外荷载、全方位摄影以及分布式光纤10监测等部分组成。包括：通过土体堆筑形成模型排土场3，以对排土场形态进行模拟，在模型排土场3堆筑过程中预埋多根分布式光纤10；在模型排土场3堆筑至设计高程处对冰雪层5进行铺设，并在冰雪层5铺设完成后完成模型排土场3的堆筑；使冰雪层5进行融化，通过加载装置开始分级施加外荷载，并通过图像采集装置7观察记录冰雪层5融化和分级外荷载复合作用导致的模型排土场3变形破坏特征，以对冰雪层5融化过程中土体
的不均匀沉降、坍塌、碎屑流和冰雪水渗透现象的记录和分析；在试验过程中，定时通过分布式光纤10监测装置对试验过程中所述模型排土场3的应变和温度信息进行监测。
46.在另一可选实施例中，在冰雪层5初步融化后，具体的可以在冰雪层5融化2h后开始进行试验，在所述模型排土场3坡肩左、中和右位置处施加外载荷，每级所增加的外荷载为25kg，加载装置分级施加0-200kg外荷载，在施加每个分级外荷载前后，均进行光纤扫描工作，通过分布式光纤10进行一次模型排土场3的应变和温度信息记录。其中，施加的0kg外荷载，即无外荷载作用时土体在冻融和自重作用下进行沉降作用。
47.在另一可选实施例中，分布式光纤10监测系统可记录和分析排土场土体应变和温度信息，结合土体应变信息确定模型排土场3的土体变形特征，划定土体变形范围和深度信息，进而划定模型排土场3的危险区域。根据排土场内部温度信息，可以辅助解释排土场变形机理。在一实施例中，试验台架长3000mm、宽1500mm、高1500mm，其中，所堆筑的模型排土场3的坡肩宽度不小于600mm，模型排土场3的坡度优选为30
°
，光纤距离模型排土场3边界约为30cm，光纤在x方向布置两层，每层2根，分布间距约为80cm，在y方向布置两层，每层3根，分布间距约为45cm，在z方向布置两层，每层2根，分布间距为60cm。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本技术实施例对此并不进行限定。
48.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

技术特征：

1.一种排土场变形破坏物理模型试验系统，其特征在于，包括：模型排土场，所述模型排土场为土体堆筑而成，用于对排土场形态进行模拟；冰雪层，所述冰雪层铺设在所述模型排土场内，并位于所述模型排土场坡面的设计高程处；加载装置，所述加载装置设置于所述模型排土场的坡肩处，以向所述模型排土场分级施加外荷载；分布式光纤监测装置，所述分布式光纤监测装置包括多根预埋在所述模型排土场内的分布式光纤，以对试验过程中所述模型排土场的应变和温度信息进行监测；图像采集装置，所述图像采集装置用于记录试验过程中所述模型排土场的变形破坏过程。2.根据权利要求1所述的排土场变形破坏物理模型试验系统，其特征在于，所述模型排土场堆筑在试验台架内，在所述试验台架内按照真实三维地形浇注下卧层，所述下卧层对排土场下卧层真实地表进行模拟。3.根据权利要求2所述的排土场变形破坏物理模型试验系统，其特征在于，在所述试验台架设有分别对应所述模型排土场左右两侧和后侧的挡板，所述挡板为透明亚克力材质。4.根据权利要求1所述的排土场变形破坏物理模型试验系统，其特征在于，所述冰雪层设置于所述模型排土场坡面之下10-20cm深度处；所述冰雪层的厚度为5-10cm。5.根据权利要求1所述的排土场变形破坏物理模型试验系统，其特征在于，所述分布式光纤监测装置包括：光纤应变解调仪，所述光纤应变解调仪对应连接所述分布式光纤，用于分析所述分布式光纤应变发生时的布里渊散射光频率信息；光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪对应连接所述分布式光纤，用于求解所述分布式光纤监测点的温度变化。6.根据权利要求1所述的排土场变形破坏物理模型试验系统，其特征在于，所述加载装置采用砝码模拟外荷载，将所述砝码依次放置在所述模型排土场坡肩左、中和右位置处。7.根据权利要求1所述的排土场变形破坏物理模型试验系统，其特征在于，所述图像采集装置包括多个摄像机，全程记录模型排土场的前方、后方、左方、右方和上方的试验图像。8.一种排土场变形破坏物理模型试验方法，其特征在于，包括：通过土体堆筑形成模型排土场，以对排土场形态进行模拟，在模型排土场堆筑过程中预埋多根分布式光纤；在模型排土场堆筑至设计高程处对冰雪层进行铺设，并在冰雪层铺设完成后完成模型排土场的堆筑；使冰雪层进行融化，通过加载装置开始分级施加外荷载，模拟在冻融和外荷载复合作用下排土场变形破坏特征，并通过图像采集装置记录模型排土场的变形破坏过程，以对冰雪层融化过程中土体渗透以及土体发生的不均匀沉降、坍塌和碎屑流现象进行记录和分析；在试验过程中，试验过程中通过分布式光纤定时对所述模型排土场的应变和温度信息进行监测。
9.根据权利要求8所述的排土场变形破坏物理模型试验方法，其特征在于，在冰雪层初步融化后，在所述模型排土场坡肩左、中和右位置处依次施加外载荷，每级所增加的外荷载为25kg，在施加每个分级外荷载前后，通过分布式光纤进行一次模型排土场的应变信息记录。10.根据权利要求8所述的排土场变形破坏物理模型试验方法，其特征在于，结合土体应变信息确定模型排土场的土体变形特征，划定土体变形范围和深度信息，进而划定模型排土场的危险区域，在模型排土场内部的危险区域进行分布式光纤预埋。

技术总结

本发明提供一种排土场变形破坏物理模型试验系统及方法，模型排土场、冰雪层、图像采集装置、分布式光纤监测装置和加载装置，冰雪层铺设在模型排土场内，分布式光纤监测装置包括多根预埋在模型排土场内的分布式光纤，以对试验过程中模型排土场的应变和温度信息进行监测；图像采集装置用于记录试验过程中模型排土场的变形破坏过程。该试验系统具有模拟排土场形态以及冻融作用的冰雪层，通过加载装置分级进行外荷载加载，通过图像采集装置监测排土场外部土体变形，通过分布式光纤监测装置监测排土场土体应变及土体温度变化的监测系统，既可以有效地模拟排土场在冻融和外荷载作用下的外部破坏变形特性，又可以获得内部应变演化和温度场分布信息。温度场分布信息。温度场分布信息。