[发明专利]一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟系统及实验方法

说明书

一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟系统及实验方法，属于海洋地质灾害与岩土工程实验技术领域，包括旋转水槽系统、透明土模拟系统、控制与数据采集系统。旋转水槽系统通过控制电机赋予试样不同速度，U型截面旋转鼓槽闭合圆环结构用于满足滑动距离不受限制要求；透明土模拟系统制备与真实海底土层物理力学特性相似的具有示踪染色剂透明试样及流体环境，实现试样演化过程内部、外部及水土界面三维全程可视化；控制与数据采集系统通过三维激光切片与数字图像采集方法，实现演化过程定量化监测与数据提取。本发明提供的实验系统规模可控、演化过程可视、图像数据可测，能解决长距离演化实验难以开展、数据采集困难、监测画面不清等问题。

技术领域

本发明属于海洋地质灾害与岩土工程实验技术领域，涉及海底滑坡等海洋地质灾害演化过程物理实验模拟，针对滑坡体(尤其是黏性土滑坡体)的长距离演化实验难以开展、实验数据采集困难、实验过程监测画面不清等问题，提供一种基于透明土旋转水槽的海底滑坡演化过程模拟系统及实验方法。

背景技术

海底滑坡是一种最常见的海洋地质灾害，广泛分布于近海三角洲、大陆架、大陆坡及深海海盆，具体表现为海床土体发生局部或大范围滑动，也是海底沉积物运移最重要地质过程之一。一旦海底斜坡失稳，将会造成海床塌陷、地基失效、进而产生大变形滑动、高速冲击，将对深远海及近海工程等造成巨大破坏，影响海洋资源的开发与海洋经济的发展，一些大规模的海底滑坡还会诱发灾难性的海啸，造成巨大的人员伤亡及财产损失。

与陆地滑坡不同，海底滑坡发生在水下，极难观测，至今仍缺乏真实可靠的观测数据。经过事后调查发现，即使在极小的坡度情况下，海底滑坡也会发生，且具有滑动速度大、运移时间长、影响范围广等突出特点。因此，认识海底滑坡的失稳机理、演化过程，对工程建设前期的选址、已建工程的灾害评估等具有重要意义。目前，很多学者已对海底滑坡进行具体分类与阶段划分。然而，受真实观测资料缺乏、实验技术手段难以再现海底滑坡演化过程、数值模拟缺乏理论依据等制约，海底滑坡演化全过程的机理分析仍是一段时期内国际前沿、热点、难点的科学问题。

由上可知，海底滑坡发生过程现场资料与原位数据收集十分困难。另外，理论分析缺乏实测数据的支撑。所以，室内试验是研究海底滑坡演化过程最有效的手段。然而，室内试验的规模十分有限，常规水槽实验只能研究海底滑坡某个具体阶段的一个非常短的片段(仅几到几十秒)，难以再现海底滑坡演化的全过程，即使存在小尺寸旋转水槽试验但其仅针对砂质海底滑坡的均质碎屑流(泥石流)阶段，且不能监测滑坡演化的内部变化，不能探究其内在机理。更为重要的是，海底滑坡尤其是深海滑坡，多以细颗粒黏性土为主，一旦开展水槽试验，水土两项介质马上进行剧烈交换，瞬间造成浑浊，无法采集演化过程内外部的图像与数据，更无法给出真实的量化结果。当前，基于相似原理，制备与真实黏土和流体物理力学特性相似的透明土试样，探究固态试样内部的变形过程，这已有大量的研究基础，但同样并不能探究滑坡演化的内在机理。因此，基于透明土技术，开发一种可控、可视、可测的实验系统与方法是研究海底滑坡演化过程的有效前提与技术保障。

发明内容

为了解决当前海底滑坡演化过程实验装置的不足，甚至空白，本发明提供一种能有效控制、观察、测试海底滑坡演化全过程的实验系统，还具有研究不同种类海底滑坡演化全过程的功能，并详细阐述其各部分的组成及使用方法，以期满足海底滑坡演化全过程模拟分析的需要。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：