一种可视化土石混合体库岸边坡渗流侵蚀监测系统及方法

技术领域

本发明涉及模拟滑坡侵蚀监测技术领域。具体涉及一种可视化土石混合体库岸边坡渗流侵蚀监测系统及方法。

背景技术

三峡工程蓄水运行以来，库岸滑坡问题频发。这些滑坡按照材料主要可以分为岩质滑坡和土质滑坡，其中，土石混合体滑坡是土质滑坡中一种特殊的类型，在三峡库区广泛存在。如图1所示，土石混合体是有不同尺寸的块石和黏土组成的一种松散岩土介质，具有典型的非均质性、非均匀性、非连续性。块石颗粒之间的黏土充填物对土石混合体的变形稳定至关重要，一方面将不同尺寸块石粘结在一起，另一方面可以起到防渗的作用。

三峡工程竣工蓄水后，库水位上升了100余米，而且根据防洪运行调度要求，库水位在145m的防洪水位和175m的蓄水发电水位之间周期性升降变化，而且还经常伴随暴雨和极端暴雨的作用。在这些复杂因素作用下，土石混合体易发生侵蚀，如图2所示，块石间充填的黏土颗粒大量流失，导致土石混合体物理力学性能劣化，进而直接影响土石混合体边坡的变形稳定。

为了模拟分析复杂条件下库岸边坡的变形稳定演化规律，研究人员设计了相关的试验装置，但主要通过滑坡模型试验的方法去模拟滑坡的变形破坏过程，在试验过程中主要对坡体的变形、应力、孔隙水压力等参数进行了监测分析，相关土石混合体的侵蚀监测装置和定量评价指标还未见报道。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可视化土石混合体库岸边坡渗流侵蚀监测系统及方法，能够有效从岸坡内部截面对渗流侵蚀进行实时监测；同时集监测、评价为一体，适合室内实验室环境。

本发明采取的技术方案为：

一种可视化土石混合体库岸边坡渗流侵蚀监测系统，该系统包括：

滑坡模拟装置、称重装置、记录与显示系统；

所述滑坡模拟装置内部设有土石混合体夹层，土石混合体夹层一侧上方位置设有喷头，土石混合体夹层上部布置有透水混凝土覆盖层，土石混合体夹层下部布置有滑床，土石混合体夹层最低处设有导流管；

所述称重装置包括支座、蓄水桶；称重装置通过设置在支撑架上的收紧环与滑坡模拟装置的导流管连通，支撑架置于称重传感器上，收紧环下方设置滤网袋，滤网袋外部设置蓄水桶，蓄水桶置于支座上。

称重传感器连接记录与显示系统，记录与显示系统用于记录土石混合体夹层内孔隙发育过程，并运用全局阈值Otsu法进行图像二值化处理。

该系统还包括高速摄像机，高速摄像机用于对滑坡模拟装置内的土石混合体夹层表面进行监测。

所述滑坡模拟装置包括透明材料制作而成的观测壁，滑坡模拟装置置于一个带有行走轮的框架上。

所述喷头设置在底部为透水石的开口水箱内。

所述喷头连接喷淋系统，喷淋系统能够控制喷头的开关及喷头内水的流量和流速，高低位置可通过手动调节。

所述导流管有多根，导流管通过设置在滑坡模拟装置外壁的支杆支撑。

所述蓄水桶设置有排水管。

本发明一种可视化土石混合体库岸边坡渗流侵蚀监测系统及方法，技术效果如下：

(1)：渗流侵蚀常发生在岸坡内部，为使其可视化，全程监测孔隙发育的过程，因此，将透明材料如：有机玻璃作为观测壁，从而能够更好地监测内部渗流侵蚀的情况，使孔隙演化规律的研究可视化。而且，土石混合体夹层上覆材料厚度、材质可变，即可模拟不同上覆岩层应力大小对土石混合体夹层渗流侵蚀演化规律的影响；喷头的位置可调，水的流量和流速可控，则能够模拟更为复杂的情况，比如：不同上覆岩层应力作用下的渗流侵蚀、降雨和水位升降耦合作用下的渗流侵蚀等。

故本发明系统可以很好地模拟地下水位变化、库水位升降变化、降雨及上覆岩层应力等单因素或者多因素耦合作用下的土石混合体侵蚀过程。

(2)：本发明通过称重传感器、记录与显示系统，实现全程监测渗流侵蚀过程。利用称重传感器传回的实时黏土质量，来计算黏土的质量损失率。

(4)本发明设置一个高速摄像机，运用全局阈值Otsu法图像处理技术进行土石混合体微观结构图像的二值化处理，便于观察监测孔隙演化规律和后面计算侵蚀率。

(5)本发明将称重传感器、记录与显示系统和全局阈值Otsu法图像处理系统结合起来，实现宏观黏土质量损失和微观土体侵蚀监测。

附图说明

图1为侵蚀前的土石混合体图。

图2为侵蚀后的土石混合体。

图3(a)为土石混合体侵蚀前灰度图；

图3(b)为图3(a)二值化图。

图4(a)为土石混合体侵蚀后灰度图；

图4(b)为图4(a)二值化图。

图5为本发明渗流侵蚀监测系统总体示意图；

图6为本发明系统的喷头及土石混合体夹层放大示意图。

图7为本发明系统的水位升降侵蚀监测示意图。

图8为本发明系统的水位升降侵蚀监测区域示意图。

图9为本发明系统的边坡降雨侵蚀监测示意图。

图10为本发明中的称重装置示意图。

具体实施方式

如图5所示，一种可视化土石混合体库岸边坡渗流侵蚀监测系统，该系统包括滑坡模拟装置1、称重装置2、记录与显示系统4、高速摄像机5。所述称重装置2连接称重传感器3，称重传感器3连接记录与显示系统4。

称重传感器3可采用斯巴拓传感器，传感器原始的输出信号是0～2mv/v左右，正常是需要变送器或者显示器，把这个毫伏信号转换成数字通讯信号RS232，RS485，再通过USB连接电脑。

记录与显示系统4可采用斯巴拓公司开发的连接电脑采集数据的软件，USB连接电脑即可使用，也可以通过WiFi或蓝牙发送到电脑采集数据。

所述滑坡模拟装置1包括透明材料，如有机玻璃制作而成的观测壁6，滑坡模拟装置1置于一个带有行走轮的框架7上。滑坡模拟装置1内布置有一个规则的土石混合体夹层8，在土石混合体夹层8的左上方入口位置布置一个喷头9，通过控制喷头9内水的流量和流速，模拟地下水位变化。喷头9置于一个底部为透水石10的开口水箱11内。开口水箱11可蓄水，透水石10透水性好，水由于自身重力变化，不断通过底部的透水石10向下自由渗出，以此模拟自然状态下的地下水位变化。

土石混合体夹层8下方布置一个用混凝土或者其他材料按照要求制作的相应角度的滑床12，土石混合体夹层8上方布置一个透水混凝土覆盖层13。土石混合体夹层8最低处观测壁上布置有多根导流管14，导流管14通过设置在滑坡模拟装置1外壁的支杆15支撑，支杆15以免导流管14的重量压在称重装置2的支撑架16上以致影响称重精度。对整个岸坡土石混合体夹层8进行监测。

所述称重装置2通过支撑架16上的收紧环17与滑坡模拟装置1的导流管14贯通。收紧环17可以牢固且方便地固定滤网袋18。

支撑架16置于称重传感器3上；收紧环17下方设置滤网袋18，滤网袋18外部设置蓄水桶19，蓄水桶19置于支座20上，蓄水桶19的4/5高度处设置排水管21，可及时排出高于4/5水位线的水。

滤网袋18用于汇集导流管14内流出的黏土颗粒，并且水可以内外自由流通。

蓄水桶19用于盛装一定水位的水，且该水位处设置有排水管21，从而蓄水桶19可将高于该水位的水及时排出，使得桶内的水质量保持在一定范围内，即水的浮力基本维持不变，减小对黏土质量称重的影响。

称重传感器3上所承受的重量为支撑架16、收紧环17和滤网袋18的重量，使用前清零，即可获得黏土的质量。排水管21可保证蓄水桶19内的水位维持在桶高的4/5处，减小水的浮力对黏土质量的影响。

高速摄像机5选择最高拍摄频率可达1000000次/s的i-SPEED726高速摄像机，高速摄像机5用于对装置内的土石混合体夹层8观测表面进行监测。

通过喷淋系统可控制喷头9的开关及喷头内水的流量和流速，高低位置可通过手动调节。

模拟地下水位变化时，如图5所示，流量可设置0L/s～0.1L/s。

如图7所示，在土石混合体夹层8的右下方水位线H1下布置一个喷头9，通过控制喷头9内水的流量和流速。模拟库水位升降变化时，先将一个喷头降低到H1水位线下,实际情况为库水位上升，上升速率0.8m/d，持续时间约30天，随后库水位在175m高水位运行约90天；库水位缓降，缓降速率0.13m/d,持续时间约60天，随后库水位在165m水位运行约30天；库水位速降，速降速率0.6m/d，持续时间约30天，随后库水位维持145m低水位运行120天。

如图8所示，选择岸坡土石混合体受水位升降变化作用影响处进行监测。

如图9中所示，滑坡模拟装置1内布置有一个土石混合体夹层8，在土石混合体夹层8的上方活动架位置布置一排喷9，通过控制喷头9内水的流量和流速，模拟降雨，对整个岸坡土石混合体进行监测。在模拟库水位升降变化时可根据自身试验方案来进行模拟。模拟降雨时，实际情况下雨强范围从小雨10mm/d至10年一遇暴雨125.56mm/d，在试验时，可根据自身试验方案进行模拟，比如：以70mm/d的强度持续2h向土石混合体边坡表面均匀喷洒水来模拟暴雨。模拟上覆岩层应力时：通过改变上覆岩层即透水混凝土覆盖层13的厚度来模拟不同上覆岩层应力大小。

一种土石混合体渗流侵蚀实时监测方法，模型制作时，先称量干黏土的质量，然后将黏土和块石按一定比例(6：4～7：3)混合均匀布置在滑床12上，分不同应力情况是否布置相应厚度的透水混凝土覆盖层13。

当滑坡模拟装置1发生渗流侵蚀时，称重装置2能够获得土石混合体夹层8受侵蚀而损失的黏土的质量，称重传感器3测得的黏土的质量通过数据线22传递到记录与显示系统4，由记录与显示系统4中出现的土的质量，判断黏土颗粒的质量损失情况。

采用质量损失率评价黏土的质量损失程度：

式中：M

当滑坡模拟装置1模拟地下水位变化、库水位升降变化、降雨及上覆岩层应力等单因素或者多因素耦合作用下的土石混合体侵蚀过程时，高速摄像机5就可以拍摄记录土石混合体夹层8内孔隙发育过程，并运用全局阈值Otsu法进行图像二值化处理。

采用侵蚀率N

N

式中：n

全局阈值Otsu法：

Otsu法(最大类间方差法)是一种自适应的阈值确定的方法。使用的是聚类的思想，把图像的灰度数按灰度级分成2个部分，使得两个部分之间的灰度值差异最大，每个部分之间的灰度差异最小，通过方差的计算来寻找一个合适的灰度级别来划分。所以可以在二值化的时候采用Otsu算法来自动选取阈值进行二值化。Otsu算法被认为是图像分割中阈值选取的最佳算法，计算简单，不受图像亮度和对比度的影响。因此,使类间方差最大的分割意味着错分概率最小。

在Matlab中导入原始图片，使用rgb2gray()函数将图片转化为灰度图像，方便后续的计算和处理。再使用Matlab中的函数graythresh()可以找到图片合适的阈值level，这个阈值在[0,1]范围内，该阈值可以传递给im2bw完成灰度图像转换为二值图像的操作。利用这个阈值通常比人为设定的阈值能更好地把一张灰度图像转换为二值图像。如图3(a)、图3(b)所示，土石混合体灰度图转为二值化图，其中白色区域为土和块石，黑色区域为孔隙，按之前所述方法，计算得孔隙率为9.31％。

图4(a)、图4(b)为典型侵蚀后的土石混合体照片，计算得到孔隙率为16.13％，假设侵蚀前孔隙率为0％，则对应侵蚀率为16.13％-0％＝16.13％。

实施步骤：

先进行滑坡模拟装置1的安装；

当滑坡模拟装置1发生渗流侵蚀时，布置在外部的称重装置2能够获得土石混合体夹层8受侵蚀而损失的土的质量，称重传感器3测得的黏土的质量通过数据线22传递到记录与显示系统4，由记录与显示系统4中出现的土的质量，判断黏土的质量损失情况。

在滑坡模拟装置1的正对面外部布置有高速摄像机5，高速摄像机5用于对滑坡模拟装置1内的土石混合体夹层8观测表面进行监测。

当滑坡模拟装置1模拟地下水位变化、库水位升降变化、降雨及上覆岩层应力等单因素或者多因素耦合作用下的土石混合体侵蚀过程时，高速摄像机5就可以拍摄并记录土石混合体夹层内孔隙发育过程，并运用全局阈值Otsu法进行图像二值化处理，方便后续的计算和评价。

结合滑坡模拟装置1、称重装置2、高速摄像机5,可以实现较好地模拟多种复杂条件下岸坡渗流侵蚀情况，同时更加直观地监测岸坡内部的渗流侵蚀过程，并通过图像处理和计算对渗流侵蚀的过程进行评价，达到实时监测的目的。