极端气候和环境诱发岩土体灾变的超重力模拟机载装置研究

本项目旨在研发一种模拟和观测极端气候和环境诱发岩土体灾变的超重力模拟机载装置。该机载装置包括模拟舱、极端气候与环境致灾系统、岩土体灾变监测系统。模拟舱最大允许离心加速度150g，能模拟最大高度为120m的土工构筑物；极端气候与环境灾变模拟系统能同时模拟降雨、温度及由此引起的岩土体中孔压场变化和污染物扩散；岩土体灾变监测系统包括岩土体弹性波速压电弯曲/压缩元监测列阵和含水量与污染物浓度联合监测TDR方阵，能实时监测岩土体灾变过程中含水量、污染物浓度、饱和度及刚度的变化过程。主要研究：①超重力模拟多场耦合相似关系；②超重力环境下降雨模拟方法和技术；③超重力条件下岩土体弹性波速监测的压电激发和传感理论和方法；④岩土体含水量和污染物浓度联合监测传感器及电磁波反射法。本项目实现的超重力模拟机载装置是土木、环境、地质、矿山、水利等科学和技术领域都需要的科学技术装备。

研制极端气候和环境诱发岩土体灾变超重力模拟机载装置，对于研究岩土体过大变形、失稳、污染物渗漏和扩散等灾变的诱发机理及控制方法意义重大。本项目按原计划开展研究，取得了如下主要进展和创新成果：.（1）研发了强制风冷和水幕联合冷却温度控制技术（ZL201210056367.6），解决了试验舱在高离心加速度（150g）、长历时（72小时）下运行温度上升的问题，满足拟建装置长历时运行温度控制的要求。. （2）发明了机械弥散和吸附作用相似性研究试验装置（ZL201310048649.6），建立了机械弥散作用的相似性判别标准，提出了根据阻滞因子-流速关系修正吸附作用相似性误差的方法，解决了超重力模拟多场耦合作用时机械弥散和吸附作用不完全相似的问题.（3）研发了超重力降雨/蒸发模拟装置（ZL201110139657.2）和地下水位控制装置（201510013293.1），其中降雨模拟能力为10-100μm，试验舱气温和土体温度控制范围分别为-10~40℃和-10~80℃，实现了超重力环境下土体气候及环境致灾因素的模拟。.（4）研发了两种探针长度为1cm的TDR探头（CN201210095287.1），含水量和污染物浓度测量精度分别小于±2%和±5%，实现了超重力试验过程中土体含水率和浓度的实时监测；.（5）提出了超重力环境下土体剪切波传播路径的解析解及弯曲元/压缩元的微型化和列阵设计（CN201210095287.1）方法，克服了近场效应、强电磁干扰等因素的影响，实现了土体饱和度和刚度的有效监测。.（6）集成了极端气候和环境诱发岩土体灾变超重力模拟机载装置，总体性能指标达到、部分超越了原计划研究目标。利用该装置，开展了：①降雨入渗和降雨诱发边坡失稳试验，验证了土质边坡安全警戒水位确定方法，成功组织了国内首次超重力模拟平行试验；②水力诱发填埋场失稳试验，获得了水力诱发填埋场三种失稳模式及相应的警戒水位值，作为国家行业标准CJJ176-2012强制条文执行；③连续72小时的污染物击穿防污屏障试验，实现了防污屏障长达数十年击穿时间的验证。.共发表学术论文17篇，其中SCI期刊论文3篇、EI论文8篇，授权和申请发明专利10项。相关成果作为创新内容分获2012年国家科技进步二等奖和2014年教育部科技进步二等奖。项目负责人被增选为2015年中国科学院院士。