土質(zhì)滑坡災(zāi)變室內(nèi)模擬試驗研究

楊　龍　沈宏亮　寧子健　陳　偉　高飛龍　沙楨暉（東華理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

土質(zhì)滑坡災(zāi)變室內(nèi)模擬試驗研究

楊龍沈宏亮寧子健陳偉高飛龍沙楨暉
（東華理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

歷史統(tǒng)計資料表明，絕大多數(shù)類型的滑坡災(zāi)害發(fā)生與降雨有關(guān)。為了對降雨誘發(fā)土質(zhì)滑坡失穩(wěn)機(jī)理有更深入的了解，進(jìn)行了人工降雨作用下的紅壤土坡的室內(nèi)模型試驗研究。實驗過程中，通過人工降雨模擬系統(tǒng)模擬極端降雨條件下的各種降雨工況，如持續(xù)性強(qiáng)降雨、強(qiáng)降雨后持續(xù)干旱等降雨工況。再通過埋設(shè)在土質(zhì)滑坡體內(nèi)的各監(jiān)測設(shè)備來實時反饋土坡體內(nèi)的諸如含水量變化率、土壓力變化值、非飽和吸力變化值等參數(shù)，然后依據(jù)這些參數(shù)再結(jié)合相關(guān)的土力學(xué)理論來探討降雨作用下土質(zhì)滑坡的失穩(wěn)機(jī)理。

土質(zhì)滑坡；人工降雨；室內(nèi)模擬實驗；失穩(wěn)機(jī)理

1 引言

江西省是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)﹑多發(fā)且危害比較嚴(yán)重的省份之一，2010 年全省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)面積7.34 萬km2，次易發(fā)區(qū)面積5.67萬km2，分別占全省國土面積的44% 和34% ，該區(qū)內(nèi)紅壤土坡分布范圍廣，易于發(fā)生滑坡﹑崩塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，大規(guī)模的滑坡甚至淹沒村鎮(zhèn)，摧毀工廠，切斷交通或阻塞江河，嚴(yán)重破壞區(qū)域范圍內(nèi)人類生存環(huán)境，極大影響了國計民生，阻礙了該區(qū)域的生態(tài)建設(shè)進(jìn)程。

針對上述現(xiàn)象，通過研究“強(qiáng)降雨”﹑“持續(xù)強(qiáng)降雨”﹑“持續(xù)干旱后強(qiáng)降雨”等極端降雨事件衍生紅壤土坡災(zāi)變的機(jī)理，從而有針對性的對潛在地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行監(jiān)控量測，實現(xiàn)“早預(yù)知﹑及早防范”將是有效降低災(zāi)害損失﹑減少人員傷亡，加快推進(jìn)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)性工作和必要途徑。

2 試驗裝置及模型邊坡

2.1 試驗用土性質(zhì)

試驗所用的土體取自東華理工大學(xué)南昌校區(qū)北區(qū)一塊空地上，為擾動土。其形狀具有江西省典型的紅壤土特征，土體在濕潤情況下為淺紅色，在烘干后呈淺黃色。試驗室測定了其物理性質(zhì)見表1。

進(jìn)行試驗時，需要將試驗樣品中的廢漿石以及雜草等消除干凈，后使用設(shè)備將樣品進(jìn)行粉碎，繼而采用鐵篩（邊長1cm）進(jìn)行篩分，從而保證填土粒徑小于1cm。將土樣攤平后噴灑適當(dāng)?shù)乃?，并保證拌和均勻，并覆上塑料膜，從而保證土體的各項指標(biāo)都接近原狀土，例如密度以及含水量等，但是在進(jìn)行填筑的過程中，模型填土的土體結(jié)構(gòu)以及地層結(jié)構(gòu)和顆粒級配等都會發(fā)生改變，因此試驗?zāi)M結(jié)果同實驗室外的實際使用結(jié)果還是有所區(qū)別的。

2.2 滑坡模擬實驗平臺

2.2.1 滑坡模型平臺介紹

滑坡模型槽的長﹑寬﹑高的尺寸分別 為3.9m﹑2.1m﹑ 1.2m，用槽鋼焊接而成，通過鋼鉸與試驗平臺框架連接成一體。底部有兩個液壓千斤頂支撐整個平臺系統(tǒng)，使之成一定的角度，同時，在試驗需要的情況下可以將邊坡的傾斜角度改變到預(yù)設(shè)的位置。并在底板上鋪了一層木板，在木板上設(shè)置了數(shù)根橫向的木條，這些木使加載其上的斜坡體不易于滑動。在滑坡模型槽四周用透明的塑料玻璃擋板圍擋，可以方便觀察滑坡的滑動。并且，在兩邊圍擋都設(shè)置了集水槽，用以收集試驗過程中降雨系統(tǒng)噴下的雨水以及通過滑坡土體表面徑流流出的和其內(nèi)部滲出的雨水。其示意圖如圖1所示。

圖1中：1－主平臺底板；2－剛鉸；3－試驗平臺鋼構(gòu)框架；4－人工模擬降雨噴頭；5－滑坡試驗槽；6－人工模擬的滑坡體；7－排水槽（玻璃擋板）；8－試驗槽底板；9－固定于地面的墩臺；10－液壓千斤頂；11－水滴；12－激光測距儀。其實物正視圖和側(cè)視圖如圖2和圖3所示。

圖1 滑坡模擬設(shè)備立面圖

2.2.2 人工降水裝置

依照實際的情況，以國外的研制裝置為基礎(chǔ)，制作一個專門的模擬設(shè)備進(jìn)行人工降雨的模擬，該設(shè)備主要包括水龍頭﹑控制閥以及噴頭和過濾器，結(jié)構(gòu)還需要大量的三通管以及兩通管。主要采用PVC材質(zhì)的主管﹑支管搭建管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并通過三通以及兩通進(jìn)行組裝，通過對水量的調(diào)節(jié)從而模擬不同強(qiáng)度的降雨以及覆蓋范圍，噴頭出水狀況用圖4表示為：

圖4中，中間的噴頭型號是尺寸為1/4﹑流量是14W的噴頭；左邊是尺寸為1/8﹑流量是5.6W的噴頭；右邊是尺寸為1/8﹑流量是1.5W的噴頭。

2.2.3 埋設(shè)傳感器以及埋設(shè)填土

分層填土是邊坡模型設(shè)立過程中最為重要的部分，由于填土分界面需要進(jìn)行水分的測定，因而將三個水分傳感器埋設(shè)在了中間截面處，通過對水分傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行檢測從而動態(tài)了解到雨水滲流時邊坡水分含量變化，從而檢測土體的運動以及狀態(tài)。

表1 自然狀態(tài)下非飽和紅黏土的物理性質(zhì)

3 試驗過程及結(jié)果分析

3.1 滑坡和失穩(wěn)

試驗區(qū)內(nèi)總的降雨量由降雨模擬裝置主供水管上的水表記錄，再將每單位時間段內(nèi)的降雨量除以試驗區(qū)面積9.2m2，即可求出降雨強(qiáng)度。地表徑流由模型槽前緣的出水管收集到容 積為0.025m3的塑料桶內(nèi)單位時段內(nèi)的徑流量由裝滿水桶的次數(shù)確定。

從試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)紅土邊坡受到一定的降雨作用時，會使坡面土體迅速飽和，形成較強(qiáng)的坡面徑流，產(chǎn)生坡面侵蝕和水土流失，形成泥流運動，產(chǎn)生沖蝕溝。當(dāng)水分充分滲入土體深層處時，土體就會在自重應(yīng)力和滲透力雙重作用下，產(chǎn)生一系列滑塊，并且滑塊與泥流的形成不是相互分離的過程，而是相互關(guān)聯(lián)的過程通過肉眼觀察，很難將兩個過程區(qū)分開來。

3.2 坡體位移監(jiān)測和潛在滑動面形狀

通過量測結(jié)果分析可知：土體靠近坡面的部分運動最激烈，位移最大，位移速率也最大，為土體的主要活動區(qū)域。隨著測點深度增加，土體位移越來越小，到埋置深度最深的幾個點時，位移為零并且隨著深度增加，各測點位移與水平方向的角度也越來越大，有些點接近90°。這說明：土體滑坡時，既有水平運動，又有豎向運動，但隨著深度的增加，水平運動會向垂直方向運動轉(zhuǎn)化，最后在一定深度時，土體運動接近垂直運動。

圖2 滑坡模型槽正視圖

3.3 含水率監(jiān)測

試驗結(jié)果表明：含水率變化對土體破壞有很大的影響。首先，含水率的增加導(dǎo)致了土體的孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致了土體抗剪強(qiáng)度降低；其次，含水率增加增大了水分的滲透力從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低降雨入滲，導(dǎo)致含水率變化的這雙重效應(yīng)可能為降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要原因。

圖3滑坡模型槽側(cè)視圖

結(jié)語

若降雨強(qiáng)度一定，那么在紅土邊坡處會產(chǎn)生一定的水土流失現(xiàn)象，并造成坡面的侵蝕，同時在坡肩部位還會形成各類的張拉裂縫以及沖蝕溝，若坡肩部位的裂縫同坡體內(nèi)部的裂縫形成貫通狀態(tài)，那么就會為坡體的滑動提供一定的條件，這種潛在的威脅一旦伴隨降雨作用，就會形成滑坡現(xiàn)象。這種滑坡的產(chǎn)生屬于多重滑體牽引下的滑坡。

圖4 噴頭出水狀況圖

受到降雨的影響，水分出現(xiàn)滲流，土體內(nèi)部會出現(xiàn)昂的含水變化率，在變化率過大的部分，土體自身的有效應(yīng)力抗性就會降低，從而減少了土體抗剪性。所以，含水率出現(xiàn)變化，就會使得土體自身結(jié)構(gòu)遭到破壞。并且含水率提升，坡體水分還會出現(xiàn)滲透力的增加，使得坡體穩(wěn)定性降低。

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TU43

A

楊龍（1990-），男，東華理工大學(xué)土木工程專業(yè)在讀本科生。

項目資助： 2012年度江西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓(xùn)練項目資助（201210405011）；國家自然科學(xué)基金（41462011）；江西省自然科學(xué)基金（20122BAB216002）。