一種滑坡模擬實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)用

王燕芬 肖思友

（六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553000）

1 概述

我國的很多山區(qū)由于地形環(huán)境復(fù)雜，居住條件惡劣，不少居民住房都依傍山崖而建。在自然風(fēng)化、大量降雨等情況下極易發(fā)生山體滑坡等災(zāi)害，例如在貴州水城坪地村岔溝組發(fā)生的一起山體滑坡，發(fā)生山體滑坡時(shí)間接近夜晚，滑坡之時(shí)伴隨著降雨，滑坡之時(shí)當(dāng)?shù)鼐用駚聿患疤优?，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。滑坡是指斜坡體上的部分巖體或者土體在重力的作用下，當(dāng)山體內(nèi)部存在軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，沿一個或多個軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生整體的向下滑動的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。山體地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生常常給人們帶來生活生產(chǎn)上的困難、地質(zhì)環(huán)境的破壞以及造成居民房屋倒塌，因此模擬滑坡現(xiàn)象、對滑坡體進(jìn)行力學(xué)特征研究分析是非常重要的課題[2]。試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯可襟w滑坡碎屑流級配、山體滑坡坡度對柔性網(wǎng)力學(xué)特征的影響以及對堆積平臺上物體的破壞程度的強(qiáng)弱。本實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)是操作便捷，造價(jià)低廉?？梢阅M滑坡的產(chǎn)生及危害[3]，研究巖石試樣對不同物體的碰撞方式和動量傳遞情況，還可以開展不同初始堆積條件、不同級配碎屑流、不同坡度、不同網(wǎng)型等因素下的碎屑流沖擊柔性網(wǎng)物理模擬試驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)儀器具有較高使用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)儀器工作原理

目前關(guān)于碎屑流沖擊柔性網(wǎng)力學(xué)機(jī)制研究仍較少考慮碎屑流的顆粒介質(zhì)運(yùn)動特征，尤其是碎屑流沖擊過程中顆粒的分選特征和流態(tài)變化特征。其次，由于柔性網(wǎng)具有特殊的結(jié)構(gòu)形式，在碎屑流沖擊過程中，柔性網(wǎng)的透過性和大變形會改變?nèi)嵝跃W(wǎng)的受力特征和碎屑流的堆積特征，但如何定量地評價(jià)柔性網(wǎng)的透過性和大變形對碎屑流的沖擊荷載和柔性網(wǎng)受力的影響仍缺乏深入研究。因此本次實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置可以在滑槽末端放置柔性網(wǎng)，以此研究碎屑流對柔性網(wǎng)的沖擊能力。對應(yīng)的滑坡碎屑流沖擊物體的原型尺寸和力學(xué)參數(shù)分別為：碎屑流顆粒粒徑范圍10cm～30cm，滑動距離為5m。確定試驗(yàn)的幾何相似比為1：10，碎屑流顆粒密度相似比為1，重力加速度g 相似比為1，根據(jù)相似理論對試驗(yàn)的主要參數(shù)進(jìn)行量綱分析得到選擇碎屑流材料、滑槽材料以及被沖擊物體材料。在滑槽試驗(yàn)中，兩個關(guān)鍵變量Froude 數(shù)以及流深h0與平均粒徑δ(D50)之比應(yīng)該與原型保持一致[4]。根據(jù)該原則和滑槽的尺寸，確定碎屑流物料區(qū)的尺寸，滑槽尺寸，滑坡碎屑流沖擊物體的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示，現(xiàn)已安裝好的實(shí)驗(yàn)儀器圖如圖2 所示。

圖1 已安裝滑坡沖擊模擬實(shí)驗(yàn)儀器

圖2 滑坡沖擊物體的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)造

如圖1 所示，整個裝置由物料控制裝置（料斗、滑槽，堆積槽）、輔助提升系統(tǒng)、液壓起重裝置、物料箱、堆積平臺等組成，料斗與滑槽的接縫采用無斷裂鏈接。料斗閘門設(shè)置在連接處，可以通過控制閘門來控制滑坡實(shí)驗(yàn)的材料量，為方便觀察，將滑槽左右兩側(cè)邊墻設(shè)置為透明板。在距離料斗2 米處設(shè)置了一個凹槽，實(shí)驗(yàn)材料確定為土、砂石、石塊（需按一定比例和不同級配混合使用），滑槽總長4.5m，高0.5m，寬0.4m，深0.4m，堆積平臺長2m，寬2m，高0.3m，滑槽與地面夾角可以通過錨索調(diào)整，試驗(yàn)平臺可以實(shí)現(xiàn)坡度30°～50°的坡度變化，用來模擬不同坡度下滑坡碎屑流滑落過程中與外部物體或者柔性網(wǎng)的碰撞。在料斗內(nèi)安裝好實(shí)驗(yàn)材料后，控制閘門可以模擬滑坡碎屑流在重力作用下開始初速度為零的下滑運(yùn)動。在滑槽末端加上柔性網(wǎng)，可以模擬碎屑流沖擊柔性網(wǎng)，在堆積平臺上放置不同的物體和替換料斗中不同的材料組成，可以模擬不同滑坡對不同物體的破壞程度。

4 實(shí)驗(yàn)儀器使用方案

實(shí)驗(yàn)裝置使用步驟如下，首先裝好儀器，將被沖擊物體固定在堆積平臺上或?qū)⑷嵝跃W(wǎng)安裝在滑槽末端，將滑坡模擬使用碎屑流物體（石塊、土體的混合物）裝入料斗，確定滑坡角度及滑槽傾斜角度，如果物體在滑動過程中需要速度較大，就把凹槽填平，如果需要緩沖物體的速度，使滑動速度較小，那么凹槽就有緩沖速度的作用，安裝好儀器后，啟動開關(guān)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄結(jié)果。

從滑坡的具體情況和碎屑流的主要物理結(jié)構(gòu)特征的角度設(shè)置試驗(yàn)變量。碎屑流碰撞柔性網(wǎng)的過程是一個變形過程，在本次模擬實(shí)驗(yàn)過程中。試驗(yàn)的主要變量為碎屑流的級配（碎屑流D50 為（1cm～3cm），不均勻系數(shù)為（1～10）、坡度（10°～40°）、被沖擊物體的大小。通過改變以上變量或者控制單一變量來做不同的實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依托分析不同情況下滑坡對物體造成的沖擊破壞程度。

巖石滑動碰撞模擬實(shí)驗(yàn)：

當(dāng)滑坡坡體的材料組成不均勻，或者滑坡坡體為巖質(zhì)和土質(zhì)混合邊坡時(shí)的山體滑坡，為了研究土體和石塊的滑坡情況以及對堆積物體的碰撞方式，將坡度調(diào)整為20°，控制坡度保持不變，將圓柱體的巖石試樣（直徑10cm，高10cm）與相同質(zhì)量的土體放入實(shí)驗(yàn)裝置料斗中，記錄土體和石塊（質(zhì)心）所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離以及堆積平臺上的物體碰撞后的運(yùn)動距離。此處位移記錄以堆積平臺與滑槽末端連接處中點(diǎn)為記錄原點(diǎn)。每試驗(yàn)完一次，就用清水清洗一次實(shí)驗(yàn)儀器，防止泥土附在儀器上面影響測量結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)方案有以下三種：第一種為石塊和土樣的質(zhì)量比比例為1 比0（石塊100kg），即只放石塊，讓其在滑槽坡度為20°時(shí)沿滑槽下滑；第二種為石塊和土樣的質(zhì)量比為1 比1 (土樣100kg,石樣100kg)，即在料斗中放同等質(zhì)量的石塊和土樣，讓試樣沿坡度為20°的滑槽下滑；第三種為石塊和土樣的質(zhì)量比為2 比1（石楊200kg,土樣100kg），即石塊的質(zhì)量為土樣的質(zhì)量2倍，讓試樣沿坡度為20°的滑槽下滑，以上三種方案，每種方案做三次實(shí)驗(yàn)，共9 組數(shù)據(jù)，以堆積平臺與滑槽末端連接處中點(diǎn)為記錄原點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。

表1 坡度為20°時(shí)土體、石塊位移

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在角度不變的滑坡情況下，土石比例不同，最后滑移體移動的距離也不一樣，石塊所占比例越大，滑移體移動距離就越遠(yuǎn)。

同樣采用以上三種方案，把滑槽坡度改為30°，每種方案做三次實(shí)驗(yàn)，共9 次實(shí)驗(yàn)，以堆積平臺與滑槽末端連接處中點(diǎn)為記錄原點(diǎn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 坡度為30°時(shí)土體、石塊位移

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在角度保持30 度不變的情況下，土石比例不同，最后滑移體移動的距離也不一樣，石塊所占比例越大，滑移體移動距離就越遠(yuǎn)。但是也有例外的情況，說明滑移體移動距離也跟滑動方式有關(guān)。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)表明，本裝置可以簡單模擬山地災(zāi)害中的滑坡現(xiàn)象的產(chǎn)生和危害。繼而得出不同滑坡過程中碎屑流對物體以及柔性網(wǎng)的沖擊破壞情況，得到山體滑坡的破壞能力，還可以模擬不同大小和形狀的石塊的滑動沖擊碰撞方式和能量輸送[5]。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，坡度30°的滑坡比坡度20°的滑坡滑移位移更長，在相同的坡度下，石塊占的比例越大，滑移體移動的位移越遠(yuǎn)，石塊的位移相對比土體位移遠(yuǎn)，在不同坡度下，石塊的位移都比土體的位移遠(yuǎn)。

6 展望

如若想對山體滑坡模擬更加準(zhǔn)確，可以考慮對試驗(yàn)裝置上安裝人工降雨系統(tǒng)模擬降雨，在料斗上面安裝降雨裝置就可以模擬泥石流的產(chǎn)生和危害。