CN104535742B - 一种滑坡临界角测量装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑坡临界角测量装置及实验方法，该装置包括：土体盒，其上下均敞开，用于盛放土体；水流装置，用于将恒定水流注到土体上；旋转斜面；旋转驱动机构，设置于旋转斜面下方；标尺；所述旋转斜面的上端滑动连接在竖直设置的标尺上；在所述旋转驱动机构的作用下，旋转斜面能够绕其下端的边线向上旋转，同时旋转斜面上端沿标尺向上滑动；传感器，其通过导线连接所述旋转驱动机构，通过传感器检测土体盒下滑时，使旋转斜面停止继续向上旋转。本发明从滑坡区水分入渗特征入手，探讨土壤水分入渗与坡面的相互关系，特别是水分变化对滑坡临界角的影响方面进行研究，能有效分析出土体水流与其土体之间的动力学特征。

Description

一种滑坡临界角测量装置及实验方法

技术领域

本发明属于滑坡实验领域，具体涉及一种滑坡临界角测量装置及实验方法。

背景技术

滑坡是山区常见的自然灾害，我国所处的地质构造部位较为特殊，2/3为山地，滑坡灾害的严重程度和分布的广泛性在世界少有。触发滑坡的因素多种多样，水是诱发滑坡的主要因素，水对滑坡体稳定性具有十分重要的影响，我国在滑坡防治工作中通常说“十滑九水”就是这个道理。水分在坡体中主要影响两个方面：

1)对坡体的重心影响。当降雨强度大时，浅层的体积含水量降雨响应最为迅速，深层的体积含水量的变化会有所滞后。水分富集于坡体上方，坡体重心上移，而后水分在重力作用下逐渐下降，坡体重心位置发生转移。而土壤中水分变化使其抗剪强度降低，导致土体抗滑力降低并使土体下滑可能性增加，土体中的抗滑力与下滑力失去平衡，从而激发山体滑坡或泥石流的发生。

2)水分影响坡体与岩石层接触面的摩擦系数。当土壤水分在重力作用下到达土体和岩体结构面时，其充填物随含水量的变化，发生由固态向塑态直至液态的软化效应。一般在断层带易发生泥化现象，大多数滑坡的滑带土物质属于一些亲水性的粘土或泥状物质，遇水易于软化，是导致滑坡发生的直接诱因。软化作用使岩土体的力学性能大大降低，内聚力和摩擦角值减小。

在滑坡中，坡体水分含量的变化，主要是通过土壤水分入渗过程实现的。入渗能力是土壤重要的物理性质，可作为评价土壤调节水分和涵养水源的重要指标，也是影响地表径流和土壤侵蚀的重要因素。近几十年来，在土壤入渗与滑坡稳定性研究方面，一般其研究方法为：传统极限平衡方法的延伸法、运用饱和一非饱和渗流理论、神经网络理论等。研究引发滑坡的规律性是从以下两种途径进行：1)是研究雨水入渗引发滑坡的物理过程并建立定量的分析模型，然后利用这种分析模型进行评估边坡的稳定性。2)是从统计分析角度寻求降雨与滑坡相关性规律，应用系统科学、神经网络等新兴学科的理论，综合研究系统的不确定性和工程经验从而预测滑坡的稳定性。

在国内，陈守义运用非饱和土壤水分运动的研究方法，求出给定入渗和蒸发边界条件下的斜坡土体的瞬态含水率分布。将瞬态含水率分布换算为斜坡上体瞬态抗剪强度参数分布，从而计算上坡瞬态安全系数。李兆平、张弥等以体积含水量作为因变量，建立了求解降雨入渗过程中土体内瞬态含水量分布的方程。林鸿州等通过降雨诱发边坡失稳的模型试验及已有研究成果来探讨降雨特性对边坡失稳的影响，并以此来选取出合适的雨量预警参数。

在国外，对于坡体稳定行的研究也很多。大部分都是利用数值模型以及理论分析作为研究手法。例如Ng和Shi针对香港地区的斜坡，用有限元法研究了各种降雨情况和初始条件对暂态渗流和斜坡稳定性的影响。结果表明坡体稳定性不仅受到降雨强度、初始地下水位和渗透系数的各向异性等的控制，而且还取决于先期的降雨持时。加拿大学者Fredlund运用有限元法模拟暂态渗流过程，并对边坡的稳定性进行了参数研究。结果表明较高降雨强度引起安全系数显著降低，渗透系数对安全系数影响较小，认为在暴雨期间由于负孔隙压力的减小而导致斜坡的安全系数降低，并有可能导致边坡的失稳破坏。

综观对滑坡水分入渗已取得的研究成果来看，其中大多数是采用数理统计、理论分析、数值模型、模型试验等科学方法，在相关因素对滑坡的影响程度、降雨和滑坡的关系，降雨条件下滑坡机理等方面取得了一定的研究成果，但这些分析中还存在问题。在滑坡稳定方面的研究大多集中在雨强单一因素上，而土壤中渗流是一个很复杂的问题，对于水分在坡体中的变化规律，水分分布情况对坡体稳定性的影响，都还缺乏有效的研究。

发明内容

本发明旨在从滑坡区水分入渗特征入手，探讨土壤水分入渗与坡面的相互关系，特别是水分变化对滑坡临界角的影响方面进行研究。为此，本发明提供了一种能自动测量水分变化下导致土体滑坡临界点角度测量装置。

本发明的技术方案为：一种滑坡临界角测量装置，该装置包括：土体盒，其上下均敞开，用于盛放土体；水流装置，用于将恒定水流注到土体上；旋转斜面；旋转驱动机构，设置于旋转斜面下方；标尺；所述旋转斜面的上端滑动连接在竖直设置的标尺上；在所述旋转驱动机构的作用下，旋转斜面能够绕其下端的边线向上旋转，同时旋转斜面上端沿标尺向上滑动；传感器，其通过导线连接所述旋转驱动机构，通过传感器检测土体盒下滑时，使旋转斜面停止继续向上旋转。

所述传感器可以为拉力传感器，固定在旋转斜面上端和土体盒之间，其通过导线连接所述旋转驱动机构，其受到拉力时使旋转斜面停止继续向上旋转。

所述传感器可以为光感传感器，设置在旋转斜面上，其通过导线连接所述旋转驱动机构，其检测到光时使旋转斜面停止继续向上旋转。

在所述传感器和旋转驱动机构之间接有一感应开关。

该装置还包括位于土体盒正下方的摄像头，摄像头连接计算机。

该装置还可以包括另一水流装置，其设有线性出水口，以在旋转斜面内形成一个薄层水膜。

所述旋转斜面通过其上端的滑动套连接在标尺上，标尺底部垂直设置于导轨内，旋转斜面旋转时，标尺能够垂直于导轨滑动。

所述水流装置为马氏瓶；所述旋转驱动机构为液压升降杆或液压千斤顶；所述旋转斜面由有机玻璃台和钢材架组成。

采用上述装置进行滑坡临界角测量的实验方法，当土体中水分到达底部时，每隔Δt时间分析得到底部湿润土样的面积；当土体盒下滑时，即t_n时刻，记录此时旋转斜面高度H，得到滑坡临界角θ；根据下式计算t_n时刻土体水分入渗率i_n，单位mm/h：

$i_n=\frac{q-\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\mathrm{\Δ}{A}_{n-j+1}}{\mathrm{\Δ}{A}_1}$

式中，q为水流装置的供水流量，mm³/h；ΔA_n为t_n-t_n-1时段地表增加的湿润面积，mm²；然后评价土体水分入渗率对滑坡临界角的影响。

具体来说，包括下述步骤：将所述土体盒装上土体，放置于旋转斜面上；使拉力传感器刚好处于绷紧的状态，或使光感传感器正对土体盒底的上部边沿；水流装置将恒定水流注到土体上；开启旋转驱动机构，使旋转斜面向上旋转；当土体中水分到达底部时，摄像头每隔Δt时间拍摄土体底部照片，传输给计算机进行分析；当土体盒下滑时，立即停止旋转斜面继续旋转。

本发明原理为：如图1所示，如果土体与滑坡面之间互为静止，那两表面间的接触地方会形成一个强结合力－静摩擦力(f＝μN)，除非破坏了这结合力才能使一表面对另一表面运动。μ为最大静摩擦力系数，其摩擦系数由滑动面的性质、粗糙度和(可能存在的)润滑剂所决定。当土体中的水分到达土体底部，会使其接触面的土质发生泥化现象，而水分变化对摩擦系数的影响程度，是本发明装置的研究目的。

在坡体上，导致土体下滑的力F是它自身的重力在坡体方向上的分力(mg*sinθ)，而土体对坡面上的压力N也是重力的分力(mg*cosθ)。根据力的平衡，得f＝F，即μ＝F/N，故：土体与坡面的摩擦系数μ＝tanθ。坡角θ可根据下式计算：θ＝arcsin(H/L)，H为旋转斜面的高度，L为旋转斜面的长度。

采用本发明的装置进行进一步的研究试验，能有效分析出土体水流与其土体之间的动力学特征，从而预测坡体发生滑坡的可能性以及推算出产生滑坡的时间。

附图说明

附图1为本发明原理图。

附图2为本发明一个具体实施方式示意图。

附图3为本发明另一个具体实施方式示意图。

具体实施方式

如图2、3所示，本发明的滑坡临界角测量装置，包括：土体盒7、水流装置1、旋转斜面、旋转驱动机构3、标尺2和传感器。

土体盒7上下均敞开，用于盛放土体，可以由玻璃板制成。水流装置1用于将恒定水流注到土体上，可以为马氏瓶。旋转驱动机构3，设置于旋转斜面下方，可以为液压升降杆或液压千斤顶，能提供稳定的上升速度，其可调节的范围为100mm-900mm。

旋转斜面由有机玻璃台8和钢材架9组成，钢材架9用于承受有机玻璃台8，以防止有机玻璃台8因过重的承载力而破碎。旋转斜面通过其上端的滑动套201滑动连接在竖直设置的标尺2上，标尺2底部垂直设置于导轨202内。试验时，旋转斜面一端可与试验台铰接，在旋转驱动机构3的作用下，旋转斜面能够绕其下端的边线m向上旋转，同时旋转斜面上端沿标尺2向上滑动，标尺2能够垂直于导轨202滑动。

传感器通过导线连接旋转驱动机构3，传感器和旋转驱动机构3之间接有一感应开关6。通过传感器检测土体盒7下滑时，使旋转斜面停止继续向上旋转。传感器可以为多种形式，如为拉力传感器，固定系在旋转斜面上端的固定拉杆4和土体盒7之间，其通过导线连接所述旋转驱动机构3，使其受到拉力时通过控制感应开关6、使旋转驱动机构3的升降杆停止上升。还可以为光感传感器，设置在旋转斜面上，其通过导线连接所述旋转驱动机构3，使其检测到光时通过控制感应开关6、使旋转驱动机构3的升降杆停止上升。

土体盒7正下方设置有摄像头10，摄像头10连接计算机11。

有机玻璃台8还可以替换成光滑的玻璃板或粗糙的毛面玻璃。还可以使土体盒7的下垫面为薄层水膜，使模拟条件变为水膜条件。此时需另设一水流装置1，其设有线性出水口12位于旋转斜面上部，以在旋转斜面内形成一个薄层水膜。可在旋转斜面下端设置出水口13用来排出多余的水。

研究发现，在恒定流量供水条件下，土壤入渗性能随时间降低的过程与地表湿润面积随时间的增加过程紧密相关，因此，入渗性能与时间关系曲线可以从土壤湿润面积与时间的关系曲线中推导得出。在恒定流量供水和均质土壤的条件下，不同时间的入渗率为：

$i_n=\frac{q-\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\mathrm{\Δ}{A}_{n-j+1}}{\mathrm{\Δ}{A}_1},(n=\mathrm{1,2,3},......)$

式中，i_n为t_n时刻对应的土壤入渗率，mm/h；q为供水流量，mm³/h；ΔA_n为时段(t_n-t_n-1)地表增加的湿润面积，mm²。采用本发明装置和方法，可自动得到湿润面积随时间变化的过程。再由测量得到的湿润面积随时间的过程，计算出不同时刻的土壤入渗性能，用来评价土体水分入渗率对滑坡临界角的影响。

具体来说，采用本发明装置进行滑坡临界角测量的实验方法，包括如下步骤：

1)将所述土体盒装上土体，放置于旋转斜面上；

2)使拉力传感器刚好处于绷紧的状态，或使光感传感器正对土体盒底的上部边沿；

3)水流装置将恒定水流注到土体上；

4)开启旋转驱动机构，使旋转斜面向上旋转；

5)当土体中水分到达底部时，摄像头每隔Δt时间拍摄土体底部照片(如：连续拍照，20秒/次)，传输给计算机进行分析；

6)当土体盒下滑时，即t_n时刻，立即停止旋转斜面继续旋转，记录此时标尺记录的旋转斜面高度H，得到滑坡临界角θ；

7)根据下式计算t_n时刻土体水分入渗率i_n，单位mm/h：

$i_n=\frac{q-\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\mathrm{\Δ}{A}_{n-j+1}}{\mathrm{\Δ}{A}_1}$

式中，q为水流装置的供水流量，mm³/h；ΔA_n为t_n-t_n-1时段地表增加的湿润面积，mm²；

8)评价土体水分入渗率对滑坡临界角的影响。

采用本发明装置和方法，系统误差来源主要在(以光敏感应器和液压千斤顶为例)：光敏感应器信号发出的延迟时间(0.03s)与液压千斤顶的速率(14mm/s)所造成高度(H)的误差，其测量高度会比实际高度略有偏差：

△H＝t*v＝0.03*14＝0.42mm

注：在实际测量中一般升高的高度值H在400-600mm之间，而系统所导致的误差△H为0.42，其误差值控制在千分之一左右，故其角度的测量值也在千分之一左右，所以其系统带来的误差可以忽略不计。

Claims (8)

1.一种滑坡临界角测量装置，其特征在于该装置包括：

土体盒，其上下均敞开，用于盛放土体；

水流装置，用于将恒定水流注到土体上；

旋转斜面；及

另一水流装置，其设有线性出水口，以在旋转斜面内形成一个薄层水膜；

旋转驱动机构，设置于旋转斜面下方；

标尺；所述旋转斜面的上端滑动连接在竖直设置的标尺上；在所述旋转驱动机构的作用下，旋转斜面能够绕其下端的边线向上旋转，同时旋转斜面上端沿标尺向上滑动；

传感器，其通过导线连接所述旋转驱动机构，通过传感器检测土体盒下滑时，使旋转斜面停止继续向上旋转。

2.根据权利要求1所述的滑坡临界角测量装置，其特征在于：所述传感器为拉力传感器，固定在旋转斜面上端和土体盒之间，其通过导线连接所述旋转驱动机构，其受到拉力时使旋转斜面停止继续向上旋转。

3.根据权利要求1所述的滑坡临界角测量装置，其特征在于：所述传感器为光感传感器，设置在旋转斜面上，其通过导线连接所述旋转驱动机构，其检测到光时使旋转斜面停止继续向上旋转。

4.根据权利要求1~3之一所述的滑坡临界角测量装置，其特征在于：在所述传感器和旋转驱动机构之间接有一感应开关。

5.根据权利要求1~3之一所述的滑坡临界角测量装置，其特征在于：还包括位于土体盒正下方的摄像头，摄像头连接计算机。

6.根据权利要求1~3之一所述的滑坡临界角测量装置，其特征在于：旋转斜面通过其上端的滑动套连接在标尺上，标尺底部垂直设置于导轨内，旋转斜面旋转时，标尺能够垂直于导轨滑动。

7.根据权利要求1~3之一所述的滑坡临界角测量装置，其特征在于：所述将恒定水流注到土体上的水流装置为马氏瓶；所述旋转驱动机构为液压升降杆或液压千斤顶；所述旋转斜面由有机玻璃台和钢材架组成。

8.一种采用权利要求1~7之一所述装置进行滑坡临界角测量的实验方法，其特征在于：

当土体中水分到达底部时，每隔Δt时间分析得到底部湿润土样的面积；

当土体盒下滑时，即t _n 时刻，记录此时旋转斜面高度H，得到滑坡临界角θ；

根据下式计算t _n 时刻土体水分入渗率i _n ，单位mm/h：

式中，q为将恒定水流注到土体上的水流装置的供水流量，mm³/h；ΔA _n 为t _n -t _n-1 时段地表增加的湿润面积，mm²；

然后评价土体水分入渗率对滑坡临界角的影响。