CN108709975B - 一种模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置及测试方法 - Google Patents

一种模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种边坡稳定性影响因素的测试装置和方法，具体公开了一种模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置，包括由底板，侧挡板，固定端挡板和升降端挡板围合而成的模拟槽和铺设于底板上的模拟岩土层，模拟槽包括固定端和升降端，固定端通过水平轴固定且可绕水平轴转动，升降端与升降装置相连，升降装置可连续调节升降端在竖直方向上的高度；固定端挡板上设置有与水源相连的模拟槽入水口，升降端挡板为可拆卸安装。本发明还公开了相应的斜坡水流拖曳力的测试方法。本发明的优点是：适用于强降雨条件下坡度较缓的斜坡水流拖曳力测定，从而量化强降雨条件下水流对斜坡土体失稳的影响，优化现有的降雨条件下斜坡稳定性定量评价方法。

Description

一种模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置及测试 方法
技术领域
本发明涉及一种边坡稳定性影响因素的测试装置和方法，尤其是一种应用于强降雨条件下浅层斜坡稳定性的测试装置和方法。
背景技术
目前，滑坡是斜坡岩土体沿着贯通剪切滑裂面发生滑移的现象，是地质灾害的主要形式之一。在众多滑坡灾害中，浅层滑坡具有分布范围广、暴发频率高、持续危害大等特点。滑坡灾害不仅威胁居民的人身安全，而且会对构筑物造成严重破坏，常常给国家和人民带来巨大的经济损失。例如，四川省阿坝州茂县叠溪镇新磨村因为长历时的降雨，在2017年6月 24日突发山体高位垮塌，致使河道堵塞约2km、100余人被掩埋。此次灾难事故本质上是斜坡高位浅层土失稳下滑触发的一系列连锁效应。
统计表明，绝大多数滑坡(尤其斜坡浅层土失稳)是降雨作用引发的。降雨导致水流贯穿于斜坡土体，水流对斜坡土体具有拖曳作用，进而加速斜坡浅层土失稳。有关浅层滑坡的研究成果已较为丰富。文献(PRADELD,RAAD G.Effect ofPermeability on SurficialStability ofHomogeneous Slopes[J].Journal ofGeotechnical Engineering,1993,119(2):315-332.)报道了均质边坡在长历时、高强度降雨条件下发生的浅层滑坡现象，提出了无限平面滑动型边坡模型；文献(李宁,许建聪,钦亚洲.降雨诱发浅层滑坡稳定性的计算模型研究[J].岩土力学,2012, 33(5):209-214.)采用非饱和土VG模型与改进的Green-Ampt入渗模型，对Mein-Larson降雨入渗模型进行改进，结合无限边坡提出了降雨诱发浅层滑坡的简化计算模型；文献(许建聪, 尚岳全,陈侃福,等.强降雨作用下的浅层滑坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2005, 24(18):3246-3251.)研究了强降雨条件下浅层滑坡稳定性系数与滑面带抗剪强度指标、滑体饱水面积比这三者之间的关系，建立了数理统计相关式；文献(常金源,包含,伍法权,等.降雨条件下浅层滑坡稳定性探讨[J].岩土力学,2015,36(4):995-1001.)以Green-Ampt入渗模型为基础，考虑动水压力的作用，建立了降雨入渗条件下浅层滑坡的概念模型，推导出降雨前有或无地下水位条件下的斜坡安全系数与降雨时间的关系表达式；文献(CHEN Xiao-dong, GUO Hong-xian,SONG Er-xiang.Analysismethod for slope stability under rainfall action[J]. Landslides andEngineered Slopes,2008,(7):1507-1515.)利用Mein-Larson入渗模型，结合刚体极限平衡法，建立了降雨型斜坡稳定性分析的通用模式。
虽然研究浅层斜坡失稳和稳定性评价的报道很多，但是研究者鲜有考虑强降雨条件下水流拖曳力对斜坡稳定性的影响。这可能是当前浅层斜坡稳定性评价和浅层滑坡处治方案设计中，尽管考虑了极端降雨入渗、地表水体集中渗漏等特殊工况，仍出现斜坡失稳破坏甚至发生灾变事故的原因。因此，将水流拖曳力嵌入刚体极限平衡理论，对强降雨条件下的斜坡浅层土稳定性进行分析，定量评价水流拖曳力对浅层斜坡失稳的贡献。当斜坡土体在近乎临界稳定状态时，较小的拖曳力却会发挥决定性作用，说明水流拖曳力效应不容忽视。
发明内容
为了更好地研究水流拖曳力对浅层滑坡稳定性的影响，提出水流对斜坡表层和土体底部的拖曳力测试技术，提高斜坡稳定性计算的可靠度，本发明提供了一种模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置及测试方法，为定量评价斜坡的稳定性提供参考。
本发明所采用的技术方案是：模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置，包括由底板，侧挡板，固定端挡板和升降端挡板围合而成的模拟槽和铺设于底板上的模拟岩土层，所述模拟槽包括固定端和升降端，所述固定端通过水平轴固定且可绕水平轴转动，所述升降端与升降装置相连，升降装置可连续调节升降端在竖直方向上的高度；所述固定端挡板上设置有与水源相连的模拟槽入水口，升降端挡板为可拆卸安装。
目前的边坡稳定性理论研究未考虑水流对斜坡土体的拖曳力，这可能是当前浅层斜坡稳定性评价和浅层滑坡处治方案设计中，尽管考虑了极端降雨入渗、地表水体集中渗漏等特殊情况，仍出现斜坡失稳破坏甚至发生灾变事故的原因。
为全面准确的计算水流拖曳力对斜坡稳定性的影响，本申请提出了一种斜坡土体表层和底部水流拖曳力测试技术。
为此，本申请研制了一套模拟径流条件下斜坡地表和土层底部水流拖曳力试验装置。研究当斜坡坡度一定的条件下，通过调整斜坡地表径流的高度，定量分析水流拖曳力与径流高度之间的关系；当径流高度一定的条件下，通过调整斜坡坡度，定量分析水流拖曳力与斜坡坡度之间的关系。试验结果表明降雨条件下，水流拖曳力在斜坡处于临界状态时产生决定性影响。
本申请提出斜坡表层和土体底部水流拖曳力的测试方法，对斜坡水流拖曳力进行量化。本测试装置主要用于研究不同组合情况下地表径流、斜坡坡度与斜坡稳定系数之间的关系：
a)在其他情况均相同的情况下推求斜坡的稳定性与地表径流高度的关系。
b)在其他情况均相同的情况下推求斜坡坡度与斜坡稳定性的关系。
测试结果表明强降雨条件下斜坡稳定性与径流高度、斜坡坡度成反比关系。
容易理解的，本发明固定端的模拟槽入水口应当与水源相连，水源的选择没有严格限制，只需要保证水流能够平缓均匀的进入模拟槽，以实现模拟坡面径流的目的，因此模拟槽入水口不能与带压水龙头等设备连接。为便于测试，最好是配备专用的储水容器为模拟槽供水。
同时，模拟槽入水口的设置方式也应当保证进入模拟槽的水流在模拟槽中均匀流动，以便于模拟坡面径流。为此可将模拟槽入水口设置为均匀分布在固定端挡板上的多个进水孔。容易理解的，为了实现相同的目的也可以采用其他的设置方式，例如水平设置的缝状入水口等。
本发明中的升降装置应当能够实现带动升降端平稳连续升降的功能，以便于准确测定斜坡土体开始产生滑动时斜坡的角度。例如采用图1所述的升降支架，该支架的升降可采用液压或气压驱动来实现。除此之外容易想到也可以采用其他能够实现上述功能的升降装置，例如还可以采用滑轮组作为升降装置。
利用本发明的测试装置能够测试不同地质条件下的斜坡水流拖曳力，测试时需根据待测试地质情况进行模拟岩土层的铺设。例如在将本装置用于测试集中降雨条件下斜坡水流对土体表层和底部拖曳力时，可在模拟槽底板上铺设混凝土层模拟岩层，混凝土层上铺一层砂垫层模拟岩石与土体接触面间的裂隙充填物，砂垫层上再铺设一层粉质黏土模拟土层。根据地质条件仅需考虑集中降雨条件下斜坡水流对土体表层产生的拖曳力时，可仅在混凝土层上铺设粉质黏土层。各层的铺设厚度、密度和分布等情况应当根据待测试地质条件按照尺寸相似原理进行铺设。本发明所述“尺寸相似原理”指的是按照所模拟的实际地质条件中各岩层和土层的厚度以及分布比例、密度等对模拟层进行选择和铺设。
为了便于测量模拟槽内径流高度，可在模拟槽侧壁上设置刻度尺，刻度尺的设置方式最好是可活动的，以便于根据模拟岩土层实际铺设高度对刻度尺位置进行调整。例如在模拟槽的侧壁上固定有滑槽，刻度尺能够在滑槽中滑动并固定，这样结构的刻度尺设置方式的最大好处是便于径流高度的读取。为实现这一功能，滑槽材质可使用弹性塑料或橡胶等具备一定弹性的材质以便于卡紧刻度尺。本发明所述的“径流高度”指的是水体或水流的深度。
本发明还公开了一种模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试方法，包括以下步骤：
A、选好实验场地，安装本发明的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置；
B、根据待测试地质条件铺设好模拟岩土层；
C、静水实验：通过升降装置调节模拟槽至水平放置，然后通过模拟槽入水口向模拟槽中注水，使模拟岩土层表层达到待测试径流高度，随即停止注水；
D、调整升降装置，使升降端缓慢向下倾斜，直至模拟岩土层刚好发生滑动时立刻停止调整升降装置，并测量此时模拟槽的倾斜角度α；
E、动水实验：还原模拟槽至水平放置并按照与步骤B相同的方式铺设好模拟岩土层，然后通过模拟槽入水口向模拟槽中注水，使模拟岩土层表层达到与步骤C相同的径流高度；
F、去掉升降端挡板，同时调整升降装置，使升降端缓慢向下倾斜，该过程中保持向模拟槽中注水并调整注水流量以使径流高度保持基本不变，直至模拟岩土层刚好发生滑动时立刻停止调整升降装置，并测量此时模拟槽的倾斜角度β；
G、根据实验结果计算出水流对斜坡土体的拖曳力。
采用该方法即可实现利用本发明的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置进行水流对斜坡土体的拖曳力的测定。
本发明的有益效果是：本发明的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置及测试方法适用于强降雨条件下坡度较缓的斜坡水流拖曳力测定，从而量化强降雨条件下水流对斜坡土体失稳的影响，优化现有的降雨条件下斜坡稳定性定量评价方法。
附图说明
图1是实施例一的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置的结构示意图。
图2是实施例二的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置的结构示意图。
图3是刻度尺安装结构示意图。
图4是静水实验条件下斜坡土体受力分析图。
图5是动水实验条件下斜坡土体受力分析图。
图中标记为：1-模拟槽，101-固定端挡板，102-升降端挡板，103-底板，104-侧挡板，2- 水平轴，3-模拟槽入水口，9-升降支架，10-刻度尺，11-滑槽，12-混凝土层，13-砂垫层，14- 粉质黏土层，G-斜坡土体自重，F-土体表面水流对斜坡土体的压力，Ff-下层岩体对斜坡土体的摩擦力，α-静水试验条件下测得的模拟槽倾斜角度，β-动水试验条件下测得的模拟槽倾斜角度，Fd-水流拖曳力，FN-下层岩体对斜坡土体的支持力，P-水对升降端挡板的压力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置，包括由底板103，侧挡板104，固定端挡板101和升降端挡板102围合而成的模拟槽1以及铺设于底板103上的模拟岩土层，所述模拟槽1包括固定端和升降端，所述固定端通过水平轴2固定且可绕水平轴2转动，所述升降端与由液压驱动的升降支架9相连；所述固定端挡板101 上设置有模拟槽入水口3，所述模拟槽入水口3为均匀分布在固定端挡板101上的多个进水孔。升降端挡板102为可拆卸安装。在模拟槽1的侧壁上固定有滑槽11，用于测量模拟槽1 内径流高度的刻度尺10能够在滑槽11中滑动并卡紧。
实施例一：
按照以下步骤利用本发明的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置对集中降雨条件下斜坡水流对土体表层和底部的拖曳力进行测定。
(1)选好实验场地，安装上述的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置。
(2)根据待测试地质条件按照尺寸相似原理在模拟槽1底板103上铺设混凝土层12模拟岩层，在混凝土层12上铺设一层砂垫层13模拟岩层与土层接触面间的裂隙充填物，在砂垫层13上铺设一层粉质黏土层14模拟土层；铺设完成后调整刻度尺10位置，使刻度尺10起始刻度与粉质黏土层14的表层对齐。
(3)静水实验：通过升降支架9调节模拟槽1至水平放置，然后通过模拟槽入水口3向模拟槽1中注水，使模拟槽1土体表层达到待测试径流高度，随即停止注水。
(4)调整升降支架9，使升降端缓慢向下倾斜，直至模拟槽1内粉质黏土层14刚好发生滑动时立刻停止调整升降支架9，并测量此时模拟槽1的倾斜角度α。
(5)动水实验：还原模拟槽1至水平放置并按照与步骤(2)相同的方式和比例铺设模拟岩土层，然后通过模拟槽入水口3向模拟槽1中注水，使模拟槽1土体表层达到与步骤(3) 相同的径流高度。
(6)去掉升降端挡板102，同时调整升降支架9，使升降端缓慢向下倾斜，该过程中保持向模拟槽1中注水并调整注水流量以使径流高度保持基本不变，直至模拟槽1内粉质黏土层14刚好发生滑动时立刻停止调整升降支架9，并测量此时模拟槽1的倾斜角度β。
(7)根据实验结果计算出水流对斜坡土体的拖曳力。
实施例二：
按照以下步骤利用本发明的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置对集中降雨条件下斜坡水流对土体表层的拖曳力进行测定。
(1)选好实验场地，安装上述的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置。
(2)根据待测试地质条件按照尺寸相似原理在模拟槽1底板103上铺设混凝土层12模拟岩层，在混凝土层12上铺设一层粉质黏土层14模拟土层；铺设完成后调整刻度尺10位置，使刻度尺10起始刻度与粉质黏土14的表层对齐。
(3)静水实验：通过升降支架9调节模拟槽1至水平放置，然后通过模拟槽入水口3向模拟槽1中注水，使模拟槽1土体表层达到待测试径流高度，随即停止注水。
(4)调整升降支架9，使升降端缓慢向下倾斜，直至模拟槽1内粉质黏土层14刚好发生滑动时立刻停止调整升降支架9，并测量此时模拟槽1的倾斜角度α。
(5)动水实验：还原模拟槽1至水平放置并按照与步骤(2)相同的方式和比例铺设模拟岩土层，然后通过模拟槽入水口3向模拟槽1中注水，使模拟槽1土体表层达到与步骤(3) 相同的径流高度。
(6)去掉升降端挡板102，同时调整升降支架9，使升降端缓慢向下倾斜，该过程中保持向模拟槽1中注水并调整注水流量以使径流高度保持基本不变，直至模拟槽1内粉质黏土层14刚好发生滑动时立刻停止调整升降支架9，并测量此时模拟槽1的倾斜角度β。
(7)根据实验结果计算出水流对斜坡土体的拖曳力。
计算方法：
通过对斜坡土体(在实施例一和实施例二中土体指的是粉质黏土层)进行力的平衡分析，代入静水试验条件下计算出的摩阻力Ff，从而计算出水流对斜坡土体的拖曳力Fd。
斜坡土体在静水实验和动水实验条件下的受力分析分别如图4、图5所示。
拖曳力计算公式如下：
式中：
G代表斜坡土体自重，
F代表土体表面水流对斜坡土体的压力，
Ff代表下层岩体对斜坡土体的摩擦力(在实施例一中表示粉质黏土层与砂垫层之间的摩擦力，在实施例二中表示混凝土层对粉质黏土层的摩擦力)，
α代表静水试验条件下测得的模拟槽倾斜角度，
β代表动水试验条件下测得的模拟槽倾斜角度，
Fd代表水流拖曳力(在实施例一中表示水流对粉质黏土层表层和底部产生的拖曳力，在实施例二中表示水流对粉质黏土层表层产生的拖曳力)。

Claims (5)

1.模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试方法，包括以下步骤：
A、选好实验场地，安装模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置；所述模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试装置包括由底板(103)，侧挡板(104)，固定端挡板(101)和升降端挡板(102)围合而成的模拟槽(1)和铺设于底板(103)上的模拟岩土层，所述模拟槽(1)包括固定端和升降端，所述固定端通过水平轴(2)固定且可绕水平轴(2)转动，所述升降端与升降装置相连，升降装置可连续调节升降端在竖直方向上的高度；所述固定端挡板(101)上设置有与水源相连的模拟槽入水口(3)，升降端挡板(102)为可拆卸安装；
B、根据待测试地质条件铺设好所述模拟岩土层；
C、静水实验：通过升降装置调节模拟槽(1)至水平放置，然后通过模拟槽入水口(3)向模拟槽(1)中注水，使模拟岩土层表层达到待测试径流高度，随即停止注水；
D、调整升降装置，使升降端缓慢向下倾斜，直至模拟岩土层刚好发生滑动时立刻停止调整升降装置，并测量此时模拟槽(1)的倾斜角度α；
E、动水实验：还原模拟槽(1)至水平放置并按照与步骤B相同的方式铺设好模拟岩土层，然后通过模拟槽入水口(3)向模拟槽(1)中注水，使模拟岩土层表层达到与步骤C相同的径流高度；
F、去掉升降端挡板(102)，同时调整升降装置，使升降端缓慢向下倾斜，该过程中保持向模拟槽(1)中注水并调整注水流量以使径流高度保持基本不变，直至模拟岩土层刚好发生滑动时立刻停止调整升降装置，并测量此时模拟槽(1)的倾斜角度β；
G、根据实验结果计算出水流对斜坡土体的拖曳力；
拖曳力计算公式如下：
式中：
G代表斜坡土体自重，
F代表土体表面水流对斜坡土体的压力，
Ff代表下层岩体对斜坡土体的摩擦力，
α代表静水试验条件下测得的模拟槽倾斜角度，
β代表动水试验条件下测得的模拟槽倾斜角度，
Fd代表水流拖曳力。
2.根据权利要求1所述的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试方法，其特征在于：所述模拟槽入水口(3)为均匀分布在固定端挡板(101)上的多个进水孔。
3.根据权利要求1所述的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试方法，其特征在于：所述升降装置为升降支架(9)。
4.根据权利要求1～3中任一权利要求所述的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试方法，其特征在于：步骤B所述模拟岩土层包括铺设于模拟槽(1)底板(103)上的混凝土层(12)，铺设于混凝土层(12)上的砂垫层(13)，铺设于砂垫层(13)上的粉质黏土层(14)。
5.根据权利要求1～3中任一权利要求所述的模拟斜坡遭受地表径流作用时拖曳力测试方法，其特征在于：步骤B所述模拟岩土层包括铺设于模拟槽(1)底板(103)上的混凝土层(12)，铺设于混凝土层(12)上的粉质黏土层(14)。
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