土質滑坡災變室內模擬試驗研究

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

土質滑坡災變室內模擬試驗研究

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

歷史統計資料表明，絕大多數類型的滑坡災害發生與降雨有關。為了對降雨誘發土質滑坡失穩機理有更深入的了解，進行了人工降雨作用下的紅壤土坡的室內模型試驗研究。實驗過程中，通過人工降雨模擬系統模擬極端降雨條件下的各種降雨工況，如持續性強降雨、強降雨后持續干旱等降雨工況。再通過埋設在土質滑坡體內的各監測設備來實時反饋土坡體內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，然后依據這些參數再結合相關的土力學理論來探討降雨作用下土質滑坡的失穩機理。

土質滑坡；人工降雨；室內模擬實驗；失穩機理

1 引言

江西省是地質災害易發﹑多發且危害比較嚴重的省份之一，2010 年全省地質災害易發區面積7.34 萬km2，次易發區面積5.67萬km2，分別占全省國土面積的44% 和34% ，該區內紅壤土坡分布范圍廣，易于發生滑坡﹑崩塌等地質災害現象，大規模的滑坡甚至淹沒村鎮，摧毀工廠，切斷交通或阻塞江河，嚴重破壞區域范圍內人類生存環境，極大影響了國計民生，阻礙了該區域的生態建設進程。

針對上述現象，通過研究“強降雨”﹑“持續強降雨”﹑“持續干旱后強降雨”等極端降雨事件衍生紅壤土坡災變的機理，從而有針對性的對潛在地質災害體進行監控量測，實現“早預知﹑及早防范”將是有效降低災害損失﹑減少人員傷亡，加快推進鄱陽湖生態經濟區建設的基礎性工作和必要途徑。

2 試驗裝置及模型邊坡

2.1 試驗用土性質

試驗所用的土體取自東華理工大學南昌校區北區一塊空地上，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見表1。

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

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，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設的位置。并在底板上鋪了一層木板，在木板上設置了數根橫向的木條，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，在兩邊圍擋都設置了集水槽，用以收集試驗過程中降雨系統噴下的雨水以及通過滑坡土體表面徑流流出的和其內部滲出的雨水。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。其實物正視圖和側視圖如圖2和圖3所示。

圖1 滑坡模擬設備立面圖

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，制作一個專門的模擬設備進行人工降雨的模擬，該設備主要包括水龍頭﹑控制閥以及噴頭和過濾器，結構還需要大量的三通管以及兩通管。主要采用PVC材質的主管﹑支管搭建管網結構，并通過三通以及兩通進行組裝，通過對水量的調節從而模擬不同強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 埋設傳感器以及埋設填土

分層填土是邊坡模型設立過程中最為重要的部分，由于填土分界面需要進行水分的測定，因而將三個水分傳感器埋設在了中間截面處，通過對水分傳感器傳輸的數據進行檢測從而動態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。

表1 自然狀態下非飽和紅黏土的物理性質

3 試驗過程及結果分析

3.1 滑坡和失穩

試驗區內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的降雨量除以試驗區面積9.2m2，即可求出降雨強度。地表徑流由模型槽前緣的出水管收集到容 積為0.025m3的塑料桶內單位時段內的徑流量由裝滿水桶的次數確定。

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

3.2 坡體位移監測和潛在滑動面形狀

通過量測結果分析可知：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 含水率監測

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

圖3滑坡模型槽側視圖

結語

若降雨強度一定，那么在紅土邊坡處會產生一定的水土流失現象，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部的裂縫形成貫通狀態，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，就會形成滑坡現象。這種滑坡的產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，水分出現滲流，土體內部會出現昂的含水變化率，在變化率過大的部分，土體自身的有效應力抗性就會降低，從而減少了土體抗剪性。所以，含水率出現變化，就會使得土體自身結構遭到破壞。并且含水率提升，坡體水分還會出現滲透力的增加，使得坡體穩定性降低。

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TU43

A

楊龍（1990-），男，東華理工大學土木工程專業在讀本科生。

項目資助： 2012年度江西省大學生創新創業計劃訓練項目資助（201210405011）；國家自然科學基金（41462011）；江西省自然科學基金（20122BAB216002）。