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(pán)水師范學(xué)院，貴州 六盤(pán)水 553000）

1 概述

我國(guó)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?lái)不及逃跑，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(gè)或多個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生整體的向下滑動(dòng)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(lái)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(duì)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(jí)配、山體滑坡坡度對(duì)柔性網(wǎng)力學(xué)特征的影響以及對(duì)堆積平臺(tái)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。可以模擬滑坡的產(chǎn)生及危害[3]，研究巖石試樣對(duì)不同物體的碰撞方式和動(dòng)量傳遞情況，還可以開(kāi)展不同初始堆積條件、不同級(jí)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(dòng)特征，尤其是碎屑流沖擊過(guò)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(guò)程中，柔性網(wǎng)的透過(guò)性和大變形會(huì)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(píng)價(jià)柔性網(wǎng)的透過(guò)性和大變形對(duì)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(duì)柔性網(wǎng)的沖擊能力。對(duì)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(dòng)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(duì)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(gè)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(gè)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(tái)等組成，料斗與滑槽的接縫采用無(wú)斷裂鏈接。料斗閘門(mén)設(shè)置在連接處，可以通過(guò)控制閘門(mén)來(lái)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(gè)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(jí)配混合使用），滑槽總長(zhǎng)4.5m，高0.5m，寬0.4m，深0.4m，堆積平臺(tái)長(zhǎng)2m，寬2m，高0.3m，滑槽與地面夾角可以通過(guò)錨索調(diào)整，試驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)坡度30°～50°的坡度變化，用來(lái)模擬不同坡度下滑坡碎屑流滑落過(guò)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(mén)可以模擬滑坡碎屑流在重力作用下開(kāi)始初速度為零的下滑運(yùn)動(dòng)。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(tái)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(duì)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(tái)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(dòng)過(guò)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(dòng)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(dòng)開(kāi)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(guò)程是一個(gè)變形過(guò)程，在本次模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。試驗(yàn)的主要變量為碎屑流的級(jí)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(guò)改變以上變量或者控制單一變量來(lái)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(duì)物體造成的沖擊破壞程度。

巖石滑動(dòng)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(duì)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(tái)上的物體碰撞后的運(yùn)動(dòng)距離。此處位移記錄以堆積平臺(tái)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(cè)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(tái)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(dòng)的距離也不一樣，石塊所占比例越大，滑移體移動(dòng)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(tái)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(dòng)的距離也不一樣，石塊所占比例越大，滑移體移動(dòng)距離就越遠(yuǎn)。但是也有例外的情況，說(shuō)明滑移體移動(dòng)距離也跟滑動(dòng)方式有關(guān)。

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，本裝置可以簡(jiǎn)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(guò)程中碎屑流對(duì)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(dòng)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(zhǎng)，在相同的坡度下，石塊占的比例越大，滑移體移動(dòng)的位移越遠(yuǎn)，石塊的位移相對(duì)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(duì)山體滑坡模擬更加準(zhǔn)確，可以考慮對(duì)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。