专利名称：一种水诱发滑坡模拟试验装置及坡面位移监测方法
技术领域：
本发明涉及一种水诱发滑坡模拟试验装置及坡面位移监测方法。
背景技术：
在自然条件下，引起滑坡的原因有很多，各种因素相互作用最终导致灾害的发生，其中由不透水层引发的滑坡现象最为常见。一般而言，不透水层都是粘土层，也是滑坡体中的软质夹层，这种夹层在重力及地下水的作用下很容易形成滑面，如渝东云阳鸡扒子滑坡在巨滑之前，滑坡体表部几米至10多米厚都是结构致密、透水性极差的粉质粘土，其下与滑动面之间为透水性良好的破碎岩体，滑床为透水性差的泥岩，滑体后缘露出破碎岩体并有蠕滑拉裂缝分布，地表入渗条件好，特大暴雨，尤其是当石板沟被堵塞并积水成库后，地表水大量入渗，地下水位急剧升高，产生了强大的孔隙水压力及动水压力，使滑坡体的安全系数下降了0.24～0.36。由此可见，孔隙水是诱发此类山体滑坡的重要因素。水在滑坡稳定性分析中的作用主要包括三个方面降雨的入渗使粘土层的强度参数降低；降低滑动面上方的正应力，减小摩阻力，进而降低崩滑体的抗滑力；动水压力沿边坡临空面产生的推力作用增加了下滑力。许多研究人员对滑坡体中水的因素作出过分析，讨论了动水压力对滑坡体稳定性的影响，指出当滑坡体中存在较大水力坡降时，动水压力即渗透压力是滑坡防治必须考虑的因素，水压力会减小滑面上的有效应力，沿临空面的推力会增大下滑力，并给出了考虑动水压力时稳定系数的计算公式，还采用离散元法分析了武隆滑坡水的压力诱发滑坡的影响。
现在人们对水对边坡稳定性的影响有了较多的认识，但是还不能对其中某个因素进行个别的分析，并找出其基本规律。在含有不透水层的山体中，不透水层的下方有承压水是一个普遍的现象，人们一般认为粘土的软化是诱发滑坡的主要原因，那么当不透水层已经软化或软化因素不明显时，是否也会产生滑坡呢？如图1所示，当雨水沿山体的裂隙2渗入，则不透水层下方的水压力就会升高，并沿着较高渗透率的土层向滑坡体1的下游渗透，在滑坡体1内形成承压水层。该水层的压力与降雨后裂隙水的水位有关，如果降水量较大，裂隙水的压力与上覆土层的重量相当，这里不透水层的有效正应力就会明显降低，从而降低了抗滑力，而滑坡体1的下滑力并不减小，于是滑坡灾害就发生了。现有的研究方法和装置不能获得研究承压水层诱发滑坡所需的各项参数，同时，目前边坡定时预报的研究多集中于边坡时间-位移曲线的数学处理上，在短期预报或临滑预报方面是合理的，但这种曲线不是单调光滑的，常常是不规则的折线，这使得边坡的临滑状态难以直观、简便地判定，给防灾、减灾带来一定的困难。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能对滑坡体失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面积之间的关系等进行研究的水诱发滑坡模拟试验装置，本发明进一步地还提供一种简便宜行的判断边坡临滑状态的坡面位移监测方法。
为实现上述目的，本发明水诱发滑坡模拟试验装置包括试验台、试验箱、供水系统和设置在试验箱上的滑坡体，试验台的上表面与水平面呈试验所需的滑坡倾角，试验箱设置在试验台上，试验箱的内腔沿试验台倾斜方向分成若干个独立的隔室，这些独立的隔室分别与独立的供水系统相连通，试验箱的上表面设置有透水孔，滑坡体由下至上为粘土层、隔水层和滑动层。
进一步地，所述试验箱的横向两侧设置有挡板。
进一步地，所述供水系统由贮水箱、进水箱、和输水管道组成，通过贮水箱和进水箱可实现进水压力的恒定，通过调节进水箱的阀门或改变贮水箱、进水箱内的排放水位高度可以改变试验箱中的压力。
进一步地，所述隔水层为塑料薄膜或橡胶薄膜。
进一步地，所述滑动层由下至上为块石层和砂土层，其中砂土层一直延伸到试验台的坡底。
进一步地，所述试验台为支架结构，所述试验箱与试验台相铰接，试验台下方设置有液压推进装置，在液压推进装置的作用下试验箱可绕铰接轴转动，实现对滑坡倾角的调整。
进一步地，所述滑坡体内设置有水压传感器、滑坡位移传感器等测量装置。
一种判断边坡临滑状态的坡面位移监测方法在坡体表面布置网格，并在相应的网格交叉点处放置标志点，在坡体下滑过程中，对标志点的运动参数进行纪录，通过对标志点运动参数的分析来确定边坡的临滑状态。
进一步地，在坡体下滑过程中，用数码摄像机对整个试验过程进行定点跟踪拍摄，记录下边坡的变形、位移情况，之后通过单帧取像的方式量取每个标志点的位移，最后绘出各个时刻标志点的个数与位移之间的关系曲线，通过对关系曲线的分析确定边坡是否处于临滑状态。
进一步地，所述坡体表面的网格采用有色颜料绘制而成。
本发明通过专门设计的滑坡实验平台和实验箱，创造了滑坡不透水层和产生滑坡体内承压水层的条件，能对滑坡体失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面积之间的关系等进行研究，从而获得预防和治理滑坡所需的各项参数，还可通过分析设置在滑坡表面的标志点来判断边坡是否处于临滑状态，简单宜行。
图1为滑坡体结构示意图；图2为本发明水诱发滑坡模拟试验装置的结构示意图；图3为本发明水诱发滑坡模拟试验装置的剖面示意图；图4为标志点个数—位移直方图。
具体实施例方式如图2、图3所示，试验台8的上表面与水平面呈试验所需的滑坡倾角，这里设定为α，长方体试验箱7设置在试验台8上，试验箱7长1.35m、宽1.1m、厚度5cm，沿长度方向均匀分为9个独立的隔室，隔室由右下至左上分别标记为1-9号，每个隔室有各自的进水装置和测压管17，测压管17安装在小隔室侧面的中部，这样通过测量管17中的水柱的高度来测量箱体中的压力，该压力被认为是该小隔室内的平均压力，也是该室对应上方的基岩底部的孔隙水的平均压力，试验箱7的上表面设置有均匀的透水孔，用以向粘土层6渗水，图中箭头所示为渗入方向，滑坡体由下至上为模拟自然地质结构的粘土层6、隔水层5和滑动层，粘土层6厚度为2cm，隔水层5为塑料薄膜或橡胶薄膜，滑动层由下至上为块石层4和砂土层3，砂土层和块石层的厚度均为10cm，其中砂土层3一直延伸到试验台8的坡底，与水平面形成夹角β，在滑坡体内设置有水压传感器、滑坡位移传感器等测量装置，为方便对滑坡倾角α的调整，可将试验台8设计为支架结构，试验箱7的底边与试验台8相铰接，试验台8的下方设置液压推进装置，在液压推进装置的作用下试验箱7可绕铰接轴转动，从而实现对滑坡倾角α的调整，当然，也可采用起吊机构来实现对滑坡倾角α的调整。
试验箱18上部的横向两侧设置有挡板11和挡板16，供水系统由贮水箱9、进水箱10、和输水管道组成，通过贮水箱9和进水箱10可实现进水压力的恒定，通过调节进水箱的阀门或改变贮水箱9、进水箱10内的排放水位高度可以改变试验箱18中的水压力。
如图2所示，在实验的研究计算过程中，影响稳定性的参数有(1)几何参数滑坡倾角α、坡角β、块石层的厚度t1；砂土层的厚度t2；(2)物理参数粘土层的有效内聚力和有效内摩擦角c′，φ′；块石的重度γ1；砂土的重度γ2；孔隙水压力u；(3)边界条件实验箱上部横向两侧有挡板，可以认为土石体与挡板间的摩擦系数f在整个变形、滑动过程中保持不变。
在试验过程中，α＝18°；t1＝t2＝10cm；γ1＝2.65kg/cm3；γ2＝1.5kg/cm3，每次试验粘土都处于饱和状态，所以c′，φ′在各次试验中为恒值；试验发现当砂土充分饱和时其抗剪能力很弱，所以坡角β对试验结果的影响可忽略。由于滑体是沿试验箱的上表面向下滑动，侧向压力较小，所以两侧的摩擦力也可忽略不计。
根据太沙基的有效应力原理，对滑坡体的稳定性起作用的是有效应力σ′，及粘土层的有效内聚力和有效内摩擦角c′，φ′，由此求出的滑坡体的安全系数为k′=(σ-u)tgφ′+C′σtgα=(1-uσ)ctgαtgφ′+C′σctgα----(1)]]>式中，σ-由上覆岩土体在滑面上形成的法向总应力；σ＝(γ1t1+γ1t1)cosα (2)u-裂隙中的孔隙水压力；试验中c′，φ′，α，t1，t2，γ1，γ2都是定值，所以对滑坡体的稳定性产生影响的只有 这个无量纲量。
为了操作方便，将试验限制在1～8试验箱隔室单元范围内。在试验过程中事先对箱体充水并使水压恒定在10cm水柱左右，对下层粘土浸泡3-4小时，使粘土充分饱和。在此之后再对试验箱的各个分室同时逐步提高水压力进行试验，每次加压之后要等到岩土体的变形趋于稳定后才再次提高水压，为此两次加压之间的时间间隔不少于20分钟。每次改变压力之前、之后都要对测压管中的水压力进行测量并记录，直至整个滑坡体失稳。具体试验数据如表1所示。
表1试验箱整体同时充水加压时试验统计表
由式(2)求出滑面上的法向总应力σ并将其单位转换为cm水柱
表2滑坡体失稳时，临界孔隙水压力u与滑面上的法向总应力σ关系
由表2可以看出，当孔隙水压力与上覆岩土体在滑面上形成的总应力之比达到80％左右的时候，滑坡体必然发生失稳。
当大量雨水沿山体的裂隙渗入到不透水层之下，在不透水层下方形成较高的承压水层，承压水的压力与上覆土层的重量相当时，可以通过检测承压水的面积来确定滑坡体的稳定性。
在该部分试验中，先将试验箱上部的9、8两个隔室单元压力调到40cm水柱，保持20分钟。然后依次将下面的单元压力调高至40cm水柱，每次调整中间的间隔时间为20分钟左右，直至发生滑动。在保持压力使变形稳定的过程中，各单元的压力有所波动，我们将其控制在2-3cm水柱之间。在调高压力的过程中，水压有向下传递的现象，比如第7格调到40cm水柱时，第6单元的压力为14cm水柱。由于加压是由最上的单元开始的，所以在各次的试验中岩土体的失稳都表现为整体滑动。
表3岩土体失衡时加压的单元数目
当箱体的压力达到40cm水柱时，该箱体上部的岩土体基本上处于悬浮状态，即上覆岩土体在滑面形成的法向应力基本被孔隙水压力平衡掉，由表3中的试验结果可以看到当占总区域的30％-40％处于这种状态下时，整个坡体将不稳定，据此可以较为方便地估算出边坡的稳定性。
为判断边坡的临滑状态，在试验当中，在坡体表面用有色颜料(如白色)布置了20cm×19cm的网格，并在相应的网格交叉点处放置白色的三角形标志点，用数码摄像机对整个试验过程进行定点跟踪拍摄，记录下随着压力的升高边坡的变形、位移情况，之后通过单帧取像，并量取每个标志点的位移，最后绘出各个时刻标志点的个数与位移之间的关系曲线，从中我们可以简便而清楚地发现边坡的临滑状态，具体情况如图4所示。
从图中可以清楚地看到边坡失稳的演变过程，图4-1的边坡处于初始状态，所有的标志点都没能位移；图4-2是边坡在失稳之前的状态，标志点在各位移段内连续分布；图4-3、4-4所示的是边坡处于临滑状态，所有标志点的总位移都较小，但其分布开始不连续了，这说明边坡上已经开始出现裂缝，整个边坡处于危险状态；图4-5所示的边坡已经大规模滑动；图4-6表示在边坡滑动过程中又有新的裂缝产生。所以通过在边坡上设置标志点，定期观测标志点的位移，特别是在降雨前后要加大观测的密度，并绘制出标志点个数与位移的直方图，可以方便、有效地判断边坡的安全性，较为准确地发现边坡的临滑状态，从而减少灾害带来的损失。
权利要求
1.一种水诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于，包括试验台、试验箱、供水系统和设置在试验箱上的滑坡体，试验台的上表面与水平面呈试验所需的滑坡倾角，试验箱设置在试验台上，试验箱的内腔沿试验台倾斜方向分成若干个独立的隔室，这些独立的隔室分别与独立的供水系统相连通，试验箱的上表面设置有透水孔，滑坡体由下至上为粘土层、隔水层和滑动层。
2.如权利要求1所述的水诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱的横向两侧设置有挡板。
3.如权利要求1所述的水诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于，所述供水系统由贮水箱、进水箱、和输水管道组成，通过贮水箱和进水箱可实现进水压力的恒定，通过调节进水箱的阀门或改变贮水箱、进水箱内的排放水位高度可以改变试验箱中的压力。
4.如权利要求1所述的水诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于，所述隔水层为塑料薄膜或橡胶薄膜。
5.如权利要求1所述的水诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于，所述滑动层由下至上为块石层和砂土层，其中砂土层一直延伸到试验台的坡底。
6.如权利要求1所述的水诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于，所述试验台为支架结构，所述试验箱与试验台相铰接，试验台下方设置有液压推进装置，在液压推进装置的作用下试验箱可绕铰接轴转动，实现对滑坡倾角的调整。
7.如权利要求1所述的水诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于，所述滑坡体内设置有水压传感器、滑坡位移传感器等测量装置。
8.一种判断边坡临滑状态的坡面位移监测方法在坡体表面布置网格，并在相应的网格交叉点处放置标志点，在坡体下滑过程中，对标志点的运动参数进行记录，通过对标志点运动参数的分析来确定边坡的临滑状态。
9.如权利要求8所述的判断边坡临滑状态的坡面位移监测方法，其特征在于，在坡体下滑过程中，用数码摄像机对整个试验过程进行定点跟踪拍摄，记录下边坡的变形、位移情况，之后通过单帧取像的方式量取每个标志点的位移，最后绘出各个时刻标志点的个数与位移之间的关系曲线，通过对关系曲线的分析确定边坡是否处于临滑状态。
10.如权利要求8所述的判断边坡临滑状态的坡面位移监测方法，其特征在于，所述坡体表面的网格采用有色颜料绘制而成。
全文摘要
本发明公开了一种水诱发滑坡模拟试验装置，其特征在于，包括试验台、试验箱、供水系统和设置在试验箱上的滑坡体，试验台的上表面与水平面呈试验所需的滑坡倾角，试验箱设置在试验台上，试验箱的内腔沿试验台倾斜方向分成若干个独立的隔室，这些独立的隔室分别与独立的供水系统相连通，试验箱的上表面设置有透水孔，滑坡体由下至上为粘土层、隔水层和滑动层；本装置能对滑坡体失稳时的临界孔隙水压力、滑坡体失稳与承压水面积之间的关系等进行研究。本发明还公开了一种简单宜行的判断边坡临滑状态的坡面位移监测方法。
文档编号G01M99/00GK1584542SQ200410042628
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月28日 优先权日2004年5月28日
发明者李世海, 孟祥跃, 柳炳善, 朱而千 申请人:中国科学院力学研究所