李雪菱，夏衛(wèi)生，余 韻，黃道友

（1湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙410081；2中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)沙410125）

?

滑坡臨界角測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

李雪菱1，夏衛(wèi)生1，余 韻1，黃道友2

（1湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙410081；2中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)沙410125）

摘 要：為了定量測(cè)量滑坡臨界角，筆者設(shè)計(jì)了一套能自動(dòng)測(cè)量土體滑坡臨界角系統(tǒng)。該裝置主要由體盒、水流裝置、旋轉(zhuǎn)斜面、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、標(biāo)尺和傳感器等組成。通過初步試驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)是可靠的，如進(jìn)一步分析土體水流與其土體之間的動(dòng)力學(xué)特征，就可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)山體發(fā)生滑坡的可能區(qū)域。

關(guān)鍵詞：滑坡；臨界角；實(shí)驗(yàn)裝置；水分入滲

0　引言

滑坡是山區(qū)常見的自然災(zāi)害，中國(guó)所處的地質(zhì)構(gòu)造部位較為特殊，山區(qū)面積約占國(guó)土面積的2/3，滑坡災(zāi)害的嚴(yán)重程度和分布的廣泛性在世界少有[1]?；聻?zāi)害已成為首要的地質(zhì)災(zāi)害，造成交通中斷、堵塞江河、掩埋村莊、摧毀廠礦，不僅影響到經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，而且直接威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素有四點(diǎn)：地質(zhì)條件、地形地貌條件、人類活動(dòng)因素、氣候及徑流條件，其中坡度是描述地形地貌的主要參數(shù)，坡度的大小影響土壤侵蝕程度與土壤侵蝕方式，對(duì)不同的下墊面的臨界坡度進(jìn)行測(cè)量具有很大的必要性。因此，對(duì)土體滑坡的臨界特征展開研究，通過有效分析土體水流與其土體之間的動(dòng)力學(xué)特征，進(jìn)而預(yù)測(cè)坡體發(fā)生滑坡的可能性并推算出產(chǎn)生滑坡的時(shí)間，具有十分重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

滑坡試驗(yàn)?zāi)軌虬岩巴怆y以觀測(cè)到的土體滑坡發(fā)育全過程在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)短期時(shí)間重復(fù)的模擬出來(lái)。從20世紀(jì)初，西歐一些國(guó)家就開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，并逐漸建立了相似理論。例如，俄國(guó)學(xué)者[3]采用仿真物理模擬試驗(yàn)，研究出水庫(kù)波浪對(duì)土體的侵蝕將使坡角增大，最終導(dǎo)致水庫(kù)周圍發(fā)生滑坡。之后國(guó)外學(xué)者用室內(nèi)滑坡試驗(yàn)對(duì)滑坡進(jìn)行分析研究，室內(nèi)滑坡試驗(yàn)在試驗(yàn)的技術(shù)方面和研究成果方面都取得了顯著進(jìn)展[4-6]。國(guó)內(nèi)，在滑坡模擬試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容上，大多學(xué)者主要研究方向在降水以及坡體穩(wěn)定性研究2個(gè)方面[7-13]。從降水的角度研究，劉波[14]、文高原[15]等通過室內(nèi)大型模型試驗(yàn)證明了雨水對(duì)土邊坡變形、破壞的影響；從坡體穩(wěn)定性方向出發(fā)，胡修文[16]、胡晉川[17]、肖詩(shī)榮[18]等通過現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，研究地表組成、演化對(duì)滑坡機(jī)制的影響。

綜合觀察已取得的研究成果，其中絕大部分是采用理論分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等科學(xué)方法。在相關(guān)因素對(duì)滑坡產(chǎn)生的影響程度、降雨條件下滑坡的機(jī)理、降雨和滑坡的關(guān)系等方面取得一定的研究成果，針對(duì)目前理論研究還不完善，且原型試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的缺點(diǎn)，可發(fā)現(xiàn)對(duì)測(cè)量土體滑坡臨界點(diǎn)角度變化方面還有不足之處，仍需要去深入的分析研究以及改進(jìn)。因此，筆者結(jié)合實(shí)際情況，考慮試驗(yàn)方法、試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)場(chǎng)地的影響，新研制了室內(nèi)土體滑坡試驗(yàn)裝置，模型試驗(yàn)可以根據(jù)研究?jī)?nèi)容需要具體設(shè)定，真實(shí)地反映滑坡發(fā)生發(fā)展過程，具有試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠、信息量大、可信度高三大優(yōu)勢(shì)，以期為山體滑坡與坡角關(guān)系的研究提供新的研究方法。

1　測(cè)量原理與裝置組成

1.1滑坡臨界角測(cè)量裝置的測(cè)量原理

本試驗(yàn)原理如圖1所示，如果土體與滑坡面之間互為靜止，那兩表面間的接觸地方會(huì)形成一個(gè)強(qiáng)結(jié)合力——靜摩擦力(f=μN(yùn))，除非破壞了這結(jié)合力才能使一表面對(duì)另一表面運(yùn)動(dòng)。μ為最大靜摩擦力系數(shù)，其摩擦系數(shù)由滑動(dòng)面的性質(zhì)、粗糙度和（可能存在的）潤(rùn)滑劑所決定。當(dāng)土體中的水分到達(dá)土體底部，會(huì)使其接觸面的土質(zhì)發(fā)生泥化現(xiàn)象，而水分變化對(duì)摩擦系數(shù)的影響程度，是本發(fā)明裝置的研究目的

在坡體上，導(dǎo)致土體下滑的力F是它自身的重力在坡體方向上的分力(mg×sinθ)，而土體對(duì)坡面上的壓力N也是重力的分力(mg×cosθ)。根據(jù)力的平衡，得f= F，即μ=F/N，故：土體與坡面的摩擦系數(shù)μ=tanθ。坡角θ可根據(jù)公式(1)計(jì)算。

式中：H為旋轉(zhuǎn)斜面的高度，L為旋轉(zhuǎn)斜面的長(zhǎng)度。

圖1　土體滑坡臨界角測(cè)量裝置原理圖

圖2　裝置設(shè)計(jì)圖

1.2滑坡臨界角測(cè)量裝置的組成

本設(shè)計(jì)旨在從滑坡區(qū)水分入滲特征入手，探討土壤水分入滲與坡面的相互關(guān)系，特別是水分變化對(duì)滑坡臨界角的影響方面進(jìn)行研究。為此，本設(shè)計(jì)提供了一種能自動(dòng)測(cè)量水分變化下導(dǎo)致土體滑坡臨界點(diǎn)角度的測(cè)量裝置（見圖2）。其設(shè)備包括：馬氏瓶、定位標(biāo)尺、液壓升降桿、固定拉桿、拉力傳感器、感應(yīng)開關(guān)、土體盒、滑動(dòng)臺(tái)、下墊面、攝像頭、計(jì)算機(jī)、出水口。

1.2.1馬氏瓶 提供恒定水流裝置。

1.2.2定位標(biāo)尺 測(cè)定滑動(dòng)臺(tái)的高度，以及其固定滑動(dòng)臺(tái)的作用。

1.2.3液壓升降桿 是使滑動(dòng)臺(tái)上升的動(dòng)力裝置，能提供穩(wěn)定的上升速度。其可調(diào)節(jié)的范圍為100～900 mm。

1.2.4固定拉桿 在滑動(dòng)臺(tái)的左側(cè)裝有固定拉桿，是用來(lái)系住拉力傳感器。

1.2.5拉力傳感器 拉力傳感器一頭系在固定拉桿上，一頭系在土體盒下端1/3處，當(dāng)滑動(dòng)臺(tái)上升（從下由上）時(shí)，當(dāng)拉力傳感器上感受到了拉力的存在，則立馬控制感應(yīng)開關(guān)的電路，使其液壓升降桿停止上升。

1.2.6感應(yīng)開關(guān) 受控于拉力傳感器。

1.2.7土體盒 用于裝置不同類型的土壤，由玻璃板制作而成，其規(guī)格為300mm×300mm×400mm（長(zhǎng)×寬×高）。

1.2.8滑動(dòng)臺(tái) 滑動(dòng)臺(tái)由2部分組成：一個(gè)是有機(jī)玻璃臺(tái)，其體積是1000 mm×500 mm×80 mm（長(zhǎng)×寬×高）；另一個(gè)是盛放有機(jī)玻璃臺(tái)的鋼材架，承受玻璃臺(tái)，以防止玻璃臺(tái)因過重的承載力而破碎，其面積是1000 mm× 500 mm。

1.2.9下墊面 下墊面是可變的，可以是光滑的玻璃板，也可以是粗糙的毛面玻璃，也可以變成薄層水膜。

1.2.10攝像頭 攝像頭放置在土體盒的正下方，其外連1臺(tái)便捷式計(jì)算機(jī)。當(dāng)土體中水分到達(dá)底部時(shí)，在電腦的控制下，開始連續(xù)拍照（20 s 1次），自動(dòng)將照片傳入計(jì)算機(jī)中。

1.2.11計(jì)算機(jī) 利用相應(yīng)的軟件分析攝像頭拍下的濕潤(rùn)土樣的面積，求其變化值，從而計(jì)算出土體的水分入滲速率。

1.2.12線性排水口 當(dāng)模擬條件變?yōu)樗l件時(shí)，可以利用馬氏瓶提供恒定水流，由線性出水口排出，在滑動(dòng)臺(tái)內(nèi)形成一個(gè)薄層水膜。使其下墊面的條件改變。

1.2.13出水口 用來(lái)排出滑動(dòng)臺(tái)內(nèi)多余的水。

2　主要部件設(shè)計(jì)與測(cè)量步驟

2.1供水裝置

供水裝置是由盛水器和轉(zhuǎn)速控制器組成。用1根具有一定伸展性的橡皮導(dǎo)管連接盛水器和轉(zhuǎn)速控制器，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制器的轉(zhuǎn)速，使得控制器推動(dòng)導(dǎo)管帶出盛水器中的水。其水流流量可以根據(jù)轉(zhuǎn)速換算得出，見公式(2)。

式中：q為供水流量(mm3/h)；r為轉(zhuǎn)速(r/min)。

2.2液壓升降器

液壓升降器是使滑動(dòng)臺(tái)上升的動(dòng)力裝置，能提供穩(wěn)定的上升速度。液壓升降器是由液壓電動(dòng)千斤頂構(gòu)成，其本身高為130 cm，最大承重量為5 t，最大抬升高度為430 cm。故其可調(diào)節(jié)的范圍為130～ 560 mm。

2.3高度測(cè)量?jī)x

高度測(cè)量?jī)x是用的精度為1 mm的標(biāo)尺。其測(cè)量總長(zhǎng)度為5 m，完全能滿足試驗(yàn)測(cè)量需求。

2.4土體盒

為了便于觀察水分流動(dòng)情況在土體中的變化位置，其土體盒是用透明的有機(jī)玻璃材料制成。其具有一定的強(qiáng)度和剛度，在試驗(yàn)過程中不易破碎和變形，其規(guī)格為300 mm×300 mm×400 mm（長(zhǎng)×寬×高）。上下面均沒有封口，上面是為了方便水流的注入，下面則是需要讓土壤直接接觸滑動(dòng)臺(tái)，便于模擬土壤與巖石面的接觸情況。

2.5滑動(dòng)臺(tái)

滑動(dòng)臺(tái)是測(cè)量土體滑坡臨界角的主體部分，由2部分組成：一個(gè)是有機(jī)玻璃臺(tái)，一個(gè)是盛放架。

有機(jī)玻璃臺(tái)，其體積是1000 mm×500 mm×80 mm（長(zhǎng)×寬×高），制成透明狀是為了方便觀察水分滲透到土體底部時(shí)的狀況。底部邊緣處還有一個(gè)出水口，用于排出玻璃臺(tái)內(nèi)部多余的水分。

另一個(gè)是稱重臺(tái)，用于盛放有機(jī)玻璃臺(tái)的鋼材架，材料采用的是鋁合金制成的不銹鋼支架?？紤]到土體盒只會(huì)放在上面，裝滿土體盒最重能達(dá)到50 kg左右，而單一的玻璃臺(tái)難以承重其重量，故放在鋼材架上以防止玻璃臺(tái)因過重的承載力而破碎。其面積是與玻璃臺(tái)的底面積一致，為1000 mm×500 mm。

2.6攝像裝置

攝像裝置采用的是高清數(shù)碼相機(jī)。放置在滑動(dòng)臺(tái)的正前方，其外連1臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)，能自動(dòng)將照片傳入計(jì)算機(jī)中。用于實(shí)時(shí)監(jiān)控土體水分變化狀態(tài)。當(dāng)土體水分達(dá)到上中下3個(gè)位置時(shí)，用于測(cè)量土壤水分變化與滑坡臨界角值之間的關(guān)系。

2.7計(jì)算系統(tǒng)

計(jì)算系統(tǒng)是由硬件和軟件2部分組成，硬件部分采用的聯(lián)想K49的便攜式計(jì)算機(jī)，具有較快的數(shù)據(jù)處理能力。軟件部分是采用的雷廷武自主研發(fā)的土壤入滲率自動(dòng)測(cè)量軟件。該自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以根據(jù)測(cè)量得到的地表濕潤(rùn)面積和計(jì)算模型，自動(dòng)估算出土壤入滲性能隨時(shí)間變化的完整的過程線，尤其是土壤初始很高的土壤入滲性能。圖像處理過程中采用綜合失真誤差矯正方法，使土壤濕潤(rùn)面積測(cè)量結(jié)果精度高，從而使土壤入滲過程曲線準(zhǔn)確、可靠。

2.8滑坡臨界角測(cè)量裝置的測(cè)量步驟

具體來(lái)說(shuō)，采用本設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行滑坡臨界角測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：（1）將所述土體盒裝上土體，放置于旋轉(zhuǎn)斜面上；（2）使拉力傳感器剛好處于繃緊的狀態(tài)，或使光感傳感器正對(duì)土體盒底的上部邊沿；（3）水流裝置將恒定水流注到土體上；（4）開啟旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)斜面向上旋轉(zhuǎn)；（5）當(dāng)土體中水分到達(dá)底部時(shí)，攝像頭每隔Δt時(shí)間拍攝土體底部照片（如：連續(xù)拍照，20 s/次），傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析；（6）當(dāng)土體盒下滑時(shí)，即tn時(shí)刻，立即停止旋轉(zhuǎn)斜面繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，記錄此時(shí)標(biāo)尺記錄的旋轉(zhuǎn)斜面高度H，得到滑坡臨界角θ；（7）根據(jù)公式(3)計(jì)算tn時(shí)刻土體水分入滲率in（單位：mm/h）；（8）評(píng)價(jià)土體水分入滲率對(duì)滑坡臨界角的影響。

式中：q為水流裝置的供水流量(mm3/h)；ΔAn為tn-tn-1時(shí)段地表增加的濕潤(rùn)面積(mm2)。

2.9誤差分析

采用本設(shè)計(jì)裝置和方法，系統(tǒng)誤差來(lái)源主要在（以光敏感應(yīng)器和液壓千斤頂為例）：光敏感應(yīng)器信號(hào)發(fā)出的延遲時(shí)間(0.03 s)與液壓千斤頂?shù)乃俾?14 mm/s)所造成高度(H)的誤差，其測(cè)量高度會(huì)比實(shí)際高度略有偏差，見公式(4)。

注：在實(shí)際測(cè)量中一般升高的高度值H在400～ 600 mm之間，而系統(tǒng)所導(dǎo)致的誤差ΔH為0.42 mm，其誤差值控制在千分之一左右，故其角度的測(cè)量值也在千分之一左右，所以其系統(tǒng)帶來(lái)的誤差可以忽略不計(jì)。

3　結(jié)果與分析

3.1技術(shù)路線

本試驗(yàn)選取湖南省岳麓山紅壤、通過室內(nèi)試驗(yàn)（入滲特性測(cè)量和滑坡臨界角測(cè)量）以及野外考察的方式，探究土壤水分變化對(duì)滑坡臨界角的影響。

3.2供試樣品

供試土樣取自于湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)岳麓山區(qū)紅壤表層土壤。土樣均采自地表20～30 cm土層。其機(jī)械組成中砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)含量分別為54.3%、31.6%和14.1%。

3.3試驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)?zāi)康氖翘骄吭诓煌葜叵峦寥乐兴衷谄麦w內(nèi)位置變化土壤坡體內(nèi)水分入滲能力特性以及對(duì)滑坡臨界角的影響。因此，在試驗(yàn)的過程中，設(shè)計(jì)了5種不同容重的土壤，在恒定水流注入下，其水分到達(dá)位置變化對(duì)土壤入滲性能的測(cè)量和對(duì)土體發(fā)生滑坡臨界角度的影響。

3.3.1水分位置變化對(duì)土壤入滲性能的影響 入滲率是表征土壤的水分滲透特性的指標(biāo)，是指單位時(shí)間內(nèi)地表單位面積土壤的入滲水量[19]。在本試驗(yàn)中，根據(jù)試驗(yàn)要求，配置5種不同容重土體，分別為1.20、1.25、1.30、1.35、1.40 g/cm3的土樣裝入300 mm×300 mm× 400 mm（長(zhǎng)×寬×高）的透明土樣盒中，利用土壤入滲率測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)定水分到達(dá)土樣盒上部、中部、下部以及形成水膜一段時(shí)間后的水分入滲率。水分到達(dá)土樣盒位置分別標(biāo)記為M1、M2、M3、M4。

3.3.2水分位置變化對(duì)滑坡臨界角的影響 本試驗(yàn)中，配置5種不同容重(1.20、1.25、1.30、1.35、1.40 g/cm3)的土壤，放入土樣盒中，利用滑坡臨界角測(cè)量裝值分別測(cè)量水分到達(dá)土樣盒上部、中部、下部以及形成水膜一段時(shí)間后能導(dǎo)致滑坡發(fā)生的滑坡臨界角度。

3.4土樣的準(zhǔn)備階段

土壤采取于湖南省長(zhǎng)沙市岳麓山底部的紅壤。采取后，放入土壤制備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干、挑選、研磨、過篩4個(gè)部分的處理。再裝入土樣盒中以待試驗(yàn)研究。

土樣盒的規(guī)格是300 mm×300 mm×400 mm（長(zhǎng)× 寬×高）。本試驗(yàn)設(shè)定5種容重(1.20、1.25、1.30、1.35、1.40 g/cm3)。在裝盒過程中，容重小的會(huì)填不滿土樣盒，而容重大的會(huì)溢出，導(dǎo)致實(shí)際容重與設(shè)定容重有差異。在這種情況下，較小容重在裝盒過程中要及時(shí)疏松土壤，使土壤顆粒間間隙變大，切勿過于壓實(shí)。而制備容重較大的土樣是則采用豎直擊實(shí)和平壓法使土樣達(dá)到預(yù)計(jì)的體積。并在裝入下一層土之前，先將前次裝入的土層表面用工具打毛，以避免上下土層之間出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力學(xué)特性突變等的不必要的內(nèi)邊界。裝好土樣后，標(biāo)記好編號(hào)R1、R2、R3、R4、R5。

3.5土壤水分變化對(duì)滑坡影響模擬試驗(yàn)

探究水分在坡體內(nèi)位置變化以及坡體內(nèi)水分入滲能力對(duì)滑坡臨界角的影響這2部分研究?jī)?nèi)容同時(shí)進(jìn)行。即在水分到達(dá)M1、M2、M3、M44個(gè)不同位置時(shí)，先后測(cè)量樣品此時(shí)的入滲率以及導(dǎo)致滑坡的臨界角，并記錄在試驗(yàn)數(shù)據(jù)本中。

3.5.1恒定水流的供給 恒定水流的供給是利用盛水裝置、導(dǎo)管和流量控制裝置（通過控制轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂扑髁浚?shí)現(xiàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定恒定水流流量為10.8 L/h，模擬大雨（雨強(qiáng)：2 mm/min）下土壤水分條件。布水器采用的是線性形狀，使得水流能均勻分布在土樣上。

3.5.2土壤入滲率的測(cè)量 以R1-1為例，即容重為1.20g/cm3的樣品，水流變化達(dá)到上部。

（1）土壤入滲率的測(cè)量過程。土樣放置→打開恒定供水裝置→測(cè)量土壤入滲率→試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理。

（2）土樣放置。因?yàn)樗猛翗佣啵彝亮看螅ㄗ畲笥?4 kg）以及土體盒沒有底部，所以土樣的裝盒過程是放在平整的滑坡臺(tái)上進(jìn)行。

（3）打開恒定供水裝置。土體放置好滑坡臺(tái)后，打開恒定供水裝置，設(shè)好轉(zhuǎn)速為56 r/min即恒定出水流量為10.8 L/h。并記錄好時(shí)間。

（4）測(cè)量土壤入滲率。當(dāng)土體盒中的土樣濕潤(rùn)線達(dá)到土樣盒上部（13 cm處）時(shí)，開始測(cè)量土壤入滲率。首先，連接攝像頭和土壤入滲率測(cè)量系統(tǒng)軟件、用標(biāo)定目標(biāo)板標(biāo)定試驗(yàn)環(huán)境，用于修正影響鏡頭變形及測(cè)量區(qū)間空間比例與變形。使土壤入滲測(cè)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確計(jì)算濕潤(rùn)實(shí)際面積。其次，在測(cè)量系統(tǒng)軟件中設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，如拍攝間隔是1 min拍攝1次，共用時(shí)10 min、流量參數(shù)(0.5 L/h)、相機(jī)快門時(shí)間(0.1 s)。最后，打開供水系統(tǒng)，按試驗(yàn)要求設(shè)置流量為0.5 L/h。同時(shí)開始計(jì)時(shí)拍照。試驗(yàn)完成后保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉測(cè)量系統(tǒng)。

（5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與記錄。在試驗(yàn)過程中，相機(jī)拍攝的土壤濕潤(rùn)面積變化圖像實(shí)時(shí)傳入計(jì)算機(jī)中，測(cè)定結(jié)束后，自動(dòng)識(shí)別出濕潤(rùn)面積，根據(jù)每分鐘濕潤(rùn)面積的增量計(jì)算出土壤入滲率。

3.5.3土體滑坡臨界值的測(cè)量 以R1-1為例，即容重為1.20 g/cm3的樣品，水流變化達(dá)到上部。

（1）土體滑坡臨界值的測(cè)量過程。土樣放置實(shí)驗(yàn)區(qū)→打開恒定供水裝置→臨界角測(cè)定→試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

（2）土樣放置。因?yàn)樗猛翗佣啵彝亮看螅ㄗ畲笥?4 kg）以及土體盒沒有底部，所以土樣的裝盒過程是放在平整的滑坡臺(tái)上進(jìn)行。

（3）打開恒定供水裝置。土體放置好滑坡臺(tái)后，打開恒定供水裝置，設(shè)好轉(zhuǎn)速為56 r/min即恒定出水流量為10.8 L/h。并記錄好時(shí)間。

（4）臨界角測(cè)定。當(dāng)土體盒中的土樣濕潤(rùn)線達(dá)到土樣盒上部（13 cm處）時(shí)，關(guān)閉恒定供水裝置。開始利用液壓千斤頂緩慢上升，調(diào)節(jié)高度的試驗(yàn)架（用來(lái)改變坡度角）至其土體盒剛剛滑動(dòng)時(shí)，停止液壓千斤頂。利用標(biāo)桿尺測(cè)量此時(shí)滑動(dòng)臺(tái)距地面高度。

（5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理。試驗(yàn)測(cè)量工作完成后，及時(shí)記錄數(shù)據(jù)，即高度H1以及時(shí)間。利用所測(cè)量的高度H以及滑坡臺(tái)的長(zhǎng)度L，可求出滑坡臨界角度，見公式(5)。

式中：θ為滑坡臨界角度(°)；H為臨界滑坡時(shí)試驗(yàn)架所調(diào)節(jié)的高度(mm)；L為試驗(yàn)架坡底長(zhǎng)(mm)。

3.6試驗(yàn)結(jié)果

在本試驗(yàn)中，根據(jù)濕潤(rùn)鋒到達(dá)位置的不同（上部M1、中部M2、底部M3以及形成水膜M44個(gè)階段），分別測(cè)定了土壤滑坡臨界點(diǎn)的坡體高度，從而計(jì)算出不同的坡度值。

由圖3可知，濕潤(rùn)鋒到達(dá)上部時(shí)，其滑坡臨界角度平均值為24.1°。到達(dá)中部時(shí)，其滑坡臨界角度平均值為24.7°。到達(dá)底部時(shí)，其滑坡臨界角度平均值為33.4°。形成水膜后，臨界角值為18.8°。濕潤(rùn)鋒位置由上部變化到中部時(shí)，增幅為2.5%；由中部變化到底部時(shí)，增幅為35.2%；由底部變化到形成水膜后，下降幅度達(dá)到43.7%。在整個(gè)濕潤(rùn)鋒位置變化過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濕潤(rùn)鋒達(dá)到底部時(shí)，滑坡臨界角值達(dá)到最大，而形成水膜后，滑坡臨界角值達(dá)到最小。這主要是因?yàn)橹笆巧车[面，而水達(dá)到了底部，土壤得到了初步的濕潤(rùn)，使得與坡體之間的粘性增強(qiáng)，導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦系數(shù)的改變，增大了土體與坡體之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，使臨界值的角度增大。證實(shí)了這套試驗(yàn)裝置具有良好的可行性。

圖3　土壤水分位置與土壤滑坡臨界角關(guān)系曲線

4　結(jié)論與討論

本研究從滑坡區(qū)水分入滲特征入手，探討土壤水分入滲與坡面的相互關(guān)系，特別是水分變化對(duì)滑坡臨界點(diǎn)的影響研究，設(shè)計(jì)出了一套能自動(dòng)測(cè)量水分變化下導(dǎo)致土體滑坡臨界點(diǎn)角度測(cè)量設(shè)備，能有效分析出土體水流與其土體之間的動(dòng)力學(xué)特征，從而預(yù)測(cè)坡體發(fā)生滑坡的可能性以及推算出產(chǎn)生滑坡的時(shí)間。

在實(shí)際測(cè)量中，一般比室內(nèi)試驗(yàn)升高的高度值H 在400～600 mm之間，而系統(tǒng)所導(dǎo)致的誤差ΔH為0.42 mm，其誤差值控制在千分之一左右，故其角度的測(cè)量值也在千分之一左右。

該試驗(yàn)裝置成本較低，樣機(jī)試驗(yàn)表明，該裝置作業(yè)順暢、性能穩(wěn)定，但操作較為復(fù)雜，在記錄數(shù)據(jù)后還需要大量的計(jì)算，難免造成一定誤差，且適用范圍較小，由于野外滑坡因素復(fù)雜多樣。因此，仍需要進(jìn)一步研究外部因素下滑坡臨界角的估計(jì)算法，以提高測(cè)量精度。本裝置今后將朝智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，即設(shè)計(jì)一套程序，使得計(jì)算機(jī)能自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，得出科學(xué)結(jié)論，并建立滑坡臨界角度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，使用該裝置的操作者可按個(gè)人意愿選擇是否上傳到數(shù)據(jù)平臺(tái)，使得本地?cái)?shù)據(jù)形成時(shí)間序列，能夠更加有效地預(yù)測(cè)滑坡以方便學(xué)術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]劉傳正.長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因與評(píng)價(jià)研究[M].北京:地質(zhì)出版社,2007.

[2]孫彥旭.雨水入滲作用下土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[D].河北:河北工業(yè)大學(xué),2008.

[3]V.V.Baronin.Modelingoflandslide-generatedsurges[J]. Hydrotechnical Construction,1992(5):280-285.

[4]Y.S.ee,C.Y.Cheuk,Sassa,K.Instability caused by a seepage impediment in layered fill slopes[J].Cannada Geotech,2008,45: 1410-1425.

[5]Ching-ChuanHuang,Chien-Li Lob,Jia-Shiun Jang,et al.Internal soil moisture response to rainfall-induced slope failures and debris discharge[J].Engineering Geology,2008,101:134-145.

[6]Take,W.A.,Bolton,et al.Evaluation of landslide triggering mechanisms in model fill slopes[J].Landslides,2004,1:173-184.

[7]矯賓田,魯曉兵,王淑云.不同含水量和密度對(duì)滑坡啟動(dòng)的影響[R].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì),2005(CCTAM2005).08.

[8]傅鶴林,李昌友,郭峰,等.滑坡觸發(fā)因素及其影響的原位試驗(yàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,40(3):781-785.

[9]詹良通,吳宏偉,包承綱,等.降雨入滲條件下非飽和膨脹土邊坡原位監(jiān)測(cè)[J].巖土力學(xué),2003,24(2):151-158.

[10]胡晉川,謝永利,王文生.降雨條件下階梯狀黃土邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,35(1):83-89.

[11]張均峰,孟祥躍,朱而千.水位變化引起分層邊坡滑坡的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(16):2676-2680.

[12]賈官偉,詹良通,陳云敏.水位驟降對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(9):1795-1803.

[13]羅先啟,劉德富,吳劍,等.雨水及庫(kù)水作用下滑坡模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(14):2476-2483.

[14]劉波,羅先啟,張振華.三峽庫(kù)區(qū)千將坪滑坡模型試驗(yàn)研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,29(2):124-128.

[15]文高原,姚鵬運(yùn),曾憲明,等.降雨前、后夯實(shí)填土邊坡破壞模式試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(5):747-754.

[16]胡修文,唐輝明,劉佑榮.三峽庫(kù)區(qū)趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性物理模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(12):2091-2095.

[17]胡晉川,謝永利,王文生.降雨條件下階梯狀黃土邊坡穩(wěn)定性試驗(yàn)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,35(1):83-89.

[18]肖詩(shī)榮,劉德富,姜福興,等.三峽庫(kù)區(qū)千將坪滑坡地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(5):1023-1030.

[19]張金池.水土保持學(xué)[M].遼寧:遼寧大學(xué)出版社,2005:230-231.

Measuring Device for Critical Angle of Landslide

Li Xueling1,Xia Weisheng1,Yu Yun1,Huang Daoyou2
(1College of Resources and Environmental Science,Hunan Normal University,Changsha 410081,Hunan,China;2Institute of Subtropical Agriculture,Chinese Academy of Sciences,Changsha 410125,Hunan,China)

Abstract:In order to quantitatively measure the critical angle of landslide,a set of automatic measurement system that measures the critical angle of soil slope is designed.The device is composed of a main box,a water flow device,a rotating inclined plane,a rotating driving mechanism,a scale and a sensor.The system is proved to be reliable by preliminary testing,and can be more accurate in predicting the possible areas of landslide by further analyzing the dynamic characteristics of soil flow and soil body.

Key words:Landslide;Critical Angle;Experimental Device;Water Infiltration

中圖分類號(hào)：S157.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas15120005

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金“湖南省山洪易發(fā)流域起暴區(qū)成災(zāi)動(dòng)力學(xué)特征研究”(41271302)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“中南工礦區(qū)鎘砷鎳超標(biāo)農(nóng)田安全利用技術(shù)集成與示范”(2015BAD05B02)；湖南省國(guó)土資源廳項(xiàng)目“兩型社會(huì)‘建設(shè)中農(nóng)村宅基地退出機(jī)制與補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)研究’”(2014-17)。

第一作者簡(jiǎn)介：李雪菱，女，1992年出生，在讀碩士，研究方向：水土保持。

通信地址：410006湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)麓山路36號(hào)湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，E-mail：303312660@qq.com。 410006湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)麓山路36號(hào)湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，E-mail：xws@hunnu.edu.cn。

通訊作者：夏衛(wèi)生，男，1966年出生，湖南人，教授，博士，主要從事水土保持和土地資源管理方面研究。

收稿日期：2015-12-09，修回日期：2016-01-13。