一種滑坡臨界角測量裝置及實驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于滑坡實驗領(lǐng)域，具體涉及一種滑坡臨界角測量裝置及實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 滑坡是山區(qū)常見的自然災(zāi)害，我國所處的地質(zhì)構(gòu)造部位較為特殊，2/3為山地，滑 坡災(zāi)害的嚴(yán)重程度和分布的廣泛性在世界少有。觸發(fā)滑坡的因素多種多樣，水是誘發(fā)滑坡 的主要因素，水對滑坡體穩(wěn)定性具有十分重要的影響，我國在滑坡防治工作中通常說"十滑 九水"就是這個道理。水分在坡體中主要影響兩個方面 ：
[0003] 1)對坡體的重心影響。當(dāng)降雨強度大時，淺層的體積含水量降雨響應(yīng)最為迅速，深 層的體積含水量的變化會有所滯后。水分富集于坡體上方，坡體重心上移，而后水分在重力 作用下逐漸下降，坡體重心位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。而土壤中水分變化使其抗剪強度降低，導(dǎo)致土體 抗滑力降低并使土體下滑可能性增加，土體中的抗滑力與下滑力失去平衡，從而激發(fā)山體 滑坡或泥石流的發(fā)生。
[0004] 2)水分影響坡體與巖石層接觸面的摩擦系數(shù)。當(dāng)土壤水分在重力作用下到達土體 和巖體結(jié)構(gòu)面時，其充填物隨含水量的變化，發(fā)生由固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)的軟化效應(yīng)。一般 在斷層帶易發(fā)生泥化現(xiàn)象，大多數(shù)滑坡的滑帶土物質(zhì)屬于一些親水性的粘土或泥狀物質(zhì)， 遇水易于軟化，是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的直接誘因。軟化作用使巖土體的力學(xué)性能大大降低，內(nèi)聚 力和摩擦角值減小。
[0005] 在滑坡中，坡體水分含量的變化，主要是通過土壤水分入滲過程實現(xiàn)的。入滲能力 是土壤重要的物理性質(zhì)，可作為評價土壤調(diào)節(jié)水分和涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)，也是影響地表 徑流和土壤侵蝕的重要因素。近幾十年來，在土壤入滲與滑坡穩(wěn)定性研究方面，一般其研究 方法為：傳統(tǒng)極限平衡方法的延伸法、運用飽和一非飽和滲流理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等。研究 引發(fā)滑坡的規(guī)律性是從以下兩種途徑進行：1)是研究雨水入滲引發(fā)滑坡的物理過程并建 立定量的分析模型，然后利用這種分析模型進行評估邊坡的穩(wěn)定性。2)是從統(tǒng)計分析角度 尋求降雨與滑坡相關(guān)性規(guī)律，應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興學(xué)科的理論，綜合研究系統(tǒng)的 不確定性和工程經(jīng)驗從而預(yù)測滑坡的穩(wěn)定性。
[0006] 在國內(nèi)，陳守義運用非飽和土壤水分運動的研究方法，求出給定入滲和蒸發(fā)邊界 條件下的斜坡土體的瞬態(tài)含水率分布。將瞬態(tài)含水率分布換算為斜坡上體瞬態(tài)抗剪強度參 數(shù)分布，從而計算上坡瞬態(tài)安全系數(shù)。李兆平、張彌等以體積含水量作為因變量，建立了求 解降雨入滲過程中土體內(nèi)瞬態(tài)含水量分布的方程。林鴻州等通過降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的模型 試驗及已有研究成果來探討降雨特性對邊坡失穩(wěn)的影響，并以此來選取出合適的雨量預(yù)警 參數(shù)。
[0007] 在國外，對于坡體穩(wěn)定行的研究也很多。大部分都是利用數(shù)值模型以及理論分析 作為研究手法。例如Ng和Shi針對香港地區(qū)的斜坡，用有限元法研究了各種降雨情況和 初始條件對暫態(tài)滲流和斜坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明坡體穩(wěn)定性不僅受到降雨強度、初始 地下水位和滲透系數(shù)的各向異性等的控制，而且還取決于先期的降雨持時。加拿大學(xué)者 Fredlund運用有限元法模擬暫態(tài)滲流過程，并對邊坡的穩(wěn)定性進行了參數(shù)研究。結(jié)果表明 較高降雨強度引起安全系數(shù)顯著降低，滲透系數(shù)對安全系數(shù)影響較小，認(rèn)為在暴雨期間由 于負(fù)孔隙壓力的減小而導(dǎo)致斜坡的安全系數(shù)降低，并有可能導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)破壞。
[0008] 綜觀對滑坡水分入滲已取得的研究成果來看，其中大多數(shù)是采用數(shù)理統(tǒng)計、理論 分析、數(shù)值模型、模型試驗等科學(xué)方法，在相關(guān)因素對滑坡的影響程度、降雨和滑坡的關(guān)系， 降雨條件下滑坡機理等方面取得了一定的研究成果，但這些分析中還存在問題。在滑坡穩(wěn) 定方面的研究大多集中在雨強單一因素上，而土壤中滲流是一個很復(fù)雜的問題，對于水分 在坡體中的變化規(guī)律，水分分布情況對坡體穩(wěn)定性的影響，都還缺乏有效的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明旨在從滑坡區(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， 特別是水分變化對滑坡臨界角的影響方面進行研究。為此，本發(fā)明提供了一種能自動測量 水分變化下導(dǎo)致土體滑坡臨界點角度測量裝置。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種滑坡臨界角測量裝置，該裝置包括：土體盒，其上下均 敞開，用于盛放土體；水流裝置，用于將恒定水流注到土體上；旋轉(zhuǎn)斜面；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，設(shè) 置于旋轉(zhuǎn)斜面下方；標(biāo)尺；所述旋轉(zhuǎn)斜面的上端滑動連接在堅直設(shè)置的標(biāo)尺上；在所述旋 轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的作用下，旋轉(zhuǎn)斜面能夠繞其下端的邊線向上旋轉(zhuǎn)，同時旋轉(zhuǎn)斜面上端沿標(biāo)尺 向上滑動；傳感器，其通過導(dǎo)線連接所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，通過傳感器檢測土體盒下滑時，使 旋轉(zhuǎn)斜面停止繼續(xù)向上旋轉(zhuǎn)。
[0011] 所述傳感器可以為拉力傳感器，固定在旋轉(zhuǎn)斜面上端和土體盒之間，其通過導(dǎo)線 連接所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，其受到拉力時使旋轉(zhuǎn)斜面停止繼續(xù)向上旋轉(zhuǎn)。
[0012] 所述傳感器可以為光感傳感器，設(shè)置在旋轉(zhuǎn)斜面上，其通過導(dǎo)線連接所述旋轉(zhuǎn)驅(qū) 動機構(gòu)，其檢測到光時使旋轉(zhuǎn)斜面停止繼續(xù)向上旋轉(zhuǎn)。
[0013] 在所述傳感器和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)之間接有一感應(yīng)開關(guān)。
[0014] 該裝置還包括位于土體盒正下方的攝像頭，攝像頭連接計算機。
[0015] 該裝置還可以包括另一水流裝置，其設(shè)有線性出水口，以在旋轉(zhuǎn)斜面內(nèi)形成一個 薄層水膜。
[0016] 所述旋轉(zhuǎn)斜面通過其上端的滑動套連接在標(biāo)尺上，標(biāo)尺底部垂直設(shè)置于導(dǎo)軌內(nèi)， 旋轉(zhuǎn)斜面旋轉(zhuǎn)時，標(biāo)尺能夠垂直于導(dǎo)軌滑動。
[0017] 所述水流裝置為馬氏瓶；所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)為液壓升降桿或液壓千斤頂；所述旋 轉(zhuǎn)斜面由有機玻璃臺和鋼材架組成。
[0018] 采用上述裝置進行滑坡臨界角測量的實驗方法，當(dāng)土體中水分到達底部時，每隔 At時間分析得到底部濕潤土樣的面積；當(dāng)土體盒下滑時，即tn時刻，記錄此時旋轉(zhuǎn)斜面高 度H，得到滑坡臨界角0 ;根據(jù)下式計算tn時刻土體水分入滲率in，單位_/h:
【主權(quán)項】
1. 一種滑坡臨界角測量裝置，其特征在于該裝置包括： 土體盒，其上下均敞開，用于盛放土體； 水流裝置，用于將恒定水流注到土體上； 旋轉(zhuǎn)斜面； 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，設(shè)置于旋轉(zhuǎn)斜面下方； 標(biāo)尺；所述旋轉(zhuǎn)斜面的上端滑動連接在堅直設(shè)置的標(biāo)尺上；在所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的作 用下，旋轉(zhuǎn)斜面能夠繞其下端的邊線向上旋轉(zhuǎn)，同時旋轉(zhuǎn)斜面上端沿標(biāo)尺向上滑動； 傳感器，其通過導(dǎo)線連接所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，通過傳感器檢測土體盒下滑時，使旋轉(zhuǎn)斜 面停止繼續(xù)向上旋轉(zhuǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑坡臨界角測量裝置，其特征在于：所述傳感器為拉力傳感 器，固定在旋轉(zhuǎn)斜面上端和土體盒之間，其通過導(dǎo)線連接所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，其受到拉力時 使旋轉(zhuǎn)斜面停止繼續(xù)向上旋轉(zhuǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑坡臨界角測量裝置，其特征在于：所述傳感器為光感傳感 器，設(shè)置在旋轉(zhuǎn)斜面上，其通過導(dǎo)線連接所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，其檢測到光時使旋轉(zhuǎn)斜面停止 繼續(xù)向上旋轉(zhuǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的滑坡臨界角測量裝置，其特征在于：在所述傳感器 和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)之間接有一感應(yīng)開關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的滑坡臨界角測量裝置，其特征在于：還包括位于土 體盒正下方的攝像頭，攝像頭連接計算機。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的滑坡臨界角測量裝置，其特征在于：還包括另一水 流裝置，其設(shè)有線性出水口，以在旋轉(zhuǎn)斜面內(nèi)形成一個薄層水膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的滑坡臨界角測量裝置，其特征在于：旋轉(zhuǎn)斜面通過 其上端的滑動套連接在標(biāo)尺上，標(biāo)尺底部垂直設(shè)置于導(dǎo)軌內(nèi)，旋轉(zhuǎn)斜面旋轉(zhuǎn)時，標(biāo)尺能夠垂 直于導(dǎo)軌滑動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1?3之一所述的滑坡臨界角測量裝置，其特征在于：所述水流裝置 為馬氏瓶；所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)為液壓升降桿或液壓千斤頂；所述旋轉(zhuǎn)斜面由有機玻璃臺和 鋼材架組成。
9. 一種采用權(quán)利要求1?8之一所述裝置進行滑坡臨界角測量的實驗方法，其特征在 于： 當(dāng)土體中水分到達底部時，每隔At時間分析得到底部濕潤土樣的面積； 當(dāng)土體盒下滑時，即tn時刻，記錄此時旋轉(zhuǎn)斜面高度H，得到滑坡臨界角Θ ; 根據(jù)下式計算tn時刻土體水分入滲率i n，單位mm/h :
式中，q為水流裝置的供水流量，mm3/h ; AAj t n-tn_i時段地表增加的濕潤面積，mm2; 然后評價土體水分入滲率對滑坡臨界角的影響。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的滑坡臨界角測量的實驗方法，其特征在于，包括下述步驟： 將所述土體盒裝上土體，放置于旋轉(zhuǎn)斜面上； 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土體盒底的上部邊沿； 水流裝置將恒定水流注到土體上； 開啟旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)斜面向上旋轉(zhuǎn)； 當(dāng)土體中水分到達底部時，攝像頭每隔At時間拍攝土體底部照片，傳輸給計算機進 行分析； 當(dāng)土體盒下滑時，立即停止旋轉(zhuǎn)斜面繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種滑坡臨界角測量裝置及實驗方法，該裝置包括：土體盒，其上下均敞開，用于盛放土體；水流裝置，用于將恒定水流注到土體上；旋轉(zhuǎn)斜面；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，設(shè)置于旋轉(zhuǎn)斜面下方；標(biāo)尺；所述旋轉(zhuǎn)斜面的上端滑動連接在豎直設(shè)置的標(biāo)尺上；在所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的作用下，旋轉(zhuǎn)斜面能夠繞其下端的邊線向上旋轉(zhuǎn)，同時旋轉(zhuǎn)斜面上端沿標(biāo)尺向上滑動；傳感器，其通過導(dǎo)線連接所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，通過傳感器檢測土體盒下滑時，使旋轉(zhuǎn)斜面停止繼續(xù)向上旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明從滑坡區(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，特別是水分變化對滑坡臨界角的影響方面進行研究，能有效分析出土體水流與其土體之間的動力學(xué)特征。
【IPC分類】G01N33-24
【公開號】CN104535742
【申請?zhí)枴緾N201510020124
【發(fā)明人】夏衛(wèi)生, 余韻, 黃道友, 吳建, 李雪菱, 林佳慶
【申請人】夏衛(wèi)生, 余韻
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月15日