降雨边坡模型试验监测技术分析★

霍旭挺 滕 达 骆 晗

(1.中联西北工程设计研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

西北黄土地区特殊的地质、地貌和气候降雨条件使得该区域素以强烈的土壤侵蚀和频发的降雨滑坡灾害而著称[1,2]。针对降雨作用对边坡影响的研究除借助数值模拟方法外，通常可采用室内边坡模型试验和边坡现场试验等方法[3]。其中现场试验受外界因素干扰较大，导致试验结果具有一定的偶然性，因此很多学者基于不同的方法开展了室内边坡模型试验，但大多数研究均着重于边坡模型试验降雨技术的改进、模型相似理论以及试验结果分析、完善等方面，而监测技术的研究相对滞后，缺乏精密的位移量测手段，模型试验的意义将大打折扣。研究提高监测技术，无疑对试验结果的科学性、精确性有重要意义，同时可以更有效发挥模型试验指导工程的作用。

针对室内降雨边坡模型试验中监测技术相对滞后这一问题，本文基于室内边坡降雨模型试验，分析了目前室内边坡降雨模型试验中监测技术的监测原理、监测方法及监测技术，探讨了目前室内边坡降雨模型试验中监测设备的优点及其存在的不足，最后，提出了室内边坡降雨模型试验监测技术的发展方向。

1 降雨边坡模型试验中变形监测技术研究

针对边坡模型试验中边坡变形监测难度的问题，很多学者展开了研究。孙永帅[4]、武彩萍等[5]在测试坡体表面埋设示踪点，利用高清数码摄像机观测滑坡破坏过程中示踪点的位移情况，来记录整个试验过程中边坡变化情况，从而观测坡体位移矢量和位移的速度。虽然通过示踪点的位移可以直观反映坡体的变形情况，但由于模型试验中人工降雨设备往往存在着降雨历时短、坡面冲击大、降雨不均匀等问题，这就导致了坡面冲刷偏离实际，且示踪点一般埋设于坡体浅表面，受坡面冲刷影响较大，这就导致了示踪点的位移偏离了实际，不能很好地反映坡体内部位移变化情况。同时该类型监测方式一般通过在模型箱外架设高清摄像机的方式来观测坡体变形，然而相机架设点的选取、照片采集频率、拍摄角度往往是制约试验结果的关键因素。

常规模型测量方式还有电测法，通过在坡体内部埋设位移传感器来监测坡体变形。陈玺文[6]通过在测试坡体内部不同位置处埋设位移传感器来反映坡体的变形，虽然该类监测方式可以监测模型内部参数变化，但其监测的数据易受电磁干扰，数据存在波动，同时大多数位移传感器往往只能监测单个点的位移信息，而后期数据分析往往依据经验，通过某些关键点的位移信息来推测测试坡体整体变形发展趋势，人为因素较大，不能很好地反映整体变形发展情况。

针对边坡模型试验中边坡变形监测难度大的问题，很多学者建立了不同的变形监测系统，如光学测量[7]、数码摄像自动识别技术等[8]，通过这些监测技术使得试验结果更加的精确。王刚等[9]通过三维激光扫描仪监测了不同降雨条件下坡体的变形，并总结了边坡的变形破坏规律。三维激光扫描技术以高密度的扫描点云数据构建滑坡体面状信息，对测试坡体进行三维建模，可以真实、实时的反映测试坡体的形态特征。相比较于传统边坡变形监测方法中通过在坡体中埋设传感器来监测坡体变形的方式，保持了边坡模型的整体完整性，不改变模型内部的应力应变场，使模型的相似更加精确，但目前扫描点云数据解析困难、扫描距离受限、测试成本较高等问题制约了三维激光扫描监测技术的发展。

近年来光纤监测技术被越来越多的应用于边坡模型试验当中，其具有抗电磁干扰、耐久性好、测量精度高等优点，在边坡模型试验变形监测中具有广阔的应用前景[10,11]。李焕强等[12]将光纤传感技术应用于边坡模型试验，在边坡模型中分层埋入了BOTDR光纤，又在坡面铺设了FBG光纤光栅传感器，试验获得了降雨过程中边坡变形的详细情况以及坡体位移与降雨历时的关系，该技术能有效解决边坡模型变形监测的困难。李龙起等[13]基于光纤光栅监测技术，研究了降雨作用对边坡坡体内部力学响应特征的影响。上述研究成果大大的推进了边坡模型试验中变形监测技术的发展。光纤监测技术相比传统的点式监测方式，通过在测试坡体内部及表面布设传感光纤，形成传感监测网络，进而可以监测整个坡体的位移变化情况，在边坡模型试验变形监测中，展现出了卓越的工作性能和良好的发展前景，可以预见，光纤光栅监测技术必将在未来的边坡模型试验变形监测领域中占有主导地位。

2 降雨边坡模型试验中应力监测技术研究

降雨过程中坡体内部应力的变化是边坡模型试验的一个重要研究方向，而其内部应力通常采用土压力盒直接测定。土压力盒因其灵活度、结构简单、体积小等优点被广泛的应用于模型试验中[14-16]。不少学者将土压力盒直接嵌入测试坡体中进行量测，之后用厂家提供的标定系数将数据进行修正，从而得到测试坡体的土压力变化，然而研究表明，这种测量方法得到的土压力值是偏离实际的，其原因如下：

1)土压力盒通常采用金属材料制造而成，其刚度与介质不匹配，并且在土压力盒周围会形成土拱效应及应力集中现象，从而影响测试结果；

2)土压力盒生产厂家提供的标定系数大多是在液压或者气压的条件下标定的，但在边坡模型试验中，土压力盒大多埋设在土体中，土体的各向异性、压实度等因素导致其标定系数存在一定的误差，从而直接影响试验数据的真实性；

3)土压力盒的几何尺寸和材质也对试验造成影响，尺寸过大、传导线过粗都会对测试坡体产生加筋效果，影响试验的真实性。针对边坡模型试验中土压力盒测试精度不足的问题，很多学者从不同的角度展开了研究。

许多学者从土压力盒的自身尺寸与结构展开了研究。WEILER等[17]研究了土压力盒自身结构尺寸对试验结果的影响，如直径与厚度比、感应区面积与总面积比等。研究结果表明土压力盒直径与厚度的比值越大，测试结果越精确，建议其比值应大于5。曾辉等[18]系统地研究了土压力盒的匹配误差问题，建议土压力盒受力面的直径要大于土介质最大颗粒粒径的50倍，以保证匹配误差的稳定性。DAIGLE等[19]发现温度变化也会对土压力盒的测试结果造成影响。以上研究均是通过进行多组有针对性的对比试验，深入分析了土压力盒各结构参数对试验结果的影响规律，为边坡模型试验应力分析的研究奠定了基础。

土压力盒的埋设方式也逐渐成为国内外研究的热点之一。李彦坤等[20]分析土压力盒的埋设状态对其砂标结果的影响。研究表明土压力盒在倾斜埋设时砂标线的线性关系较差，试验中应尽量防止倾斜埋设。高东源等[15]进行了不同磨圆度和不同粒径介质中土压力盒测试误差的室内试验，研究了土压力盒误差产生的原因和修正系数，并得到了机制砂和河砂的回归误差。杨钰[21]提出应尽量减小土压力盒埋深，并建议在压力盒受力测试面上埋设5 cm左右标准砂，以避免应力集中，便于应力分布。上述研究成果为土压力盒在边坡模型试验中的应用提供了误差修正的可靠依据。综上所述，在土压力的量测过程中，应当充分考虑模型土的种类、粒径的大小及其与传感器尺寸的关系，避免尺寸效应的发生，同时在埋设时要注意受力面朝上。

常规土压力盒只能测试垂直于该土压力盒受力面的正应力，即一维应力，而由于土体的各向异性，导致土体在各个方向变形特性规律不同，只研究土体的一维应力状态是远远不够的。李顺群等[22]研制了一种三维土压力盒测试装置，可以有效的弥补这一方面的空白。程宇等[23]成功地将该设备应用于隧道模型试验当中。可以预见，针对三维土压力盒的研究，是未来室内边坡降雨模型试验研究的重要课题之一。

3 结语

通过以上分析发现：目前针对降雨边坡模型试验监测技术的研究已经有很多，其中包括变形监测技术、应力监测技术等方面的成果，这些研究成果大大推动了边坡模型试验监测技术的发展。但现有监测技术在实际应用过程中存在的一些问题逐渐显现，而量测和数据采集是边坡模型试验中获得试验数据的主要来源，也是分析试验规律的基础，其结果的准确与否，直接关系到试验的成败。因此，发展完善边坡模型试验监测技术是亟需解决的问题，从应力监测和位移监测入手是未来研究的一个方向。