一种滑坡模拟实验装置的设计与运用

王燕芬 肖思友

（六盘水师范学院，贵州 六盘水 553000）

1 概述

我国的很多山区由于地形环境复杂，居住条件恶劣，不少居民住房都依傍山崖而建。在自然风化、大量降雨等情况下极易发生山体滑坡等灾害，例如在贵州水城坪地村岔沟组发生的一起山体滑坡，发生山体滑坡时间接近夜晚，滑坡之时伴随着降雨，滑坡之时当地居民来不及逃跑，造成大量人员伤亡和财产损失。滑坡是指斜坡体上的部分岩体或者土体在重力的作用下，当山体内部存在软弱结构面时，沿一个或多个软弱结构面产生整体的向下滑动的地质现象[1]。山体地质灾害的产生常常给人们带来生活生产上的困难、地质环境的破坏以及造成居民房屋倒塌，因此模拟滑坡现象、对滑坡体进行力学特征研究分析是非常重要的课题[2]。试验目的是研究山体滑坡碎屑流级配、山体滑坡坡度对柔性网力学特征的影响以及对堆积平台上物体的破坏程度的强弱。本实验装置的优点是操作便捷，造价低廉。可以模拟滑坡的产生及危害[3]，研究岩石试样对不同物体的碰撞方式和动量传递情况，还可以开展不同初始堆积条件、不同级配碎屑流、不同坡度、不同网型等因素下的碎屑流冲击柔性网物理模拟试验，本实验仪器具有较高使用价值。

2 实验仪器工作原理

目前关于碎屑流冲击柔性网力学机制研究仍较少考虑碎屑流的颗粒介质运动特征，尤其是碎屑流冲击过程中颗粒的分选特征和流态变化特征。其次，由于柔性网具有特殊的结构形式，在碎屑流冲击过程中，柔性网的透过性和大变形会改变柔性网的受力特征和碎屑流的堆积特征，但如何定量地评价柔性网的透过性和大变形对碎屑流的冲击荷载和柔性网受力的影响仍缺乏深入研究。因此本次实验仪器设置可以在滑槽末端放置柔性网，以此研究碎屑流对柔性网的冲击能力。对应的滑坡碎屑流冲击物体的原型尺寸和力学参数分别为：碎屑流颗粒粒径范围10cm～30cm，滑动距离为5m。确定试验的几何相似比为1：10，碎屑流颗粒密度相似比为1，重力加速度g 相似比为1，根据相似理论对试验的主要参数进行量纲分析得到选择碎屑流材料、滑槽材料以及被冲击物体材料。在滑槽试验中，两个关键变量Froude 数以及流深h0与平均粒径δ(D50)之比应该与原型保持一致[4]。根据该原则和滑槽的尺寸，确定碎屑流物料区的尺寸，滑槽尺寸，滑坡碎屑流冲击物体的物理实验模型如图1 所示，现已安装好的实验仪器图如图2 所示。

图1 已安装滑坡冲击模拟实验仪器

图2 滑坡冲击物体的实验模型

3 实验仪器构造

如图1 所示，整个装置由物料控制装置（料斗、滑槽，堆积槽）、辅助提升系统、液压起重装置、物料箱、堆积平台等组成，料斗与滑槽的接缝采用无断裂链接。料斗闸门设置在连接处，可以通过控制闸门来控制滑坡实验的材料量，为方便观察，将滑槽左右两侧边墙设置为透明板。在距离料斗2 米处设置了一个凹槽，实验材料确定为土、砂石、石块（需按一定比例和不同级配混合使用），滑槽总长4.5m，高0.5m，宽0.4m，深0.4m，堆积平台长2m，宽2m，高0.3m，滑槽与地面夹角可以通过锚索调整，试验平台可以实现坡度30°～50°的坡度变化，用来模拟不同坡度下滑坡碎屑流滑落过程中与外部物体或者柔性网的碰撞。在料斗内安装好实验材料后，控制闸门可以模拟滑坡碎屑流在重力作用下开始初速度为零的下滑运动。在滑槽末端加上柔性网，可以模拟碎屑流冲击柔性网，在堆积平台上放置不同的物体和替换料斗中不同的材料组成，可以模拟不同滑坡对不同物体的破坏程度。

4 实验仪器使用方案

实验装置使用步骤如下，首先装好仪器，将被冲击物体固定在堆积平台上或将柔性网安装在滑槽末端，将滑坡模拟使用碎屑流物体（石块、土体的混合物）装入料斗，确定滑坡角度及滑槽倾斜角度，如果物体在滑动过程中需要速度较大，就把凹槽填平，如果需要缓冲物体的速度，使滑动速度较小，那么凹槽就有缓冲速度的作用，安装好仪器后，启动开关，观察实验现象并记录结果。

从滑坡的具体情况和碎屑流的主要物理结构特征的角度设置试验变量。碎屑流碰撞柔性网的过程是一个变形过程，在本次模拟实验过程中。试验的主要变量为碎屑流的级配（碎屑流D50 为（1cm～3cm），不均匀系数为（1～10）、坡度（10°～40°）、被冲击物体的大小。通过改变以上变量或者控制单一变量来做不同的实验，以实验结果为依托分析不同情况下滑坡对物体造成的冲击破坏程度。

岩石滑动碰撞模拟实验：

当滑坡坡体的材料组成不均匀，或者滑坡坡体为岩质和土质混合边坡时的山体滑坡，为了研究土体和石块的滑坡情况以及对堆积物体的碰撞方式，将坡度调整为20°，控制坡度保持不变，将圆柱体的岩石试样（直径10cm，高10cm）与相同质量的土体放入实验装置料斗中，记录土体和石块（质心）所能到达的最远距离以及堆积平台上的物体碰撞后的运动距离。此处位移记录以堆积平台与滑槽末端连接处中点为记录原点。每试验完一次，就用清水清洗一次实验仪器，防止泥土附在仪器上面影响测量结果。

实验方案有以下三种：第一种为石块和土样的质量比比例为1 比0（石块100kg），即只放石块，让其在滑槽坡度为20°时沿滑槽下滑；第二种为石块和土样的质量比为1 比1 (土样100kg,石样100kg)，即在料斗中放同等质量的石块和土样，让试样沿坡度为20°的滑槽下滑；第三种为石块和土样的质量比为2 比1（石杨200kg,土样100kg），即石块的质量为土样的质量2倍，让试样沿坡度为20°的滑槽下滑，以上三种方案，每种方案做三次实验，共9 组数据，以堆积平台与滑槽末端连接处中点为记录原点，记录数据结果如表1。

表1 坡度为20°时土体、石块位移

从实验结果可以看出，在角度不变的滑坡情况下，土石比例不同，最后滑移体移动的距离也不一样，石块所占比例越大，滑移体移动距离就越远。

同样采用以上三种方案，把滑槽坡度改为30°，每种方案做三次实验，共9 次实验，以堆积平台与滑槽末端连接处中点为记录原点，记录实验结果如表2。

表2 坡度为30°时土体、石块位移

从实验结果可以看出，在角度保持30 度不变的情况下，土石比例不同，最后滑移体移动的距离也不一样，石块所占比例越大，滑移体移动距离就越远。但是也有例外的情况，说明滑移体移动距离也跟滑动方式有关。

5 结论

通过实验表明，本装置可以简单模拟山地灾害中的滑坡现象的产生和危害。继而得出不同滑坡过程中碎屑流对物体以及柔性网的冲击破坏情况，得到山体滑坡的破坏能力，还可以模拟不同大小和形状的石块的滑动冲击碰撞方式和能量输送[5]。

从实验结果可以看出，坡度30°的滑坡比坡度20°的滑坡滑移位移更长，在相同的坡度下，石块占的比例越大，滑移体移动的位移越远，石块的位移相对比土体位移远，在不同坡度下，石块的位移都比土体的位移远。

6 展望

如若想对山体滑坡模拟更加准确，可以考虑对试验装置上安装人工降雨系统模拟降雨，在料斗上面安装降雨装置就可以模拟泥石流的产生和危害。