坡体表面点转动方位测定仪的研制及其应用

鲁兴生，王念秦，2，王子毓

(1.西安科技大学 地质与环境学院，西安 710054 2.西安科技大学 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，西安 710054)

1 研究背景

既有研究表明：滑坡演化过程中势必会诱发坡体表面土体发生移动、转动等多种变形破坏行为，而土体变形破坏行为及其变形破坏特征又能客观反映滑坡孕育过程及演变规律[1]。因此，众多学者致力于滑坡演变规律及变形破坏特征的研究，如Saito[2-3]依据蠕变变形理论将滑坡变形阶段分为减速蠕变、等速蠕变以及加速蠕变3个阶段，并对后2个阶段提出了滑坡时间预报经验公式；许强等[4]将滑坡变形曲线进行坐标变化无量纲处理，依据滑坡变形切线角变化特征，将滑坡变形分为初始变形、匀速变形和加速变形3个阶段。王念秦等[5]结合滑坡变形及运动特征将滑坡分为蠕动变形阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段、急剧变形-滑动阶段以及稳定压密阶段，并对各阶段变形破坏特征进行了分析。董秀军等[6]根据滑坡位移-时间曲线形式，将滑坡分为突发型、渐变型和稳定型3类，并采用物理模拟的方法证实了其真实性。此外，揭示不同致灾方式下滑坡变形特征也是当前地质工作者的研究热点。如曹从伍等[7]以黑方台滑坡为研究背景，通过物理模拟试验，揭示了灌溉型黄土滑坡变形特征及形成机理；刘广宁等[8]以珠江—西江经济带先行试验区滑坡为研究对象，开展降雨诱发滑坡全过程物理模型试验，分析了降雨入渗过程对边坡变形的影响、边坡破坏过程与破坏模式,进一步查明华南强烈风化地区降雨诱发滑坡形成机理与成灾降雨特征，为降雨诱发滑坡的防治治理提供理参考；黄河清等[9]以文家沟巨型滑坡为研究对象，在现场调查的基础下，探索了地震诱发下滑坡形成机理和变形特征。

目前，国内外关于滑坡变形破坏特征及演变规律的研究成果众多，但大多数学者通常基于滑坡监测点变形累计位移量、变形速率以及变形加速度等移动特征指标来定量描述滑坡变形破坏特征以及划分滑坡发育阶段。然而，针对滑坡孕育过程中坡体表面点转动方位变化特征及变形规律的研究较少，且多数是关于坡体表面多点垂向转动方位的研究。如熊晋[10]自主研发了地表微倾传感器，并结合室内试验和现场试验，揭示了边坡变形过程中坡体表面多点垂向转动方位变化特征及演变规律；岳建朋[11]在熊晋的研究基础之上，建立了基于坡体表面多点垂向转动方位的滑坡预警模型和评判标准，为边坡变形监测提供一种新方法和新思路。因此，本研究自主研发一种坡体表面点转动方位监测仪，开展滑坡孕育过程中坡体表面点水平转动方位动态变化研究，是一次有益尝试。

2 方位监测仪的研制

2.1 方位监测仪的组成

转动方位监测仪(图1)主要由监测墩、监测支架以及方位测定仪3部分组成。其中监测墩是采用水泥混凝土预制而成的边长为7 cm水泥立方体；监测支架主要是由竖直杆、三角形底座、调节平板、调平螺母、水准气泡等组成；方位监测仪则采用精度高、稳定性强、灵敏度高的地质罗盘。

图1 点转动方位测定仪Fig.1 Instrument for measuring point rotation azimuth

2.2 方位监测仪安装步骤

(1)制作边长为7 cm的立方体水泥监测墩，将底座支架中竖直杆浇筑在水泥监测墩，且竖直杆的中心与水泥监测墩的中心重合。

(2)在坡体表面安装点处开挖为10 cm×10 cm×10 cm(长×宽×高)的监测坑，并将浇筑有底座支架的水泥监测墩埋入监测坑；其中，水泥监测墩周侧与监测坑的周侧之间采用水泥砂浆灌压密实，监测坑、水泥监测墩、竖直杆的中心与安装点位于同一直线上。

(3)在水泥监测墩的顶部回填开挖的土并夯实，直至监测坑的表面与监测坑所在的地表齐平。

(4)通过调节螺母使得调节平板与三角形底座之间相平行，且使调节平板上的水准气泡居中，然后再固定调节平板与三角形底座。

(5)在调节平板上安装方位测定仪，并使其固定在调节平板上。

3 室内黄土滑坡模型设计

3.1 试验用土性质

本次试验用土取自于西安市临潼区骊山脚下人工开挖黄土坡面，取土深度为6.5 m，地质构成如图2所示，属于离石黄土。此外开展土常规测试试验、剪切试验和固结试验，查明原状黄土基本物理力学特征，试验结果如表1所示。

图2 取土场地质结构示意图Fig.2 Sketch of geological structure of soil sampling site

表1 原状黄土基本物理力学指标Table 1 Basic physical and mechanical indexes of undisturbed loess

试验时，除去土中的杂质如杂草、碎石等，然后机械碾碎。用边长为5.0 mm正方形筛对土体进行筛分，使模型填土颗粒粒径<5.0 mm。将筛分好的土体均匀摆开放置在常温条件下进行风干处理，然后喷洒一定水分，搅拌均匀，保证重塑黄土与原状黄土的含水率基本一致。此外，在填土过程中，采用分层填筑法,每层填筑厚度为5 cm，并且保证填土密度与原状土密度接近。此外，试验过程中还对填筑黄土重新开展了剪切和压缩试验，试验结果如表2所示。

表2 填筑黄土基本物理力学指标Table 2 Basic physical and mechanical indexes of disturbed loess

采用Bettersize2600激光粒度仪开展试验用土粒径级配测试试验，土样级配曲线如图3所示。

图3 离石黄土颗粒级配曲线Fig.3 Grain gradation curve of Lishi loess

据图3可知：土颗粒粒径>0.05 mm占4%，介于0.005～0.05 mm粒径占61.9%，<0.005 mm粒径占34.1%，试验黄土颗粒主要以粉粒为主。

3.2 模型设计

物理模拟装置采用西安科技大学大型地质灾害物理模拟试验室提供的模拟箱，模拟箱的尺寸为5.0 m×1.0 m×1.0 m(长×宽×高)，模拟箱底部和两侧为透明的有机玻璃板，模拟箱端部可以实现自动抬升。根据前人试验研究经验，结合本次试验的可操作性，本研究滑坡物理模型尺寸为1.4 m×1.0 m×0.3 m(长×宽×高)，坡体倾角为35°[12-13]。模型堆放之前，在模拟箱两侧有机玻璃板上涂抹一层凡士林材料进行接触面光滑处理，以减小模拟边界效应对试验的影响；在模拟箱底部刷一层防水胶，防止模型框渗水。此外，为了便于观测土体运动变形，在坡体表面喷洒一层薄白漆，并在白漆表面上插入红色平头钉作为标识点，平头钉的横纵向间距均为20 cm。

3.3 方位监测点的布设

纵向布置2条纵向监测剖面线，剖面线间距为50 cm；横向布设3条横向监测剖面线，剖面线间距为50 cm；2条纵向剖面线和3条横向剖面线组成方格型监测网，方位监测点则布置在剖面交点处。图4为转动方位监测点布置。

图4 转动方位监测点布置Fig.4 Layout of monitoring points for rotation orientation

3.4 试验过程

利用试验抬升装置将填筑土体抬升至坡度为35°的稳定坡体，以底部有机玻璃板模拟滑动面，采用顶部灌水的方式来模拟灌溉水入渗对边坡变形的影响特征，驱使坡体产生滑移-拉裂型变形破坏，灌水采用连续长时的方式进行，保持坡顶灌溉水头高度为10～15 cm，坡脚放置一口尺寸为1.0 m×0.3 m×0.3 m(长×宽×高)的矩形集水箱，用于测定灌溉水渗流量变化。试验过程中，转动方位监测仪。数据采集间隔为10 min采集一次 ，若发现坡体将要失稳破坏，应适当加大观测密度，即0.5 min采集一次。图5为试验过程示意图。

图5 试验过程示意图Fig.5 Schematic diagram of test process

4 试验结果分析

4.1 坡脚渗流量变化分析

坡脚渗流量能反映灌溉水入渗速率以及渗流通道发育状态。 图6为坡脚渗流量变化曲线。图中A1、y0、A2均为系数，t1、t2均为时间常数。

图6 坡脚渗流量变化曲线Fig.6 Curve of seepage flow at slope foot

由图6可以看出，随渗流时间的增加，坡脚渗流量从24 mL/min增加到1 515 mL/min，呈双指数增长。灌溉水沿着土体接触面从上至下入渗，黄土颗粒逐渐吸水饱和，在超孔隙水压力以及渗流力的作用下，势必会造成坡体内部黄土颗粒软化、迁移，使得渗流通道逐渐扩张，从而导致坡脚渗流量逐渐增大[14]。

4.2 模型边坡破坏特征

试验初始进行时，随着灌溉水位不断上升，灌溉水沿着有机玻璃板底部开始渗水，接触面底部黄土从后向前逐渐开始浸水，历时22 500 s坡脚左侧底部率先出现局部渗水，但未形成连续水流，渗水宽度为12 cm，渗流高度为1.2 cm，渗流量为24 mL/min(图7(a))。

图7 坡体变形破坏过程Fig.7 Deformation and failure process of slope body

待水位稳定后，坡脚底部渗水宽度逐渐增大，坡体底部饱水黄土由后向前逐渐扩展，第26 820 s时，黄土坡脚底部全部出现渗水，渗水宽度为1.0 m，渗流高度升高到5 cm，渗流量达到45 mL/min，这表明接触面底部黄土达到完全饱水(图7(b))。

随着灌溉时间的增加，坡体底部渗流量及渗流高度逐渐增大，第37 830 s时，模型底部渗流量达300 mL/min，且部分渗水点已经形成了连续水流。此阶段，坡体内部土体长时间受到灌溉水的浸润、渗流使得土体含水率逐渐增大，从而使得土的可塑状态逐渐由硬塑向流塑状态过渡。更为严重的是，当土体到达饱和时，由于持续受到灌溉水流的作用，势必会造成超孔隙水压力以及渗流力的产生，土颗粒进一步遭到剥蚀和迁移，从而使得土体中后部产生渗透裂隙(图7(c))。

随着灌水不断下渗，前缘底部黄土逐渐形成泥流被带走，前缘黄土由于吸水饱和，加之受毛细力的作用也使得坡体表面的土体含水率增大。由于黄土水敏性较强，以及在有侧向临空面等作用使得黄土极易崩解，试验开展到65 385 s时，坡脚渗流量为987 mL/min，坡体前缘左侧土体出现了局部崩塌(图7(d))。

当前缘局部土体崩解后15 s，坡体中后部右侧率先产生拉张裂缝(图7(e))，裂缝垂直于坡面方向逐渐发展，当裂缝宽度达到3～5 cm时，坡体前缘也出现拉张裂缝(图7(f))，当其发育到65 550 s时，坡体前缘土体瞬间滑动(图7(g))。前缘土体滑动以后，坡脚渗流量高达1 245 mL/min，坡体后缘裂缝遭到进一步扩展，65 670 s时，坡体出现第二滑动(图7(h))，此时坡脚渗流量为1 515 mL/min。当坡`体二次滑动后，对坡体后缘土体再持续监测2 h，土体未出现任何变形破坏，加之灌溉水直接从滑坡中部渗流优势通道中涌出，不再与后缘黄土颗粒产生反应，5#、6#转动方位角无任何变化，因此可以判定坡体很难再次滑动。

4.3 点转动方位变化特征

整个试验从滑坡孕育、发展直至发生历时共计65 700 s，坡体中后部裂缝发育之前(0～65 400 s)，坡体长时间处于滑坡稳定孕育阶段，坡体表面点转动方位角无任何变化，始终与坡体倾向一致。

图8为坡体中后部裂缝发育以后坡体表面点转动方位角变化。

图8 坡体表面多点转动方位角变化曲线Fig.8 Variations of multi-point rotation azimuthon slope surface

图8表明：随着坡体中后部裂缝逐渐发育，1#、2#、3#、4#转动方位测定仪转向相同，转动方位角逐渐增大，呈线性增长趋势，转动方位角平均增速分别为2.28°、4.16°、3.08°、6.16°/min，试验过程中中后部裂缝由坡体倾向方向左侧逐渐向倾向方向右侧发育，加之坡体转动过程中受右侧有机玻璃板的限制，致使1#、3#测定仪转动速率较小， 2#、4#测定仪转动速率较大。当坡体前缘裂缝形成时，随着前缘裂缝和中后部裂缝共同发育，1#、2#转动方位测定仪转动方位角激增，增速分别升高到10°/min和11.3°/min，前缘土体塑性流出，坡体发生第一次滑动。前缘土体滑出后，坡体应力状态以及渗流路径发生变化，致使3#、4#转动方位测定仪转向发生改变，转动方位角呈线性减小，平均减速分别为6.16°/min、1.93°/min。到65 670 s时，3#、4#监测仪转动方位激减，平均减速分别减少到16.2°/min和18.4°/min，坡体发生第二次滑动。坡体二次滑动以后，灌溉水流直接从渗流优势通道涌出，土体难以进一步软化，加之土颗粒之间未能形成超孔隙水压力和渗流力，坡体后缘表明无任何变形破坏特征，5#、6#测定仪仪转动方位一直不变。从坡体表面点转动方位角整体变化趋势来看，可以将灌溉型黄土滑坡演化过程概化为3个阶段。

(1)稳定孕育阶段：历时65 400 s，占滑坡历时时长的99.5%。该阶段主要表现为土体内部孔隙水压力逐渐上升，有效应力减小，抗剪强度逐渐降低，而坡体表面无任何变形破坏迹象。

(2)匀速变形阶段：随着土体抗剪强度的减小，坡体表面裂缝开始发育，为灌溉水灌入和下渗提供了有利条件，变形进一步缓慢发展，坡体表面点转动方位角也呈现出匀速变化趋势。该阶段历时约为180～240 s，占滑坡历时时长的0.2%～0.3%。

(3)加速变形阶段：随着裂缝进一步加宽、渐趋贯通，坡体渗流量激增，从而导致坡体表明点转动方位急剧增加，土体塑性流出。该阶段历时时长极其短暂，仅为10～15 s，进一步表明灌溉型黄土滑坡具有突发性，这与许强等[15]、亓星[16]研究结果基本一致。

5 结论与展望

(1)随着坡顶灌溉水位不断上升，接触面土体由上至下逐渐趋于饱和，饱和土体进一步受到孔隙水压力、渗流力等作用，坡体内部土体发生崩落、迁移，从而形成较为贯通的渗流通道，坡脚出现局部渗水。待灌溉水位稳定后，渗流通道不断发育、扩张，致使坡脚顶部渗流量呈双指数增长。

(2)地表监测点转动方位动态变化有效揭示了滑坡演化过程。依据坡体表面点转动方位变化趋势，可以将滑坡发育过程概化稳定孕育、匀速变形以及急剧破坏3个阶段，其变形时间曲线与一般滑坡所描述的变形阶段有所不同。

(3)灌溉诱发的黄土滑坡具有明显的突发性。 通过坡体表面点转动方位变化特征可知： 坡体滑动之前， 坡体不会出现明显的变形破坏特征， 滑坡较长时间处于稳定孕育阶段和匀速变形阶段， 而加速变形阶段持续时间极其短暂， 一旦进入加速变形阶段坡体立即产生突发性失稳破坏， 土体瞬间滑出。

试验研究结果表明：坡体表明点转动方位测定仪不仅能时刻记录顺层黄土滑坡滑动方向，其转动方位角变化特征及变化规律也能客观反映滑坡变形演化过程。但由于试验条件受限，本研究尚存在不足之处，故提出以下两点建议与展望：

(1)改进坡体表面点转动方位监测仪。利用当前岩土体监测变形技术、微机电技术和无线通讯技术，开展转动方位测定仪数字化设计，实现转动方位测定仪数据采集、远程监控自动化。

(2)依托数字化转动方位测定仪，开展野外现场滑坡监测试验，探讨滑坡发育过程与坡体表面点转动方位动态关系，进一步提高转动方位测定仪实用性和研究结论的可靠性。