降雨及库水作用对滑坡影响规律试验系统研究

占清华，王世梅，谈云志，赵代鹏

（1．三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002；2．长江科学院长澳大地工程有限公司，武汉 430010）

降雨及库水作用对滑坡影响规律试验系统研究

占清华1，王世梅1，谈云志1，赵代鹏2

（1．三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002；2．长江科学院长澳大地工程有限公司，武汉 430010）

降雨与库水作用是滑坡地质灾害发生的重要影响因素，为了对降雨及库水作用对滑坡渗流及稳定性影响规律进行探索研究，特自主研究构建了小型滑坡模型试验系统平台，该系统主要由人工降雨系统、模型试验框架、试验数据采集系统、非接触式位移测量系统及各物理量量测传感器构成。并以孙家庄滑坡为例，运用相似理论建立相似比为1∶200的滑坡物理模型，采用人工降雨系统进行不同强度降雨试验，提供了可行的操作平台。研究了不同降雨强度下滑坡体内渗流变化规律。

滑坡；地质灾害；模型试验系统；降雨试验；渗流规律

1 研究背景

滑坡是山区常见地质灾害，给国家和人民生命财产安全带来巨大危害［1－5］，而降雨和库水位变化又是造成山体滑坡的关键因素，据已有资料统计［6］，由水的作用而引发的滑坡地质灾害占全国总灾害的90%以上。随着我国水电的大力开发，全国已建成或在建众多大型水库，这些大型水库的建成后，在造福全国人民的同时，由于水库水位的大幅度抬升而产生了大量的涉水边坡，库区水位的周期性变动，加之可能耦合的暴雨天气，也给库区滑坡灾害防治带来了巨大的考验。因此，深入研究降雨及库水位升降对滑坡渗流及稳定性的影响机理，对滑坡地质灾害防治具有重要意义。

目前，对滑坡进行研究的方法主要是数值仿真模拟和模型试验［7］。模型试验方法具有信息量大、可信度高、能验证数值仿真模拟的优点，而二维滑坡物理模型试验是目前国内外众多研究者探求滑坡形成机制的主要方法［8－9］。大型二维物理滑坡模型试验平台主要是针对某个具体地质力学滑坡模型开展研究，具有仿真性强、规模大等特点［10］。库水位变动及降雨作用下滑坡物理模型试验是对在不同影响因素作用下而开展的边坡滑动机理的研究，属于探索性的研究，需要对地质力学滑坡模型进行反复多次试验，寻求滑坡模型渗透及破坏的规律。为此研制了小型滑坡物理模型试验系统，为降雨及库水位变动对滑坡渗流及稳定影响规律进行探索性研究提供了可行的操作平台。

2 滑坡模型试验系统

滑坡物理模型试验系统，其主要由人工降雨系统、模型试验框架、试验数据采集系统、非接触式位移测量系统及各物理量量测传感器构成，其组成结构如图1。

图1 滑坡模型试验系统构成图Fig．1 Structure of the landslidemodel test system

2．1 滑坡模型试验框架

2．1．1 模型试验架结构

滑坡模型试验架长2．15 m，宽0．54 m，高1．735 m。实物结构如图2，主要由如下5大部分组成。

（1）外部框架：由五面不锈钢架通过M10螺栓连接，不锈钢架形状如图3所示，采用2．5 mm厚的方形钢管焊接，方形钢管的截面尺寸为50 mm×25 mm×2 mm，在应力集中的部位采用3 mm厚的方形钢管，以保证框架满足强度要求。

图2 模型架实物图Fig．2 Frame of the physicalmodel

图3 外部框架结构图Fig．3 Structure of the external frame

（2）内部箱体：由前后左右四面钢化玻璃板及底面不锈钢板通过橡胶条软连接，采用压条及螺栓将橡胶条压紧，以防止水从玻璃板与橡胶条接缝处渗出。

（3）库水调节装置：库水调节装置由进水孔与排水孔组成，进水孔与排水孔可根据试验需要随意组合，如图4所示，布置于模型框架右下角，上下3层布置，设计数量分别为9孔，构成了滑坡模型试验库水模拟系统。通过打开管孔的数量或控制阀门的开度来控制水流速度，以模拟不同水库水位升降速率。

图4 库水调节孔Fig．4 Water regulating holes

（4）移动装置：4个橡胶滑轮安装于模型架底部。

2．1．2 模型试验框架特点

（1）宽度可调节：为了减少玻璃板对滑坡土体的侧向约束作用，将玻璃板之间进行柔性连接而不是简单固定。基本框架上的调节螺栓顶住正面及背面玻璃板，在完成土样压实后，当侧向压力过大时，通过松动玻璃板与钢架之间的螺丝来调节模型架箱体宽度，以减少侧向压力，如图5。

图5 调节功能示意图Fig．5 Schematic diagram of regulation function

（2）可拆装：试验架外部框架由5块平面不锈钢架通过螺栓连接而成，内部箱体由四面钢化玻璃板及底面不锈钢板通过橡胶条软连接，这样不仅方便模型试验架外部框架的拆卸与组装，也为采用控制干密度的方法压实土样提供了可能。当制作滑坡模型时，将模型架水平放置，正面不锈钢架及正面玻璃板拆除，按上述压实方法制作模型，在模型制作好之后，再将正面不锈钢架及正面玻璃板盖上，便完成了模型的制作。

（3）可移动：为了提高模型架操作上的灵活性，最终达到提高试验效率，为此将模型架底部安装4只橡胶轮胎，以增加架体的可移动性，带有轮胎的模型架能方便地移动到指定的位置。

2．2 人工降雨系统

2．2．1 系统介绍

人工模拟降雨系统是南京林业大学研制开发的产品，采用先进的闭环自动控制技术和高端模拟降雨喷头，配备了高灵敏雨量计和多参量数据采集器，以终端实际降雨参数调节控制降雨过程，有效克服了从水源到喷头各个环节的损耗和阻力造成的误差，经过多次试验，所喷雨滴粒径、降雨动能与天然降雨十分接近。人工降雨模拟器采用电子流量调节阀进行控制回水，从而进行调节喷头出水的大小，因而能够间接地调节雨强的大小。

2．2．2 系统组成

人工降雨模拟系统主要有如下几大部分组成。

（1）喷头部分：喷头主要分成3个类型，主要有大雨雨滴喷头、中雨雨滴喷头、小雨雨滴喷头。整个系统中几种喷头既可以相互叠加进行模拟大雨雨强降雨，又可以进行独立的小雨雨强降雨试验。在整个喷头布局的过程中采用了合理的布局方式，使得每个喷头喷出的水珠补充进行相互补充和叠加，使得降雨的均匀度得到了一定的保证。从而满足了正常需要的85%以上的均匀度。

（2）雨量计：雨量计是翻斗式雨量筒，所测降雨强度通过自动化采集软件实现实时采集，并自动绘制降雨强度变化过程线。

（3）管路部分：采用3种喷头1个管路系统供水方式，如图6，从而使得控制起来比较简洁明了，对于小面积的降雨控制，每个喷头的压力都能得到保证。

图6 水箱及管路Fig．6 W ater tank and piping

（4）水泵部分：水泵是根据降雨面积、降雨高度、管道的走势、水箱和喷头之间的落差以及降雨的雨强的最大要求而选配，在本系统中通过手动控制系统调控。

（5）控制部分：手动控制系统，手动进行选择雨滴的种类和喷头的路数，同时调节电位器，调节电子流量调节阀，间接控制雨强的大小。

2．2．3 技术指标

（1）雨强连续变化范围10～200 mm／h；（2）降雨均匀度＞0．85；

（3）雨滴大小调控范围0．5～6 mm；

（4）降雨调节精度7 mm／h；

（5）降雨高度3～20 m；

（6）雨强变化调节时间≤60 s；

（7）雨量计分辨力0．1 mm。

2．3 试验数据采集系统

2．3．1 系统原理

传感器将监测对象的参数转换为电信号，通过采集卡放大和转换器转换后经由RS－232串口线传输给计算机，采集系统软件读取传感器的信号并保存到硬盘中，该信号为原始的电压信号，最后通过传感器标定系数进行模数放大即得到试验参数的真实值。其原理示意如图7。

图7 采集系统原理示意图Fig．7 Schematic diagram of the data acquisition subsystem

2．3．2 系统组成

（1）采集系统硬件：采集系统硬件包括计算机、数据采集箱、供电电源和信号输送设备等部分，数据采集箱由数据采集卡、信号转换器、航空插座等设备构成。在本系统中，主要应用ADAM4117采集卡和ADAM4520信号转换器。ADAM4117配置8路不同且可独立配置的差分通道，具有宽温运行和高抗噪性等优点，拥有易于监测状态的LED指示灯，支持＋／－15V输入范围，还支持在线升级。ADAM－4520隔离转换器可以将RS－232信号转换为隔离RS－422或RS－485信号，不需要对PC硬件或软件做任何修改，ADAM－4520能够使用标准的PC硬件构建一个工业级、长距离的通讯系统。

（2）采集系统软件：以LabVIEW 8．6为开发平台，并结合数据采集驱动程序NI－DAQmx 8．9，应用虚拟仪器软件结构库即VISA库，开发滑坡模型试验数据采集系统软件。数据采集系统软件主要由数据启动界面和数据采集界面两部分构成。启动界面是系统启动时用于显示与系统相关信息的界面。数据采集界面是系统工作时的操作及数据显示界面，该界面主要分为采集控制区、采集设置区、时间显示区、数据及曲线显示区和界面切换按钮等5大区。

2．3．3 系统特色

（1）开放性：滑坡模型试验数据采集系统采用图形化语言LabVIEW 8．6编写，没有复杂的程序原始代码，降低了程序编写的难度，方便用户打开软件程序进行修改，用户还可以根据需要实时增加采集端口，具有根据实际需求可任意增加或减少采集通道、任意设置数据采集的优点。

（2）适用性：滑坡模型试验数据采集系统直接采集传感器输出的电压或电流信号，保存了采集数据的原始记录，结合传感器的率定系数，通过后处理软件得到对应的物理量值，具有数据处理与存储灵活方便的特点，克服了采集系统端口与传感器一一对应的不足，使软件能够在不同的采集系统中应用，软件的通用性有了较大程度的提高。

（3）模块化：采集箱外部装有航空插座，方便线路连接，箱内5个采集卡并联，各个采集卡独立工作，内部接线通过塑料扎带固定在扎线杆上，具有内部结构简单、维修方便的优点。

2．4 非接触式位移测量系统

2．4．1 系统组成

非接触式位移测量系统为上海大学研制开发，包括计算机和高分辨率图像采集系统。图像采集系统选用了多通道图像采集卡，具有8位灰度等级量化的功能，配合高分辨率逐行扫描摄像机，使图像达到高于1 000×1 000的分辨率。采用亚像素技术位移测量精度优于0．01像素，即在对100 mm× 100 mm的范围进行分析时，位移测量精度可达1 μm。软件采用了先进低通滤波技术，获得物面变形的应变场，具有优于100με的测量精度。

2．4．2 主要功能

该系统主要用于对CCD拍摄的试件表面散斑原图进行分析，自动快速地得到全场位移、应变信息。

（1）图像采集；

（2）图像采集与分析；

（3）通用图像处理分析；

（4）位移分布分析计算；

（5）应变分布分析计算；

（6）数字图像相关后处理。

2．4．3 技术指标

（1）图像分辨率为1 392×1 040像素；

（2）图像记录速率优于5帧／s；

（3）测量灵敏度优于0．05像素；

（4）测量速度优于1 s。

3 工程实例

下面以孙家庄滑坡为例，在此滑坡模型试验系统中，通过人工模拟降雨系统模拟不同强度降雨，研究在不同降雨强度工况下，滑坡模型体内渗流规律。

3．1 工程概况

孙家庄滑坡位于三峡库区香溪河上游支流白沙河左岸，距三峡大坝70 km，距香溪河口41 km。滑坡体分布高程170～320 m，滑坡前缘宽400 m、长370 m，厚度约10～37 m，均厚20 m，面积8．8× 104m2，体积约180×104m3，滑坡主滑方向198°。滑坡体物质为残坡积和崩坡积物组成的碎石土，土体结构松散，监测与物探资料分析表明，滑坡东部前缘滑坡体厚度较薄，滑床基岩埋深较浅。滑坡体厚度约10～37 m，平均厚约20 m。滑带为堆积层与基岩接触带，以碎石土为主。滑床为三叠系中统紫红色，上部为黄绿色泥质粉砂岩，两侧及后缘出露三叠系中统下统白云质灰岩，岩层产状：220°∠30°，顺坡向产出。

3．2 试验材料

根据获得的滑坡资料和应用相似理论，开展相似比为1∶200的滑坡模型试验。相似材料试验研究，确定在此滑坡模型试验中滑体采用河沙、铅珠、滑石粉与橡胶粉拌合进行模拟，滑带采用玻璃微珠模拟。其中，在制作滑坡模型中，滑体各材料用量铅珠为46．14 kg，河砂为107．66 kg，橡胶粉为12．304 kg，滑石粉为38．45 kg，滑带材料为11．07 kg。滑坡模型滑体模拟参数如表1。

表1 滑坡模型滑体模拟参数Table 1 Simulation parameters of the landslide body

3．3 传感器布置

孔隙水压力传感器共埋设8个，分6个剖面埋设，各剖面间距约20 cm，同一剖面上下传感器埋设位置间距为5 cm，其具体位置见图8（a）；土压力传感器共埋设6个，分4个剖面埋设，各剖面间距约20 cm，同一剖面出上下传感器埋设位置间距为5 cm，其具体位置见图8（b）。为了保证土压力传感器及孔隙水压力传感器能如实灵敏的反应其量测的压力值，在埋设过程中使传感器的感压膜片朝上，信号线应水平埋至侧壁，然后顺侧壁导出，以免雨水顺导线流入，对传感器量测结果产生干扰。

3．4 降雨入渗试验

（1）试验工况：保证3次试验滑坡模型滑体及滑带土体初始含水量和密实度一定，降雨强度分别为40，60，80 mm／h，研究坡体内的渗流规律。

（2）试验结果及分析：对初始条件一定的滑坡土体进行平均强度为40 mm／h的降雨，降雨历时60 min，滑坡体内孔隙水压力、土压力量测结果分别见图9（a）、图10（a）。

将平均降雨强度调节为60 mm／h，对初始条件一定的滑坡土体进行降雨60 min，滑坡体内孔隙水压力、土压力的量测结果见图9（b）、图10（b）。

图8 传感器布置图Fig．8 Layout of pore water pressure and soil pressure sensors

图9 滑坡体内孔隙水压力变化曲线Fig．9 Curves of pore water pressure variation in the landslide body

图10 滑坡体内土压力变化曲线Fig．10 Curves of soil pressure variation in the landslide body

再次改变降雨平均强度为80 mm／h，对初始条件一定的滑坡土体进行降雨60 min，滑坡体内孔隙水压力、土压力量测结果见图9（c）、图10（c）。

根据上述3种降雨强度下的孔隙水压力变化曲线可知，随着降雨的开始进行，滑坡体内孔隙水压力迅速增加，当增加到一定值后，增速逐渐变缓并趋于稳定；随着降雨强度的增加，孔隙水压力的变化速率加快；当降雨停止之后孔隙水压力逐渐下降。在降雨入渗过程中，土压力的变化幅度很小。

在不同降雨强度作用下，选取1号与5号测点处的孔隙水压力与土压力的变化情况进行对照（见图11至图12）。

对照上述孔隙水压力对照图示可知，各测点处孔隙水压力在不同的降雨强度下的变化曲线形式基本一致，均经历上升稳定再下降的过程，但降雨强度越大，孔隙水压力传感器响应速率越快，且其稳定时的孔隙水压力值越大。由上述土压力对照图可知，各测点在不同降雨强度作用下的变化趋势基本相同，随降雨进行呈现略微增大而后稳定的过程，随降雨停止而减小。

图11 1号测点和5号测点孔隙水压力变化曲线Fig．11 Curves of pore water pressure variation atmeasurement point 1＃and 5＃

图12 1号测点和5号测点土压力变化曲线Fig．12 Curves of soil pressure variation atmeasurement point 1＃and 5＃

4 结 语

（1）建立了集人工降雨系统、模型试验框架、试验数据采集系统、非接触式位移测量系统及各物理量量测传感器的滑坡模型试验系统平台，并通过对孙家庄滑坡进行不同强度降雨模型试验，验证了为该试验系统为研究降雨及库水位变动对滑坡渗流的影响规律提供了可行的操作平台。

（2）通过不同降雨强度的滑坡模型试验可知，滑坡体内孔隙水压力随着降雨的进行而逐渐增大，当增大到一定值后趋于稳定，随着降雨的停止而逐渐减小。降雨强度越大，孔隙水压力增加得越迅速。滑坡体内的土压力随着降雨的进行呈现略微增大而后稳定的过程，随着降雨的停止而减小。

［1］ 孟继红，何秀珍．滑坡监测中测量工作的几个问题［J］．中国地质灾害与防治学报，2005，16（1）：119－120．（MENG Ji-hong，HE Xiu-zhen．Problems of Measurement in Landslide Monitoring［J］．Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2005，16（1）：119－120．（in Chinese））

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［9］ BARTHEL V，FUNKE ER．Hybrid Modeling as Applied to Hydrodynamic Research and Testing［G］∥The Canadian Government．Recent Advances in Hydraulic Physical Modeling．GX Dordrecht，Netherlands：Springer Netherlands，1989：303－390．

［10］ZHAO D P，WANG SM，TAN Y Z，etal．The Design of Movable Landslide Physical Model Testing Frame［J］．Advanced Materials Research，2011，201／203：1433－1438．Doi：10．4028／www．scientific．net／AMR．201－203．1433．

（编辑：曾小汉）

Test System for Landslide Caused by Rainfall and Reservoir Water Fluctuation

ZHAN Qing-hua1，WANG Shi-mei1，TAN Yun-zhi1，ZHAO Dai-peng2
（1．College of Civil Engineering＆Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；2．Geo-Eng Yangtze Australia Co．，Ltd．，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Rainfall and reservoir water are important factors causing landslides．In order to study the regularity of rainfall and reservoir water affecting the seepage and stability of slope，we developed and built a small system platform for landslidemodel test．The system ismainly composed of artificial rainfall subsystem，model test framework，test data acquisition subsystem，non-contact displacementmeasurement subsystem and physicalmeasurement sensors．Taking the landslide at Sunjiazhuang as an example，we established a landslide physicalmodel with similar ratio of 1∶200，and carried out rainfall intensity tests through artificial rainfall system．The regularity of seepage variation in landslide body under different rainfall intensitieswere obtained，which proved the feasibility of this system．

landslide；geological disaster；model test system；rainfall test；seepage regularity

X34

A

1001－5485（2013）11－0032－07

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．008

2012－10－16；

2013－02－20

国家自然科学基金重点项目（50839004）；三峡大学三峡库区三期地质灾害防治重大科学研究项目（SXKY3－2－1）；三峡大学优秀硕士学位论文培优基金（2013PY018）；三峡大学土木与建筑学院优秀硕士论文培优基金（PY201306）

占清华（1987－），女，湖北孝感人，硕士研究生，主要从事非饱和土蠕变及高陡边坡稳定性研究，（电话）15872548285（电子信箱）jingjing︳yc＠126．com。