牵引式滑坡模型槽的研发与应用

杨德宏 郭璐

【摘要】牵引式滑坡的变形扩展特征十分复杂，同时其致灾过程发展缓慢，容易受到人们的忽视，国内外鲜少有学者对其进行系统的分析评价工作。但是，由于滑坡的形成过程、发展机制以及变形特征十分复杂，单从现场勘查的角度出发，大多只能得到定性的结论，从数值模拟的角度出发，又难于建立合理的数学模型，使结论无法应用于实际。基于这些因素，使得物理模型试验已成为再现滑坡发生的重要手段。因此，利用模型试验的手段研究牵引式滑坡的变形特征，揭示其机理，为防灾减灾提供理论支持，具有较大的理论价值与实际意义。为此需要研发相应的试验设备——牵引式滑坡模型槽，以提供试验的平台。

本文系统地介绍了整个模型槽的研发以及相关的试验规划工作，并分析了首次试验失败的原因，最后根据施工阶段、试验阶段所反应出的问题，提出了相应的改进方案。

【关键词】模型试验，牵引式滑坡，滑坡变形扩展特征

一、研发背景及意义

牵引式滑坡主要是由下部岩土体失稳，进而牵动上部岩土体产生滑动[1]。这种滑坡灾害在黄土高原地区十分发育，特别是在我国重要油气资源基地的陕北地区，因牵引式滑坡危害到油气生产安全的现象十分常见，严重影响到我国国民经济的发展。

现在针对滑坡的机理分析、工程治理措施以及减灾策略的研究多针对单一整体的滑坡，鲜少针对复杂的牵引式滑坡进行系统地分析评价工作。对于复杂的滑坡问题，往往通过工程地质手段，简化为数个单一滑坡进行分析后，再采用工程地质手段进行整合分析。

同时，通过对陕北黄土高原地区滑坡灾害的现场调查与文献搜集，可将牵引式滑坡简单分为叠瓦型与复合型两类，对牵引式滑坡变形扩展机理的研究不仅仅是科学问题，也是工程问题。因此牵引式滑坡模型槽的研发具有较高的理论意义与实践价值。

二、创新之处

对滑坡诱发机制的有效模拟是滑坡模型试验的核心之一。对牵引式滑坡而言，现有的模型槽无法对其进行有效的模拟。

1.现有模型试验槽

现有滑坡模型试验槽采诱发滑坡的机制主要可以归结为：（1）人工降雨，（2）人工堆载，（3）改变坡角，（4）人为震动，以及将以上4种方法进行组合。但上述方法均无法有效模拟牵引式滑坡的诱发机制。为此我们研发了“牵引器”，对牵引式滑坡的诱发机制进行模拟。

2.牵引器

对于牵引式滑坡而言，大多是由于坡趾处被人工开挖或被流水长期冲蚀而诱发的。牵引器（图2所示）的工作原理是，通过卷动牵引器的卷轴上的布料，利用布料与土体的摩擦力，将坡体下部一定范围内的土体拖动，使之与上部土体分离，从而模拟牵引式滑坡自下而上的连锁破坏模式，同时还能对诱发机制进行控制，牵引器有两根相同的卷轴，一高一低平行布置，使牵引器能够实现对诱发机制的控制，这种控制体现在：（1）对坡体的破坏速度进行控制，（2）控制坡体的破坏范围，（3）能将坡体的破坏范围与破坏速度进行组合，实现坡体的分区滑动。

三、模型槽的设计

1.滑槽主体设计

滑槽主体的设计采用“实体砖基础”+“钢制滑槽框架”的方案，充分利用各种材料的特性，在保证功能的同时也兼顾到了经济性。如图1。

图 1 滑槽结构剖切图

2.坡脚压条設计

为防止布料在受力时发生翘起，我们设计了坡脚压条。利用紧线器将钢丝绷紧，从而在钢丝内部产生巨大的张力，用以平衡布料上翘的力量。

四、模型槽的应用

1.试验方案

为了研究叠瓦型与复合型牵引式黄土滑坡的相关变形特征，我们制定了相关的试验方案，其核心在于改变牵引区的数量、宽度以及牵引（破坏）速度，以研究不同的滑坡形式。

2.试验结果分析

虽然首次试验并没有达到预期效果，但在对试验结果的分析，我们发现：

（1）.本次试验的问题在于试验时，试验用的砂土含水量过低，导致砂土无法滑动，究其原因，在于砂土本身的孔隙较大，蒸发速度快，同时由于天气原因（下雨）导致填土时间间隔较长，水分损失严重所致；

（2）.人工加水后坡体上部发生滑动，证明用该模型槽进行研究是可行的；

（3）.复合型牵引式黄土滑坡的牵引区变形特征复杂，一方面同时表现出了牵引与推移的变性特征，另一方面其滑坡子区的都相互作用关系复杂，即相互独立，又相互作用，有待进一步的试验研究。

五、不足与改进

1.存在的问题：

从施工过程；试验准备；试验进行三个方面，总结出以下主要问题：

（1）.填土操作不便；

（2）.摄像机无法拍摄坡顶情况；

（3）.水分流失过快；

（4）.张力计精度较低。

2.改进方案

（1）.对于填土操作不便，可利用滑槽框架两侧的角钢，在其上焊接支撑，然后在支撑上安装活动板，填土及削坡时使用，试验时拆卸掉；

（2）.拍摄角度无法拍摄到坡顶平台的变形，造成试验观测上存在盲点，故需要在模型槽的尾部制作支架，以架设摄像机，从而可以从前后两个角度试验进行观察。

（3）.对于水分流失问题。由于试验在室外进行比较干燥，水分流失速度惊人。故希望通过设计一套喷雾系统，对试验的土层进行不间断补水，以保证对含水量的要求。但是，这种方案较为复杂，拟用在以后规划的大型的模型槽（可变坡度）中，所以现在采用通过背负式手动喷雾器进行间断式补水。

（4）.由于使用的张力计精度不够，无法测量砂土的负孔隙水压力，整个试验期间都无法准确得知含水量，对砂土含水量无法及时控制，严重影响整个试验的成败。拟采用更换现有张力计的真空表，采用0至-50kPa的真空表进行测量。

六、结束语

我们以后的工作可以多个方面着手改进：

（1）.提高牵引器的控制能力，如引入动力设备，使牵引器在速度控制上更为精确；

（2）.在相关试验数据的获取上，我们可引入更为先进的测量元件。目前的模型槽还不能测定土中的应力及变形，只能观测其表面的变化，功能上还有待提高；

（3）.在试验数据的处理（图形图像处理），仍然需要大量的人工操作。为此我们可以引入位移采集分析系统（软件或硬件），以减少数据处理的工作量，也能有效提高试验的精确度；

（4）.我们还可以引入一些新的设备，如人工降雨设备，使模型槽具有更为完善的功能，具有更好的模拟能力。

综上，本模型试验槽需向自动化的方向发展，成为一套针对性强，且具有较好定兼容性的大型试验系统。

参考资料：

[1] 工程地质手册编委会.工程地质手册第四版[M].中国建筑工业出版社.2006.

[2] 徐张建，林在贯，张茂省.中国黄土与黄土滑坡[J].岩石力学与工程学报，2007，26（7）：1297-1312.

[3] 林鸿州，于玉贞，李广信等.降雨特性对土质边坡失稳的影响[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）：198-204.

[4] 王念秦，张倬元.黄土滑坡灾害研究[M].兰州大学出版社.2005。

[5] 罗先启，葛修润.滑坡模型试验理论及其应用[M].北京：中国水利水电出版社，2008.