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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 滑坡临界角测量装置的设计-农学论文滑坡临界角测量装置的设计李雪菱 1,夏卫生 1,余韵 1,黄道友 2 （1 湖南师范高校资源与环境科学学院,长沙 热带农业生态争论所,长沙 410125 ）410081 ；2 中国科学院亚摘要：为了定量测量滑坡临界角,笔者设计了一套能自动测量土体滑坡临 界角系统；该装置主要由体盒、水流装置、旋转斜面、旋转驱动机构、标尺和 传感器等组成；通过初步试验验证了本系统是牢靠的,如进一步分析土体水流 与其土体之间的动力学特点,就可以比较精确地猜测山体发生滑坡的可能区 域；关键词：滑坡；临界角；试验装置；水分入渗 中图分类
2、号： S157.2 文献标志码： A 论文编号： cjas15120005 基金工程：国家自然科学基金“ 湖南省山洪易发流域起暴区成灾动力学特 征争论”41271302；国家科技支撑方案工程“ 中南工矿区镉砷镍超标农田安 全利用技术集成与示范”2022BAD05B02；湖南省国土资源厅工程“ 两型社 会建设中农村宅基地退出机制与补偿标准争论”-17 ；2022第一作者简介：李雪菱,女,1992 年诞生,在读硕士,争论方向：水土保持；通信地址： 410006 湖南省长沙市岳麓区麓山路 36 号湖南师范高校资源与环境科学学院, E-mail ：emailprotected；通讯作者：夏卫生,男,1
3、966 年诞生,湖南人,教授,博士,主要从事名师归纳总结 水土保持和土地资源治理方面争论；通信地址：410006湖南省长沙市岳麓区第 1 页,共 17 页麓山路 36 号湖南师范高校资源与环境科学学院,E-mail ：emailprotected；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 收稿日期： 2022-12-09,修回日期： 2022-01-13； 0 引言 滑坡是山区常见的自然灾难,中国所处的地质构造部位较为特殊,山区面积约占国土面积的2/3 ,滑坡灾难的严峻程度和分布的广泛性在世界少有1 ；滑坡灾难已成为首要的地质灾难,造成交通中断、堵塞江河、掩埋
4、村庄、摧残 厂矿,不仅影响到经济建设的进展,而且直接威逼人们的生命财产安全 2 ；影 响滑坡稳固性的主要因素有四点：地质条件、地势地貌条件、人类活动因素、气候及径流条件,其中坡度是描述地势地貌的主要参数,坡度的大小影响土壤 腐蚀程度与土壤腐蚀方式,对不同的下垫面的临界坡度进行测量具有很大的必 要性；因此,对土体滑坡的临界特点绽开争论,通过有效分析土体水流与其土 体之间的动力学特点,进而猜测坡体发生滑坡的可能性并推算出产生滑坡的时 间,具有非常重要的理论意义和实际应用价值；滑坡试验能够把野外难以观测到的土体滑坡发育全过程在试验室内短期时间重复的模拟出来；从20 世纪初,西欧一些国家就开头进行结构
5、模型试验,并逐步建立了相像理论；例如,俄国学者 3 采纳仿真物理模拟试验,争论出水库波浪对土体的腐蚀将使坡角增大,最终导致水库四周发生滑坡；之后国外学者用室内滑坡试验对滑坡进行分析争论,室内滑坡试验在试验的技术方面和研究成果方面都取得了显著进展 4-6 ；国内,在滑坡模拟试验争论内容上,大多学者主要争论方向在降水以及坡体稳固性争论2 个方面 7-13 ；从降水的角度争论,刘波14 、文高原 15 等通过室内大型模型试验证明白雨水对土边坡变形、破坏的影响；从坡体稳固性方向动身,胡修文 16 、胡晋川 17 、肖诗荣 18 等通过现场模拟试验,争论地名师归纳总结 - - - - - - -第 2
6、页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 表组成、演化对滑坡机制的影响；综合观看已取得的争论成果,其中绝大部分是采纳理论分析、数理统计、模型试验、数值模拟等科学方法；在相关因素对滑坡产生的影响程度、降雨条 件下滑坡的机理、降雨和滑坡的关系等方面取得肯定的争论成果,针对目前理 论争论仍不完善,且原型试验周期长、费用高的缺点,可发觉对测量土体滑坡 临界点角度变化方面仍有不足之处,仍需要去深化的分析争论以及改进；因 此,笔者结合实际情形,考虑试验方法、试验目的、试验场地的影响,新研制 了室内土体滑坡试验装置,模型试验可以依据争论内容需要详细设定,真实地 反映滑坡发生进展过程,
7、具有试验结果精确牢靠、信息量大、可信度高三大优 势,以期为山体滑坡与坡角关系的争论供应新的争论方法； 1 测量原理与装置组成 1.1 滑坡临界角测量装置的测量原理 本试验原理如图 1 所示,假如土体与滑坡面之间互为静止,那两表面间的接触地方会形成一个强结合力静摩擦力f= N ,除非破坏了这结合力才能使一表面对另一表面运动； 为最大静摩擦力系数,其摩擦系数由滑动面的性质、粗糙度和（可能存在的）润滑剂所打算；当土体中的水分到达土体底部,会使其接触面的土质发生泥化现象,而水分变化对摩擦系数的影响程度,是本创造装置的争论目的在坡体上,导致土体下滑的力F 是它自身的重力在坡体方向 上 的 分 力 mg
8、sin , 而 土 体 对 坡 面 上 的 压 力 N 也 是 重 力 的 分 力mg cos ；依据力的平稳,得f=F ,即 =F/N ,故：土体与坡面的摩擦系数=tan ；坡角 可依据公式 1运算；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - =arcsinH/L 1式中： H 为旋转斜面的高度, L 为旋转斜面的长度； 1.2 滑坡临界角测量装置的组成本设计旨在从滑坡区水分入渗特点入手,探讨土壤水分入渗与坡面的相互关系,特殊是水分变化对滑坡临界角的影响方面进行争论；为此,本设计供应了一种能自动测量水分变化下导致土体滑坡临
9、界点角度的测量装置（见图2）；其设备包括：马氏瓶、定位标尺、液压升降杆、固定拉杆、拉力传感器、感应开关、土体盒、滑动台、下垫面、摄像头、运算机、出水口； 1.2.1 马氏瓶供应恒定水流装置； 1.2.2 定位标尺测定滑动台的高度,以及其固定滑动台的作用；名师归纳总结 1.2.3液压升降杆是使滑动台上升的动力装置,能供应稳固的上升速度；第 4 页,共 17 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 其可调剂的范畴为100900mm； 1.2.4 固定拉杆在滑动台的左侧装有固定拉杆,是用来系住拉力传感器； 1.2.5 拉力传感器拉力传感器一头系在固定拉杆上,一头
10、系在土体盒下端 1/3 处,当滑动台上升（从下由上）时,当拉力传感器上感受到了拉力的存在,就立马掌握感应开关的电路,使其液压升降杆停止上升； 1.2.6 感应开关受控于拉力传感器；1.2.7 土体盒用于装置不同类型的土壤,由玻璃板制作而成,其规格为 300mm 300mm 400mm（长 宽 高）；1.2.8 滑动台滑动台由2 部分组成：一个是有机玻璃台,其体积是1000mm 500mm 80m m （长 宽 高）；另一个是盛放有机玻璃台的钢材架 , 承 受 玻 璃 台 , 以 防 止 玻 璃 台 因 过 重 的 承 载 力 而 破 碎 , 其 面 积 是1000mm 500mm； 1.2.9
11、 下垫面下垫面是可变的,可以是光滑的玻璃板,也可以是粗糙的毛面玻璃,也可以变成薄层水膜； 1.2.10 摄像头摄像头放置在土体盒的正下方,其外连 1 台便利式运算机；当土体中水分到达底部时,在电脑的掌握下,开头连续拍照（20s1 次）,自动将照片传入运算机中； 1.2.11 运算机利用相应的软件分析摄像头拍下的潮湿土样的面积,求其变化值,从而运算出土体的水分入渗速率； 1.2.12 线性排水口当模拟条件变为水膜条件时,可以利用马氏瓶供应恒定水流,由线性出水口排出,在滑动台内形成一个薄层水膜；使其下垫面的条件转变；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 17 页精选学习资料 -
12、- - - - - - - - 1.2.13 出水口用来排出滑动台内余外的水； 2 主要部件设计与测量步骤 2.1 供水装置供水装置是由盛水器和转速掌握器组成；用1 根具有肯定舒展性的橡皮导管连接盛水器和转速掌握器,调剂转速掌握器的转速,使得掌握器推动导管带出盛水器中的水；其水流流量可以依据转速换算得出,见公式 2； q=r-0.1932/1.723 2式中： q 为供水流量 mm3/h 2.2 液压升降器；r 为转速 r/min ；液压升降器是使滑动台上升的动力装置,能供应稳固的上升速度；液压升降器是由液压电动千斤顶构成,其本身高为130cm ,最大承重量为5t ,最大抬上升度为 430cm
13、 ；故其可调剂的范畴为130560mm； 2.3 高度测量仪高度测量仪是用的精度为1mm 的标尺；其测量总长度为5m ,完全能满足试验测量需求； 2.4 土体盒 为了便于观看水分流淌情形在土体中的变化位置,其土体盒是用透亮的有 机玻璃材料制成；其具有肯定的强度和刚度,在试验过程中不易破裂和变形,其规格为 300mm 300mm 400mm（长 宽 高）；上下面均没有封口,上 面是为了便利水流的注入,下面就是需要让土壤直接接触滑动台,便于模拟土 壤与岩石面的接触情形； 2.5 滑动台名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - -
14、滑动台是测量土体滑坡临界角的主体部分,由 璃台,一个是盛放架；2 部分组成：一个是有机玻有机玻璃台,其体积是 1000mm 500mm 80mm（长 宽 高）,制成透亮状是为了便利观看水分渗透到土体底部时的状况；底部边缘处仍有一个出水口,用于排出玻璃台内部余外的水分；另一个是称重台,用于盛放有机玻璃台的钢材架,材料采纳的是铝合金制成的不锈钢支架；考虑到土体盒只会放在上面,装满土体盒最重能达到 50kg左右,而单一的玻璃台难以承重其重量,故放在钢材架上以防止玻璃台因过重的承载力而破裂；其面积是与玻璃台的底面积一样,为 2.6 摄像装置1000mm 500mm；摄像装置采纳的是高清数码相机；放置在
15、滑动台的正前方,其外连 1 台便携式运算机,能自动将照片传入运算机中；用于实时监控土体水分变化状态；当土体水分达到上中下 间的关系； 2.7 运算系统3 个位置时,用于测量土壤水分变化与滑坡临界角值之运算系统是由硬件和软件2 部分组成,硬件部分采纳的联想K49 的便携式运算机,具有较快的数据处理才能；软件部分是采纳的雷廷武自主研发的土 壤入渗率自动测量软件；该自动测量系统可以依据测量得到的地表潮湿面积和 运算模型,自动估算出土壤入渗性能随时间变化的完整的过程线,特殊是土壤 初始很高的土壤入渗性能；图像处理过程中采纳综合失真误差矫正方法,使土 壤潮湿面积测量结果精度高,从而使土壤入渗过程曲线精确
16、、牢靠； 2.8 滑坡临界角测量装置的测量步骤名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 详细来说,采纳本设计装置进行滑坡临界角测量的试验方法,包括如下步骤：（ 1）将所述土体盒装上土体,放置于旋转斜面上；（2）使拉力传感器刚好处于绷紧的状态,或使光感传感器正对土体盒底的上部边沿；（3）水流装置将恒定水流注到土体上；（4 ）开启旋转驱动机构,使旋转斜面对上旋转；（5）当土体中水分到达底部时,摄像头每隔 t 时间拍照土体底部照片（如：连续拍照, 20s/ 次）,传输给运算机进行分析；（6）当土体盒下滑时,即 tn时刻,立刻停止
17、旋转斜面连续旋转,记录此时标尺记录的旋转斜面高度 H,得到滑坡临界角 ；（7）依据公式 3运算 tn 时刻土体水分入渗率 in （单位：mm/h ）；（ 8）评判土体水分入渗率对滑坡临界角的影响；式中： q 为水流装置的供水流量 mm3/h ； An 为 tn-tn-1 时段地表增加的潮湿面积 mm2 ； 2.9 误差分析采纳本设计装置和方法,系统误差来源主要在（以光敏锐应器和液压千斤顶为例 ）： 光敏锐 应 器信号 发出 的推迟 时 间 0.03s 与 液压 千斤 顶的速率14mm/s 所造成高度 H 的误差,其测量高度会比实际高度略有偏差,见公式4； H=t v=0.03 14=0.42m
18、m 4注：在实际测量中一般上升的高度值 H 在 400600mm 之间,而系统所导致的误差 H 为 0.42mm ,其误差值掌握在千分之一左右,故其角度的测量值也在千分之一左右,所以其系统带来的误差可以忽视不计；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3 结果与分析 3.1 技术路线 本试验选取湖南省岳麓山红壤、通过室内试验（入渗特性测量和滑坡临界 角测量）以及野外考察的方式,探究土壤水分变化对滑坡临界角的影响； 3.2 供试样品 供试土样取自于湖南省长沙市岳麓区岳麓山区红壤表层土壤；土样均采自地 表 2030cm 土
19、层 ； 其 机 械 组 成 中 砂 粒 20.05mm、 粉 粒 0.050.002mm、黏粒 0.002mm 含量分别为 54.3% 、31.6% 和 14.1% ； 3.3 试验目的 试验目的是探究在不同容重下土壤中水分在坡体内位置变化土壤坡体内水 分入渗才能特性以及对滑坡临界角的影响；因此,在试验的过程中,设计了 5 种不同容重的土壤,在恒定水流注入下,其水分到达位置变化对土壤入渗性能 的测量和对土体发生滑坡临界角度的影响； 3.3.1 水分位置变化对土壤入渗性能的影响入渗率是表征土壤的水分渗透特性的指标,是指单位时间内地表单位面积土壤的入渗水量 19 ；在本试验 中,依据试验要求,配置
20、 5 种不同容重土体,分别为 1.20 、 1.25 、 1.30 、1.35 、1.40g/cm3 的土样装入 300mm 300mm 400mm（长 宽 高）的透 明土样盒中,利用土壤入渗率测量系统分别测定水分到达土样盒上部、中部、下部以及形成水膜一段时间后的水分入渗率；水分到达土样盒位置分别标记为M1 、M2 、M3 、M4 ；3.3.2 水分位置变化对滑坡临界角的影响本试验中,配置 5 种不同容重1.20 、 1.25 、1.30 、1.35 、 1.40g/cm3的土壤,放入土样盒中,利用滑坡临名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 17 页精选学习资料 - - -
21、- - - - - - 界角测量装值分别测量水分到达土样盒上部、中部、下部以及形成水膜一段时间后能导致滑坡发生的滑坡临界角度； 3.4 土样的预备阶段土壤实行于湖南省长沙市岳麓山底部的红壤；实行后,放入土壤制备试验室进行风干、选择、研磨、过筛 究；4 个部分的处理；再装入土样盒中以待试验研土样盒的规格是 300mm 300mm 400mm（长 宽 高）；本试验设定5 种容重 1.20 、1.25 、1.30 、1.35 、1.40g/cm3；在装盒过程中,容重小的会填不满土样盒,而容重大的会溢出,导致实际容重与设定容重有差异；在这种 情形下,较小容重在装盒过程中要准时疏松土壤,使土壤颗粒间间隙
22、变大,切 勿过于压实；而制备容重较大的土样是就采纳竖直击实和平压法使土样达到预 计的体积；并在装入下一层土之前,先将前次装入的土层表面用工具打毛,以 防止上下土层之间显现结构和水动力学特性突变等的不必要的内边界；装好土 样后,标记好编号 R1、R2、R3、R4、R5； 3.5 土壤水分变化对滑坡影响模拟试验 探究水分在坡体内位置变化以及坡体内水分入渗才能对滑坡临界角的影响这 2 部分争论内容同时进行；即在水分到达M1 、M2 、M3 、M44 个不同位置时,先后测量样品此时的入渗率以及导致滑坡的临界角,并记录在试验数据本 中； 3.5.1 恒定水流的供应恒定水流的供应是利用盛水装置、导管和流量
23、掌握 装置（通过掌握转速从而掌握水流量）实现；依据试验要求设定恒定水流流量为 10.8L/h ,模拟大雨（雨强： 2mm/min）下土壤水分条件；布水器采纳的是名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 线性外形,使得水流能匀称分布在土样上； 3.5.2土壤入渗率的测量以R1-1 为例,即容重为 1.20g/cm3的样品,水流变化达到上部；（1）土壤入渗率的测量过程；土样放置打开恒定供水装置测量土壤 入渗率试验数据记录与处理；（2）土样放置；由于所用土样多,且土量大（最大有 54kg ）以及土体盒 没有底部,所以土样的装盒
24、过程是放在平整的滑坡台上进行；（3）打开恒定供水装置；土体放置好滑坡台后,打开恒定供水装置,设好转速为 56r/min即恒定出水流量为10.8L/h ；并记录好时间；（4 ）测量土壤入渗率；当土体盒中的土样潮湿线达到土样盒上部（13cm 处）时,开头测量土壤入渗率；第一,连接摄像头和土壤入渗率测量 系统软件、用标定目标板标定试验环境,用于修正影响镜头变形及测量区间空 间比例与变形；使土壤入渗测量系统能精确运算潮湿实际面积；其次,在测量系统软件中设置好各项参数,如拍照间隔是1min 拍照 1 次,共用时 10min 、流量参数 0.5L/h 、相机快门时间 0.1s ；最终,打开供水系统,按试验
25、要求设 置流量为 0.5L/h ；同时开头计时拍照；试验完成后储存数据,关闭测量系统；（5）试验数据处理与记录；在试验过程中,相机拍照的土壤潮湿面积变 化图像实时传入运算机中,测定终止后,自动识别出潮湿面积,依据每分钟湿润面积的增量运算出土壤入渗率；3.5.3 土体滑坡临界值的测量以R1-1 为例,即容重为1.20g/cm3的样品,水流变化达到上部；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - （1）土体滑坡临界值的测量过程；土样放置试验区打开恒定供水装置临界角测定试验数据记录与处理（2）土样放置；由于所用土样多,且土量大（
26、最大有 54kg ）以及土体盒 没有底部,所以土样的装盒过程是放在平整的滑坡台上进行；（3）打开恒定供水装置；土体放置好滑坡台后,打开恒定供水装置,设 10.8L/h ；并记录好时间；好转速为 56r/min 即恒定出水流量为（4）临界角测定；当土体盒中的土样潮湿线达到土样盒上部（13cm 处）时,关闭恒定供水装置；开头利用液压千斤顶缓慢上升,调剂高度的试验 架（用来转变坡度角）至其土体盒刚刚滑动时,停止液压千斤顶；利用标杆尺测量此时滑动台距地面高度；（5）试验数据记录与处理；试验测量工作完成后,准时记录数据,即高度 H1 以准时间；利用所测量的高度H 以及滑坡台的长度L,可求出滑坡临界角度,
27、见公式 5； =arctanH/L 5式中： 为滑坡临界角度 H 为临界滑坡时试验架所调剂的高度mm ；L 为试验架坡底长 mm ； 3.6 试验结果在本试验中,依据潮湿锋到达位置的不同（上部M1 、中部 M2 、底部M3 以及形成水膜 M44 个阶段）,分别测定了土壤滑坡临界点的坡体高度,从 而运算出不同的坡度值；由图 3 可知,潮湿锋到达上部时,其滑坡临界角度平均值为 24.1 ；到达中部时,其滑坡临界角度平均值为24.7 ；到达底部时,其滑坡临界角度平均名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 值为 33.4 ；形
28、成水膜后,临界角值为 18.8 ；潮湿锋位置由上部变化到中部时,增幅为2.5% ；由中部变化究竟部时,增幅为35.2% ；由底部变化到形成水膜后,下降幅度达到43.7% ；在整个潮湿锋位置变化过程中,笔者发觉,当潮湿锋达究竟部时,滑坡临界角值达到最大,而形成水膜后,滑坡临界角值达 到最小；这主要是由于之前是沙砾面,而水达到了底部,土壤得到了初步的湿 润,使得与坡体之间的粘性增强,导致滑动摩擦系数的转变,增大了土体与坡 体之间的滑动摩擦系数,使临界值的角度增大；证明白这套试验装置具有良好 的可行性； 4 结论与争论 本争论从滑坡区水分入渗特点入手,探讨土壤水分入渗与坡面的相互关 系,特殊是水分变
29、化对滑坡临界点的影响争论,设计出了一套能自动测量水分 变化下导致土体滑坡临界点角度测量设备,能有效分析出土体水流与其土体之 间的动力学特点,从而猜测坡体发生滑坡的可能性以及推算出产生滑坡的时 间；名师归纳总结 在实际测量中,一般比室内试验上升的高度值H 在 400600mm之间,第 13 页,共 17 页而系统所导致的误差 H 为 0.42mm ,其误差值掌握在千分之一左右,故其角- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 度的测量值也在千分之一左右；该试验装置成本较低,样机试验说明,该装置作业顺畅、性能稳固,但操 作较为复杂,在记录数据后仍需要大量的运算,难免
30、造成肯定误差,且适用范 围较小,由于野外滑坡因素复杂多样；因此,仍需要进一步争论外部因素下滑 坡临界角的估运算法,以提高测量精度；本装置今后将朝智能化、自动化方向 进展,即设计一套程序,使得运算机能自动记录数据、分析数据,得出科学结 论,并建立滑坡临界角度测量数据库,使用该装置的操作者可按个人意愿选择 是否上传到数据平台,使得本地数据形成时间序列,能够更加有效地猜测滑坡 以便利学术争论；参考文献 1 刘传正 .长江三峡库区地质灾难成因与评判争论 M. 北京 :地质出版 社,2007. 2 孙彦旭 .雨水入渗作用下土质边坡稳固性分析 学,2022. D. 河北 :河北工业大3V.V.Baroni
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