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摘要：我國的地質災害情況有很多，包括地震、泥石流、山體滑坡塌陷等等，這些地災常常給人們帶來生產生活上的困難。為了模擬山地災害對物體的沖擊情況，更好的研究山地災害沖擊運動機制，設計了滑坡模擬實驗裝置。本文簡要介紹了該裝置的實驗原理、組成結構與操作方法及其各項功能，本實驗裝置可以通過改變滑槽的傾角來模擬不同的山體滑坡以及其它碎屑流的滑動現象，在滑槽末端安裝柔性網就可以研究碎屑流流動的力學特征以及堆積特征，在堆積平臺上放置物體就可以觀察不同滑坡的破壞能力。通過本實驗可以了解滑坡的產生及危害，實驗裝置具有足夠的耐久性滿足教學科研的需要。
關鍵詞：滑坡模擬；碎屑流；實驗裝置
1概述
我國的很多山區由于地形環境復雜，居住條件惡劣，不少居民住房都依傍山崖而建。在自然風化、大量降雨等情況下極易發生山體滑坡等災害，例如在貴州水城坪地村岔溝組發生的一起山體滑坡，發生山體滑坡時間接近夜晚，滑坡之時伴隨著降雨，滑坡之時當地居民來不及逃跑，造成大量人員傷亡和財產損失。滑坡是指斜坡體上的部分巖體或者土體在重力的作用下，當山體內部存在軟弱結構面時，沿一個或多個軟弱結構面產生整體的向下滑動的地質現象[1]。山體地質災害的產生常常給人們帶來生活生產上的困難、地質環境的破壞以及造成居民房屋倒塌，因此模擬滑坡現象、對滑坡體進行力學特征研究分析是非常重要的課題[2]。試驗目的是研究山體滑坡碎屑流級配、山體滑坡坡度對柔性網力學特征的影響以及對堆積平臺上物體的破壞程度的強弱。本實驗裝置的優點是操作便捷，造價低廉。可以模擬滑坡的產生及危害[3]，研究巖石試樣對不同物體的碰撞方式和動量傳遞情況，還可以開展不同初始堆積條件、不同級配碎屑流、不同坡度、不同網型等因素下的碎屑流沖擊柔性網物理模擬試驗，本實驗儀器具有較高使用價值。
2實驗儀器工作原理
目前關于碎屑流沖擊柔性網力學機制研究仍較少考慮碎屑流的顆粒介質運動特征，尤其是碎屑流沖擊過程中顆粒的分選特征和流態變化特征。其次，由于柔性網具有特殊的結構形式，在碎屑流沖擊過程中，柔性網的透過性和大變形會改變柔性網的受力特征和碎屑流的堆積特征，但如何定量地評價柔性網的透過性和大變形對碎屑流的沖擊荷載和柔性網受力的影響仍缺乏深入研究。因此本次實驗儀器設置可以在滑槽末端放置柔性網，以此研究碎屑流對柔性網的沖擊能力。對應的滑坡碎屑流沖擊物體的原型尺寸和力學參數分別為：碎屑流顆粒粒徑范圍10cm～30cm，滑動距離為5m。確定試驗的幾何相似比為1：10，碎屑流顆粒密度相似比為1，重力加速度g相似比為1，根據相似理論對試驗的主要參數進行量綱分析得到選擇碎屑流材料、滑槽材料以及被沖擊物體材料。在滑槽試驗中，兩個關鍵變量Froude數以及流深h0與平均粒徑δ(D50)之比應該與原型保持一致[4]。根據該原則和滑槽的尺寸，確定碎屑流物料區的尺寸，滑槽尺寸，滑坡碎屑流沖擊物體的物理實驗模型如圖1所示，現已安裝好的實驗儀器圖如圖2所示。
3實驗儀器構造
如圖1所示，整個裝置由物料控制裝置（料斗、滑槽，堆積槽）、輔助提升系統、液壓起重裝置、物料箱、堆積平臺等組成，料斗與滑槽的接縫采用無斷裂鏈接。料斗閘門設置在連接處，可以通過控制閘門來控制滑坡實驗的材料量，為方便觀察，將滑槽左右兩側邊墻設置為透明板。在距離料斗2米處設置了一個凹槽，實驗材料確定為土、砂石、石塊（需按一定比例和不同級配混合使用），滑槽總長4.5m，高0.5m，寬0.4m，深0.4m，堆積平臺長2m，寬2m，高0.3m，滑槽與地面夾角可以通過錨索調整，試驗平臺可以實現坡度30°～50°的坡度變化，用來模擬不同坡度下滑坡碎屑流滑落過程中與外部物體或者柔性網的碰撞。在料斗內安裝好實驗材料后，控制閘門可以模擬滑坡碎屑流在重力作用下開始初速度為零的下滑運動。在滑槽末端加上柔性網，可以模擬碎屑流沖擊柔性網，在堆積平臺上放置不同的物體和替換料斗中不同的材料組成，可以模擬不同滑坡對不同物體的破壞程度。
4實驗儀器使用方案
實驗裝置使用步驟如下，首先裝好儀器，將被沖擊物體固定在堆積平臺上或將柔性網安裝在滑槽末端，將滑坡模擬使用碎屑流物體（石塊、土體的混合物）裝入料斗，確定滑坡角度及滑槽傾斜角度，如果物體在滑動過程中需要速度較大，就把凹槽填平，如果需要緩沖物體的速度，使滑動速度較小，那么凹槽就有緩沖速度的作用，安裝好儀器后，啟動開關，觀察實驗現象并記錄結果。從滑坡的具體情況和碎屑流的主要物理結構特征的角度設置試驗變量。碎屑流碰撞柔性網的過程是一個變形過程，在本次模擬實驗過程中。試驗的主要變量為碎屑流的級配（碎屑流D50為（1cm～3cm），不均勻系數為（1～10）、坡度（10°～40°）、被沖擊物體的大小。通過改變以上變量或者控制單一變量來做不同的實驗，以實驗結果為依托分析不同情況下滑坡對物體造成的沖擊破壞程度。巖石滑動碰撞模擬實驗：當滑坡坡體的材料組成不均勻，或者滑坡坡體為巖質和土質混合邊坡時的山體滑坡，為了研究土體和石塊的滑坡情況以及對堆積物體的碰撞方式，將坡度調整為20°，控制坡度保持不變，將圓柱體的巖石試樣（直徑10cm，高10cm）與相同質量的土體放入實驗裝置料斗中，記錄土體和石塊（質心）所能到達的最遠距離以及堆積平臺上的物體碰撞后的運動距離。此處位移記錄以堆積平臺與滑槽末端連接處中點為記錄原點。每試驗完一次，就用清水清洗一次實驗儀器，防止泥土附在儀器上面影響測量結果。實驗方案有以下三種：第一種為石塊和土樣的質量比比例為1比0（石塊100kg），即只放石塊，讓其在滑槽坡度為20°時沿滑槽下滑；第二種為石塊和土樣的質量比為1比1(土樣100kg,石樣100kg)，即在料斗中放同等質量的石塊和土樣，讓試樣沿坡度為20°的滑槽下滑；第三種為石塊和土樣的質量比為2比1（石楊200kg,土樣100kg），即石塊的質量為土樣的質量2倍，讓試樣沿坡度為20°的滑槽下滑，以上三種方案，每種方案做三次實驗，共9組數據，以堆積平臺與滑槽末端連接處中點為記錄原點，記錄數據結果如表1。從實驗結果可以看出，在角度不變的滑坡情況下，土石比例不同，最后滑移體移動的距離也不一樣，石塊所占比例越大，滑移體移動距離就越遠。同樣采用以上三種方案，把滑槽坡度改為30°，每種方案做三次實驗，共9次實驗，以堆積平臺與滑槽末端連接處中點為記錄原點，記錄實驗結果如表2。從實驗結果可以看出，在角度保持30度不變的情況下，土石比例不同，最后滑移體移動的距離也不一樣，石塊所占比例越大，滑移體移動距離就越遠。但是也有例外的情況，說明滑移體移動距離也跟滑動方式有關。
5結論
通過實驗表明，本裝置可以簡單模擬山地災害中的滑坡現象的產生和危害。繼而得出不同滑坡過程中碎屑流對物體以及柔性網的沖擊破壞情況，得到山體滑坡的破壞能力，還可以模擬不同大小和形狀的石塊的滑動沖擊碰撞方式和能量輸送[5]。從實驗結果可以看出，坡度30°的滑坡比坡度20°的滑坡滑移位移更長，在相同的坡度下，石塊占的比例越大，滑移體移動的位移越遠，石塊的位移相對比土體位移遠，在不同坡度下，石塊的位移都比土體的位移遠。
6展望
如若想對山體滑坡模擬更加準確，可以考慮對試驗裝置上安裝人工降雨系統模擬降雨，在料斗上面安裝降雨裝置就可以模擬泥石流的產生和危害。
參考文獻
[1]周月，廖海梅，甘濱蕊，陳明亮.滑坡運動沖擊破碎物理模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2020(03).
[2]羅剛，胡卸文，付建康，馬洪生，尹丕華.高速巖質滑坡碰撞碎裂機理物理實驗研究[J].工程地質學報,2017(06).
[3]黃潤秋.中國西部地區典型巖質滑坡機理研究[J].第四紀研究,2003(06).
[4]劉涌江.大型高速巖質滑坡流體化理論研究[J].巖石力學與工程學報,2003(01).
[5]羅剛.高速巖質滑坡碰撞碎裂機理物理實驗研究[J].工程地質學報,2017(03).
作者:王燕芬 肖思友 單位:六盤水師范學院