林鸿州等[9-10]采用长4 m、宽1.015 m、高2 m的模型槽进行试验,进行了粉细砂与粉土边坡的滑坡模拟试验,探讨了不同的初始基质吸力场、雨强以及地质结构在降雨条件下的滑坡特性。李波[11]选用长3.8 m、宽0.5 m、高2.2 m的模型槽对松散粉土在不同雨强和边坡厚度条件下进行试验,发现松散粉土边坡在强降雨条件下可能发生静态液化。孙永帅[12]选用长2.0 m、宽1.0 m、高1.2 m的模型槽试验,研究砂土、粉土在不同坡度、雨强下的破坏规律,分析在降雨过程中孔压、浸润线的变化。
综上所述,前人对降雨入渗造成边坡失稳进行了大量研究。为了更好地观测降雨入渗到边坡内部的水分扩展过程,本文设计了室内人工降雨物理模型试验,研究在降雨入渗情况下,边坡内部水分扩散的时间过程及分布规律,研究暂态饱和区的扩展过程,计算各个时刻边坡的稳定安全系数,分析降雨入渗对边坡稳定性变化过程的影响。
1 室内人工降雨模型试验设计1.1 室内人工降雨模型
为分析降雨入渗对边坡稳定性变化过程的影响,设计了一套室内人工降雨模型。模型由4部分组成,分别是有机玻璃模型槽、边坡土体、降雨系统、数据采集系统。
图1为试验边坡模型,有机玻璃模型槽尺寸为:长2.4 m,宽1 m,高1.4 m。模型槽材质采用10 mm厚有机玻璃,模型槽四周用角钢固定;为了显示入渗影响区的移动变化过程,采用坡面局部入渗进行试验。坡面局部入渗情况下,坡面用6 mm厚玻璃封盖,在距离底部1.18 m处往上开了一个25 cm宽的窗口,形成坡面局部入渗,便于观察边坡内部水分运动过程。底部用9 cm厚多孔砖将模型整体抬高,防止积水从底部渗入边坡。
图1 边坡模型Fig.1 Slope model
人工降雨控制系统由降雨喷头、输水管、水泵、控制系统等组成。人工降雨设备的降雨区域分为5个分区域,可模拟不同降雨强度范围的人工降雨,最大降雨强度为2 700 mm/h。本试验采用的是小降雨区域,可模拟的降雨强度范围为0~400 mm/h。监测系统连接的是自制的含水率传感器,与传感器连接的数据采集仪为INV306u智能信号采集处理分析仪。含水率的变化对土壤的介电常数起决定性作用,因而可以利用土壤的介电特性测量土壤含水率,通过测量传感器正负极的电压变化来获得边坡相应位置含水率的变化过程。
含水率传感器布置