離心場中邊坡降雨模擬系統(tǒng)的研制與應用

                                    錢紀蕓，張嘎，張建民
    (清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084)
    摘要：為了利用離心模型試驗研究降雨條件下邊坡的變形和破壞特性，研制了一套離心場降雨模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng)：供水加壓系統(tǒng)、降雨器、模型箱及防風結構。該系統(tǒng)可通過控制施加壓力來調(diào)節(jié)降雨強度，并能克服離心場中科氏力及高風速對降雨的影響。有效性驗證試驗結果表明，該降雨系統(tǒng)在模型箱長度和寬度方向均能實現(xiàn)比較均勻的降雨。采用該系統(tǒng)進行了黏性土坡降雨的離心模型試驗，結果表明降雨及其入滲過程對邊坡的變形有顯著影響。
    關鍵詞：降雨；邊坡；離心模型試驗；設備
    中圖分類號：TU411.93文獻標識碼：A文章編號：1000–4548(2010)06–0838–05
    作者簡介：錢紀蕓(1985–)，女，江蘇南通人，碩士研究生，從事巖土工程的研究。E-mail:qianjiyun@gmail.com。
    0·引言
    降雨是滑坡的重要原因之一[1-2]。因此，邊坡的降雨入滲及相應的變形和破壞機理需要深入研究。離心模型試驗能夠實現(xiàn)模型與原型應力應變相同，變形相似[3]，在邊坡穩(wěn)定性等問題中已經(jīng)得到了較廣泛的應用。在邊坡降雨研究方面也有不少學者利用離心模型試驗進行了探索，并開發(fā)了相應的降雨模擬技術。例如：通過改變制樣時的含水率來代替不同規(guī)模的降雨[4]，用注水浸泡來模擬不同時間的雨水入滲[5]，在邊坡頂部實現(xiàn)局部降雨[6]等。不過，這些方法不能真實模擬實際降雨過程，特別是不能模擬降雨后邊坡全表面的入滲過程。
    離心模型試驗過程中，降雨受到離心機高速旋轉導致的科氏力、高風速等多種因素的干擾，對降雨模擬設備要求很高。而且，實現(xiàn)有效的全面均勻降雨模擬對于邊坡降雨離心模型試驗也具有重要意義。本文在清華大學土工離心機上，開發(fā)了能夠在高離心場中實現(xiàn)較全面均勻降雨的模擬系統(tǒng)，驗證了其有效性?；谠撓到y(tǒng)進行了離心模型試驗，初步探討降雨及其入滲過程對邊坡變形的影響規(guī)律。
    1·降雨模擬系統(tǒng)
    離心場降雨模擬系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng)：供水加壓系統(tǒng)、降雨器、模型箱及防風結構（圖1）。其基本工作原理為：在離心機運行過程中，通過供水系統(tǒng)將水注入到降雨器中，通過對降雨器中的水施加壓力使得水分散成雨滴降落至邊坡表面，通過特別設計的模型箱和防風結構保證降雨的均勻性。
    1.1供水加壓系統(tǒng)
    供水系統(tǒng)由水箱，電磁閥，輸水管組成，主要作用是對降雨器進行補水。水箱固定在距離離心機主軸很近的轉臂上，尺寸為600 cm2×20 cm（底面積×高）（圖2），在試驗之前儲存足夠的降雨所需水量。水箱和降雨器通過沿著離心機轉臂的輸水管鏈接。輸水管上分別安裝電磁閥和流量計。電磁閥用于控制水箱對降雨器的補水，流量計測量注水流量和總量。在離心機運轉過程中，根據(jù)需要打開電磁閥，在離心力作用下水通過輸水管進入降雨器中。試驗中，將流量計裝在離心機主軸附近，減小離心力對流量計的影響。
             
    加壓系統(tǒng)由空壓機、精密壓力表、調(diào)節(jié)閥組成，主要作用是控制降雨強度和降雨歷時。三者均在離心機外，加壓管通過滑環(huán)向試驗中的降雨器中加壓。當試驗過程中達到所需的離心加速度時，首先通過供水系統(tǒng)供給降雨器一定水量，然后通過加壓系統(tǒng)向降雨器中加壓，產(chǎn)生降雨。所加壓力大小可由調(diào)節(jié)閥控制。
    1.2降雨器
    降雨器的主體為一個半封閉的鋁盒（圖3），其尺寸為48 cm×40 cm×10 cm（長×寬×高）。降雨器的底部是降雨模擬系統(tǒng)的核心部件，由內(nèi)到外分別為半透性布，鋼絲網(wǎng)和底梁。半透性布與鋁盒邊框之間用玻璃膠密封，以防止水從側面滲漏。半透性布用來保證在一定離心加速度（例如50 g）情況下，水位在6 cm以內(nèi)，水在其自重作用下不會滲出來。而當在降雨器內(nèi)加氣壓至0.03～0.04 MPa時，水會在壓力作用下從半透性布滲出來，形成雨滴降落下來。由于離心機臂長遠大于降雨系統(tǒng)尺寸，由離心場造成的液面彎曲可以忽略，降雨器底部各點的水所受的壓力基本相等，從而保證了降雨器降雨在其整個底面基本均勻。同時，水透過半透性布形成的雨滴尺寸較小，符合試驗要求。
             
    由于降雨器的底面積很大，降雨器中的水在降雨時所受壓力很大。因此，本文采用底梁結構對半透性布提供合理的支撐，以保證其底部基本為平面。底梁的形狀如圖4所示，其對降雨的影響較小。在底梁與半透性布之間鋪設有鋼絲網(wǎng)，其作用是限制底梁空格間的變形。為進一步減小試驗中底部的變形，在降雨器中部安裝一個拉桿（圖3），拉桿可以有效的減小試驗中底梁的變形，從而保證底部的平整。
             
    1.3模型箱及防風結構
    離心模型試驗中模型會受到顯著的科氏效應（Coriolis effect）的影響[7]。降雨模擬中，由于雨滴下落方向是沿著離心機的轉臂方向的，由于科氏力的影響導致雨滴不會垂直于邊坡表面落下，而是發(fā)生一定角度的傾斜。當降雨器距離邊坡表面較遠時（這在邊坡降雨試驗中不可避免），降雨的偏斜量就會較大。這將導致部分邊坡表面不受雨或者受雨偏少，嚴重影響了降雨的均勻性。
    為了解決這一問題，保證邊坡受雨均勻，本文采用了如下設計：①將降雨器的寬度設計為40 cm，遠大于模型箱的寬度（20 cm）。并對模型箱兩個側面的頂部進行了切割，以留出空間放置降雨器。②將模型箱的有機玻璃邊壁切成邊坡的形狀（圖5），從而避免了雨水在降落過程中發(fā)生傾斜而被兩側邊壁擋住的問題，使得邊坡表面能夠較均勻的受雨。③在模型箱兩側的有機玻璃邊壁頂部內(nèi)側切割出U型槽（圖6），使得降落到有機玻璃邊壁頂部的雨水沿著該槽流下至模型箱外側的有機玻璃盒中，而不會流到邊坡上。④在模型箱兩側的有機玻璃邊壁坡腳處設置止水片，以防止坡腳集中的雨水流至側面有機玻璃U型槽內(nèi)。⑤在坡腳處的模型箱壁上打孔，使得降雨可能形成的徑流流出模型箱，進入承接盒內(nèi)（圖7）。
           
           
    在離心模型試驗中，離心場會產(chǎn)生高速氣流。因此，在降雨器與模型箱有機玻璃邊壁之間設置了專門的防風結構（圖1），以避免降雨被離心場中的風影響。防風結構能夠有效地在不影響觀測的前提下對模型箱側壁進行密封。防風結構通過有機玻璃壁頂?shù)穆菘着c有機玻璃壁連接。
    2·試驗步驟與有效性驗證
    離心場中邊坡降雨模擬系統(tǒng)的使用步驟為：①試驗前在供水箱中注滿水，并可在降雨器中預存一定量的水。②啟動離心機開始加速，當離心加速度達到設定值之后，通過供水系統(tǒng)給降雨器供給一次降雨所需的水。③通過氣壓裝置給降雨器內(nèi)的水加壓至設定值，此時降雨器開始降雨。④當降雨器內(nèi)水降完之后，氣壓會下降，無法給降雨器內(nèi)加壓，此時一次降雨完成。⑤根據(jù)需要重復步驟②～④可進行多次降雨。
    為驗證降雨系統(tǒng)的有效性，本文進行了驗證試驗。模型箱內(nèi)部長度為50 cm，寬度20 cm。以模型箱一角為原點，定義長度方向為X軸方向，寬度方向為Y軸方向。在模型箱內(nèi)依次放置直徑為5 cm的鋁制圓盒，用于測量降雨過程中各點的降雨量。共放置8×4個鋁盒。試驗中，離心機加載到50g后，通過供水箱給降雨器供水，然后加壓0.03 MPa。降雨結束之后，測量鋁制小盒內(nèi)的水量，計算得到均勻度為81%。取其中幾排小盒的測量數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖中可以看出，降雨在模型箱長度和寬度方向都比較均勻，表明該降雨系統(tǒng)能夠在離心模型試驗過程中較好的實現(xiàn)降雨，從而為進一步的邊坡降雨試驗提供了設備基礎。
    進一步試驗表明，在離心加速度不變的條件下，降雨強度與施加壓力有較好的對應關系。因此可以通過事先標定兩者的關系，通過控制施加壓力來控制試驗的降雨強度。測試實驗顯示降雨模擬系統(tǒng)可以實現(xiàn)30 mm/h以上的降雨，由于沒有進行破壞性試驗，沒有測得雨強上限。
             
    3·初步應用    采用本文新開發(fā)的設備，在清華大學TH 50g-t土工離心機上進行了黏性土邊坡的降雨離心模型試驗。試驗所用的土為北京地鐵農(nóng)業(yè)展覽館站土，塑性指數(shù)為13，為粉質黏土。試驗模型中土的干密度為1.5g/cm3，含水率16%。邊坡坡度為1：1，坡高31 cm。當離心加速度增加到50g后保持不變，然后啟動降雨系統(tǒng)開始降雨。降雨歷時30 min。降雨強度60mm/h，降雨量30 mm。
    本文采用非接觸位移測量系統(tǒng)測量降雨過程中的邊坡的位移。該系統(tǒng)可以在離心模型試驗過程中記錄邊坡的圖像并基于該圖像測得邊坡側面任一點的位移過程[8]。測量結果表明：隨著降雨量增大，邊坡的水平向和豎向位移隨之增大，而且發(fā)生較明顯位移的區(qū)域也逐漸增大。圖9給出了降雨量為30 mm時的邊坡位移分布。可以看出降雨引起的邊坡位移隨著離開邊坡表面距離的增大而減小，這與對降雨入滲的已有認識是一致的。另外，測量結果表明降雨過程中邊坡表面形成了一定量的表面徑流。
    圖10給出了通過T5張力計測量得到的邊坡上兩個測點的吸力變化。可以看出，降雨開始一段時間后，測點吸力出現(xiàn)迅速下降。可以推測，此時該處的含水率明顯變化，表明雨水入滲到測點所在位置。一段時間后，張力的變化速度變緩。距離坡表較近的A點比B點的吸力先發(fā)生變化，這意味著本次降雨在邊坡不同位置的入滲過程基本一致，再次表明降雨是基本均勻的。
            
    圖11進一步給出了測點A的吸力和位移隨降雨量的變化過程?？梢钥闯觯吰碌淖冃闻c雨水的入滲有密切關系。當測點A的吸力出現(xiàn)顯著下降時，意味著雨水入滲到該處。與之相對應，該處的位移也出現(xiàn)明顯增加，并且隨著雨水的入滲繼續(xù)逐漸增大。這意味著降雨入滲導致邊坡發(fā)生明顯的變形。
    4·結語
    本文在清華大學土工離心機上開發(fā)了新的離心場邊坡降雨模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)由供水加壓系統(tǒng)、降雨器、模型箱和防風結構等構成。在離心機運行過程中，由供水系統(tǒng)將水注入到降雨器中，通過向降雨器中的水施加壓力使得水分散成雨滴降落至邊坡表面。對模型箱進行改進，并采用防風結構，從而克服了離心機高速運轉條件下科氏效應和高風速的影響，保證降雨的均勻性。通過調(diào)整降雨器內(nèi)水體的壓力可以控制降雨強度。
    針對新開發(fā)的降雨系統(tǒng)進行了有效性驗證試驗。結果表明降雨在模型箱長度和寬度方向都比較均勻，表明該降雨系統(tǒng)能夠在離心模型試驗過程中較好的在邊坡表面實現(xiàn)全面均勻的降雨。
    采用新開發(fā)的降雨系統(tǒng)對一黏性土坡進行了降雨的離心模型試驗。結果表明降雨及其入滲過程對邊坡的變形有顯著影響。
    參考文獻：略