降雨林芝森林火场进行人工降雨

第19卷第1期2012年2月水土保持研究ResearchofSoilandWaterConservationVol.
19,No.
1Feb.
,2012收稿日期:2011-07-18修回日期:2011-11-02资助项目:行政院农业委员会农粮署科技计划(97农科10.
2.
1粮Z1.
2及98农科7.
3.
1粮Z1.
2)作者简介:陈天健(1963—),男,台湾嘉义人,博士,副教授,研究方向:滑坡预警、土石流、坡地灾害.
E-mail:tcchen@mail.
npust.
edu.
tw人工降雨模型试验研究降雨入渗对滑坡类型之影响陈天健,蔡和伦,黄彦荣,颜宏益,张佑舜(屏东科技大学水土保持系,台湾屏东91201)摘要:台湾属海岛型气候,因而年雨量丰沛,降雨时间与空间的不均匀,对台湾大量的山坡地造成威胁.
该研究系利用人工降雨系统,配合土壤模型试体探讨强降雨下滑坡破坏型态与坡体饱和度之关系,以对各种边坡稳定、边坡破坏获得更进一步的了解.
研究结果得知边坡滑动主要发生在坡体趋近稳定饱和时,而坡面冲蚀则受土壤饱和度影响较小.
土壤渗透率与降雨强度之关系亦影响着坡面破坏型态,降雨强度远大于土壤渗透系数时,其破坏型态以浅层滑动为主;降雨强度近似于土壤土壤渗透系数时,则主要为较深层滑动;若降雨强度小于土壤临界入渗率时,则主要为表面冲蚀破坏.
关键词:强降雨;土壤渗透率;滑坡类型;模式试验中图分类号:P642.
22文献标识码:A文章编号:1005-3409(2012)01-0254-04SlopeFailureModeRelatedtoSoilInfiltration-LaboratoryRainfallModelTestCHENTien-chien,CAIHe-lun,HUANGYan-rong,YANHong-yi,JHANGYou-shun(DepartmentofSoilandWaterConservation,NationalPingtungUniversityofScienceandTechnology,Pingtung,Taiwan91201,China)Abstract:Taiwan,anislandclimatewithabundantannualrainfall,hillsideresidentisthreatenbyinducinglandslidefromtheviolentvariationofrainfallontimeandspatialdistribution.
Thisstudyperformstheland-slidemodeltesttostudythelandslidemoderelatedtoslopesaturationincreasedbyhighintensityrainfall.
Resultsshowedthatslopeslidingoccurredmainlyintheperiodofthesoilclosertohighsaturation,opposite-ly,slopeerosionislessaffectedbysoilsaturation.
Soilpermeabilityandrainfallintensityalsoaffecttheslopefailuremode,thefailuremodeismainlyshallowslidingastherainfallintensitymuchgreaterthansoilpermeability;thedeeperslidingismainlyforthecaseofrainfallintensitymuchgreaterthansoilpermeabili-ty;last,thesurfacerunofferosionisusuallyfortherainfallintensitymuchlowerthansoilpermeability.
Keywords:highintensityrainfall;soilpermeability;slopefailuremode;modeltest台湾位于太平洋西侧,为板块运动所形成之岛屿,南北狭长,东西短窄,山势险峻且平原狭窄,山坡地占全岛的2/3,由海平面拔升至4000m的玉山,地形海拔变化大.
百姓居住地紧邻山坡地,各种坡地灾害即为保全生命及财产的重要课题.
水是各种坡地问题的主要原因之一.
台湾为海岛型气候,南、北部属不同季风气候,水的来源主要来自降雨,冬季主要为东北季风季节,夏季除梅雨带来丰沛雨量,亦受台风之影响而产生剧烈降雨.
台湾虽年降雨量丰沛,但随季节、位置、海拔的不同,降雨量亦随之有显著变化,降雨时间及空间极不均匀.
降雨对台湾山坡地所造成之影响相当大,降雨所产生的入渗,会造成地下水位上升、土壤饱和、土壤抗剪强度下降等,进而造成各种的滑坡型态,而降雨为其重要之诱因之一[2-3,5-9].
基于此,本文通过室内人工降雨之模型实验来观察降雨入渗行为及其对滑坡形态的影响.
1试验设备1.
1人工模拟降雨实验室人工仿真降雨实验室位于屏东科技大学校区.
建筑物总面积达210.
27m2,共四层楼高.
人工模拟降雨实验室设于建筑物内部,包含降雨设备及仪器等.
考虑在无风的条件下,雨滴在降落9.
5m后达到终端速度,藉此可进行在不同降雨条件下土体或土层受雨滴撞击之冲蚀、径流、入渗、破坏等相关行为研究.
1.
2实验设备试验所使用的人工仿真降雨系统位于屏东科技大学降雨模拟实验室,此降雨设备共有4个降雨板,其有效降雨面积为12m2,此降雨设备附有雨滴剪动网将雨滴剪散,藉此可更加模拟实际降雨之情形,室内人工模拟降雨设备在无风的条件下,雨滴在降落9.
5m后,即可达到所谓的终端速度[4].
雨滴产生器如照片1所示,其降雨量均匀度可达93%以上[1].
实验平台长5m,宽3m,如照片2所示.
采用钢架制成,实验平台下设油压千斤顶,可以电动驱使油压方式,使实验平台可抬升倾斜,最大倾斜角度为60°.
人工仿真降雨系统还包括数字化中央控制台、伺服加压马达、大型水箱、流量计、雨滴产生板、雨滴剪动板、降雨定时器等设备,可依不同实验需求改变降雨强度、降雨延时、降雨面积、雨滴剪动板剪动速率.
照片1雨滴产生器与雨滴剪动网照片2油压式实验平台2试验方法2.
1研究土样研究所采用之土砂为高屏溪之里港河砂及壤土做为研究用试验土样,本研究依不同配比将试验土砂分类为10种.
2.
2土壤物理性质试验本研究首先针对土砂之基本物理性质进行试验,以了解土壤基本特性及行为,作为分析工作之基本资料.
试验包含比重试验、筛分析试验、相对密度试验、定水头试验、直接剪力试验等.
(1)比重试验.
土粒单位重与4℃水的单位重比值,此值与颗粒所属的矿物有关,该高屏溪河砂的土粒比重试验结果为2.
70~2.
72.
(2)相对密度试验.
依标准试验程序,求出试验土砂之在最密实与最疏松状态的干土单位重,进而求得现场砂土的相对密度试验.
本文土体密度均采用相对密度Dr为50%,其干土单位重如表1所示.
(3)定水头试验.
试验目的是为求出试验土砂之土壤有效入渗k值,土壤渗透性系数之因次与流速相同,为流体流经孔隙介质之流速大小的量度,其实验结果如表1所示.
(4)直接剪力试验.
为求出试验土砂之临界摩擦角,用摩擦角来设计室内模拟边坡试验边坡坡度(表1).
表1试验土砂物理性质编号#4-50/%#50-200/%<#200/%渗透系数k/(cm·s-1)内摩擦角Φ/(°)土壤单位重γd/(t·m-3)1010000.
0062331.
3832850150.
0041461.
54036030100.
0027441.
64642337100.
0021361.
53855530150.
0018401.
657609550.
0015321.
40372065150.
0014341.
54985525200.
0007451.
55691862200.
0002311.
5652.
3室内模拟试验(1)滑坡试体模型.
首先于砂箱底部铺设不织布,并竖立土壤水分计于砂箱内,控制土壤相对密度Dr为50%,分五层加至砂箱内,进行夯实并整平,控制一层为5cm,共五层.
边坡坡面采用该土壤摩擦角为其坡角,以控制边坡稳定性趋近于临界状态.
最后552第1期陈天健等:人工降雨模型试验研究降雨入渗对滑坡类型之影响设置25个含编号之图钉,均匀分布至整个坡面,即完成模型试体如照片3所示.
照片3边坡试体示意图(2)模拟降雨.
降雨强度采用100mm/h进行试验,以模拟2009年8月莫拉克台风之豪雨状态,试验时程采至土体大规模滑动或降雨延时1h后试验停止,而后量测坡面之图钉移动量及量测坡面破坏情形,以进行分析及探讨.
3结果与分析针对边坡入渗促使饱和度上升而产生崩塌破坏情形进行说明.
本文挑选3组代表性滑坡型态说明,分别为降雨强度(100mm/h)低于土壤渗透系数(223mm/h)之1号土壤,以及降雨强度大于土壤渗透系数之3号与7号土壤(97与50mm/h).
3.
1边坡崩塌试验(1)1号边坡试体试验(土壤渗透系数223mm/h).
1号土壤边坡破坏于降雨延时40min土体表面水分增高,且因高强度降雨撞击动量下,表层土壤逐步产生粒料移动.
至降雨延时约60min,坡面明显呈现飞溅侵蚀状态,如照片4所示,表层土壤随降雨水分湿润状况,产生小起伏与缓慢下移.
1号土壤边坡饱和度与降雨延时关系,如图1所示.
图中上所显现的两条曲线,分别为顶部5cm及15cm之记录值.
图中显示坡体之饱和度均不高,最高仅达45%附近.
14分时坡面冲蚀发生在饱和度上升前,因其临界降雨强度远小于降雨强度,在水未入渗到土体之前已经流向坡面,导致坡面冲蚀产生,其冲蚀破坏结果随降雨延时增加而提升,饱和度于24min时快速上升,并于30min时饱和度逐渐稳定至降雨结束.
(2)3号边坡试体试验(土壤渗透系数97mm/h).
3号土壤边坡先于降雨延时20min左右时土体右方坡腹产生裂缝,而于第40min时裂缝发展成深层滑动,土体缓慢下移,坡趾部分亦逐渐渗水,最后滑动体缓慢堆积至坡趾,如照片5所示.
照片41号边坡试体之飞溅侵蚀状况图11号土壤边坡试体之饱和历时曲线图照片5三号边坡试体深层滑动状况3号土壤边坡饱和度与降雨延时关系如图2所示.
图中显示,坡体之饱和度呈现明显上升之曲线,最高达70%.
边坡试体之起始饱和度攀升时,坡面无任何反应;当边坡试体表层达高饱和度时,此时坡面出现粒料滑落,随之坡面开始出现飞溅冲蚀;坡体于第20分钟饱和度曲线将达到稳定时,边坡试体高饱和度区域深入,坡腹出现明显姴缝;直至第40分钟时边坡试体高饱和区域甚厚时,如图3所示,大规模滑动启动,当即产生深层滑坡.
图23号土壤边坡试体之饱和历时曲线652水土保持研究第19卷(3)7号试体崩塌试验(土壤渗透系数50mm/h).
7号土壤边坡先于降雨延时30min左右时土体右方坡腹产生裂缝,而于第52分钟时裂缝下方土体平行滑动发展成浅层滑动,如图3所示.
7号土壤边坡饱和度与降雨延时关系如图4所示.
图中显示,坡体上层土壤之饱和度呈现明显上升之曲线,最高达60%.
边坡坡面起始饱和度攀升时,坡面无任何反应;当试体表层达高饱和度时,此时坡面出现粒料滑落,随之坡面开始出现飞溅冲蚀;坡体于第30分钟饱和度曲线将达到稳定时,边坡试体高饱和度区域深入,坡腹出现1cm裂缝;直至第52分钟时边坡试体高饱和区域深入后,土体滑动启动,形成浅层滑坡.
浅层滑坡时,高饱和区域深度相对于深层滑坡之状况,深度较浅许多.
图37号边坡试体之崩塌面积示意图47号土壤边坡试体之饱和历时曲线3.
2土壤渗透率与降雨强度与滑坡型态9种土壤模型试验之滑坡型态结果如表2所示.
综合归纳结果显示,降雨强度远大于土壤渗透系数时,其破坏型态以浅层滑动为主;降雨强度近似于土壤渗透系数时,则主要为较深层滑动;若降雨强度小于土壤临界入渗率时,则主要为表面冲蚀破坏,由此显示土壤渗透率与降雨强度之关系亦影响着坡面破坏型态.
表2边坡模型试验滑坡类型结果编号降雨强度/(mm·h-1)渗透系数/(mm·h-1)坡角/(°)破坏型态110022333飞溅冲蚀210014846飞溅冲蚀31009744深层滑动41007536深层滑动51006540深层滑动61005432浅层滑动71005035浅层滑动81002545地表冲蚀9100832土砂流动4结论降雨强度远大于土壤渗透系数时,其破坏型态以浅层滑动为主;降雨强度近似于土壤土壤渗透系数时,则主要为较深层滑动;若降雨强度小于土壤临界入渗率时,则主要为表面冲蚀破坏;降雨之冲蚀作用受土壤渗透系数的影响较大,但受土壤饱和度之影响则较低;滑坡主要发生于土体内饱和度趋近稳定时,边坡土体高饱和度深度较浅时,较可能产生浅层滑坡;若土体高饱和度深度较深时,则较易形成深层滑坡.
由此可知土壤入渗行为会显著影响滑坡型态.
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