滑坡角及其變化在滑坡孕育發(fā)展過程中的重要地位

1、滑坡角及其變化在滑坡孕育、發(fā)展過程中的地位*作者簡(jiǎn)介：王昌益(1959)，男，漢，工程師。研究方向：物理學(xué)、力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)、礦產(chǎn)勘探與開發(fā)。聯(lián)系人： 王昌益，；電話：；手機(jī)：；通訊地址：蓬萊國(guó)土資源局，265600王昌益（1蓬萊市國(guó)土資源局 265600；2青島理工大學(xué)研究生處）摘 要：滑坡角是控制滑坡現(xiàn)象孕育、發(fā)展與發(fā)生的決定性因素之一。人們?cè)缇妥⒁獾搅嘶陆菍?duì)滑坡現(xiàn)象發(fā)生的控制性，但是，將滑坡角視為一種動(dòng)力學(xué)因素，始終還沒有納入議事日程。根據(jù)滑坡動(dòng)力學(xué)方程，滑坡角在滑坡現(xiàn)象中扮演著極其重要的角色，在今后的滑坡預(yù)測(cè)研究中，必須高度重視滑坡角對(duì)滑坡現(xiàn)象的控制作用。關(guān)鍵詞：滑坡角；控制

2、；滑坡動(dòng)力學(xué)方程中途分類號(hào)：O3、O4、O5、P5、P6、P3、X43（見中國(guó)圖書館分類法）對(duì)滑坡現(xiàn)象形成控制的除了動(dòng)力和邊坡巖土層物質(zhì)性質(zhì)兩種重要因素外，還有一種非常重要的因素，就是滑坡角。滑坡角是控制滑坡現(xiàn)象孕育、發(fā)展與發(fā)生的決定性因素之一。人們?cè)缇妥⒁獾搅嘶陆菍?duì)滑坡現(xiàn)象發(fā)生的控制性，但是，將滑坡角視為一種動(dòng)力學(xué)因素，始終還沒有納入議事日程。據(jù)近年來的滑坡預(yù)測(cè)實(shí)踐與理論研究發(fā)現(xiàn)：重視滑坡角及其變化對(duì)滑坡現(xiàn)象的控制性研究極其重要?；陆遣粌H控制滑坡的方向，而且控制滑坡的動(dòng)力大小?；陆遣⒉皇侨我猱a(chǎn)生的任意一個(gè)三角幾何角度，而是由邊坡物質(zhì)所處的天然環(huán)境（邊界條件）確定的一個(gè)特定角度。重視滑坡

3、角的研究就是重視對(duì)滑坡環(huán)境研究，其研究意義主要是事先確定滑坡的方向，進(jìn)而對(duì)滑坡進(jìn)行準(zhǔn)確的定量預(yù)測(cè)。1 滑坡動(dòng)力學(xué)方程概論探索科學(xué)問題必須符合客觀統(tǒng)一和科學(xué)統(tǒng)一規(guī)律?；陆菍?duì)滑坡現(xiàn)象的控制也不能脫離動(dòng)力學(xué)規(guī)律，要認(rèn)識(shí)滑坡角在滑坡現(xiàn)象中的控制地位，首先必須清楚控制滑坡現(xiàn)象孕育、發(fā)展與發(fā)生過程的各種因素之間的定量統(tǒng)一規(guī)律，掌握描述滑坡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的動(dòng)力學(xué)方程，否則，就無法正確認(rèn)識(shí)滑坡角在滑坡現(xiàn)象中的控制地位。為此，這里首先簡(jiǎn)述滑坡動(dòng)力學(xué)方程問題。用力學(xué)語言來表達(dá)，滑坡動(dòng)力學(xué)方程由一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方程組構(gòu)成。即 . 1-1式中，P表示控制滑坡現(xiàn)象發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力；F表示合力；R表示阻力；E是滑坡體的不穩(wěn)定性質(zhì)特

4、征值，體現(xiàn)滑坡體的失穩(wěn)程度，稱不穩(wěn)定特征值；T是滑坡體的穩(wěn)定性質(zhì)特征值，體現(xiàn)滑坡體的穩(wěn)定程度，叫穩(wěn)定特征值。驅(qū)動(dòng)力P由重力、大氣降水、地表水、地下水、泥石流等產(chǎn)生，通過觀測(cè)滑坡物質(zhì)密度和地表地下水以及泥石流流量便可以獲得，所以，P值是可獲得值；合力F等于滑坡質(zhì)量與它的加速度之積，其中，質(zhì)量可以用單位質(zhì)量（即密度）代表，加速度可以測(cè)得，所以，合力值不難獲得；阻力R等于合力與力之差，也不難獲得。因此，穩(wěn)定性特征值與不穩(wěn)定特征值都是很容易獲得的參數(shù)值。T和E都不是簡(jiǎn)單的調(diào)整系數(shù)，而是根據(jù)力學(xué)理論和對(duì)立統(tǒng)一理論推導(dǎo)出來的一對(duì)具有對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系規(guī)律的自然參數(shù)。由于人為確定的參數(shù)值與各種自然科學(xué)量之間不滿足

5、客觀統(tǒng)一與對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律，往往導(dǎo)致科學(xué)研究錯(cuò)誤現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，本文不引用任何具有人為規(guī)定性的自然科學(xué)參數(shù)。T和E之間的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系式是 . 1-2就是說，滑坡體的穩(wěn)定程度T=1，不穩(wěn)定程度就是E=0；相反，滑坡體的穩(wěn)定程度T=0，不穩(wěn)定程度就是E=1；滑坡體的穩(wěn)定程度T=0.9，不穩(wěn)定程度就是E=0.1.實(shí)際上，T和E就是判定滑坡現(xiàn)象發(fā)生還是不發(fā)生的最可靠判據(jù)。從理論上來說，這兩個(gè)判據(jù)應(yīng)該是很可靠的，至于在實(shí)踐應(yīng)用中是否可靠，那還取決于觀測(cè)研究所得來的數(shù)據(jù)是否可靠?？刂苹逻\(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力P和不穩(wěn)定特征值E都是變化的，所以，設(shè)驅(qū)動(dòng)力由P0變?yōu)镻t，則有驅(qū)動(dòng)力變化率與驅(qū)動(dòng)力P0和Pt以及作用時(shí)間t之間

6、的關(guān)系式 ； 1-3設(shè)不穩(wěn)定性特征值由E0變?yōu)镋t，則有不穩(wěn)定特征值的變化率與特征值E0和Et以及時(shí)間t之間的關(guān)系式 . 1-4將式1-3和式1-4代入式，得. 1-5這被稱為描述滑坡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的動(dòng)力學(xué)方程的完整形式。2 滑坡角在滑坡動(dòng)力學(xué)方程中的地位滑坡角構(gòu)成控制滑坡的一個(gè)重要因素，與滑坡現(xiàn)象和其它因素共同產(chǎn)生了滑坡動(dòng)力學(xué)方程。那么，滑坡角在滑坡動(dòng)力學(xué)方程中的位置或地位是什么？從式1-1和式1-5來看，控制滑坡的要素并不含滑坡角。是的，滑坡角對(duì)滑坡現(xiàn)象構(gòu)了獨(dú)特的控制，但它是控制作用程度和變化程度或控制滑坡體穩(wěn)定性的形式在滑坡現(xiàn)象中起著控制作用，所以，通常被包含在動(dòng)力學(xué)方程的的不穩(wěn)定性質(zhì)特征值和

7、穩(wěn)定性質(zhì)特征值中。那么，該怎樣來認(rèn)識(shí)滑坡角對(duì)滑坡現(xiàn)象孕育、發(fā)生與發(fā)展的控制作用呢？滑坡角在滑坡動(dòng)力學(xué)方程中究竟處于什么地位呢？下面讓我們來探討這個(gè)問題。據(jù)研究得知，滑坡角是通過控制驅(qū)動(dòng)力的有效作用率和滑坡方向來控制滑坡運(yùn)動(dòng)的。在垂直方向上，由于存在地層物質(zhì)，不存在可以滑動(dòng)的空間余地，所以，只有在那種存在可以滑動(dòng)的空間的方向上可以滑動(dòng)，即向可以滑坡的邊界方向滑動(dòng)。這樣以來，驅(qū)使滑坡運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力P就被滑坡角減小或增大為， 2-1如圖所示，所以，滑坡角對(duì)滑坡產(chǎn)生的控制性被包含在式1-1中的E值和T值之中?；娈a(chǎn)生的支承力是一種不平衡力，它在滑坡方向上也產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)滑坡物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分力，其大小等于.這個(gè)

8、分力也疊加在驅(qū)動(dòng)滑坡運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力之上。這個(gè)力雖然很小，但對(duì)巨大的滑坡體來說，這個(gè)力是不可忽視的一種強(qiáng)大動(dòng)力。如果將滑坡角看作是控制滑坡現(xiàn)象孕育、發(fā)展與發(fā)生的一種因素進(jìn)行單獨(dú)考慮，那么，滑坡動(dòng)力學(xué)方程組的力學(xué)形式就應(yīng)該表達(dá)為 . 2-2因此，滑坡動(dòng)力學(xué)方程的完整形式可以表達(dá)為 . 2-3表1 滑坡角與值對(duì)照表滑坡角5°10°15°20°25°30°35°40°45°(1+cos2)sin0.17330.34210.50030.64400.69430.8750.95851.019991.0607滑坡角50&#

9、176;55°60°65°70°75°80°85°90°(1+cos2)sin1.08261.08861.08251.06821.04961.03061.01451.003761.0000根據(jù)此式，滑坡角對(duì)滑坡現(xiàn)象的控制起著至關(guān)重要的決定性作用。例如，當(dāng)滑坡角等于0時(shí)，不存在傾斜滑坡的斜面，滑坡現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生；當(dāng)滑坡角等于90°時(shí)，滑坡角對(duì)滑坡不產(chǎn)生控制，如果，那么，滑坡體就變成了自由落體；當(dāng)=30°時(shí)，； 2-4當(dāng)=45°時(shí)， 2-5當(dāng)=60°時(shí)，. 2-6可見，滑坡角在控制

10、滑坡運(yùn)動(dòng)中起著至關(guān)重要的地位，而且，當(dāng)滑坡角大到一定數(shù)值時(shí)，基巖的支承力不僅不再構(gòu)成阻止滑坡現(xiàn)象發(fā)生的阻力了，而且變成了驅(qū)動(dòng)滑坡現(xiàn)象發(fā)生的一種驅(qū)動(dòng)分力。因此，在滑坡預(yù)測(cè)研究中，事先勘察地貌形態(tài)、確定可能出現(xiàn)的滑坡角度是至關(guān)重要的一項(xiàng)任務(wù)。3 滑坡角的變化對(duì)滑坡現(xiàn)象的影響受運(yùn)行環(huán)境控制，滑坡角在滑坡運(yùn)動(dòng)中是不斷變化的。無疑，這種變化對(duì)滑坡現(xiàn)象也產(chǎn)生著直接影響。根據(jù)滑坡動(dòng)力學(xué)方程，這種影響是直接改變滑坡的動(dòng)力大小與方向。若滑坡角由0變?yōu)閠=0+，那么，根據(jù)式2-3，滑坡動(dòng)力學(xué)方程為 . 3-1如果滑坡角增大，如由30°增加到45°，滑坡動(dòng)量將由 3-2變?yōu)?； 3-3二者之差即

11、滑坡體的動(dòng)量增量為 ； 3-4這是一個(gè)可怕的數(shù)字。假設(shè)，滑坡體的質(zhì)量是m=1000萬噸，v0=0.01米/秒，P=9800000萬牛頓，t=1000萬萬牛頓，t=1秒，那么，滑坡體增加的動(dòng)量是 公斤米/秒。 3-5與此相反，如果滑坡角變小，也將會(huì)引起滑坡體在滑動(dòng)方向上所受的動(dòng)力減小。4 滑坡角與滑坡現(xiàn)象之間關(guān)系研究舉例涼水井滑坡位于云陽故陵鎮(zhèn)的長(zhǎng)江右岸斜坡地帶，滑坡平面形態(tài)呈“U”形，為圈椅狀地形，南高北低，后部和前部地形較陡，中部地形較緩，自然坡度20°35°?；虑熬壐叱碳s100m，后緣高程約319.5m，縱向長(zhǎng)約434m，橫向?qū)捈s358m，面積約11.82×

12、104m2，總體積約407.79×104m3?；w為滑坡堆積（Q4del），物質(zhì)組成在垂向上變化較大，上部為含角礫粉質(zhì)粘土、碎塊石土為主，下部為砂巖、泥巖塊石及未完全解體的“假基巖”?；矠橘_系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）泥巖和砂巖互層，巖層產(chǎn)狀為340°4551°?；婧缶壿^陡，中部和前部逐漸變緩，整體略向左傾，為推移式滑坡，滑帶為含角礫粉質(zhì)粘土，厚35cm，含水量高，滑動(dòng)方向與現(xiàn)坡向基本一致。典型地質(zhì)剖面見圖1。圖1典型工程地質(zhì)剖面圖2009年1月，三峽庫區(qū)175m試驗(yàn)性蓄水，滑坡中前部受庫水浮托作用，中前部出現(xiàn)地表裂縫。2009年3月底水位降至160m時(shí)遇暴雨，

13、變形加劇，形成了以后緣張拉裂縫和兩側(cè)剪切裂縫相貫通的邊界裂縫，裂縫寬40410mm，下挫高20660mm；中前部因受后部滑體擠壓形成鼓脹裂縫；前緣受塌岸作用，發(fā)育有張拉裂縫，裂縫分布見圖2。簡(jiǎn)易裂縫監(jiān)測(cè)表明，裂縫寬度持續(xù)緩慢增加，滑坡處于蠕動(dòng)變形狀態(tài)?；率Х€(wěn)后可能堵塞長(zhǎng)江航道，產(chǎn)生的涌浪可能威脅到上下游數(shù)十公里的船只的安全，為了確保航道及船只安全，為災(zāi)害預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)，采用專業(yè)預(yù)警監(jiān)測(cè)。事實(shí)上，天然低洼空區(qū)規(guī)定產(chǎn)生的滑坡角是控制涼水井滑坡的一個(gè)重要因素。如果沒有這種虛空的低洼地帶存在，滑坡現(xiàn)象是不會(huì)發(fā)生的。根據(jù)觀測(cè)資料，2009年1月前，涼水井滑坡現(xiàn)象已經(jīng)在孕育和發(fā)展，只是較緩慢。2009

14、年3月底，在其它作用和以往變形基礎(chǔ)上進(jìn)一步遇到暴雨加載，滑坡現(xiàn)象出現(xiàn)了加速和突變現(xiàn)象。暴雨持續(xù)5小時(shí)，降雨量為0.1mm/秒，降雨前的張裂變形速度（沿滑面運(yùn)行的滑坡速度）為0.001mm/秒，降雨時(shí)的張裂變形速度是1.06mm/秒。根據(jù)滑坡動(dòng)力學(xué)方程，短暫的暴雨過后，總共產(chǎn)生的滑坡位移增量是mm.5 結(jié)論總之，滑坡角及其變化構(gòu)成了控制滑坡現(xiàn)象發(fā)生的重要因素，在今后的滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治研究中，必須對(duì)其給予高度重視。參考文獻(xiàn)  1王昌益，孫潔.滑坡預(yù)測(cè)的作用學(xué)原理；城市建設(shè)，2010.02下旬刊總第56期：183  2王昌益，賀可強(qiáng). 作用的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律在滑坡研究中的應(yīng)用；青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009年3期  3王昌益，賀可強(qiáng).論地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其研究方法；青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)；2010年第2期  4王昌益，孫潔.作用學(xué)概論；城市建設(shè)，2010.03下旬刊總第59期:315  5. 王昌益.論力學(xué)缺陷，人文社科論壇；2010.9總170期：596. 王昌益，王守岐，劉志英.運(yùn)動(dòng)的水對(duì)滑坡體產(chǎn)生的機(jī)械作用；2003.01：507. 山田剛二，渡