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文檔簡(jiǎn)介
1、滑坡角及其變化在滑坡孕育、發(fā)展過(guò)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(kāi)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(méi)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(jiàn)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?;陆鞘强刂苹卢F(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(méi)有納入議事日程。據(jù)近年來(lái)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。滑坡角并不是任意產(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(wèn)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(guò)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(wú)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(wèn)題。用力學(xué)語(yǔ)言來(lái)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(guò)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(lái)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(shuō),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(lái)說(shuō),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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。據(jù)研究得知,滑坡角是通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)力的有效作用率和滑坡方向來(lái)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(lái),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。滑面產(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(lái)說(shuō),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(jiàn),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(wú)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(wàn)噸,v0=0.01米/秒,P=9800000萬(wàn)牛頓,t=1000萬(wàn)萬(wàn)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(yáng)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°。滑坡前緣高程約100m,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°。滑面后緣較陡,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(jiàn)圖1。圖1典型工程地質(zhì)剖面圖2009年1月,三峽庫(kù)區(qū)175m試驗(yàn)性蓄水,滑坡中前部受庫(kù)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(jiàn)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(méi)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(guò)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
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