滑坡角及其变化在滑坡孕育、发展过程中的重要地位

滑坡角及其变化在滑坡孕育、发展过程中的地位王昌益（1蓬莱市国土资源局265600；2青岛理工大学研究生处）摘要：滑坡角是控制滑坡现象孕育、发展与发生的决定性因素之一。人们早就注意到了滑坡角对滑坡现象发生的控制性，但是，将滑坡角视为一种动力学因素，始终还没有纳入议事日程。根据滑坡动力学方程，滑坡角在滑坡现象中扮演着极其重要的角色，在今后的滑坡预测研究中，必须高度重视滑坡角对滑坡现象的控制作用。关键词：滑坡角；控制；滑坡动力学方程中途分类号：O3、O4、O5、P5、P6、P3、X43（见《中国图书馆分类法》）对滑坡现象形成控制的除了动力和边坡岩土层物质性质两种重要因素外，还有一种非常重要的因素，就是滑坡角。滑坡角是控制滑坡现象孕育、发展与发生的决定性因素之一。人们早就注意到了滑坡角对滑坡现象发生的控制性，但是，将滑坡角视为一种动力学因素，始终还没有纳入议事日程。据近年来的滑坡预测实践与理论研究发现：重视滑坡角及其变化对滑坡现象的控制性研究极其重要。滑坡角不仅控制滑坡的方向，而且控制滑坡的动力大小。滑坡角并不是任意产生的任意一个三角几何角度，而是由边坡物质所处的天然环境（边界条件）确定的一个特定角度。重视滑坡角的研究就是重视对滑坡环境研究，其研究意义主要是事先确定滑坡的方向，进而对滑坡进行准确的定量预测。1．滑坡动力学方程概论探索科学问题必须符合客观统一和科学统一规律。滑坡角对滑坡现象的控制也不能脱离动力学规律，要认识滑坡角在滑坡现象中的控制地位，首先必须清楚控制滑坡现象孕育、发展与发生过程的各种因素之间的定量统一规律，掌握描述滑坡运动规律的动力学方程，否则，就无法正确认识滑坡角在滑坡现象中的控制地位。为此，这里首先简述滑坡动力学方程问题。用力学语言来表达，滑坡动力学方程由一个非常简单的方程组构成。即TPREPFPPP0.1-1作者简介：王昌益(1959—)，男，汉，工程师。研究方向：物理学、力学、地质学、环境地质学、矿产勘探与开发。联系人：王昌益，[e-mail]；电话：[phone]；手机：[phone]；通讯地址：蓬莱国土资源局，265600式中，P表示控制滑坡现象发生的驱动力；F表示合力；R表示阻力；E是滑坡体的不稳定性质特征值，体现滑坡体的失稳程度，称不稳定特征值；T是滑坡体的稳定性质特征值，体现滑坡体的稳定程度，叫稳定特征值。驱动力P由重力、大气降水、地表水、地下水、泥石流等产生，通过观测滑坡物质密度和地表地下水以及泥石流流量便可以获得，所以，P值是可获得值；合力F等于滑坡质量与它的加速度之积，其中，质量可以用单位质量（即密度）代表，加速度可以测得，所以，合力值不难获得；阻力R等于合力与力之差，也不难获得。因此，稳定性特征值与不稳定特征值都是很容易获得的参数值。T和E都不是简单的调整系数，而是根据力学理论和对立统一理论推导出来的一对具有对立统一关系规律的自然参数。由于人为确定的参数值与各种自然科学量之间不满足客观统一与对立统一规律，往往导致科学研究错误现象出现。因此，本文不引用任何具有人为规定性的自然科学参数。T和E之间的对立统一关系式是1ET.1-2就是说，滑坡体的稳定程度T=1，不稳定程度就是E=0；相反，滑坡体的稳定程度T=0，不稳定程度就是E=1；滑坡体的稳定程度T=0.9，不稳定程度就是E=0.1.实际上，T和E就是判定滑坡现象发生还是不发生的最可靠判据。从理论上来说，这两个判据应该是很可靠的，至于在实践应用中是否可靠，那还取决于观测研究所得来的数据是否可靠。控制滑坡运动的驱动力P和不稳定特征值E都是变化的，所以，设驱动力由P0变为Pt，则有驱动力变化率ε与驱动力P0和Pt以及作用时间t之间的关系式tPPt0；1-3设不稳定性特征值由E0变为Et，则有不稳定特征值的变化率β与特征值E0和Et以及时间t之间的关系式tEEt0.1-4将式1-3和式1-4代入式EPF，得dtdtmtPvtExtt00000.1-5这被称为描述滑坡运动规律的动力学方程的完整形式。2．滑坡角在滑坡动力学方程中的地位滑坡角构成控制滑坡的一个重要因素，与滑坡现象和其它因素共同产生了滑坡动力学方程。那么，滑坡角在滑坡动力学方程中的位置或地位是什么？从式1-1和式1-5来看，控制滑坡的要素并不含滑坡角。是的，滑坡角对滑坡现象构了独特的控制，但它是控制作用程度和变化程度或控制滑坡体稳定性的形式在滑坡现象中起着控制作用，所以，通常被包含在动力学方程的的不稳定性质特征值和稳定性质特征值中。那么，该怎样来认识滑坡角对滑坡现象孕育、发生与发展的控制作用呢？滑坡角在滑坡动力学方程中究竟处于什么地位呢？下面让我们来探讨这个问题。据研究得知，滑坡角是通过控制驱动力的有效作用率和滑坡方向来控制滑坡运动的。在垂直方向上，由于存在地层物质，不存在可以滑动的空间余地，所以，可能出现的不同滑面可滑空边坡状态与可能出间现的滑面示意图作用关系示意图N滑体RαFαP只有在那种存在可以滑动的空间的方向上可以滑动，即向可以滑坡的边界方向滑动。这样以来，驱使滑坡运动的驱动力P就被滑坡角α减小或增大为sincos12PP，2-1如图所示，所以，滑坡角对滑坡产生的控制性被包含在式1-1中的E值和T值之中。滑面产生的支承力是一种不平衡力，它在滑坡方向上也产生一个驱动滑坡物质运动的分力，其大小等于sincos2P.这个分力也叠加在驱动滑坡运动的驱动力之上。这个力虽然很小，但对巨大的滑坡体来说，这个力是不可忽视的一种强大动力。如果将滑坡角看作是控制滑坡现象孕育、发展与发生的一种因素进行单独考虑，那么，滑坡动力学方程组的力学形式就应该表达为sincos1sincos1220TPREPFPPP.2-2因此，滑坡动力学方程的完整形式可以表达为dtdtmtPvtExtt020000sincos1.2-3表1滑坡角与sincos12值对照表滑坡角θ5°10°15°20°25°30°35°40°45°(1+cos2θ)sinθ0.17330.34210.50030.64400.69430.8750.95851.019991.0607滑坡角θ50°55°60°65°70°75°80°85°90°(1+cos2θ)sinθ1.08261.08861.08251.06821.04961.03061.01451.003761.0000根据此式，滑坡角对滑坡现象的控制起着至关重要的决定性作用。例如，当滑坡角等于0时，不存在倾斜滑坡的斜面，滑坡现象不会发生；当滑坡角等于90°时，滑坡角对滑坡不产生控制，如果00tEEt，那么，滑坡体就变成了自由落体；当α=30°时，dtdtmtPvtExtt00000875.0；2-4当α=45°时，dtdtmtPvtExtt000000607.12-5当α=60°时，dtdtmtPvtExtt000000825.1.2-6可见，滑坡角在控制滑坡运动中起着至关重要的地位，而且，当滑坡角大到一定数值时，基岩的支承力不仅不再构成阻止滑坡现象发生的阻力了，而且变成了驱动滑坡现象发生的一种驱动分力。因此，在滑坡预测研究中，事先勘察地貌形态、确定可能出现的滑坡角度是至关重要的一项任务。3．滑坡角的变化对滑坡现象的影响受运行环境控制，滑坡角在滑坡运动中是不断变化的。无疑，这种变化对滑坡现象也产生着直接影响。根据滑坡动力学方程，这种影响是直接改变滑坡的动力大小与方向。若滑坡角由α0变为αt=α0+△α，那么，根据式2-3，滑坡动力学方程为dtdtmtPvtExtt00020000sincos1.3-1如果滑坡角增大，如由30°增加到45°，滑坡动量将由tdttPmvtEmv00000875.03-2变为ttdttPmvtEmv00000605.1；3-3二者之差即滑坡体的动量增量为tdttPmvtEmv00001855.0；3-4这是一个可怕的数字。假设01.00tE，滑坡体的质量是m=1000万吨，v0=0.01米/秒，P=9800000万牛顿，εt=1000万万牛顿，t=1秒，那么，滑坡体增加的动量是3674755001855.00000tdttPmvtEmv公斤米/秒。3-5与此相反，如果滑坡角变小，也将会引起滑坡体在滑动方向上所受的动力减小。4．滑坡角与滑坡现象之间关系研究举例凉水井滑坡位于云阳故陵镇的长江右岸斜坡地带，滑坡平面形态呈“U”形，为圈椅状地形，南高北低，后部和前部地形较陡，中部地形较缓，自然坡度20°～35°。滑坡前缘高程约100m，后缘高程约319.5m，纵向长约434m，横向宽约358m，面积约11.82×104m2，总体积约407.79×104m3。滑体为滑坡堆积（Q4del），物质组成在垂向上变化较大，上部为含角砾粉质粘土、碎块石土为主，下部为砂岩、泥岩块石及未完全解体的“假基岩”。滑床为侏罗系中统沙溪庙组（J2s）泥岩和砂岩互层，岩层产状为340°∠45～51°。滑面后缘较陡，中部和前部逐渐变缓，整体略向左倾，为推移式滑坡，滑带为含角砾粉质粘土，厚3～5cm，含水量高，滑动方向与现坡向基本一致。典型地质剖面见图1。图1典型工程地质剖面图2009年1月，三峡库区175m试验性蓄水，滑坡中前部受库水浮托作用，中前部出现地表裂缝。2009年3月底水位降至160m时遇暴雨，变形加剧，形成了以后缘张拉裂缝和两侧剪切裂缝相贯通的边界裂缝，裂缝宽40～410mm，下挫高20～660mm；中前部因受后部滑体挤压形成鼓胀裂缝；前缘受塌岸作用，发育有张拉裂缝，裂缝分布见图2。简易裂缝监测表明，裂缝宽度持续缓慢增加，滑坡处于蠕动变形状态。滑坡失稳后可能堵塞长江航道，产生的涌浪可能威胁到上下游数十公里的船只的安全，为了确保航道及船只安全，为灾害预防提供科学依据，采用专业预警监测。事实上，天然低洼空区规定产生的滑坡角是控制凉水井滑坡的一个重要因素。如果没有这种虚空的低洼地带存在，滑坡现象是不会发生的。根据观测资料，2009年1月前，凉水井滑坡现象已经在孕育和发展，只是较缓慢。2009年3月底，在其它作用和以往变形基础上进一步遇到暴雨加载，滑坡现象出现了加速和突变现象。暴雨持续5小时，降雨量为0.1mm/秒，降雨前的张裂变形速度（沿滑面运行的滑坡速度）为0.001mm/秒，降雨时的张裂变形速度是1.06mm/秒。根据滑坡动力学方程dtdtmtPvtExtt020000sincos1，短暂的暴雨过后，总共产生的滑坡位移增量是673xmm.5．结论总之，滑坡角及其变化构成了控制滑坡现象发生的重要因素，在今后的滑坡灾害预测与防治研究中，必须对其给予高度重视。参考文献[1]．王昌益，孙洁.滑坡预测的作用学原理；城市建设，2010.02下旬刊总第56期：183[2]．王昌益，贺可强.作用的对立统一规律在滑坡研究中的应用；青岛理工大学学报，2009年3期[3]．王昌益，贺可强.论地下水运动规律及其研究方法；青岛理工大学学报；2010年第2期[4]．王昌益，孙洁.作用学概论；城市建设，2010.03下旬刊总第59期:315[5].王昌益.论力学缺陷，人文社科论坛；2010.9总170期：59[6].王昌益，王守岐，刘志英.运动的水对滑坡体产生的机械作用；2003.01：50[7].山田刚二，渡正亮，小岛澄治，《滑坡和斜坡崩塌及其防治》翻译组译．滑坡和斜坡崩