第 5章 重力侵蚀 的教学目的和方法教学目的,分析重力侵蚀发生机制及其发展规律,阐述重力侵蚀形式及影响重力侵蚀的自然因素。
掌握防治重力侵蚀的基本原理。
教学方法,以教师课堂讲授为主,学生自学、参阅课外书及野外实习为辅。
计划学时,约 4学时。
第 5章 重力侵蚀
5.1 重力侵蚀作用分析
5.2 崩塌
5.3 滑坡
5.4 错落
5.5 蠕动
5.6 陷穴与泻溜
5.1 重力侵蚀作用分析
5.1.1 坡面重力侵蚀作用重力侵蚀 是以单个落石、碎屑流或整块土体、岩体沿坡向下运动的一系列现象。由于坡地重力所移动的物质多系块体形式,故也称为块体运动 。
当重力克服了物体的惯性力和摩擦阻力时,物体就要向下移动。
在块体运动中地表水、地下水以及地震等因素往往起促进和触发作用。
5.1.2 坡面重力侵蚀应力
土粒岩屑或石块运动坡面上块体的 重力 G 可分解为与坡面平行的 下滑力 T与垂直坡面的 法向力 N,其关系为:
T= G sinθ
N= G cosθ
式中,θ ― 坡角 。
从以上分析知坡面上块体愈重,则下滑力 T愈大。
同时坡面上坡角愈陡,则其下滑力也愈大。
摩擦阻力 τ 增大到块体与坡面间最大摩擦阻力 τ f时块体处于极限平衡状态。这时 下滑力 T 刚好等于 摩擦阻力 τ f。与此相应的坡角为临界坡角。
将临界坡角称为该块体与该坡面间的 内摩擦角
( φ ),以 φ 来表示 。 若 τ f为松散块体的抗滑强度,
则有
τ f= N·tgφ = G cosθ ·tgφ
这时,坡面上的土粒,石块等的稳定条件应是:
T ≤ τ f
G sinθ ≤ G cosθ ·tgφ
Tgθ ≤ tg φ
θ ≤ φ
块体的整体位移块体运动有时还遇到另外一种阻力,即土层或岩层的 粘结力 C。此时 其块体运动的抗滑强度为,
τ f= N·tgφ 十 C·A
式中,C― 粘结力 (kg/ cm2); A― 运动块体与坡面的结触面积 (cm2)。
土体的粘结力与组成物质的成分、结构及土体含水量多少有密切关系。
总之,坡地上的块仲运动主要受重力引起的下滑和岩土块体的内摩擦力及粘结力的相互关系而定 。
其 稳定系数 K 为
K=抗滑阻力 /下滑力 =N·tgφ +C·A/T
当 K= 1时,岩体或土体处于 极限平衡 状态;
当 K< 1时,岩体或土体处于 不稳定 状态;
当 K> 1时,岩体或土体是 稳定 的 。
工程上一般采用 K= 2~ 3为安全稳定系数 。
5.2 崩塌
5.2.1 崩塌作用方式斜坡上的岩屑或块体在重力作用下,快速向下坡移动称为 崩塌 。崩塌过程按块体的地貌部位和崩塌形式又可分为山崩、塌岸和散落。
山崩 是山岳地区常发生的一种大规模崩塌现象,崩塌体能达数十万立方米。
河岸、湖岸 (库岸 )或海岸的陡坡,由于河水、湖水或海水的掏蚀而发生崩塌,称为 塌岸 。
散落 是岩屑沿斜坡向下作滚动和跳跃式地连续运动。
5.2.2 崩塌分类
根据组成坡地的物质结构崩积物崩塌,山坡上已经过崩塌的岩屑和沙土等物质,处于很松散状态 。
表层风化物崩塌,在地下水沿风化层下部的基岩面流动时,引起风化层沿基岩面崩塌 。
沉积物崩塌,由厚层的冰积物,冲积物或火山碎屑物组成的陡坡,由于结构松散,形成的崩塌 。
基岩崩塌,在基岩山坡上沿节理面、层面或断层面等发生的崩塌。
根据崩塌体移动形式和速度散落型崩塌,在节理或断层发育的陡坡,
或是软硬岩层相同的陡坡,或是由松散沉积物组成的陡坡,常常形成散落型崩塌 。
滑动型崩塌,这类崩塌沿一滑动面发生,
有时崩塌土体保持了整体形态,这种类型的崩塌和滑坡很相似 。
流动型崩塌,降雨时斜坡上的松散岩屑、
砂和粘土,受水浸透后产生流动崩塌。
5.2.3 崩塌形成条件
地形条件地形条件包括坡度和坡地相对高度。坡度对崩塌的影响最为明显,一般大于 33° 的山坡不论岩屑大小都将有可能发生移动。
坡地的相对高度和崩塌的规模有关,一般当坡地相对高度超过 50m时,就可能出现大型崩塌。
地质条件岩石中的节理、断层、地层产状和岩性等都对崩塌有直接影响。在节理和断层发育的山坡岩石破碎,很易发生崩塌。
当地层倾向和山坡坡向一致,而地层倾角小于山坡坡度角时,常沿地层层面发生崩塌。
气候条件气候可使岩石风化破碎,加快坡地崩塌形成的时间,在日温差、年温差较大的干旱、
半干旱地区,物理风化作用较强,在较短时间内岩石就会风化破碎。
地震及其它地震是崩塌的触发因素。地震时能形成数量多而规模很大的崩塌体。
在山区进行各种工程建设时,如不顾及自然地形条件,任意开挖、常使山坡平衡遭到破坏而发生崩塌。另外任意砍伐森林和在陡坡上开垦荒地也常引起崩塌。
5.3 滑坡
5.3.1 滑坡的地貌特征
滑坡体斜坡上向下滑动的那部分土体或岩体称之为 滑坡体 。由于整体下滑,土体大体还保持着原有结构,它以滑动面与下伏未滑地层分割开来,滑坡体与其周围不动土体在平面上的分界线称之为滑坡周界,它圈定了滑坡作用范围。
滑动面或滑动带滑坡体沿之下滑的面称为 滑动面 。在均质土体中其剖面为一个近似半圆弧形,通常上陡下缓,中部接近水平,前缘出口处常常形成逆向的反坡。
滑动面附近的土体有明显的扰动或拖曳褶皱等现象构成 滑动带 。滑动带的厚薄不一,从数厘米到数米不等。
滑坡后壁与滑坡台阶滑坡体与坡上方末动土石体之间,由一半圆形的围椅状陡崖分开,这个陡崖称为 滑坡壁 。
一般坡度为 60° ~ 80°,高度从数厘米至数米不等。
滑坡体下滑时,因滑体各段移动速度的差异产生分支滑动面,使滑坡体分裂成为几个错台,称之为 滑坡台阶 。
滑坡舌与滑坡鼓丘滑坡体前缘常呈舌状突出称为滑坡舌。由于滑坡舌是被推动的,故称被动主体。滑体上部则称为主动主体。滑体在滑动过程个滑坡舌前面常因受阻、挤压而鼓起,称滑坡鼓丘。
滑坡湖与滑坡洼地滑坡滑动后,在滑坡壁下部和滑坡台阶的后缘,即滑坡台阶的反坡处,常常形成滑坡洼地。有时因地面积水或地下水出露而形成 滑坡湖 或 湿地 。
环状拉张裂缝,由滑坡体向下滑动时产生的拉力造成的,属拉张裂缝。
剪切裂缝,因滑动土体与相邻不动土体之间相对位移产生剪切力造成。
鼓张裂缝,分布在滑体的下部,因滑体下滑受阻,使土体隆起形成的张开裂缝。
扇形张裂缝,在滑坡体最前缘,因滑坡舌向两侧扩散而形成的扇形或放射状张裂缝。
滑坡裂缝
5.3.2 滑坡的力学机制及滑坡形成条件
滑坡滑动的力学机制土坡的稳定系数 K为总抗滑力矩
K= —————————
滑动力矩对于均质土坡来说,滑动面上各点的抗滑阻力为,τ f=N·tgφ 十 C。
式中,C和 φ 为常数。 N为重力垂直于坡面的分力,φ 为内摩擦角。
滑坡形成条件斜坡的地貌特征决定了斜坡内部应力分布状态及地表流水特征,特别是斜坡的高度、陡度和外形是决定滑动力大小的主要因素。
斜坡的物质组成与地质结构也直接影响着滑坡的发生与否,它们的抗剪强度、抗风化、抗软化、
抗冲刷的能力不同,发生滑坡的频率也不一样。
地下水的作用是促使滑坡发生的极重要的因素,
地下水浸湿斜坡上的物质,显著地降低其抗剪强度。
5.3.3 滑坡类型及其发展阶段
滑坡类型根据滑坡的物质,可划分为黄土滑坡,粘土滑坡,碎屑滑坡和基岩滑坡 。
根据滑坡和岩层产状,岩性和构造等,可划分为顺层面滑坡,构造面滑坡和不整合面滑坡等 。
根据滑坡体的厚度,可划分为浅层滑坡 (数米 ),中层滑坡 (数米到二十米 )和深层滑坡 (数十米以上 )。
根据滑坡的触发原因,可划分为人工切坡滑坡,冲刷滑坡,超载滑坡,饱和水滑坡,潜蚀滑坡和地震滑坡等 。
滑坡发展阶段第一阶段为 蠕动变形阶段,在斜坡内部某一部分因抗剪强度小于剪切力而首先变形,产生微小的滑动。
第二阶段为 蠕动变形阶段,这一阶段长的可达数年,短的仅数月或几天。
第三阶段为 剧烈滑动阶段,在这一阶段中滑动面业已形成,岩体完全破裂,处于极限平衡状态。
第四阶段为 渐趋稳定阶段,经剧烈滑动之后,滑坡体变形重心降低,趋向停止。
斜坡形态的改变山区斜坡常常因河流凹岸侧蚀和人工开挖坡脚,造成高陡的边坡而发生滑坡,或是在坡顶堆积弃土,或建造工程建筑物。这些不但改变了斜坡的外形,也加大了承载力,使基部的土体加大下滑力,可能发生滑坡。
5.3.4 影响滑坡因素的分析
大气降水和地下水变化大雨、暴雨以及相随的大量地下水活动,
使土体容量骤增,加大滑动力,减小抗滑力导致滑坡发生。
山区河流水位具有很大变幅,高水位时滑带浸水范围扩大,增加土体容重,降低抗滑强度。
震动影响砂层或粗粉砂层如遇到震动,颗粒将重新排列,这种过程如发生在地下水面以上,可引起地面沉陷,如发生在地下水面以下,则引起浸水的砂或粉砂的液化发生流动,所以湿润的砂质斜坡受到震动后就很不稳定。
5.4 错落
5.4.1 错落的特征错落是指陡崖,陡坎,陡坡沿一些近似垂直的破裂面发生整体下坐位移 。 它的特征是垂直位移量大于水平位移量 。 错落体比较完整,大体上保持了原来的结构和产状 。
5.4.2 发生条件和原因
形成条件地貌条件是影响错落发生的因素之一,错落主要出现在山区峡谷河道两侧受到强烈侧蚀的部位。
地质条件是影响错落发生的因素之二,错落主要发生在粘结力较大的地层或坚硬岩层组成的陡崖或陡坡上常有大断层、大节理的地方。 大量统计结果表明坡角 θ,
内摩擦角 φ 和错落破裂面的角度 A的经验关系式为
A= ( θ +φ ) /2
影响因素山坡下部减少了支撑力量,如原为接近极限平衡的山坡,当河流下切侧蚀或波浪强烈击撞,
或人工开挖路堑,造成隐伏的倾斜软弱面下端处于临空状态,都是引起错落的因素。
5.5 蠕动
5.5.l 蠕动特征蠕动 主要是指土层、岩层和它们的风化碎屑物质在重力作用控制下,顺坡向下发生的十分缓慢的移动现象。移动的速度每年小的只有若于毫米,大的可达几十厘米。
根据蠕动的规模和性质,可以将蠕动划分为两大类型,即疏松碎屑物的蠕动与岩层蠕动。
5.5.2 松散层蠕动 (土屑或岩屑蠕动 )
斜坡上松散岩屑或表层土粒,由于冷热、
干湿变化而引起体积胀缩,并在重力作用下常常发生缓慢的顺坡向下移动。
引起松散土粒或岩屑蠕动的因素是多方面的。
温差和干湿变化在温湿地区主要是因温差变化 (包括冻融过程 )或干湿变化引起土粒或岩屑发生胀缩 。 膨胀时碎屑颗粒垂直于斜坡方向上抬,收缩下落时却是沿重力方向直落而下 。
在寒冷地区,冻融作用是引起土屑或岩屑蠕动的主要因素 。
粘土含量碎屑中粘土含量越多,蠕动现象越明显。
干湿变化对岩块碎屑体积胀缩的影响是微小的,
而对粘上的影响特别大,对塑性指数较高的膨润粘土影响则更大。
坡 度蠕动虽然可以出现在各种坡度的坡面上,但以在 25° ~ 30° 左右的坡地上最明显。
除此之外,蠕动还受到植物的摇动、动物践踏以及人类活动等因素的影响。
5.5.3 基岩岩层蠕动暴露于地表的岩层在重力作用下也发生十分缓慢的蠕动。蠕动的结果使岩层上部及其风化碎屑层顺坡向下呈弧形弯曲。岩层虽然发生弯曲,但并不扰乱层序,甚至在蠕动了的碎屑层中,层次都依然可见。
5.6 陷穴与泻溜由于土层表面受湿干、热冷、冻融等的变化而引起的涨缩作用,造成表土的剥裂,在重力作用下顺坡 泻溜 。雨水或片流沿黄土的垂直节理下渗,通过潜蚀作用,使裂隙逐渐扩大,
形成 陷穴 等重力侵蚀形式。
5.6.1 陷穴形成机制、分布与类型
陷穴形成机制及分布地表水沿黄土中的裂隙或孔隙下渗,对黄土产生溶蚀和侵蚀,并把可溶性盐类带走,致使下边掏空,当上边的土体失去顶托时,引起黄土的陷落,形成陷穴 。
陷穴多分布在地表水容易汇集的沟间地边缘地带和谷坡的上部,特别是冲沟的沟头附近最为发育。
陷穴类型漏斗状陷穴,呈漏斗状深度不超过 10m,主要分布在谷坡上部和墚峁的边缘地带 。
竖井状陷穴,呈井状口径小而深度大 。 深度可达 20m以上,主要分布在塬边地带 。
串珠状陷穴,几个陷穴连续分布成串珠状,陷穴的底部常有孔道相通,常见于切沟沟床上或坡面长、坡度大的梁峁斜坡上。
5.6.2 泻溜及其形成过程在石质山区、红土或黄土地区,土体表面受干湿、冷热和冻融等变化影响而引起物体的胀缩,造成碎土和岩屑的疏松破碎,在重力作用下顺坡而下地滚落或滑落下来,形成陡峭的锥体,这种现象称为 泻溜 。
泻溜形成过程黄土地区,当农耕地坡度超过 35° 时,会发生耕土泻溜,并留下明显的溜土痕迹 。
第四纪红色粘土的陡坡岩体,由于冬、春冻融变化中的胀缩以及物理风化作用,常引起泻溜的发生。
剖析红土泻溜的形成过程,可划分为风化裂隙的形成阶段、疏松层形成阶段和泻溜发生阶段等三个时段。