Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Склоновые явления массопереноса

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Склоновые явления массопереноса"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ ГЕОСФЕР

Г Г Б ОЛ 0 7 ОМ 1998

на правах рукописи

Щербаков Сергей Георгиевич

УДК 531,43

СКЛОНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ МАССОПЕРЕНОСА. {ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.)

04.00.22 -Физика Твердой Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат физико-математических наук

Москва 1998 г.

Работа выполнена в Институте Динамики Геосфер Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук проф. Родионов В.Н.

Официальные оппоненты:

доктор физ-мат. наук Ромашов АН. кандидат физ.-мат. наук Лукишов Б.Г.

Ведущая организация: Московский Государственный Университет (Физический факультет)

Зашита состоится" и 1998 г.

в "/2-" часов на заседаншйдассертационного Совета Д200.39.01 в Институте Динамики Геосфер РАН по адресу:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН

г. Москва, Ленинский пр-т, 38, кор.6.

!-->

Автореферат разослан' 9% 1998

г.

Ученый секретарь

Специализированного совета /

кандидат физико-математических наук

О^ГГ

Рыбаков В.А.

1. Актуальность темы.

Склоновые явления массопереноса - лавины, камнепады, сели, оползни -процессы, постоянно происходящие в условиях неровностей рельефа. Они ие только меняют внешний облик поверхности планеты, но и представляют серьезную опасность для проживающего в лавиноопасных местностях населения и сооружений. До сих пор не найдено эффективных методов предотвращения склоновых катастроф и управления ими.

Среда всего многообразия склоновых катастроф, сопровождаемых переносом массы, можно выделить те, которые происходят без видимых внешних причин (таких как ¡свержения вулканов, "подрезание" склонов речными водами, оттепели в случае снежных лавин, обильные осадки и др.), но только потому, что вещество нагружено собственным весом и благодаря этой нагрузке может перемещаться, проявляя, тем самым, естественную дннамику развития геофизической среды. До сих пор при анализе "причин" склоновых катастроф основное внимание уделялось внешним триггер! гым процессам, а сама катастрофа рассматривалась как-случайное явление. Такой подход не мог дать плодотворных результатов для решения задачи предсказания катастроф и управления ими. Предложенный в диссертации новый подход, рассматривающий катастрофу как закономерное следствие развития склона, позволяет исключить из анализа "случайность" и "причину", перенеся акцент с внешних воздействий на склон на естественную динамику процесса. Так же этот подход позволяет свести в единую модель явления, происходящие на склонах и имеющие совершенно различные характерные времена, и традиционно рассматривающиеся как независимые - медленные динамические проявления массопереноса и быстрые катастрофические обрушения

В рамках целостного взгляда на явление массопереноса на склонах, можно выделить несколько стадий этого процесса: стадию медленной динамики, в течение которой происходит подготовка лавиноопасного слоя, стадию перехода к быстрой динамике, стадию движения тела лавины но склону. Эти стадии требуют детального изучения. В работе было проведено несколько серий экспериментов для решения этой задачи.

Полученные в ходе работы результаты должны лечь в основу методики управления склоновыми катастрофами.

2.Цель работы.

Экспериментальное моделирование отдельных стадий процесса массопереноса на склоне.

Создание модели естественного процесса развития склона, в котором катастрофа является закономерным звеном.

Выявление (и рамках новой модели) возможности управления процессом, предсказания дальнейшего развития процесса исходя из данных о состоянии склона в данный момент, предотвращения катастрофы.

3.Научная новизна

Предложен новый цодход к склоновой катастрофе, как естественному этапу развития склонов.

Предложена целостная модель дшимики склонов, включающая медленную и быструю динамику, процессы накопления обломков на склонах и "катастрофу".

Предложена концепция "трансформации" склоновой поверхности и "созревания" условий необходимых для катастрофы.

1

Предложены оригинальные экспериментальные методики моделирования процессов на склоне.

Полнены результаты, которые позволяют дать технические рекомендации для решения задачи безопасности склонов и разрабатывать методику управления процессом массопереноса.

4. Практическая ценность.

Предложен новый подход в исследовании динамики склонового массопереноса, рассматривающий его как закономерный естественный процесс. Это процесс постоянного разрушения склоновой поверхности, сопровождаемый форшфовашем лавиноопасных слоев, и ее самоочищения.

Предложена экспериментальная методика исследования постадийного развития дошаники слоя обломочной породы.

Получены результаты, позволяющие давать практические рекомендации при исследовании конкретных склонов на возможность катастроф, а также предотвращать их и управлять их развитием.

5.Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались: -ш конференции посвященной 50 - летаю МФТИ, Москва, 1996 г.

¿.Публикации.

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в работах [1-3].

7.Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержит 95 страниц и 40 иллюстраций. Список литературы состоит из 24 наименований.

8.Содержание работы.

Во Введении определяется область исследования - явления массопереноса на горных склонах.

В Глаег 1 приведены натурные данные и простейшие модели, которые могут дать представление об этих явлениях и послужить отправной точкой для определения направления предстоящих исследований, а также поставлена задача этих исследований.

В п.1.1 приведены натурные данные о стадии подготовки склоновой катастрофы. Отмечены следующие факты:

1. Задолго до катастрофы на склоне происходят медленные динамические процессы, которые можно наблюдать.

2. Замечена корреляция между утлом наклона склона, с которого сошла лавина и объемом обрушения. Угол схода большинства лавин близок к углу естественного откоса для раздробленной породы, образующей склон. Это свидетельствует о важности медленных динамических процессов, в которых действует сила трения на стадии подготовки катастрофы.

3. В процессе подготовки обрушения могут происходить трансформации лавиноопасных слоев, покрывающих поверхности склонов. При этом можно выделить зоны на склоне, в которых медленные динамические процессы трансформации происходят независимо, но которые на некотором этапе развития могут инициировать движение в соседних зонах.

2

Рисунок 1.

Корреляция между углом схода лавины (вертикальная ось - угол наклона склона, с которого сошла лавина (градусов)) и объемом обрушенной породы (В.В. А дутыш, Ю.Н. Зыков, Б.А. Иванов, "Численное моделирование лавинообразного обрушения вулкана Корякского ") 1-техногенные лавины, 2-невулканические лавины, З-вулканическне лаыппл.

Область 1- диапазон углов естественного откоса для различных грунтов. Область 2 -наиболее крупные лавины, в которых проявлялся меха игом гидросмазки по слоистой структуре массива.

П. 1.2 посвящен традиционному подходу к анализу устойчивости склонов. В основе этого подхода лежит предпосылка о том, что устойчивый склон в некоторый момент - "вдруг" приходит в движение в результате разрушения вещества, образующего склон. Этот момент определяется как катастрофа, которая, в свою очередь, рассматривается как "следствие нарушения стабильного состояния системы в определенном месте и в определенное время" (А.Е. Шейдегер. "Физические аспекты природных катастроф "). Таким образом, катастрофа рассматривается не как естественное продолжите развития некоторой системы, а как пограничная точка между двумя ее состояниями. Анализ устойчивости склона (в рамках модели, рассматривающей разрушение материала, слагающего склон, как причину оползня или лавнны) сводится к сравнению суммы сил, противодействующих разрушению материала, и сил, стремящихся вызвать это разрушение,

В а 1.2 приведены, в качестве иллюстраций, простейшие модели анализа склонов на устойчивость. Это модели: "бесконечного стона" (п п. 1.2,1) и склона конечной длины (п.п. 1.2.2). Здесь также описаны процессы, которые могут служить "причинами" или триггерами катастроф: землетрясения, обильные осадки, сочетание обводнения с циклическим нагружаю!, изменение самого склона (п.п.1.2.3).

Описанные натурные данные о стадии формирования склоновой катастрофы и простейшие модели позволяют сделать вывод, что все многообразие явлений на этой стадии может быть сведено к двум схемам. Первая соответствует случаям, когда склоновая неустойчивость возникает из-за потери устойчивости блока породы на склоне в результате его откола от коренных пород, образующих склон, вторая - когда теряет устойчивость слой обломочного материала Первая схема традиционно используется для описания всего многообразия процессов потери устойчивости на склоне. Однако она не в состоянии объяснить некоторые факты. Если бы устойчивость склонов определялась исключительно процессами разрушения склонов

3

путем откола глыб, то мы должны были бы наблюдать широкое разнообразие значений угла схода лавин в зависимости от конкретного строения и состава склонов. То, что угол наклона склонов, с которых сходит большинство лавин (с объемом менее 0,1 км3), лежит в узком диапазоне величин (Рисунок 1), близком к величине утла сухого трения для разрушенной породы, указывает на решающую роль в развитии неустойчивости непосредственно перед стадией быстрого обрушения силы трения и, следовательно, медленных динамических процессов, происходящих на склоне до момента перехода к фазе быстрой динамики.

В п. 1.3 описана стадия быстрой динамики явлений массопереноса на склонах Приведена классификация склоновых катастроф по скорости движения, по тину движения, по материалу слагающему лавину, по дальности движения. Отмечен феномен далънопробежности гигантских лавш с объемом 106 -10й м3. Приведены важные доя дальнейших построений факт о корреляции дальности распространения лавин, прочности материала, из которых они состоят и характерного размера каменных обломков образующих тело лавины.

П. 1.4 посвящен обзору гипотез, с помощью которых объясняется феномен далънопробежности, а так же механизмов диссипации энергии, которые могут иметь место при движении породы по склону. Приведены гипотезы о:

возможности перехода к режиму качения при движении каменных обломков, возможности различного рода смазок, в том числе и возникающих в процессе движения, например, при плавлении породы,

возможности акустической флюидизации обломочной породы. Заслуживают особого внимания модели, в которых процесс трения обусловлен самим характером движения, и глее не описывается простым соотношением типа закона Кулона. Приведены примеры моделей, которые модифицируют закон трения, исхода либо из предположения о предельных нагрузках, при превышении которых порода разрушается и, следовательно, трение расти не может, либо из предположения о предельной скорости деформации материала, при превышении которой меняется интенсивность вязкого трения,

В а 1.5 поставлена цель исследования: выяснение внутреннего механизма регулирования движения масс по склону и формирования условий, необходимых для схода лавин. В работе будут проведены эксперименты по моделированию динамических процессов в слое гранул на наклонной плоскости и в движущейся по горизонтальной плоскости насыпи из гранул.

В Главе 2 "Экспериментальное исследование движения гранулы и динамики слоя гранул на паточной плоскости" описаны результаты экспериментального моделирования динамических процессов в тонком слое гранулированного вещества на наклонной плоскости и движения "тела лавины" по горизонтальной плоскости.

В п.2.1 описаны эксперименты по изучению движения отдельной гранулы по наклонной плоскости. Получены следующие результаты:

1. Группа близких по размеру гранул при скатывании по наклонной плоскости достигает предельной скорости скатывания.

2. Предельная скорость обусловлена не "коллективными" эффектами (столкновением между гранулами), а самим процессом скатывания гранулы по наклонной плоскости - трением качения.

П.2.2 "Экспериментальное исследование динамики тонкого слоя гранул на наклонной плоскости".

В п.п.2.2.1 описана экспериментальная установка и методика моделирования динамических процессов в тонком слое гршгулировапного вещества на наклонной плоскости с фиксированной нижней границей.

Экспериментальная установка представляет собой желоб шириной 12 см и длиной 2 м, установленный на жесткий стол, утол наклона которого можно было менять (Рисунок 2).

Экспериментальная установка для исследования процессов в тонком слое гранулированного материала. Желоб 1,2- подвеска поворотного механизма желоба, 3 - стенки желоба, 4 - передний бортик (стопор), 5 - скрепер для придания начального импульса слою гранул.

На желоб укладывался монослой капроновых гранул с размером гранулы 0,3-0,4 см и массой около 0,03 г каждая. Через равные промежутки в слое укладывались тонкими полосками окрашенные гранулы (реперные полосы), позволяющие наблюдать возникающие в процессе движения смещения в различных областях слоя. Нижний край слоя гранул подпирался бортиком-стопором внизу желоба. Коэффициеш трения скольжения гранул о поверхность дна желоба, покрытого шероховатой бумагой, соответствовал критическому углу наклона желоба (тому, при котором начинается соскальзывание гранул без их качения или группы гранул, ежатах друг с другом так плотно, что они не могут прокручиваться) 16°-17°. Коэффициент трения гранул друг о друта мал по сравнению с коэффициентом трения о поверхность жалоба. Трение грану л о металлические стенки желоба было малым по сравнению с трешем о дно, и потому краевых эффектов торможения слоя стенками практически не наблюдалось.

В ходе эксперимента желоб с уложенным на него слоем гранул плавно наклонялся до некоторого утла а. Движение в слое гранул возбуждалось либо внешним толчком (при этом сила прикладывалась к заднему свободному краю слоя), либо начиналось самостоятельно, если угол наклона желоба был достаточно велик (по кра1шей мере, больше коэффициента трения скольжения гранул о поверхность желоба). Киносъемка процесса позволяла по координатам реперных полос восстановить движение и деформации слоя во времени. Величины, за которыми проводилось наблюдение, были координата ¡-го репера (реперной полосы) и его скорость, а также координаты и скорость фронта вала (если он возникает) и заднего края слоя.

В каждом эксперименте дгона монослоя гранул была 160 см. В некоторых экспериментах за верхней границей монослоя (вплотную к нему) помещалась в виде многослойно!! насыпи дополнительная масса в 150 г. Было замечено, что ее наличие было необходимо для возникновения движения типа "вал". Суммарная масса гранул на склоне во всех экспериментах была 600 гр.

Было проведено несколько серий экспериментов с различными условиями начального воздействия и углами наклона желоба.

В первой серии экспериментов (п.п.2.2.2) моделировались динамические процессы на наклонной плоскости в монослое гранул, не испытывающем никаких внешних воздействий.

Эксперимент проводился так:

1)на наклонную плоскость желоба помещался монослой гранулированного материала. Гранулы равномерно распределялись по всей длине желоба. Их уплотнение было слабым, поэтому в течение некоторого промежутка времени после фиксирования необходимого дня эксперимента утла наклона желоба, грану лы могли скользить практически независимо друг от друга (напряжения сжатия были слабы).

2) желоб наклонялся на требуемы!! угол и начиналась киносъемка процесса.

Вследствие неплотной укладки гранулированного материала происходило

его спрессовывание под действием собственного веса когда угол наклона желоба превышал угол "естественного откоса" для группы гранул, сжатых друг с другом настолько, что прокручивание гранул было почти невозможным.

Рисунок 3.

Результаты экспериментов. Изменение координат реперных полос во времени для экспериментов с углами наклона желоба 18,5°,19е, 20°.

На Рисунке 3 приведены зависимости координат реперных полос от времени в экспериментах с утлом наклепа желоба 18,5°, 19°, 20°. Из 1рафиков видно, что на начальной фазе процесса уплотнение происходит почти с одинаковой интенсивностью по всей длине слоя. Затем интенсивность спрессовывания (наблюдаемая скорость уплотнения) падает по мере приближения к бортику внизу желоба и с ростом напряжения сжатия в монослое. Дальнейшее развитие процесса зависит от того успеет ли разогнаться верхняя зона слоя до скорости достаточной, чтобы при встрече с заторможенной нижележащей произошло вытеснение гранул. При угле наклона в 20° на длине рабочего участка экспериментальной установки эта скорость достигается. В результате, после прекращения всех движений при этом утле, мы имеем многослойную насыпь из гранул у нижнего бортика-стопора желоба. На углах в 18,5°, 19° происходит лишь спрессовывание слоя, и только незначительная часть гранул оказывается вытесненной в верхний слой. Длительность процесса составляет 5-15 минут, в зависимости от утла наклона желоба. При спрессовывании без вытеснения длина сжатого (после полной остановки) слоя составляет ~ 0,5 от исходной длины; если происходит вытеснение, длина конечной насыпи составляет ~ 0,4 от исходной или меньше.

Постановка следующей серии экспериментов схожа с предыдущей, за исключением наличия многослойной насьши над монослоем в тыльной его части. Особенностью процесса в этом случае было то, что при некоторых углах наклона желоба происходило формирование вала из первоначальной насьши, распространяющегося по медленно спрессовывающемуся монослою. Таким образом, общая картина движения определялась сочетанием двух процессов - спресовыванием слоя и распространением вала по слою. На Рисунке 4 изображены движение реперов и скорость оползания слоя для эксперимента с углом наклона 21,5° и насыпью над монослоем грану л. Сгущение реперных полос показывает как развивалось движение. Видно, что оно более интенсивно в верхней части слоя, где находится насыпь. Насыпь, являясь многослойным образованием, расползается под действием собственного веса, еще более интенсифицируя движение слоя и, следовательно, вызывая дополнительное сгущение реперных полос. Эта насыпь в процессе движения трансформируется в вал. Вал разгоняется.__

-X, м а = 21.5° у,м/с

1,8 -

.. | -,-ь—н-,-,-10 ад 1,о 2,о

Рисунок 4.

Изменение координат реперных полос во времени и скорость распространения вала в эксперименте с утлом наклона желоба 21.5° и насыпью над монослоем гранул.

7

На Рисунке 5 показаны результата подобного предыдущему эксперимента для утла 20,5°. __________________

Рисунок 5.

Изменение координат решрных голос во времени и скорость распространения вала в эксперименте с утлом наклона желоба 20,5 и насыпью над монослоем грану л.

Характерные времена и скорости в этом эксперименте существенно отличаются от этих же величин эксперимента, описанного ранее. Столь существенная разница в характере процессов, несмотря на близость условий вышеописанных экспериментов, объясняется близостью к "критической точке", которая в эксперименте соответствует углу наклона желоба, при котором начинается скольжение слоя гранул (углу естественного откоса для гранул). Интересно отметить, что в этом эксперименте вал не образуется, а происходит постепенное сжатие монослоя до такого состояния, при котором одновременно по всей длине в верхний ряд начинают вытесняться гранулы. Момент начала вытеснения гранул совпадает с достижением в монослое предельного уплотнения и резким ростом скорости насыпи.

Рисунок 6.

Графики скоростей движения характерных точек слоя (скорости вала или заднего края слоя, когда трудно выдешггь фронт вала) для углов 21,5° с образованием вала, 20,5е с вытеснением грану л по всей длине предельно сжатого слоя и углов 20° и 18,5е, когда вал не образуется,

На Рисунке 6 приведены графики скоростей движения характерных точек слоя (скорости вала или заднего края слоя, когда трудно выделил» фронт вала) для углов 21,5° с образовшлгемвала, 20,5е' с вытеснением гранул по всей длине предельно сжатого слоя и углов 20е и 18,5°, когда ват не образуется. Заметно, что для углов в 20,5°, 20° и 18,5е характерен нелинейный рост скорости, а в случае 21,5°, когда образуется вал, скорость растет линейно. Это различие (вероятно) объясняется тем, что в первых трех процессах, независимо от того образовался вал или нет, при сжатии происходит вытеснение гранул по всей длине слоя - это лавина, распределенная по длине, и ее скорость определяется сжатием в слое; в последнем же случае вал образовался еще до того, как сжатие в слое стало достаточным для вытеснения гранул на длине всего слоя - это локализованная лавина и ее скорость определяется скоростью распространения фронта вала гранул по невозмущенному слою.

В п.п.2 2.3 описаны эксперименты, в которых движение в монослое гранул на наклонной плоскости инициировалось начальным толчком насыпи в верхней части монослоя.

На Рисунке 7 показаны зависимости координат реперных полос от времени для эксперимента с внешним толчком и утлом наклона 20,5°.

2О0 + Х, СМ

а=20.5

Рисунок 7.

Показатпл зависимости координат реперных полос от времени для эксперимента с внешним толчком и углом наклона 20,5°.

Видно, что на протяжении всего процесса распространения волны по монослою, слой гранул ниже вала не уплотняется (характерное время уплощения при этом угле существенно больше времени, за которое вал проходит всю длину желоба, и измеряется десятками секунд как следует из экспериментов предыдущей серии). За фронтом происходит уплотнение и вытеснеше "породы", а перед ним - ее сжатие. На Рисунке 8 показаны зависимости скоростей 5, 9 реперных полос, фронта и края слоя от времени. Отчетливо видно начальное воздействие. Линия (К) - край слоя отражает это воздействие. Оно длиться примерно до 0,4 секунды от начала процесса. Несмотря на то, что движение заднего края слоя во время воздействия (линия (К)) "плавное", линия фронта вала "растет" быстрее и не так монотонно. Это указывает на возможность возбуждения в слое гранул на склоне движения, интенсивность которого гораздо больше начального воздействия. Другими словами начальное воздействие играет роль "слабого возмущения", заставляющего сработать имеющийся потенциал "движения".

V, м/с о=20.5

3,0 Д >

>,5 / ТЛ I

0,5 Г / 5 / / 1, с

0' од 0,5

Рисунок 8.

Показаны зависимости скоростей 5,9 реперных полос, фронта и края слоя от времени для эксперимента с внешним толчком и утлом наклона жалоба 20,5°.

В одном из экспериментов проводилась крупномасштабная киносъемка процесса распространения возмущения по слою гранул с более частым расположением реперных полос (1 см), что позволило выделил, в волне предвестник, в котором слой спрессовывается (быстрее, чем под действием собственного веса), но

Эксперимент с внешним толчком и углом наклона желоба 19,5°. Существование предвестника - зоны сжатия перед валом, распространяющимся по монослою. Заметно сгущение реперных полос перед валом.

В п. 2.3 описано экспериментальное исследование движения гранулированного материала, "выбрасываемого" в виде многослойной насыпи на горизонтальную поверхность.

Экспериментальная установка представляла собой горизонтальный жестяной лоток шириной 8 - 10 см и кювету, укрепленную на подвижной каретке.

Экспериментальная установка для исследования процесса движегага насыпи из гранулированного материала по горизонтальной плоскости. 1 - лоток, 2 - резиновый »туг, 3 - гранулированный материал, 4 - датчик измерителя скорости, 5 - кювета на подвижной каретке.

Каретка приводилась в движение растянутыми резиновыми жгутами. Часть пути разгона каретка ускоряется сжимающимся жгутом и далее, до остановки у бортика лотка, движется без ускорения. На этом последнем участке пути производилось измерение скорости движения каретки и, следовательно, гранулированной среды перед "выплескиванием" ее в лоток. Измерение скорости проводилось по разности сигналов от электрических датчиков, замыкаемых контактной пластиной, укрепленной на каретке. Свободный ход каретки составлял около 50 см, длина кюветы 18 см. Когда каретка ударялась о бортик лотка, сыпучая среда "выплескивалась" в лоток и далее двигалась с замедлением и растекалась. После ее остановки производилось измерение распределения гранул вдоль лотка и вычислялось положение центра масс образовавшейся насыпи.

Проводилось изучение влияния скорости выбрасывания гранулированного материала, его общей массы и размера гранул на положение центра масс насыпи, образованной гранулами после остановки.

В качестве гранулированной среды использовались парафиновые цилиндрические гранулы диаметрами 3,5 мм и 10 мм с массами 0,05 г и 0,9 г соответственно. Дно лотка устилалось плотной шероховатой бумагой.

На Рисунке 11 приведены графики, отражающие результаты экспериментов. Показана зависимость положения центра масс остановившейся породы - X от скорости ее бросания. Нанесены точки, соответствующие движению "тела лавины" из крутых гранул общей массой 280 г и из мелких гранул массой - 280 г, 80 г, 40 г.

По положению экспериментальных точек на Рисунке 11 видно, что с увеличением скорости прослеживается тенденция к относительному увеличению дальности пробега той массы, количество гранул, в которой меньше (при одной и той же общей массе). Так точки, соответствующие крупным гранулам и мелким гранулам меньшей общей массы, начиная со скорости 2 м/с, лежат заметно выше остальных точек.

Если проводить аналогию с параметрами, описывающими реальную лавину, можно ввести коэффициент трения К из условга сохранения энергии:

Ми^/г^МЕКхщ. тогда:

К= и2/2зх1;„.

Хц.м., м

1.0 -

■

□ ЕЮ

0,5 ~

□

ОД - - ^г

0 I I' 1 12 3 4

1 | Крупные гранулы и ■ 300 гр.

[ [ Мелкие гранулы м=И гр.

О Мелкие гранулы м=ЗС0 гр.

Г) Мелкие гранулы и = 40 гр.. укладка 1 Г~~~!

• Мелкие гранулы и=40 гр., укладка ^Т^.

Рисунок 11.

Результаты эксперимиггов. Зависимость положения центра масс остановившегося гранулированного материала Хц м. от скорости выбрасывания.

Значение К для различных скоростей доя точек Рисунка 11 указаны на Рисунке 12. Обозначения масс и размеров соответствуют Рисунку 11. Как видно из графиков, "динамический" коэффициент трения (полученный в эксперименте) выше статического. С ростом скорости он имеет тенденцию уменьшаться. Более крупные гранулы имеют меньший коэффициеэт трения и большую степень его падения при увеличении скорости.

1.0

0.1 о

о

О

V, ate

Q Крупны« гранулы и ■ 300 г р. [ | Мелки» гранулы м " 80 ф.

М«лкие гргнулы м " 300 гр. О Мелки» греиулы м=»40 ф, укладка ЬщцщИ О Мелки» грвнулы и ■ 40 ф., укладка I .^fflffll

0.5

Рисунок 12.

Зависимость коэффициента трения К гранулированной среды о поверхность скольжения от скорости ее выбрасывания из лотка.

По поведению точек, соответствующих мелким гранулам массой 280 г, можно сделать вывод о том, что в данной постановке эксперимента коэффициент трения действительно проявляет сначала рост величины, а затем падение с увеличением скорости. Точка перегиба для массы 280 г мелких гранул находиться в районе скорости 2 м/с, для той же массы крупных гранул и меньшей массы, вероятно, лежит в диапазоне 0-1 м/с. Было замечено, что при скорости в 2 м/с крупные гранулы движутся практически одним слоем, для мелких гранул массой 280 г скорость, при которой становиться возможным переход к однослойному движению, составляет около 3 м/с. Можно предположить наличие двта компонент коэффициента трения К -внутреннего (эффективной да я компактной, еще не разуплотненной среды и ее внутреннего движения и, потому, преобладающей при малых скоростях) и трения монослоя о поверхность, по которой он движется, эффективного при больших скоростях, разуплотнении движущегося слоя и, следовательно, приближающегося к трению отдельной гранулы при ее движении.

Были проведам эксперименты подобные описанным, но отличающиеся тем, что дно лотка устилалось шероховатой бумагой. Высота гофр была ~ 4-5 мм, то есть порядка размера больших гранул, шаг ~ 8-10 мм. Наличие гофр приводит к росту коэффициента трения по сравнению с движением по гладкой поверхности при переходе к монослойному течению (при большой скорости начального броска) и слабо заметно при многослойном движении, то есть при малых скоростях выбрасывания.

В одной из серий экспериментов исследовалось движение насыпи из смеси крупных и мелких гранул. Был отмечен факт сортировки гранул - более крупные двигались дальше мелких.

По результатам экспериментов, можно сделать следующие выводы (п.2.4):

1. Существует предельная скорость скатывания гранулы по наклонной плоскости. Она определяется размером гранулы, утлом наклона поверхности, степенью неровности гранулы и поверхности качения. По мере увеличения скорости движения гранулы, траектория ее движения все больше отклоняется от прямой, движение становиться все более хаотичным.

2. Слой гранулированного материала может удерживаться на "склоне" и тогда, когда коэффициетгг трения скольжения материала меньше утла наклона "склона", если слой "заперт" снизу стопором. В этом случае на "склоне" возможно медленное движение, связанное со спрессовыванием слоя или вытеснением отдельных гранул. Вытеснение гранул происходит при наличии неровностей склона или самих гранул и напряжений сжатия в слое гранулированного вещества. При отсутствии неровностей вытеснение гранул происходить не может, и движение закончиться, когда слой уплотнится максимально для данного угла наклона поверхности.

3. Многослойные локальные насыпи ш слое гранулированного вещества имеют тенденцию с течением времени "размываться" при малой интенсивности движения или вырождаться в ват при достаточной длине слоя и достаточном размере самой насыпи или если они обладают достаточным для этого начальным импульсом движения.

4. Внешнее воздействие на неплотно упакованный слой гранул на склоне может привести к образованию вала - многослойной динамической структуры, движущейся по монослою, вовлекая его в движение.

5. Скорость распространения вала по тонкому слою гранул зависит от степени уплотнения слоя. Если характерное время уплотнения слоя из-за самостоятельного спрессовывания сравнимо со временем, за которое вал пробегает длину слоя, то скорость распространения вала будет быстро нарастать.

6. При движении га горизонтальной поверхности "лавина" из гранул под действием силы трения "расползается" вдоль направления движения.

При малой начальной скорости "лавины" происходит ее торможение без значительного "расползания". Тренке обусловлено треплем гранул о поверхность скольжения и подобно трению цельного тела о поверхность.

При увеличении начальной скорости происходит все большее "расползание" "лавины". Диссипация обусловлена как трением в зоне контакта с поверхностью скольжения, так и процессами внутри насыпи, происходящими при ее трансформации.

При еще большем увеличении скорости "лавина" "растекается" до состояния движения по поверхности отдельных несвязанных гранул. Последние могут двигаться в режиме качения с меньшими затратами энергии на трение по сравнению со скольжением. Каждому типу движения соответствует свой интегральный коэффициент трения. Для условий эксперимента наименьшим оказалось суммарное трение, когда начальной скорости "лавины" было достаточно для вырождения ее до состояния "независимого" движения гранул и при этом гранулы обладали запасом энергии для дальнейшего качения по плоскости. Тип движения насыпи по плоскости зависит от начальной толщины насыпи, начального импульса насыпи, интенсивности трения в зоне контакта с поверхностью и интенсивности трения в насыпи при наличии градиента скорости в ее толще.

14

Диссипация энергии при движении гранулированного материала по некоторой поверхности определяется не только неровностями с размером меньше или порядка размера гранул, но и неровностями, существенно превышающими размер гранул. Движение по встречному "склону1" происходит с большими затратами энергии, чем по горизонтальной плоскости, даже с учетом изменения потенциальной энергии всей насыпи гранул при подсчете коэффициента трети.

В Гпаев 3 предложены модели различных стадий процесса массопереноса на склонах гор.

В п.3.1 описана простейшая модель движения округлой гранулы по неровному склону. На примере скатывания по ступенчатому склону показано, что предельная скорость обусловлена переходом к прыжковому режиму, когда потенциальная энергия растрачивается в момент соударения со ступенькой, а не переходит в кинетическую, как это происходит при качении (п.п. 3.1.1).

Решена простая задача скатывания гранулы по неровному склону (п.п.3.1.2). При этом сделаны допущения:

1.Неровность меняет направление движения гранулы и может вызвать отрыв от поверхности качения.

2.Изменить направление движения может неровность порядка размера гранулы.

3. Переход к прыжковому режиму, как определяющему предельную скорость движения, осуществляется, если гранула пролетает расстояние порядка длины окружности образующей гранулы.

Получен результат, согласно которому предельная скорость скатывания (v*) определяется в основном размером гранулы (а) и почти не зависит от утла наклона склона и соотношения размера характерной неровности поверхности и размера гранулы: V*2 = 2д та

Наличие предельной скорости скатывания гранулы определяет и максимальный возможный размер отдельных каменных обломков для потока, движущегося по склону. Скорость движения определяет напряжение, возникающее в момент столкновения кашей с поверхностью и друг с другом. Большие кашги достигают большей скорости и, следовательно, больших напряжений в момент столкновения. Если напряжения станут соизмеримы с прочностью, то камень будет разрушен.

Проведенные оценки показывают, что предельные напряжения (в природных условиях р =2.5г/см3, с = 4.5 км/сек, сг# / рс2 = Ю"3) достигаются при скорости движения в 10 м/с, а до такой скорости могут разогнаться кашгн с размером порядка 1 м. Следовательно, камш большего размера будут разрушены при скатывании по наклонной плоскости. Камш меньшего размера достичь такой скорости не смогут, так как перейдут в прыжковый режим раньше, чем ее достигнут. Скорости в 10 м/с округлые камни достигнут при скатывании с высоты порядка десяти метров, следовательно, на реальных склонах предельная скорость должна достигаться.

Существование некоторого предельного размера камней, образующихся при движении по склону, должно приводить к накоплению близких по размеру каменных обломков в насыпях формируемых лавинами. Близкими по размеру будут не только каменные обломки в сошедших лавинах, но и в лавиноопасных каменных слоях, образующихся в результате длительной трансформации обломочных областей на склонах и скатывания обломков, генерируемых эрозионными процессами, к запрудам.

В п.3.2 описана динамика тонкого слоя каменных обломков на наклонной плоскости.

Процесс "созревания неустойчивости" описан в п.п.3.2.1. Представим себе слой на склоне, нижняя граница которого зафиксирована скальным образованием либо другой преградой - стопором. Он образован близкими по размеру камнями и продолжает свой рост за счет наконления обломочной породы, оторвавшейся от склона выше, а также медленно спрессовывается под тяжестью собственного веса. При этом, внутри слоя за счет увеличения его длины, его общей массы и, следовательно, сжимающей силы, будут происходить смещения и деформации на контактах, а значит, будет работать сила трети. По окончании накопления обломков и по мере роста напряжения сжатия в спрессовывающемся слое, сила трения будет постепенно выключаться из процесса, а напряжение на контактах и в самом материале возрастет, компенсируя тяжесть вышележащих камней. В таком напряженном материале на склоне могут возникать локальные неустойчивости, вытеснение отдельных камней и, вследствие этого, новое смещение, может так же случиться разрушение удерживающего стопора. Если в таких смещениях работа силы трения окажется недостаточной, чтобы погасить возрастание кинетической энергии при смещении слоя вниз, то порода может продолжить разгон, вовлекая в движение ранее устойчивые обломочные зоны. Роль внешнего воздействия проявляется именно на таком склоне, покрытом нагруженной породой.

На примере цепочки близких по размеру шаров, сдерживаемых от скатывания со склона преградой, рассмотрены процессы в тонком слое обломочной породы. Такая цепочка под действием своего веса спрессовывается, увеличивая нагрузку на преграду и сжатие в самой цепочке. Длина цепочки может расти за счет поступления новых обломков - шаров. В процессе спрессовывания действует сила трения, разгружая стопор. По мере спрессовывания сила трения выключается из процесса и все большую нагрузку должен одерживал, стопор. При достижении предельной нагрузки, определяемой прочностью стопора, он будет разрушен. Показано, что время необходимое для полной остановки всех движений в цепочке и, следовательно, полного нагруже>шя стопора пропорционально Ь^/Ю6 , где Ь выражено в сантиметрах, а 0 в годах. Для стометровой цепочки это время порядка сотни лет. Можно утверждать, что на реальных склонах, покрытых слоем каменных облолжов, всегда происходят медленные смещения, то есть устойчивость обеспечивает как стопор, так и динамический фактор - работа сны трети.

Предельное нагружение стопора не обязательно будет достигнуто. Сброс нагрузки может произойти при вытеснении отдельного шара в цепочке. Вытеснение происходит на неровностях склона и шаров.

Показано, что частота событий перехода близких по характеристикам слоев обломочного материала из состояния медленных смещений в состояние катастроф! (ческою динамического переноса пропорциональна синусу утла наклона склона.

Далее в п.п.3.3.2 и 3.3.3 описаны процессы, происходящие в тонком слое гранулированной среды на наклонной плоскости, запертом снизу устойчивым бортиком. Проанализированы элементарные процессы, обуславливающие медленную динамику такого слоя:

вытеснение отдельных гранул на неровностях при сжатии слоя под действием собственного веса,

распространение многослойною образования типа "вал" по неподвижном)' монослою.

Показано, что самостоятельное спрессовывание слоя может привести к вытеснешпо гранул по всей длине слоя. При этом кажущаяся скорость движения будет превосходить массовую. С другой стороны, если слой не уплотнен предельно, в нем можно возбудить движение типа "вал", распространяющееся по неподвижному слою.

В и.3.4 решается задача о торможении компактного объема раздробленной горной породы на горизонтальной поверхности. Механика торможения исследуется на простом примере движения многослойного образования из "тонких иластин". Получен результат, из которого следует, что по мере завершения процесса торможешш, возрастает количество оставляемой на единице пути породы. Так, что в конце пути должен намечаться холм из материала, доставляемого лавиной.

В Главе 4 "Формирование и динамика лавиноопасного стоя на склоне" на

основании результатов экспериментов и решения модельных задач строится общий сценарий процесса склонового массопереноса.

Кратко сформулируем основные его положения:

1.В результате действия различных эрозионных процессов происходит постоянное разрушение слагающей склон породы. Камни различной формы и размеров, образованные в результате эрозии, самостоятельно скатываясь, либо благодаря различным процессам способствующим переносу вещества по склону, скапливаются у выступов и неровностей склона. Скорее всего, происходит накопление близких по размеру каменных обломков (п.4.1).

2 Накопление обломочной породы камней различной формы, некоторые из которых способны к качению, трешге некоторых из которых недостаточно .для удержания их на месте на данном склоне, и удерживаемых на этом склоне силами сцепления, создает условия, при которых происходят постоянные медленные смещения в слое, сопровождаемые спрессовыванием слоя и повышением напряжений параллельных поверхности склона. Слой постепенно спрессовывается и в нем начинается вытеснение наиболее крупных обломков, либо обломков находящихся на неровностях склона (п.4.2.). В процессе вытеснения, происходит разгрузка за счет самого вытеснения и за счет действия силы трения, проявляющегося в движении, возникающем при смещении слоя на величину размера вытесненного обломка (п.4.3). Слой, в котором происходило вытеснение породы в течения некоторого времени и в котором оно прекратилось в настоящий момент, представляет особую опасность. Прекращение движения свидетельствует либо об увеличении сцепления между слоем и подстилающей породой, что улучшает устойчивость склона, либо об отсутствии элементов, на которых, благодаря вытеснению, возможен сброс напряжения. В этом случае всю нагрузку воспринимает стопор. Он может разрушиться и произойдет катастрофа.

3. Если слой камней на склоне имеет достаточную длину и не настолько круг, чтобы в слое реализовались предельные напряжения и слой был предельно уплотнен, то в результате некоторого внешнего воздействия (землетрясение, частичное обрушение) по слою может начать распространяться вал. При достаточно плотной упаковке, воздействие может вызвать вытеснение отдельных элементов по всему слою. В этом случае, скорость распространения возмущения может быть много больше массовой скорости породы.

4. Если тело лавины образовано многослойной насыпью обломочной породы, то при достаточной скорости движения возможен переход от движения типа скольжения цельного блока к движению разуплотненного тонкого слоя (п.4.4). При смене режима движения будет меняться и интенсивность диссипативпых процессов. Скорость, которую необходимо набрать обломочной породе при спуске со склона, чтобы изменить характер движения, зависит от состава обломочной породы по размеру и от прочности отдельных каменных обломков. При движении "толстой" Левины, она, теряя массу в основном из головной части, создает более ровную поверхность для движения остальной части. Торможение каменного слоя сопровождается образованием каменных насыпей по краю, более толстых чем, остановившийся обломочный слой.

5,Если по склону начал движение каменный поток, то он будет разгоняться и разуплотняться, и в пределе по склону будут двигаться отдельные каменные элемент. Для скатывания отдельных элементов характерно существование предельной скорости скатывания, обу словленное переходом режима качения в режим подпрыгивания на неровностях. Скорость, начиная с которой становиться существенен прыжковый режим - предельная скорость скатывания, определяется размером камней. При одной и той же скорости более крупные по размеру камни еще будут катиться, в то время как мелкие начнут подпрыгивать. С ростом размера камня, вызвать его подпрыгивание может только большая неровность. Более крупные камни на длшлыч склонах будут разгоняться до больших скоростей пока не достигнут скорости, необходимой для перехода в прыжковый режим движения, или не разрушатся. Для конкретной породы можно определить предельную скорость движения, определяемую ее прочностными характеристиками. Начиная с этой скорости, порода просто разрушается. Таким образом, на длинном склоне камни, которые могут достигнуть пределыюй скорости в основном будут разрушены, и потому, камней больших определенного размера в конечном навале породы после ее остановки, не должно быть. Диссипация энергии при движении разуплотненного потока будет определяться двумя факторами - средним размером камней в потоке (чем он больше, тем большая скорость возможна при движении потока в режиме скати ваши) и прочностными характеристиками камней (более прочные камни начнут разрушаться при больших скоростях и, следовательно, при одной и той же скорости, потери энергии на дробление более прочных камней будут меньше).

В Г.-шке 5 "Мероприятия по обеспечению безопасности на горном склоне" приведены рекомендации по обеспечению безопасности склонов, которые следуют из описанного сценария развития склоновых процессов массопереноса. Эти рекомендации касаются как мониторинга склонов, так и проведети мероприятий по предотвращению катастрофических обрушений.

В разделе "Основные выводы" формулируются основные результаты

работы.

9. Основные результаты работы состоят в следующем:

1. В рамках задачи исследования устойчивости склона проведены эксперименты по изучению движения по наклонной плоскости отдельных гранул и динамики слоя гранулированного вещества на наклонной поверхности. Установлено, что:

а) при качешш по наклонной плоскости гранула достигает пределыюй скорости движения;

б) слой гранул на наклонной плоскости, удерживаемый от скольжения стопором внизу "склона", спрессовывается под действием своего веса, если скатывающая сала больше силы трения скольжения гранул;

в) по мере спрессовывания слоя в нем растут напряжения сжатия. Они могуг привести к вытесиешпо отдельных гранул из него. Вытеснение обусловлено отклонением от направления, параллельного склон}', сил, действующих между гранулами Это отклонение происходит из-за неровностей гранул, "склона" и различия в размере саьшх гранул.

г) по слою гранулированного вещества на наклонной плоскости может распространяться "вал" в виде многослойного образования. Он может быть возбужден внешним воздействием, либо возникает самостоятельно при спрессовывали! слоя. Движение "вала" сопровождается вытеснением гранул из слоя. Скорость распространения "вала" растет при уплотнении слоя, увеличении разности скатывающей силы и силы трения гранул о поверхность, по которой происходит движение. Возможность возникновения вала определяется сжатием слоя гранул, возможностью вытеснения гранул из слоя и возможностью восполнения затрат энергии затраченной на его возбуждение при разгоне на длине возбуждаемого участка.

2. В рамках задачи исследования динамики лавин проведены экспериметы по изучению движения га горизонтальной плоскости компактного объема гранулированного вещества. Установлено, что:

а) при движении по горизонтальной поверхности "лавина* го гранул под действием силы трения "расползается" вдоль направления движения,

б) при малой начальной скорости "лавины" происходит ее торможение без значительного "расползания", по мере увеличения начальной скорости "лавина" все более "растекается" до состояния движения по поверхности отдельных несвязанных гранул. С ростом начальной скорости наблюдается рост, а заггем уменьшение интегрального коэффициента трения, определяемого через значение кинетической энергии в момент начата движения "лавины" по горизонтальной плоскости и дальность движения центра масс "лавины".

в) диссипация энергии при движении гранулированного материала по некоторой поверхности определяется не только неровностями с размером меньше или порядка размера гранул, но и неровносгяш, существенно превышающими размер гранул - движение по встречному "склону" происходит с большими затратами энергии, чем по горизонтальной плоскости.

3. Проведенные эксперименты послужили основой новому представлению о склоновых явлениях массопереноса, сочетающему процессы медленной динамики и собственно "катастрофу". Эти явления - естественные процессы развития склонов -потери "связанности" поверхностных слоев с коренным склоном и внутри самого слоя и очищения склонов от породы, образующей эти слои. Основные действующие процессы в этом явлении:

а) образование и накопление потерявшей связанность породы;

б) ее спрессовывание, происходящее под действием скатывающей силы и гфоттаодействуюпцк сил трения и напряжения сжатия, передающегося на образования склона, служащие преградами-стопорами, на которых и накапливается потерявшая связанность с коренным склоном порода;

в) разрушение либо преодоление (подобно вытеснению на неровностях) обломочной породой стопоров-преград

г) перестройка струтстуры обломочных зон на склоне, сопровождаемая их укрупнением по Mq>e приближения к подножию склона;

19

д) свободное движение по склону и со склона в долину лавины или оползня. 4. Новое представление о процессе склонового массопереноса позволяет подойти к решению задачи обеспечения безопасности на горных склонах. Основным направлением ее решения является управление процессом на этапе форлшрования опасных слоев. Технология обеспечения безопасности должна строится на предотвращении накопления потерявшей связь со склоном породы на преградах-стопорах и содействии перемещению ее к подножию склонов, где от не будет представлять опасность. Для уже сформировавшихся опасных слоев нужно создать условия, при которых будет возможным "преодоление" породой преград-стопоров и постепенное (не катастрофическое) перемещение этих слоев к подножию склоное. Для предотвращения разрушения стопоров, сдерживающих опасные слои, следует проводить мероприятия, направленные на то, чтобы в слое могли происходшъ перемещения, в которых часть нагрузки будет воспринимать сила трения. Этого можно добиться "извлечением" отдельных элементов слоя.

10. Литература.

1.С.Г. Щербаков. О скорости движения каменных лавин по склону. Физические процессы в геосферах при сильных возмущениях. (Геофизика сильных возмущений). Сборник научных трудов. Москва 1996. Стр. 71-78.

2.СТ. Щербаков. Движение тела лавины по склону и на горизонтальном участке пути. (Геофизика сильных возмущений). Сборник научных трудов. Москва 1996. Стр. 55-63.

3.С.Г. Щербаков. Возникновение лавины на склоне, покрытом томам слоем раздробленного материала, (Геофизика сильных возмущений). Сборник научных трудов. Москва 1996. Стр. 63-71,

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Щербаков, Сергей Георгиевич, Москва

.у 0

/ V

^ * ■ / с Т О

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ ГЕОСФЕР

На правах рукописи

Щербаков Сергей Георгиевич

УДК 531,43

СКЛОНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ МАССОПЕРЕНОСА, (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.)

Специальность 04.00.22 - Физика твердой Земли.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических

наук

Научный руководитель д.ф.-м.н. проф. Родионов В Н.

Москва - 1998

Содержание.

Введение. 1

Глава 1. Массоперенос на горных склонах. Натурные данные.

Модели. Постановка задачи исследования. 5

1.1. Натурные данные о стадии подготовки "катастрофы". 5

1.2. Устойчивость склона. Простые модели и концепции. 10

1.2.1. Анализ устойчивости "бесконечного склона ". 11

1.2.2. Анализ устойчивости стона конечной длины. 13

1.2.3. Анализ устойчивости реальных стонов

в рамках простейших моделей. 15

1.3. Обобщение натурных данных о стадии быстрого динамического проявления массопереноса на склоне. 18

1.4. Обзор способов объяснения аномальной 24 подвижности крупномасштабных лавин.

1.5. Постановка задачи исследования. 27

Глава 2. Экспериментальное исследование движения гранулы и

динамики слоя гранул на наклонной плоскости. 30

2.1. Движение одиночной гранулы по наклонной плоскости. 30

2.2. Экспериментальное исследование динамики тонкого слоя

гранул на наклонной плоскости. 33

2.2.1. Экспериментальная установка. 33

2.2.2. Эксперименты без внешнего воздействия на

монослой гранул на наклонной плоскости. 35

2.2.3. Эксперименты, в которых движение в монослое гранул на наклонной плоскости инициировалось

начальным толчком насыпи в верхней части монослоя. 40

2.3. Экспериментальное исследование движения гранулированного материала, "выбрасываемого" в виде многослойной насыпи на поверхность. 45

2.4. Что показали эксперименты. 53

Глава 3. Элементы физической модели процесса. 56

3.1. Модель скатывания отдельной гранулы по наклонной плоскости. 56

3.1.1. Движение по ровной наклонной тоскости. 56

3.1.2. Движение по ступенчатому стону. 57

3.1.3. Критическая скорость скатывания гранулы. 58

3.2. Тонкий слой породы на склоне. "Созревание" неустойчивости. 63

3.3. Процессы в тонком слое гранул на наклонной плоскости. 67

3.3.1. Процесс вытеснения одиночной гранулы. 67

3.3.2. Вал. 70

3.4. Торможение компактного объема раздробленной горной породы на горизонтальной поверхности. Эффект образования утолщений (насыпей) по краям лавины. 73

Глава 4. Формирование и динамика лавиноопасного слоя на склоне. 76

4.1. Образование, накопление каменных обломков. Формирование и трансформация обломочных насыпей. Перестройка

структуры обломочных зон на склоне. 77

4.2. О силе трения слоя обломочной породы при его смещении по склону. 79

4.3. Динамика слоя камней, удерживаемого от движения по

склону стопором. 82

4.4. Движение лавины по склону. 84

Глава 5. Мероприятия по обеспечению безопасности на горном склоне. 88

Основные выводы. 92

Список литературы. 94

Введение,

Натурные данные свидетельствуют о том, что на горных склонах происходят процессы перемещения вещества, образующего их [12, 13]. Характер наблюдаемого движения разнообразен: обвалы, лавины, оползни, и т.п. Диапазон скоростей движения и объемов вовлекаемой в массоперенос породы широк. Максимальные скорости, наблюдавшиеся очевидцами, достигают сотни километров в час, а объемы вещества, образующего тело лавин, - десятков кубических километров [12, 16]. Даже намного менее масштабные события такого рода представляют серьезную угрозу для населения и инженерных сооружений.

Традиционным является представление о подобных явлениях как о катастрофах, в том числе, и для самой "геофизической среды". Лавины и оползни, согласно сложившемуся представлению, являются следствием "отрыва" от склона некоторой его части и разгона ее под действием силы тяжести. Причиной такого "отрыва" являются напряжения в веществе, образующем горы. Напряжения, в свою очередь, обусловлены действием силы тяжести и внешних воздействий (циклических приливных нагрузок, климатических факторов, техногенной деятельности и т.п.).

Очень редко удается наблюдать склон до момента катастрофы. Однако проводимые на потенциально опасных склонах наблюдения свидетельствуют о том, что "катастрофически" быстрому движению предшествуют более или менее длительные периоды более медленного движения [13, 14, 15]. Эти медленные движения являются естественным указателем на возможную будущую катастрофу. Но воспринимать их лишь как предвестники ее было бы не правильно. Они неотьемлимое звено в цепочке процесса массопереноса вещества на горных склонах. Медленные перемещения вещества формируют те напряженные состояния вещества, которые могут привести к склоновой катастрофе. Развитию такого представления о процессе массопереноса вещества на горных склонах, включающем собственно катастрофу и процессы этапа ее созревания, и посвящена диссертация. В ней сделана попытка в простых экспериментах смоделировать различные процессы склоновой динамики, предложить возможные сценарии развития динамических процессов переноса вещества на склонах и найти определяющие развитие таких процессов факторы.

Актуальность проблемы.

Склоновые явления массопереноса - лавины, камнепады, сели, оползни, - процессы, постоянно происходящие в условиях неровностей рельефа. Эти процессы не только меняют внешний облик поверхности планеты, но и представляют серьезную опасность для проживающего в лавиноопасных местностях населения и сооружений.

Среди всего многообразия склоновых катастроф, сопровождаемых переносом массы, можно выделить те, которые происходят без видимых внешних причин (таких, как извержения вулканов, "подрезание" склонов речными водами, оттепели либо обильные осадки и др.), но только потому, что вещество нагружено собственным весом и благодаря этой нагрузке может перемещаться, проявляя, тем самым, естественную динамику развития геофизической среды. До сих пор, при анализе "причин" склоновых катастроф основное внимание уделялось внешним триггерным процессам, а сама катастрофа рассматривалась как случайное явление. Такой подход не мог дать плодотворных результатов для решения задачи предсказания катастроф и управления ими. Предложенный в диссертации новый подход, рассматривающий катастрофу как закономерное следствие развития склона - природного геофизического объекта, позволит исключить из рассмотрения "случайность" и "причину", перенеся акцент с внешних воздействий на склон на естественную динамику процесса. Так же, этот подход позволит свести в единую модель явления, происходящие на склонах и имеющие совершенно различные характерные времена, и традиционно не рассматривающиеся как связанные - медленные динамические проявления массопереноса и быстрые катастрофические обрушения.

В рамках целостного взгляда на явление массопереноса на склонах можно выделить несколько стадий этого процесса: стадию медленной динамики, в течение которой происходит подготовка лавиноопасного слоя, стадию перехода к быстрой динамике, стадию движения тела лавины по склону. Эти стадии требуют детального изучения. В работе было проведено несколько серий экспериментов для решения этой задачи.

Полученные в ходе работы результаты должны лечь в основу методики управления склоновыми катастрофами.

Цель работы.

Экспериментальное исследование отдельных стадий процесса массопереноса на склоне.

Создание модели (целостного представления) естественного процесса развития склона, в котором катастрофа является закономерным звеном.

Выявление (в рамках новой модели) возможности управления процессом, предсказания дальнейшего развития процесса исходя из данных о состоянии склона в данный момент, предотвращения катастрофы.

Научная новизна.

Предложен новый подход к склоновой катастрофе, как естественному этапу развития склонов.

Предложена целостная модель динамики склонов, включающая медленную и быструю динамику, процессы накопления обломков на склонах и "катастрофу".

Предложена концепция "трансформации" склоновой поверхности и "созревания" условий необходимых для катастрофы.

Предложены оригинальные экспериментальные методики моделирования процессов на склоне.

Получены результаты, которые позволяют дать технические рекомендации для решения задачи безопасности склонов и создать, в дальнейшем, методику управления процессом массопереноса.

Практическая ценность.

Предложен новый подход в исследовании динамики склонов, рассматривающий ее как закономерный естественный процесс. Он расширяет круг задач, решаемых при исследовании склоновой катастрофы, как природного явления, но при этом делает эти задачи взаимосвязанными.

Предложена экспериментальная методика исследования постадийного развития динамики слоя обломочной породы.

Получены результаты, позволяющие дать практические рекомендации при исследовании конкретных склонов на возможность катастроф, а также предотвращать эти катастрофы и управлять их развитием.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержит 93 страницы. Диссертация содержит 40 иллюстраций. Список литературы содержит 24 наименования.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались:

-на конференции, посвященной 50 - летию МФТИ, Москва, 1996 г.

Публикации.

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в работах [20, 22, 23].

Глава 1.

Массоперенос на горных склонах. Натурные данные.

Модели, Постановка задачи исследования.

В первой главе будут приведены натурные данные и традиционные концепции с соответствующими им наиболее общими и простыми моделями, используемыми для понимания и описания процессов массопереноса на горных склонах.

1.1. Натурные данные о стадии подготовки "катастрофы".

Натурные данные о стадии подготовки "склоновой катастрофы" включают в себя описание процессов, происходивших на склоне непосредственно перед потерей равновесия (медленных перемещениях и трансформациях отдельных поверхностных участков на склоне), а также описание характеристик самого склона.

Процессы, непосредственно предшествующие "быстрому движению" породы, представляют интерес как потенциальные указатели на возможность будущей катастрофы. Такими предвестниками не обязательно должны быть геофизические механические явления. "Оползень происходит внешне как случайное явление только потому, что наблюдатель не смог обнаружить симптомы, предшествующие оползню. Так, например, оползень Голдау был для местных жителей неожиданным, но домашний скот проявлял беспокойство и пчелы покинули свои ульи за несколько часов до начала оползня (Неип,1882). Оползень глинистых пород, возникший весной 1935 г. во время строительства шоссейной дороги Мюнхен-Зальцбург в Германии, был неожиданным для инженеров - свидетелей этого оползня. Однако, за неделю до возникновения оползня рабочие заявляли, что "склон становиться живым"."[13] В нашем исследовании мы будем иметь дело исключительно с механическими проявлениями процессов массопереноса.

Наблюдения показывают, что на склоне могут происходить очень медленные перемещения слагающих склон пород в течение очень долгого времени (сотни лет). На самом деле следует говорить о постоянно происходящем движении на склонах. Иногда оно замедляется до очень малых скоростей смещения так, что в некоторый конкретный момент в некоторой точке на склоне измеренная скорость смещения будет близкой к нулю, но значение имеет не этот конкретный момент и эта точка, а медленная динамика всего склона на протяжении длительного промежутка времени. После длительного периода медленных смещений часть поверхности склона может перейти к быстрому движению. Представляет интерес наблюдение за подобными явлениями для определения критических параметров медленного движения (смещения, скорости смещения), при которых происходит

переход от одного типа движения к другому (от "медленного" к "быстрому").

Рисунок 1,1 иллюстрирует характерный для большинства случаев "склоновых катастроф" процесс развития неустойчивости во время оползня. Видно, что скорость смещения оползневого участка склона постепенно нарастает, пока не произойдет срыв. На фоне постоянного медленного "течения" склонов трудно выделить границу, определяющую переход к катастрофе. Конечно, это можно сделать формально, например, введя условие, определяющее некоторую скорость смещения, заведомо большую скорости постоянного "течения", как критическую.

Рисунок 1,1.

Развитие неустойчивости на склоне. Движение точки на поверхности земли при развитии оползня. [13]. Однако, именно этап достижения ее наиболее удобен для предупреждения катастрофы, так как его длительность, обычно, намного превышает промежуток времени, отделяющий момент достижения этой скорости от катастрофического обрушения.

Длительность подготовительного процесса между началом сравнительно медленного (заметного для наблюдателя) и мелкомасштабного движения и собственно обрушением может колебаться в широком диапазоне. Далее приводится таблица, в которой

указано время "подготовки обрушения" для нескольких оползневых процессов.

_Таблица 1,1._ _

Событие Время подготовки Сообщение

Frank 7 месяцев Craden,Krahn, 1978

Gros Ventre 5 лет Voight, 1978

Goldau 30 лет Heim, 1932

Vaiont 3 года Mueller, 1964

Diablerets 2 День Heim, 1932

Другим важным для понимания процесса развития склоновых катастроф эмпирическим фактом является зависимость (Рисунок 1.2 [5]) для угла схода лавины - угла наклона склона, на котором случилось обрушение, от объема обрушенной породы.

Рисунок 1,2.

Корреляция между углом схода лавины (вертикальная ось - угол наклона склона, с которого сошла лавина (градусов)) и объемом обрушенной породы [5]. 1-техногенные лавины, 2-невулканические лавины, 3-вулканические лавины.

Область 1- диапазон углов естественного откоса для различных грунтов. Область 2 - наиболее крупные лавины, в которых проявлялся механизм гидросмазки по слоистой структуре массива.

Эту зависимость трудно объяснить, пользуясь лишь рассуждениями о прочностных характеристиках и нагрузках в породе на склоне и рассматривая лавину как следствие откола части склона. Если бы устойчивость обеспечивалась только прочностью породы на склоне, то не было бы такой регулярной зависимости. Особенностью приведенных данных является близость угла наклона склона, с которого сходит большинство не слишком крупных лавин, к углу естественного откоса для раздробленной горной породы. Это указывает на решающую

II |у» ||

роль в явлении потери устойчивости процесса трения - динамического фактора, а не разрушения цельного горного массива.

Опишем в качестве примера некоторые конкретные случаи развития неустойчивости горных склонов.

Рисунок 1,3,

Скорости перемещения в некоторых точках склонов Rocky Mountains, Канада во время оползня.

На Рисунке 1,3 показаны записанные датчиками скорости перемещения в некоторых точках склонов Rocky Mountains, Канада, покрытых насыщенной влагой и содержащей глину горной породой, активно разрабатываемой предприятиями горнодобывающей и металлургической промышленности ("Landslide News" No. 9 p.p. 26-28). Датчики были специально установлены на оползнеопасном склоне. Показаны данные от трех различных датчиков. Видно, что настоящему обвалу предшествовал нелинейный рост скорости смещений, и обвал начался, когда скорость достигла 2-3 м/час. Процесс обрушения склона готовился сравнительно долго. Это позволило установить необходимую записывающую аппаратуру на склоне. Заметным для глаз это движение стало, когда скорость его достигла величины близкой к метру в день. Судя по тенденции зависимости скорости от времени с момента начала наблюдения, эта скорость (до начала наблюдения) была достигнута за довольно большой промежуток времени. Сравним этот случай с другим подобным (Рисунок 1,4. [15]).

Скорость, см/день 700

800 500 400

31 июля 199Й

□ На уровне 1100 м. • На уровне 1200 м. О На уровне 1400 м.

300

200

-100

30

июня 19.94 г.

ш

о

-Ф-

& о

□ *

JX-

30

сентября 1894 г.

а®

Время,дни

20

40

60

100

120

-е-

140

Рисунок 1,4.

Вид сверху на оползень (совокупность оползневых зон) и скорости перемещения в отдельных точках на склоне во время оползня у деревни Falli-Holli, Швейцария.

На рисунке показаны записи скорости от датчиков (таких, как и в предыдущем случае) для оползня у деревни Falli-Holli, Швейцария, а также вид сверху на оползень. Видно, что процесс развития оползня более медленный чем в предыдущем случае и, кроме того, оползень происходит не одновременно по всей оползневой зоне, а начинается на наиболее крутых участках сильно обводненного склона - на высоте 1100 м и 1400 м над уровнем моря (самая нижняя точка долины находиться на

высоте около 1050 метров). На высоте 1200 метров оползневой процесс начинается лишь спустя некоторое время (через 2 месяца) в результате еще большего насыщения обломочных пород и почвенного слоя вод