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斜坡重力作用

斜坡上岩石或土的块体,在重力牵引下顺坡向下移动的地质作用。因为主要营力是重力,并不一定需要其他外营力参与,故称斜坡重力作用。因为是以岩土块体方式运动,故又称为块体运动或块体坡移。地球表面无论是陆上或水下都有起伏不平的地形,斜坡分布广泛,如山坡、谷坡、海岸、湖岸斜坡、海水下的大陆架和大陆坡。斜坡重力作用在这些斜坡上都可发生。其结果使斜坡后退,坡高、坡度减小,产生大量岩土块、岩屑和土粒,供流水等其他外营力剥蚀和搬运。所以,斜坡重力作用是地表外动力剥蚀夷平作用的一个重要组成部分。这种作用常常危害交通线路,水利水电设施或工业民用建筑,规模大的甚至掩埋村镇,造成人员伤亡,成为一种地质灾害。

促使斜坡上岩、土块体顺坡下移的力是岩、土块体自身重力平行于斜坡的切向分力,可用 Gsinα 表示(见图)。

图

其中 G为重力;α 为斜坡坡角。使岩、土块体保持于斜坡上不致下移的力是摩擦力,它等于岩、土块体自身重力垂直于斜坡面的法向分力(Gcosα)与摩擦系数(f)之积,即fGcosα。如 fGcosα大于Gsinα ,则岩、土块体在斜坡上保持稳定不动;两者相等则处于极限平衡状态;一旦 Gsinα超过 fGcosα,则岩、土体即产生顺坡向下运动。

斜坡坡角增大,则Gsinα 增大而后者减小,即促进岩、土块体顺坡向下运动。因此流水或波浪侵蚀谷坡或海、湖岸坡坡脚或人工开挖坡脚,使坡角变陡,常可诱发斜坡上岩、土块体下滑或崩落。如f值减小,则fGcosα减小,也可促进岩、土体下移。风化作用和水对岩、土体的浸润软化作用均可减小f值,所以也可诱发岩、土体顺坡下移。地震加速度引起的瞬时惯性力也可使 Gsinα加大,fGcosα 减小,所以强烈地震常伴有大量岩、土块体的顺坡向下快速运动,造成地震灾害。1933年四川迭溪地震,岷江河谷斜坡的岩体大规模滑入岷江之中,古城迭溪毁于一旦。流水侵蚀、降雨、地震、人工开挖坡脚及坡顶加载等是斜坡重力作用的重要诱发因素。

根据运动方式和速度,以及参与运动的物质属性,可将斜坡上的重力作用分为崩落作用、滑动作用、流动作用和蠕动作用。前三者运动速度都较大,容易察觉;后者运动速度很小,以致难于察觉,故也称潜移作用。

崩落作用

陡峻斜坡上的岩块或岩体,主要由于受张力在不产生剪切位移的情况下突然脱落,如自由落体一样从空气中坠落或沿坡跳跃、滚动,快速(5~200米/秒)向坡下运动,最终堆积于坡脚的整个过程。工程上称为崩塌。多发生在坡度大于45°的高陡岩质斜坡上。高寒或干旱气候区,物理风化强烈,最易发生崩塌。其中规模极大的一般称为山崩。如1980年湖北远安盐池河山崩,崩落岩石体积达几百万至数千万立方米。规模极小的只有个别块岩石坠落则称坠石。翻落、坠落的岩块在顺坡向下跳动、滚动过程中,与斜坡岩体碰撞,并碎成大大小小的岩块和碎石,最终堆积于平缓坡脚,成为崩积物。其外形为半锥形体,称倒石堆。倒石堆坡度一般为30°~35°。大石块惯性大,多集中于下部,向上逐渐变细。碎屑多有棱角。

滑动作用

陆上或水下斜坡上的松散土体或软弱岩体,沿一个或多个滑动面产生剪切位移,呈单个或多个块体向下滑移的过程。滑坡是滑动作用的典型产物。滑坡的规模和滑动速度变化范围很大,一般其规模较崩塌大,速度较崩塌小。规模巨大的滑坡常为高速,且滑落后往往碎裂解体转化为碎屑流动。如洒勒山滑坡,从滑动到停止仅一分钟,前缘竟向前推进 900米。水下滑动作用可在坡度很缓的大陆架上发生,且往往规模巨大。这是因为近期快速堆积的泥质和粉、细砂质沉积物极其疏松,有时还有气体,抗剪强度很低,稍有振动和扰动即可大规模滑动。滑动后可转化为浊流(见浊积岩),向前推进很远,通过大陆斜坡在深海盆地边缘沉积下来,成为浊流沉积物,有些则形成浊积扇。

流动作用

各种含水量的块石、碎石、土粒或它们的混合物,以各种不同速度顺坡向下流动的过程。此类作用常由高陡坡上发生的大型崩塌、滑坡碎裂解体转化而来,即不含水的岩石碎块碎屑,通过相互碰撞传递动量,产生类似流动的高速连续运动。由粘土及粉沙组成的滑动土体,如含水量达30%,在滑动中即可转化为粘稠流体顺坡流动,称为泥流。在寒冷地区,当冻结层表层融化而下层未融化时,表层融解土即因饱水而顺坡下流,称为融冻泥流。如大量融雪水或降水携带大量泥、沙、石块快速顺坡向下流动即形成泥石流。

蠕动作用

斜坡上的碎屑物、表土层或软弱岩体,在重力作用下的长期缓慢蠕动过程。其速度每年只几毫米至几厘米。水的浸润作用、冻结和融化,湿涨和干缩都可促进蠕动作用的产生。

参考书目
    李叔达主编:《动力地质学原理》,地质出版社,北京,1983。