Склоновые явления массопереноса: Эксперим. исслед. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 04.00.22, кандидат физико-математических наук Щербаков, Сергей Георгиевич

• Щербаков, Сергей Георгиевич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Щербаков, Сергей Георгиевич

Содержание.

Введение

Глава 1. Массоперенос на горных склонах. Натурные данные.

Модели. Постановка задачи исследования

1.1. Натурные данные о стадии подготовки "катастрофы"

1.2. Устойчивость склона. Простые модели и концепции

1.2.1. Анализ устойчивости "бесконечного склона "

1.2.2. Анализ устойчивости стона конечной длины

1.2.3. Анализ устойчивости реальных стонов

в рамках простейших моделей

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

1.4. Обзор способов объяснения аномальной 24 подвижности крупномасштабных лавин.

1.5. Постановка задачи исследования

Глава 2. Экспериментальное исследование движения гранулы и

динамики слоя гранул на наклонной плоскости

2.1. Движение одиночной гранулы по наклонной плоскости

2.2. Экспериментальное исследование динамики тонкого слоя

гранул на наклонной плоскости

2.2.1. Экспериментальная установка

2.2.2. Эксперименты без внешнего воздействия на

монослой гранул на наклонной плоскости

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

начальным толчком насыпи в верхней части монослоя

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

2.4. Что показали эксперименты

Глава 3. Элементы физической модели процесса

3.1. Модель скатывания отдельной гранулы по наклонной плоскости

3.1.1. Движение по ровной наклонной тоскости

3.1.2. Движение по ступенчатому стону

3.1.3. Критическая скорость скатывания гранулы

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

3.3. Процессы в тонком слое гранул на наклонной плоскости

3.3.1. Процесс вытеснения одиночной гранулы

3.3.2. Вал

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

Глава 4. Формирование и динамика лавиноопасного слоя на склоне

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

структуры обломочных зон на склоне

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

4.3. Динамика слоя камней, удерживаемого от движения по

склону стопором

4.4. Движение лавины по склону

Глава 5. Мероприятия по обеспечению безопасности на горном склоне

Основные выводы

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Склоновые явления массопереноса: Эксперим. исслед.»

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].

Заключение диссертации по теме «Геофизика», Щербаков, Сергей Георгиевич

Основные выводы.

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 качении по наклонной плоскости гранула достигает предельной скорости движения; б) слой гранул на наклонной плоскости, удерживаемый от скольжения стопором внизу "склона", спрессовывается под действием своего веса, если скатывающая сила больше силы трения скольжения гранул; в) по мере спрессовывания слоя в нем растут напряжения сжатия. Они могут привести к вытеснению отдельных гранул из него. Вытеснение обусловлено отклонением от направления, параллельного склону, сил, действующих между гранулами. Это отклонение происходит из-за неровностей гранул, "склона" и различия в размере самих 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 спрессовывании 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 эксперименты по изучению движения по горизонтальной плоскости компактного объема гранулированного вещества. Установлено, что: а) при движении по горизонтальной поверхности "лавина" из 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 затем уменьшение интегрального коэффициента трения, определяемого через значение кинетической энергии в момент начала 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 неровностями, 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 противодействующих 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 структуры обломочных зон на склоне, сопровождаемая их укрупнением по мере приближения к подножию склона; 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 формирования 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 она 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 склонов. Для предотвращения разрушения стопоров, сдерживающих опасные слои, следует проводить мероприятия, направленные на то, чтобы в слое могли происходить перемещения, в которых часть нагрузки будет воспринимать сила трения. Этого можно добиться "извлечением" отдельных элементов слоя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Щербаков, Сергей Георгиевич, 1998 год

Список литературы:

1. ВН. Родионов, И.А.Сизов, В.М.Цветков. Основы геомеханики. Москва, Недра 1986.

2. Болт Б.А., Хорн У.Л., Макдоналд, Г.А. Скот РФ. Геологические стихии. Москва, МИР, 1978,

3. В.В. Адушкин, В.Н. Родионов. О режиме оползней на горных склонах.//Динамические процессы в геосферах: геофизика сильных возмущений. Сборник трудов ИДГРАН. Москва, 1994.

4. A.B. Остроумов. Механизмы трения в обвальных потоках.// Проблемы термомеханики грунтов. МГУ, 1986.

5. В.В. Адушкин, Ю.Н. Зыков, Б.А. Иванов, Численное моделирование лавинообразного обрушения вулкана Корякского.// Вулканология и сейсмология. 1995. №6. С.82-93.

6. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теория упругости. Москва, "Наука" 1987.

7.С.С. Григорян .Новый закон трения и механизм крупномасштабных горных обвалов и оползней. ДАН. 1979, т. 244, №4. с,846-849.

8. С.С. Григорян, Н.Н.Нилов, A.B. Остроумов, B.C. Федоренко -Математическое моделирование горных обвалов и оползней больших обьемов. Инженерная геология, 1983, №6. с.61-72.

9. В.В. Адушкин, Ю.Н. Зыков, С.А Федотов. Механизм разрушения вулканической постройки вследствие потери устойчивости и оценка размеров возможного обрушения Ключевского вулкана.// Вулканология и сейсмология. 1994. №6. С.81-94.

10. В.В. Адушкин, Э.У. Басиев, Ю.Н. Зыков, Л.М. Перник, А.Е. Федоров. Сооружение каменно-набросной плотины на р. Алинджачай взрывом обрушающего действия. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. №2, 1986, с.38-44.

11.A.B. Потапов. Сравнительное изучение реологии дальнопробежных лавин и гравитационной модификации метеоритных кратеров. Прикладные задачи аэромеханики и геокосмической физики, сб. М. МФТИ, 1991, с. 17-23.

12. .А.Е.Шейдегер. Физические аспекты природных катастроф. Москва. Недра. 1981.

13.К. Терцаги. Механизм оползней. Проблемы инженерной геологии. Выпуск 1. Москва, Иностранная литература, 1958. Стр. 175-219.

14. Hungr О., Kent A.. Coal Mine Weste Dump Failures in British Columbia, Canada.// Landslide News, N.9, p. 26-28,1995.

15. Lateltin О, Bonnard C. Reactivation of the Folli-Holli Landslide in the Prielps of Freiburg, Switzerland.// Landslide News, N.9, p. 18-21,1995.

16. P.J .Shaller Analysis and implications of large martian and terrestrial landslides. Ph.D. Thesis. California Institute of Technology, 1994.

17. Ф.Рейтер, К.Кленгель, Я.Пашек, Инженерная геология. Москва, Недра, 1983.

18. P.J .Shaller, G. Komatsu. Landslides on Mars. // Landslide News, N.8, p. 18-22,1994.

19. K.Sassa, H.Fukuoka, T.Sacamoto. The rapid and disastrous Nikawa landslide// Landslide News, N.9, p. 6-9,1995.

20.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. 7178.

21. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Гидродинамика. Москва, "Наука", 1987.

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

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

24. Е.И. Шемякин. О подвижности больших оползней. Доклады Академии Наук, 1993, том 331, №6.