книги из ГПНТБ / Трофимов, А. М. Основы аналитической теории развития склонов (на примере осыпных и делювиальных)

И. С. Комарова (1964), характер заполнения осыпи мелкозе­ мом зависит от петрографического состава пород, их выветриваемости и крутизны склона. В зависимости от колебания указанных факторов, глубина заполнения осыпи может быть различной (однако возрастает во времени).

Подобная цементация нижних частей осыпи обусловливает

смещение всей массы материала в целом, так и более интенсивное смещение поверхностного и близлежащих горизонтов.

2. Интенсивность и характер смещения материала

Основной причиной, обусловливающей начало движения материала под действием силы тяжести, является удаление препятствий („потенциальных барьеров“, Иверонова, 1954) к перемещению отдельностей рядом факторов, на первом месте из которых стоит выветривание. Факторы эти могут значительно увеличить потенциальные возможности, и тогда движение проявится с достаточной интенсивностью; они могут незначительно увеличить потенциальные возможности и тогда движение проявится с незаметной для наблюдателя интенсивностью. По степени проявления интенсивности дви­ жения судят о его характере и видах.

В литературе неоднократно разбиралась классификация движения обломочного материала по степени его интенсив­ ности (см. например, Агеев, Дитмар, 1964; Клишевич,

Пшенин, 1966; Симонов, 1968; Morisava, 1966; Yatsu, 1967; Gray, 1968 и др.). Наиболее широко разработанная из них— классификация Андерса (Anders, 1962) на примере склоновых осыпей в Скандинавии.

Выделяется всего три основных категории движения;

—моментальные,

—спорадические,

60

с одинаковой скоростью. Отклонение скоростей движения обломков от их среднего значения не более 50—75%;

— индивидуальное перемещение, характеризующееся ско­ ростью 0,5—10 см/год и выше. Колебание скоростей довольно сильное. В таком перемещении принимают участие от 5 до 15% обломков (Хмелева, Никулин, Шевченко, 1971).

Моментальное и спорадические смещения отдельных обломков могут достигать довольно высокой интенсивности, практически несравнимой со скоростью сплбшных масс (Young, 1963). Шестнадцатилетние наблюдения (1947—1963) Писсарта (Pissart, 1964) в Шамбероне (Нижние Альпы, Фран­ ция) показали, что за один год из 60 фиксированных облом­ ков 49 сместились на расстояние от 5 до 600 см, в то время

По наблюдениям Н. П. Костенко (1958), на поверхности осыпи смещение отдельных обломков 'может варьировать от 0,2 до 90 см/год. Характер их смещения весьма различен

иобусловлен конфигурацией, формой, размером и составом.

Вцелом, смещение отдельных обломков по поверхности осыпи — хаотичное.

Изучение морфологии осыпи и характера смещения осып­ ного материала на осыпных склонах Колорадо Морисавой (Morisawa, 1966) показало, что наиболее интенсивному сме­ щению подвержены поверхностные части осыпи. Перемеще­ ние осуществляется различными путями, из которых наиболее основные следующие: а) сползание индивидуальных частиц или масс обломков; б) индивидуальное движение частиц, сорвавшихся с устапа; в) воздействия внешних факторов на обломки (транспортировка водой и т. п.); г) обваливание,

расположенных слоев, в осыпи отмечается грубая страти­ фикация.

61

Большую значимость в различиях интенсивности смещения получает материал в зависимости от положения его в раз­ личных слоях осыпи. Общее смещение поверхностного слоя осыпи (полученное Ивероновой по фиксации перемещения глубинных реперов) не превышает 15 см/год; в то же время как на самой поверхности отдельные группы обломков могут перемещаться со скоростью до 50—60 см/год (Pissart, 1964),

экспериментальными данными Янга (Young, 1960). Крити­ ческая глубина или граница, ниже которой движение из

материала наиболее отчетливо прослеживается в тех случаях,

явлениями, и в наименее благоприятных условиях скорость не превышает 2—3 см/год.

В 1961—1962 гг. Кайне (Caine, 1963), проводя наблюдения за смещением обломочного материала (Северная Англия), отмечает, что существует три пика скоростей в течение года. Первый пик связывается с промерзанием и оттаиванием грунта; второй — с наличием дождевого сезона и третий —

62

с весенним оттаиванием. Скорости смещения в зависимости

сивность смещения, связанную с сезонными явлениями, только спорадических и продолжительных категорий. Однако существует моментальный тип (категория) смещения мате­ риала, в меньшей степени связанный с сезонностью явлений. Скорости смещения этой категории бывают максимальными (Костенко в Восточных Саянах установлена максимальная

подтверждено результатами 8-летних стационарных наблюде­ ний на горных склонах Южной Калифорнии Крамесом (Кгашmes, 1965).

смещаются со скоростью 4—21 см/год, а на склонах с углом наклона 17° обломки размером 5—20 см имеют скорость смещения 20—240 см/год. При минимальном угле откоса склона (6°) обломки размером 3—15 см, характеризуются интенсивностью смещения, порядка 3—21 см/год. Им было показано также, что на пологих склонах мелкие обломки смещаются с меньшей интенсивностью, на крутых склонах чаще всего обнаруживается обратная зависимость. В 1964 г.

с увеличением их размеров и возрастает с увеличением уклона. Стационарные исследования Шумма (Schümm, 1967) дали следующие результаты: при минимальных уклонах темп

Кайне (Caine, 1963) отмечает, что на склонах крутизной 20° общая величина смещения составила от 2,9 —до 49,5 см/год

63

пересечься. Пересечение кривых в' какой-то определенной точке свидетельствует о существовании такого угла накло­ на склона, при котором интенсивность смещения обломоч­ ного материала не будет существенно зависеть от размеров обломков. Такой угол, несомненно, должен быть выше критического для данных пород.

5. Виды смещения обломочного материала

Выше мы говорили о наличии пульсационного, ритмиче­ ского или циклического, эпизодического и случайного харак­ тера движения обломочного материала. На основании интен­ сивности его проявления выделяются отдельные виды (Саваренский, 1939; Иверонова, 1954; Золотарев, 1956; Тржцинский, 1963; Коломенский, Комаров, 1964; Славянов, 1964 и др.).

По степени замедления интенсивности движения можно выделить следующие виды:

1) перекатывание отдельных обломков горных пород по поверхности осыпи (скорость до 906 см/год и выше);

64

2) скольжение отдельных обломков горных пород

(20—240 см/год);

3)групповое смещение обломков горных пород в различ­ ных частях осыпи (2,9—49,5 см/год)-,

4)групповое смещение обломков на значительной пло­ щади осыпи (3—15 см/год по 5—20 см/год)-,

5) смещение поверхностного горизонта осыпи (5—18 см/год)-,

идр. причинами;

7)медленное смещение всей массы материала в целом (тип смещения сплошных сред, рассматриваемых в реологии (Scott Blair, 1949). Интенсивность этого вида смещения

зависит от характера кривизны подстилающих пород, состоя­ ния увлажнения и состава пород осыпи (0,5—10 см/год);

возникают области подпора для поступающего сверху мате­ риала. При большем увлажнении перегиб осыпи может прийти в движение, нося исключительно интенсивный харак­ тер. Подобный вид движения обломочного материала (осовы) является более интенсивным, однако не имеет периодичности развития (Саваренский, 1939).

В природе, однако, не один из названных видов смещения материала не происходит в „чистом виде“. Наиболее вероятна комбинация их. Часто случается, что какой-либо из видов является преобладающим; тогда по нему судят о характере развития осыпи. Соответственно виду движения материала вырабатывается линия поверхности осыпи как результат наивыгоднейшего (наиболее устойчивого) положения обло­ мочного метериала.

6. Интенсивность смещения материала во времени

Перечисленные основные виды перемещения материала происходят неоднородно во времени и не один из описанных видов не носит линейной зависимости во времени (примеры отдельных скоростей, графическое приложение и т. п.).

В литературе, однако, встречаются утверждения о постоян­ ной скорости перемещения обломочного материала. Это

жения. Сезонность процессов обусловливает пульсацию ско­ ростей (Niemirowski, 1964; Pissart, 1964 и др.). Различия в угловых значениях склона показывает зависимость, весьма далекую от линейной по времени. Различия в размерах также обусловливает значительные амплитуды в минимумах и мак­ симумах скоростей. Поэтому нет сколько-нибудь веских оснований говорить о постоянной скорости смещения обломочного материала (даже при сплошных смещениях), что доказано также результатами 16-летних наблюдений Писсарта (Pissart, 1964).

Резюмируя вышесказанное, можно подвести некоторые итоги относительно интенсивности развития осыпи:

смещение поверхностного и близлежащих горизонтов.

2.Интенсивность смещения материала определяется се­ зонностью явлений, угловыми характеристиками склона, размерами обломков и т. п.

3.Интенсивность смешения осыпного материала может быть пульсационной, ритмичной, цикличной (соответственно климатическим и сезонным циклам), эпизодической, случай­

ной и каждый раз в различных масштабах.

4. Различный характер проявления интенсивности движения обусловливает различия видов смещения.

§ 2. ДЛИНА ОСЫПИ

При определении формы, размеров осыпи и других харак­ теристик, наиболее значимыми являются уклоны (ее вариации)

где длина пути (/) обломка является функцией его диаметра. Уравнение (1.2.2—1) справедливо для уклонов, не ниже кри­ тических, следовательно применимо только к осыпям.

Анализируя уравнение (1.2.2—1) можно отметить, что диаметр обломка зависит, в какой-то степени, от высоты стенки откоса, что было обосновано в одной из ранних работ (Трофимов, 19646) и в дальнейшем подтверждено на конкретных примерах Н. В. Хмелевой, Ф. В. . Никулиным

66

и Б. Ф. Шевченко (1971). Приводя тщательные изучения морметрии склонов по 56 снятым профилям, Тинклер (Tink­ ler, 1966) показал, что длина осыпи непосредственно зависит

составом слагающих склон коренных пород. Немалую роль здесь играют также характер поверхности осыпи и величина

ß — уклон откоса, d — средний диаметр обломков, т — коэф­ фициент, характеризующий состояние поверхности откоса, Н — общая высота склона.

Вопрос о длине осыпи, а в особенности обвалов, волнует географов и инженеро-геологов гораздо больше с прикладной точки зрения. Над этим вопросом работают многие специа­ листы, одкако аналитического решения (1.2 .2 —2) пока что нет. Эмпирическое решение вопроса о длине обвала с целью получения прогнозных характеристик привел Е. К. ГречищеВ (по Коломенскому, Комарову 1964). На основании изучения 234 обвалов (естественных и искусственных), им были выве­ дены зависимости L от h и ß для среднемаксимальных случаев

Первое из этих уравнений справедливо для свежих массив­ ных песчаников; второе — для выветрелых разностей пород.

Приближенное решение функции (1.2.2—2) может быть получено теоретически, исходя из условия, что весь обвали­ вающийся и осыпающийся материал скапливается у основания склона и укладывается здесь с уклоном, определяемым функцией (10). Решение плоской задачи можно проиллюстри­ ровать исходя из равенства

ляющихся у основания склона осыпных или обвальных пород, с — коэффициент, учитывающий изменение объема материала в осыпи в связи с постотностью и т. п.

Объем Ѵп можно представить как произведение высоты склона на глубину, на которой намечается и далее происходит

обвал, то есть используя обозначения, данные в (1.2 .2—2 ) запишем

(1.2.2 —4a, б)

откуда длина осыпи выразится через известные величины как

I — 2/А '___________1________

(Я — К) COS et (fx — Ctg ß) (1 — с).:]•

§3. УГОЛ ОТКОСА ОСЫПИ

1.Зависимость угла откоса осыпи от размеров

обломков и их состава

Рассматривая осыпь как сыпучую среду, лишенную сил сцепления, можно предположить, что устойчивость ее обусловливается силами внутреннего трения. Логический анализ условий равновесия каждой из частиц на склоне при­ водит к выводу (Девдариани, 1967), что угол естественного откоса осыпи определяется углом трения покоя или внутрен­ ним трением (10)

> = tg a .

Из равенства (10) следует, что ни масса, ни размеры и состав обломков не играют существенной роли при формировании откоса сыпучего материала.

В 1954 году М. И. Иверонова привела данные, свидетель­ ствующие, что все перечисленные характеристики обломоч­ ного материала так или иначе отражаются на величине уклона осыпи. Ниже приводится таблица 10, в которой систематизированы данные различных исследований по опре­ делению угла откоса для различных групп пород и для раз­ личных размеров обломков.

Из таблицы видно, что характер состава и размеры обломков могут обусловить различия в углах откоса порядка 16° (26—42°) *. Кроме того, из таблицы 10 заключаем, что чем больше размер обломков (для определенной группы пород), тем больший угол покоя они образуют. К такому же

68

Т а б л и ц а 10

Величина угла откоса осыпи для различных групп пород (по даным различных авторов)

69

I