降雨初期,雨滴降落到幹燥的土壤表麵,此時,土壤顆粒間隙有空氣填充、土粒來不及吸收雨水,細小土粒就會隨同雨滴的破碎顆粒一起濺散,這些細小土粒能維持原來的結構。這一濺蝕階段,就是6土濺散階段,它是雨滴濺蝕的初始階段;隨著降雨時間的持續,表層土壤吸收的水分增加,土壤顆粒間大都被水填充,繼續承受雨滴衝擊震蕩致使土壤結構破壞。當土壤表層水分增加到流限以上時,土粒即成稀泥形態,再受雨滴打擊,就會以泥漿狀態濺散。
在坡度不太大的地段,土壤的淨擊濺量是坡度的函數,因為土壤顆粒移動的平均距離,隨著坡度的增加而增加。
在形成泥漿流體的整個過程所需的能量,主要來自雨滴的擊濺,這種濺蝕可以在受到雨滴衝擊的任何地形部位上發生,而且泥沙的搬運也是依賴於雨滴的擊濺能量。
雨滴對地表土壤的濺蝕主要表麵為雨滴動能直接施加於土壤顆粒上,使之分散、震釋、破裂、濺起而引起顆粒的遷移。當雨滴直接衝擊薄的地麵水層時,可使其夾帶泥沙的能力增加許多倍。
三、地表徑流侵蝕作用
地表徑流是最主要的外營力之一。它在流動中可造成侵蝕、夾帶、輸移、衝刷:衝蝕和淤積。地表徑流水分為坡麵流水和溝穀流水兩種。前者包括坡麵上薄層的片流和細小股流,往往發生在降雨時或雨後很短的時間內,以及融冰化雪時期。後者是指侵蝕溝穀及河穀中的流水。
根據水流的基本特性,可分為層流和紊流兩種流態。層流沒有垂直於水流方向的向上分力作用,所以它通常不會卷起泥沙。這種流動在坡麵和溝穀中很少發生。紊流的水質點呈不規則的運動,並且互相幹擾,在水層與水層之間夾雜了大小不一的旋渦運動。旋渦的形成是由於上下水層的流速不同,分界麵上形成相對運動,在不穩定的流速分界上很容易造成微弱的波動,波動進而發展為一係列的旋渦。紊流內部主要是由許多不同類型的旋渦構成的。
水流的侵蝕過程就是地表泥沙被水流夾帶和輸移的過程,是否會發生侵蝕可根據泥沙起動條件來判斷。水流作用於沙質河床的力使沙粒產生運動或起動。對於沙粒或卵石等粗泥沙,其抗拒運動的力主要是顆粒自身的重量。細泥沙具有粘性,抗拒運動的力來自粘性力。當水流作用於沙粒或粘性土粒的水動力已經達到某一數值,即稍微增大一點就會使其運動,這就是達到臨界值的情況。等底部切應力等數值已經達到臨界條件,則水的平均速度也達到了臨界數值。水流具有充分的切應力、流速或水位,它才可以被認為是有能力推動泥沙。
下麵我們省略推導過程,直接引用著名的六次方定律,來說明水流所具有的巨大移動能力。這種移動能力是地表徑流侵蝕力的體現。
六次方定律說明,地表徑流能夠移動的最大顆粒的重量與顆粒附近的徑流流速的六次方成正比。這就是為什麼山區河流能夠輸移那麼大的石塊的原因。
中也強調了衝溝切割造成的危害。這表明地質界和文物界的學者們,對這一問題的重視。
四、漿體衝蝕磨損作用
自然界中產生的泥漿是地表徑流攜帶泥沙而形成的液固二相流體。液體介質攜帶固體顆粒以一定的速度和角度,向材料表麵進行衝擊,使材料表麵產生磨損的現象,在工程上稱為漿體衝蝕磨損。它實際上就是自然界中的地表徑流侵蝕作用。
在漿體衝蝕磨損過程中,一顆磨粒衝到靶材表麵時,往往會形成一個壓坑,壓坑的末端產生變形唇。衝蝕過程中,由於漿體的衝刷作用,使變形唇或變形的凸體很容易被衝刷掉,因而在漿體衝蝕過程中,靶材的硬度所起的作用更為重要,而延性所起的作用相對減少。
漿體衝蝕時,由於存在流體粘滯性阻力,而使磨粒的衝擊速度減小,同時速度指數也受到一定影響。研究表明,漿體衝蝕磨。
第四節重力侵蝕
重力侵蝕是一種以重力作用為主引起的侵蝕。嚴格地講,完全由重力作用引起的侵蝕並不多見,重力侵蝕現象的發生,是與其他外營力,特別是降雨侵蝕(即水力侵蝕)及在下滲水的共同作用下,以重力為其直接原因而引起的地表物質的運動。這些運動包括滑移、崩塌及滑坡等。對石質藏品威脅最大的重力侵蝕作用是滑移和崩塌。
滑移、崩塌的危害狀況
由滑移和崩塌造成的危害威脅著岩畫、石雕、石窟及其他洞體的安全。這一問題引起了學術界的高度重視。由於岩石裂隙交切及風化地質營力作用,引起雕刻品崩塌脫落。
龍門石窟最突出的風化破壞類型是崩塌和岩溶,尤以崩塌現象最為嚴重。
許多石窟寺中的洞窟都麵臨崖壁崩塌的嚴重危險。這些鑿於懸崖峭壁之上的石窟群,有的由於先天不足,經受不著大自然的無情摧殘,崩體崩裂,洞窟坍塌。
綜上所述,學者們對石窟的破壞狀況大致為:崖壁崩塌、洞窟坍塌、岩體滑動。斜坡岩體的滑移和崩塌是地質災害的一種形式,它是大自然運動和變化的極端形態。這一極端形態所造成的破壞,往往超過了人類的抵抗能力,但對一個有限範圍(例如石窟,摩崖來說,人類利用現代科學技術手段通常是能夠防範和製止的,通過強調防微杜漸的保藏學意識,可產生更加積極的效果。
應力與應變的概念
在以下的討論中將涉及岩石或岩體的應力和應變問題,因此應當先介紹一下應力和應變的概念。
一、應力的概念
當外力作用於某一物體上時,外力將以內力的形式在物體內傳遞。為了分析內力,可設想平麵將物體分割成兩部分。由於周圍介質的作用,必然有內力作用在該平麵上,這種內力相當於分布的外力。單位麵積上所承受的內力,稱為應力,表示了內力的強度。
二、應變的概念
應變是用來描述物體內部質點之間的相對位移的。實際材料為非剛體,在受力之下,材料內部各質點間會發生相對位移。用真實應變。因此,我們也就不再討論真實應變的概念了。斜坡岩體的失穩
斜坡是指地殼表部具有側向臨空麵的地質體,是地表廣泛分布的一種地貌形式。斜坡大致分為兩類。一類是人工邊坡;另一類是未經人工破壞改造的自然斜坡。
斜坡在自然界處於不斷運動和變化的過程中。運動和變化的結果導致斜坡的變形和破壞。在內外動力地質作用的影響,及人類活動的影響下,特別是重力作用的影響,使斜坡岩土體的內應力重新分布,改變了主應力方向,造成斜坡失穩。斜坡的滑移和崩塌就是失穩的極端形態。它是陡坡岩體失穩的最終表現。石窟、摩崖的圍岩也是斜坡岩體的組成部分,因此,它也會參與滑移和崩塌過程。發生在石窟和天然洞穴中的崩塌,會造成洞室的坍塌。
一、斜坡岩體的應力分布規律
在斜坡形成過程中,表層岩體發生卸荷回彈,隨之引起應力的重新分布。應力重新分布的規律大致如下:
1.在應力重新分布過程中,斜坡主應力跡線發生明顯偏轉。無論在重力場條件下,還是在以水平應力為主的構造應力場條件下,其總的特征表現為愈靠近臨空麵,最大主應力愈接近平行空麵,最小主應力則與之接近正交,向坡體內部逐漸恢複原始應力狀態。
2.在坡腳附近出現明顯的應力集中帶,這也是應力重新分布的一個特征。該處最大主要力與最小主應力的差達到最大值。從而形成最大剪應力增髙帶,坡度愈陡,應力集中愈明顯。
3.斜坡岩體由於側壓力近於零,實際上變為兩向受力狀態,而向坡體內部逐漸變為三向受力狀態。
4.在斜坡頂麵及斜坡的某些部位,由於水平應力的顯著降低,某些最小主應力成為張應力,從而形成張應力帶。這些張應力帶部位易被拉裂,而形成與坡麵近乎平行的拉裂麵。