基于摩擦学特性的边坡问题思考
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统， 其行为已不能由任何一个构成它的组成部分来体现。 对于边坡系统来说 ， 同的滑动面位置具有 不同的摩擦性 不 质 。这种相对 运动和相互作 用很 明显 ， 因此很多人 提出 了边坡 系统的 自组织特性 ， 试图用 自组织理论 （ Ｏ ） Ｓ Ｃ 来揭示边坡 的内
堆崩塌 的产生趋势 ； 在米堆 中， 单独 的米粒 受重力场 的作用 有 下落 的趋势 ， 但很容 易被米粒 间的摩擦 力所阻止 。在这两 种系
统 中， 粒子都按不同的统 计结 构排 列。而这些亚稳 态的存在都 可以视为是粒子 间摩擦力 的有 限阈值所 致。事实上在 沙堆 中 ，
下落沙粒 的重力压倒 了摩擦力 的作用 。在米 堆 中， 摩擦 力相对 比较强 ， 米粒 下落 的作 用只是使 系统 在不同 的亚稳态 统计结 则
构 间移 动 。针对 沙 堆 边坡 和米 堆 边 坡 ， 然 它 们 存 在 着 不 既
作用 的表面和表 面 间的各 种行 为是 摩擦 学研 究 的核 心 内容。 表面的相对运动和相互作用是这些行为 的原因 ， 而行 为的结果 则是人们看到的各种 与摩擦学 有关 的现象 。摩擦 学行 为 的内
的。这在 自组织系统 中表现在两个特征上 ： ①多 自由度 相互 作 用； ②系统的动力学 中相互作 用 占主导地位 。例如 ， 考察沙 堆
理论在边坡稳定分析 中的适用性。认为 ： 边坡稳定对系统和时间的依赖性都可以用摩擦学 的内容来解释 ； 系统依赖 性揭 示了边坡系统不 同部位的力学性质 ； 间依赖性揭示 了摩擦时变系统的生命周期正好与边坡的变形阶段相对应 ， 时 存在着
蠕变 、 等速变化 、 加速变化等阶段。 关 键 词 ：自组 织理论 ；边坡 ；系统依 赖性 ；时间依赖性 ；摩擦 学
维普资讯
第２ ９卷第 ３期 ２０ ０ ７年 ３月
人
民
黄
河
Ｖｏ ． １ ２９． Ｎｏ． ＥＲ ＬＬ Ｖ
【 利 水 电工 程 】 水
基于摩擦 学特性 的边坡 问题 思考
张晓科 ， 国锋 孙 戴 ， 强 ，
泥水。滑坡体以较大 速率 向前 滑移 ， 速可达 到每秒 数十米 ， 滑
滑距 较大 ， 在滑速很大时甚至会产生气 浪。此阶段 的持续 时间
在本质。在这里需要考虑 ３个问题 ： ①能否将 自组织作为一种
定义清楚的独特现象同其他种类 的行 为区别 开来 ； 能否确立 ②
一
种能够被称 为 自 组织 临界 系统理论 的特定 的构架 ； ③能否找
收稿 日期 ：０ ６ ５ １ ２０ —０ —０
基金项 目： 国家重点 基础研究发展胡向 （７） 目 ３ Ｐ Ｂ１ ０） １ ３４ （Ｘ． ４ ７１。 ９ Ｃ ２
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第 ３期
张晓科等 ： 基于摩擦学特性的边坡问题思考
・ ９・ ６
同的依赖性 ， 那么在涉及到具体的边坡 问题 的时候应 当如何分 析？这也正是 限制 自组织理论在边坡 问题中应用 的制约点 ， 甚
至也是 自组织理论本 身需要 突破 的“ 瓶颈” 。
线性特性等 ＿ 。事实上 ， ２ 摩擦本 质就是一种非线性行 为 ， 正是 这种非线性摩擦 导致 了边坡 中各种复杂 的现象 。
图 １ 简单的摩擦 系统 在 自组织理论 中， 为系统 内部 的相互作用是 占主导地位 认
１ 边坡稳定的系统依赖性
摩擦学行 为是具有系统依赖性 的。发 生在相对运 动、 相互
和米堆行为 间的区别 。沙堆看 起来好 像演 化到 了一种 时间上
呈周期分布 的状态 ， 而米堆 （ 至少对 于 由某 些种类 的米粒 组成 的米堆来说 ） 则呈 广泛分 布的状态 。在沙堆 中 ， 作用在 每个沙
粒 的重力相对沙粒 间的摩擦力来说 占主导地位 ， 因此 阻止了沙
容十分复杂 ， 但应该强 调 的是 ， 注意元 素之 间的相对 运动 和 要 相互作用 ， 它们改变 了单 个元素 的固有性质 。系统依赖性是指 简单 系统 （ 见图 １ ）以及 由简单系统所构成的任何更为复杂的系
到一个体 现出 自组织行为所必须满足 的充要 条件的 系统 ， 即使
能够 建立一个 属于 自组织 的系统 ， 还得 看该 系统能否有 助于理 解研究对 象的行 为。
作者简介 ： 张晓科 （９ Ｏ ） 男， １８ 一 ， 河北唐 山人 ， 博士 ， 主要从事
岩 土 工 程 、 线 性 工程 地 质 方 面 的研 究 工作 。 非
（． １ 中国科学院 工程地质力学重点实验 室， 北京 １０ ２ ； ． ０ ０ ９ ２ 中国科 学院 研 究生 院地球科学学院 ， 北京 １０４ ； ０ ０ ９
３ 建设综合勘察研 究设计 院， ． 北京 １０ ０ ） ０ ０７
摘
要： 分析了边坡 稳定性 问题与摩擦行为 的关系 ， 出了边坡 稳定性分 析中需要注意 的几个 问题 ， 指 同时探 讨 了 自组织
中图分类号 ：Ｔ ４ ２ Ｕ ３
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：００ １７ （０ ７ ０ — ０ ８ ０ １０ — ３ ９ ２ ０ ）３ ０ ６ －２
关于边坡 （ 或滑坡） 的研究是 目前工程地 质学界 的一个重
点， 众多大型工程项 目如三峡工程 、 雅砻江水 电站等 ， 都存在边 坡危害等地质 问题 。从模型上讲 ， 边坡 的破坏研究可 以简化为
边坡上滑块的滑动 ， 又可 以复杂 到混 沌 和 自组织 等非 线性 模 型 。从本 质上来说 ， 关于边坡 的摩擦 以及稳定性分 析都是 以摩 擦学为基础的。但 目前 工程 地质 以及岩 土工程方 面对摩 擦学 的理解还仅仅停 留在表面上 ， 以致对 很多现象无从 解释。 因此 进一步深入研究摩擦学 有助 于从本质上把握 各种边坡现 象 ， 这 主要体现在边坡变形的蠕变 阶段 、 边坡的某些 自组织 特性 和非
堆崩塌 的产生趋势 ； 在米堆 中， 单独 的米粒 受重力场 的作用 有 下落 的趋势 ， 但很容 易被米粒 间的摩擦 力所阻止 。在这两 种系
统 中， 粒子都按不同的统 计结 构排 列。而这些亚稳 态的存在都 可以视为是粒子 间摩擦力 的有 限阈值所 致。事实上在 沙堆 中 ，
下落沙粒 的重力压倒 了摩擦力 的作用 。在米 堆 中， 摩擦 力相对 比较强 ， 米粒 下落 的作 用只是使 系统 在不同 的亚稳态 统计结 则
构 间移 动 。针对 沙 堆 边坡 和米 堆 边 坡 ， 然 它 们 存 在 着 不 既
作用 的表面和表 面 间的各 种行 为是 摩擦 学研 究 的核 心 内容。 表面的相对运动和相互作用是这些行为 的原因 ， 而行 为的结果 则是人们看到的各种 与摩擦学 有关 的现象 。摩擦 学行 为 的内
的。这在 自组织系统 中表现在两个特征上 ： ①多 自由度 相互 作 用； ②系统的动力学 中相互作 用 占主导地位 。例如 ， 考察沙 堆
理论在边坡稳定分析 中的适用性。认为 ： 边坡稳定对系统和时间的依赖性都可以用摩擦学 的内容来解释 ； 系统依赖 性揭 示了边坡系统不 同部位的力学性质 ； 间依赖性揭示 了摩擦时变系统的生命周期正好与边坡的变形阶段相对应 ， 时 存在着
蠕变 、 等速变化 、 加速变化等阶段。 关 键 词 ：自组 织理论 ；边坡 ；系统依 赖性 ；时间依赖性 ；摩擦 学
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Ｖｏ ． １ ２９． Ｎｏ． ＥＲ ＬＬ Ｖ
【 利 水 电工 程 】 水
基于摩擦 学特性 的边坡 问题 思考
张晓科 ， 国锋 孙 戴 ， 强 ，
泥水。滑坡体以较大 速率 向前 滑移 ， 速可达 到每秒 数十米 ， 滑
滑距 较大 ， 在滑速很大时甚至会产生气 浪。此阶段 的持续 时间
在本质。在这里需要考虑 ３个问题 ： ①能否将 自组织作为一种
定义清楚的独特现象同其他种类 的行 为区别 开来 ； 能否确立 ②
一
种能够被称 为 自 组织 临界 系统理论 的特定 的构架 ； ③能否找
收稿 日期 ：０ ６ ５ １ ２０ —０ —０
基金项 目： 国家重点 基础研究发展胡向 （７） 目 ３ Ｐ Ｂ１ ０） １ ３４ （Ｘ． ４ ７１。 ９ Ｃ ２
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张晓科等 ： 基于摩擦学特性的边坡问题思考
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同的依赖性 ， 那么在涉及到具体的边坡 问题 的时候应 当如何分 析？这也正是 限制 自组织理论在边坡 问题中应用 的制约点 ， 甚
至也是 自组织理论本 身需要 突破 的“ 瓶颈” 。
线性特性等 ＿ 。事实上 ， ２ 摩擦本 质就是一种非线性行 为 ， 正是 这种非线性摩擦 导致 了边坡 中各种复杂 的现象 。
图 １ 简单的摩擦 系统 在 自组织理论 中， 为系统 内部 的相互作用是 占主导地位 认
１ 边坡稳定的系统依赖性
摩擦学行 为是具有系统依赖性 的。发 生在相对运 动、 相互
和米堆行为 间的区别 。沙堆看 起来好 像演 化到 了一种 时间上
呈周期分布 的状态 ， 而米堆 （ 至少对 于 由某 些种类 的米粒 组成 的米堆来说 ） 则呈 广泛分 布的状态 。在沙堆 中 ， 作用在 每个沙
粒 的重力相对沙粒 间的摩擦力来说 占主导地位 ， 因此 阻止了沙
容十分复杂 ， 但应该强 调 的是 ， 注意元 素之 间的相对 运动 和 要 相互作用 ， 它们改变 了单 个元素 的固有性质 。系统依赖性是指 简单 系统 （ 见图 １ ）以及 由简单系统所构成的任何更为复杂的系
到一个体 现出 自组织行为所必须满足 的充要 条件的 系统 ， 即使
能够 建立一个 属于 自组织 的系统 ， 还得 看该 系统能否有 助于理 解研究对 象的行 为。
作者简介 ： 张晓科 （９ Ｏ ） 男， １８ 一 ， 河北唐 山人 ， 博士 ， 主要从事
岩 土 工 程 、 线 性 工程 地 质 方 面 的研 究 工作 。 非
（． １ 中国科学院 工程地质力学重点实验 室， 北京 １０ ２ ； ． ０ ０ ９ ２ 中国科 学院 研 究生 院地球科学学院 ， 北京 １０４ ； ０ ０ ９
３ 建设综合勘察研 究设计 院， ． 北京 １０ ０ ） ０ ０７
摘
要： 分析了边坡 稳定性 问题与摩擦行为 的关系 ， 出了边坡 稳定性分 析中需要注意 的几个 问题 ， 指 同时探 讨 了 自组织
中图分类号 ：Ｔ ４ ２ Ｕ ３
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：００ １７ （０ ７ ０ — ０ ８ ０ １０ — ３ ９ ２ ０ ）３ ０ ６ －２
关于边坡 （ 或滑坡） 的研究是 目前工程地 质学界 的一个重
点， 众多大型工程项 目如三峡工程 、 雅砻江水 电站等 ， 都存在边 坡危害等地质 问题 。从模型上讲 ， 边坡 的破坏研究可 以简化为
边坡上滑块的滑动 ， 又可 以复杂 到混 沌 和 自组织 等非 线性 模 型 。从本 质上来说 ， 关于边坡 的摩擦 以及稳定性分 析都是 以摩 擦学为基础的。但 目前 工程 地质 以及岩 土工程方 面对摩 擦学 的理解还仅仅停 留在表面上 ， 以致对 很多现象无从 解释。 因此 进一步深入研究摩擦学 有助 于从本质上把握 各种边坡现 象 ， 这 主要体现在边坡变形的蠕变 阶段 、 边坡的某些 自组织 特性 和非