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因为当前重力无法发电,当前能产生电力能源的都是能产生热能或转换成动力的。例如风力、煤电、水电、燃油电、核电等,而纯粹的重力重能并不能产生有效的热能或动力转换,无法有效地转换成电能,所以不能用重力发电。
重力是静力学,大部分情况下是属于相对静止的状态的,与弹力、摩擦力、电场力等有本质区别。大部分情况下重力是无法产生动力或热能来转换成电力的。
电力产生方式
当今是互联网的时代,我们仍然对电力有着持续增长的需求,因为我们发明了电脑、家电等更多使用电力的产品。不可否认新技术的不断出现使得电力成为人们的必需品。
电力的产生方式主要有:火力发电(煤等可燃烧物)、太阳能发电、大容量风力发电技术、核能发电、氢能发电、水力发电等。
21世纪能源科学将为人类文明再创辉煌,例如,燃料电池是将氢、天然气、煤气、甲醇、肼等燃料的化学能直接转换成电能的一类化学电源;生物质能是以生物质为载体的能量,生物质能的高效和清洁利用技术也得到极大发展。
1. 斜坡块体运动及力学分析
自然斜坡由岩体或松散的土体构成,它们统称块体,也称岩土体,块体在重力作用下沿斜坡向下运动的过程称块体运动(mass movement)。块体运动是斜坡变形的一种常见过程,也是引起斜坡不稳定性的重要因素,常导致地质灾害。
图 3-5 斜坡上块体受力分解图符号意义见文字中
在重力的作用下,斜坡上的块体是否发生运动,取决于块体的下滑力(T)与抗滑力(τ)的大小。前者是推动块体运动的动力,而后者是阻止块体运动的阻力。只有当下滑力大于抗滑力时,斜坡上块体才可能向下运动。
斜坡上块体的下滑力(T)是斜坡上块体的重力沿坡面的分量(图 3-5),它受块体的密度、高度、坡度影响,其大小为:
第四纪地质学与地貌学
式中: G 为斜坡块体重量; ρ 为土体密度; g 为重力加速度; h为坡高; θ 为坡角。从这个式子可以看出,坡角的影响较大。坡面的坡角越陡,其下滑力就越大; 斜坡上块体越重,其下滑力也越大。抗滑力(τ)由斜坡块体内摩擦力和黏结力产生,其大小为:
第四纪地质学与地貌学
式中: N 为斜坡所受正压力; C 为块体黏结力; A 为块体与坡面接触面积; φ 为块体内摩擦角。从式中可以看出,内摩擦角越大,抗滑力越大; 块体的黏结力与块体的固结程度或成岩性有关,一般是块体固结强和成岩性越好,其黏结力越大,而松散的土体黏结力小。因此,固结强或成岩性好的块体,其抗滑力大,因此松散堆积物的抗滑力小,易发生块体运动。
斜坡上的块体稳定性用稳定系数(K)来表示,其值为抗滑力与下滑力的比值:
第四纪地质学与地貌学
当 K >1 时,块体稳定; 当 K <1 时,块体不稳定,发生运动; 当 K =1 时,块体处在极限平衡状态,一旦有外界的诱发力作用,块体可能发生运动。
如果斜坡上的块体为松散堆积物,那么块体的黏结力很小,近似等于零,其抗滑力为:
第四纪地质学与地貌学
这时,斜坡上的土体、岩块等松散块体的稳定条件为:
第四纪地质学与地貌学
要使斜坡上的碎屑物质稳定,不向下运动,需要下滑力小于抗滑力,那么坡角就必须小于坡面物质的内摩擦角。如果斜坡上的松散堆积物处于极限平衡状态,则下滑力等于抗滑力,即坡角等于块体的内摩擦角。因此,块体的内摩擦角正好反映了块体沿斜坡下滑起动的坡角,把这个角度定为物质的休止角。对于那些没有黏结力的砂层或松散碎屑堆积层来说,内摩擦角和休止角(angle of rest)是一致的。当斜坡的坡角(θ)小于堆积物内摩擦角(φ)时,斜坡上的物质是稳定的; 当 θ = φ 时,斜坡上的物质处在稳定的临界状态。
松散堆积物内摩擦角(休止角)的大小受多种因素的影响,如物质颗粒的大小、形态、成分、含水量等(表3-2)。粗大并棱角状而密实的颗粒堆积物的休止角大,颗粒细小、圆形的颗粒堆积物的休止角小。在粒径、形态、成分相同的条件下,干的松散堆积物休止角较大,由其构成的斜坡较稳定; 而湿的松散堆积物休止角较小,斜坡的稳定性降低(表 3-2)。所以在其他条件相同的情况下,湿润地区的山坡坡度缓,而干旱地区的山坡坡度陡。另外,在雨季的时候,一些斜坡发生滑动、移动,这是由于土体的含水量增加了,造成休止角降低而引发的。
已成岩的岩石块体的休止角很大,几乎可以达到 90°,而影响其稳定的主要因素是岩层的黏结力。一般情况下,坚硬岩石的黏结力很大,不易发生移动。但是,如果在岩石中发育一些软弱的结构面,如节理面、断层面、劈理面等,它们将降低岩石的内摩擦角和黏结力,可导致块体运动。
表 3-2 常见的松散堆积物的休止角
2. 斜坡重力作用类型
在重力的作用下,斜坡上块体的运动方式多种多样,其运动速度也有很大的差别,如有从斜坡上向下快速坠落的,也有沿斜坡软弱面缓慢下滑的,还有顺斜坡缓慢向下蠕动的。根据斜坡上块体运动的速度和运动方式,可将斜坡的重力作用类型分为滚落作用、滑动作用和流动作用(表 3-3)。
表 3-3 斜坡重力作用分类
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