（岩土工程专业论文）地下岩体工程灾害隐患雷达探测与控制研究.pdf

! ! 查竺苎圭竺竺兰查 塑兰生土 摘要 本文在全面检索、分析和评述国内外灾害科学研究已有成果和文献资料的基础上， 系统研究了地下岩体工程灾害隐患雷达探测与控制理论及技术，并将研究成果成功应用 于地下矿山、高速公路等部门的工程灾害隐患探测与防治工作之中。通过对雷达波在非 均匀矿岩介质中传播与衰减规律、工程灾害隐患在探地雷达中成像特征与规律等理论和 实验研究，作者首次明确提出了应用探地雷达技术探测地下金属矿山工程灾害隐患，并 给出了其相应的理论依据。 f 针对当前我国探地雷达解释系统的不成熟、不完善的现状，论文提出探地雷达解释 系统朝智能化发展的新思路，指出了采用传统标定的雷达波平均速率来计算介质层的探 测厚度，会给探测结果带来较大的误差，给出了其误差大小计算公式，并得到现场试验 结果验证。同时，研制了一种基于人工神经网络的探地雷达智能解释系统，且在w i n d o w s 环境下，开发了一套与之配套的可视化自适应人工神经网络软件。 在工程灾害隐患雷达探测模拟实验技术方面，设计了一套研究空区中不同充填介质 对雷达探测图像影响规律的实验模型，并首次分别以空气、水、砂、泥作为充填介质， 进行模拟实验研究，获得了空区中的充填介质对其雷达探测图像影响规律。在工程灾害 隐患雷达探测现场试验方面，研究出了一套适用于地下岩体工程灾害隐患探测的探地雷 达实施技术与方法，获得了地下岩体工程灾害隐患存在与否对探地雷达图象显现特征之 间的关系，及其雷达图象识别与处理、平面定位及产状判定的综合技术。 在地下岩体工程灾害隐患控制研究方面，详细研究了由采空区引发的老空区突水和 采空区坍塌，以及巷道坍塌等地下岩体工程灾害的预测和防治技术及措施；运用模糊优 选理论，结合专业知识，合理地选择隶属度与隶属函数，建立了地下岩体工程灾害隐患 处理技术模糊优选模型，并将其应用到矿山采空区处理方案决策过程中，取得了良好的 应用效果。 另外，作者还从系统论的角度，研究地下岩体工程灾害问题，认为地下岩体工程灾 害是一个完整的系统，而对其进行探测、预测与防治过程，则是一项系统工程；并针对 我国地下岩体工程灾害现状，率先提出了对于复杂多变的地下岩体工程灾害，应从深层 诱灾因子的力学成因、灾害的定量判别机理、灾害显现的表征特性监测与控制开展三位 一体的研究。i ， ， 嗅链询：薄嚆馘壬碧酾灾妻堕净；餐苎碧达：摆测；# 制 中南大掌博士掌位论文 a b s t r a c t 1 1 a b s t r a c t b a s e do nas y s t e m a t i cs e a r c h ，a n a l y s i sa n dr e v i e wo ft h ee x i s t i n ga c h i e v e m e n t sa n d d o c u m e n to fd i s a s t e rr e s e a r c hi nt h ew o r l d t h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so fe x p l o r a t i o n & c o n t r o lf o rt h eh i d d e nd a m a g et h a tb r o u g h ta b o u tt h ed i s a s t e r si nu n d e r g r o u n dr o c ke n g i n e e r i n g ， h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yt h en 啪b e r s m e a n w h i l e 、s o m eo f a c h i e v e m e n t sh a v ea p p l i e df o r e x p l o r i n g ，p r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h eh i d d e nd a m a g e t h a tb r o u g h ta b o u tt h ed i s a s t e r si nt h e u n d e r g r o u n dm i n e sa n df r e e w a y ss u c c e s s f u l l yi nt h i sa r t i c l e an e w m e t h o df o re x p l o r i n gt h e h i d d e nd a m a g ew i t ht h eg r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) i nu n d e r g r o u n d m e t a lm i n e s ，h a sb e e n f i r s tp u tf o r w a r dd e m o n s t r a b l y , a n di t st h e o r e t i cf o u n d a t i o n sh a v eb e e ng i v e nw i t hr e s e a r c h i n g t h e1 a w so fr a d a rw a v e t r a n s m i t t i n ga n da t t e n u a t i o ni nt h el o s s yi n h o m o g e n e o u sm e d i u m ，a n d t 1 1 es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so nt h el a w so fr a d a rw a v et r a n s m i t t i n ga n da t t e n u a t i o ni nt h eo r e a n dr o c km e d i u m t h ea u t h o rs u g g e s t e dt h a tt h ei n t e r p r e t i v e s y s t e mo fg p r s h o u l db e e ni n t e l l i g e n t i z e d b e c a u s et h ee r r o ro fr e s u l tb e c a m em o r e 、v i ma v e r a g ev e l o c i t yo fr a d a rw a v e m e a n w h i l e ，t h e f o r m u l ao f t h ec a l c u l a t ee r r o rh a sb e e ng i v e n ai n t e r p r e t i v e s y s t e m o fg p rf o r e x p l o r i n g t h e e n g i n e e r i n g h i d d e n d a m a g e i n u n d e r g r o u n dr o c ke n g i n e e r i n gw a se s t a b l i s h e db a s e do n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) ，a t t h es a m et i m e av i s u a l i z e ds e l f - a d a p t i v em o d i f i e dm u l t i p l a y e rf e e d f o r w a r d & f e e d b a c kb p a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ks o f t w a r er e l e v a n tt oi t w a sd e v e l o p e db a s e do nm a t l a b l a n g u a g e o nt h em i c r o s o f tw i n d o w se n v i r o n m e n t i nt h ea s p e c t so f e x p e r t m e n t a lt e c h n i q u e s ，as u i to fe x p e r i m e n tm o d e l sh a v eb e e nm a d e ， a n df t h el a wb e t w e e nt h ei m a g e so f g p ra n df i l l e dm e d i u m si nt h e a c ea r e ah a sb e e ng a i n e d b yd o i n g t h i se x p e r i m e n tw i m f i l l i n gd i f f e r e n tm e d i u m s s u c ha sa i r , w a t e r , s a n d sa n dm u d i nt h ea s p e c t so f t e c h n o l o g i e sf o re x p l o r i n gt h eh i d d e n d a m a g e o ns i t e ，t h et e c h n o l o g ya n d m e t h o df o re x p l o r i n gt h e e n g i n e e r i n g h i d d e nd a m a g et h a tb r o u g h ta b o u tt h ed i s a s t e r sw i t hg p r ， t h ei n f l u e n c eo nt h ec h a r a c t e ro fg p ri m a g ew i t l lt h e e n g i n e e r i n g h i d d e nd a m a g ei n u n d e r g r o u n dr o c ke n g i n e e r i n g t h ei n t e g r a t e dt e c h n o l o g yc o n s i s t e do fa p t i t u d ed i s t i n g u i s h & d i s p o s a lo fg p ri m a g ea n dp l a n eo r i e n t a t i o n & m o d eo fo c c l r r e n c e d e t e r m i n a n to ft h e e n g i n e e r i n g h i d d e n d a m a g e t h a tb r o u g h ta b o u tt h ed i s a s t e r s ，h a v eb e e nr e s e a r c h e d as u i to f a p p l i c a t i o nt e c h n i q u e sa n dm e a n sf o rg p r t oe x p l o r i n gt h ee n g i n e e r i n gh i d d e n d a m a g ei nu n d e r g r o u n dr o c ke n g i n e e r i n gw e r es t u d i e d ，a n da p p l i e dt op r o b et h eg o a v e s ，t h e f r a c t u r e dr o c kz o n ei nm i n el a n e w a ya n dt h ew a t e rc r a n n i e so fw a l lr o c ki nm i n el a n e w a y so r t u n n e l sa n ds oo n i nt h ea s p e c t so f c o n t r o lt e c h n o l o g i e so f t h ed i s a s t e r s t h ef o r e c a s ta n dc o n t r o lt h e o r i e sf o r t h ed i v e r s i f i e dd i s a s t e r so f u n d e r g r o u n dr o c k e n g i n e e r i n gw e r e d i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y , a n di t s f o r e c a s tm e a n s ，c a l c u l a t i o nf o r m u l a sa n dp r e v e n t i o na n dc u r et e c h n i q u e s & m e a s u r e sw e r e a n a l y z e d a tt h eo t h e rh a n d ，af u z z yo p f i m i z a t i o nm o d e lf o ro p t i m i z i n gt h et e c h n i c a lp r o p o s a l t ot r e a tw i t ht h ee n g i n e e r i n gh i d d e nd a m a g et h a tb r o u g h ta b o u tt h ed i s a s t e r si nu n d e r g r o u n d r o c k e n g i n e e r i n gw a sc o n s t r u c t e d ，a n da p p l i e di n ad i s p o s a l d e c i s i o n m a k i n g f o rag o a f h a r n e s s i n g ， i l 中龠大掌博士掌位论文 a b s t r a c t 1 1 i o t h e r w i s e s o m en e wi d e a sa n dw a y sf o rr e s e a r c h i n gt h ed i s a s t e r so fu n d e r g r o u n dr o c k e n g i n e e r i n gw e r eb r o u g h tf o r w a r d b a s e do nt h es y s t e mt h e o r y t h ea u t h o rt h o u g h tt h a la l lt h e d i s a s t e r sf o r mas y s t e mi nu n d e r g r o u n dr o c ke n g i n e e r i n g ，a n dt h ep r o c e s sf o re x p l o r i n g ， f o r e c a s ta n dc o n t r o li sas y s t e m se n g i n e e r i n g a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e xd i s a s t e r si nt h e u n d e r g r o u n dr o c ke n g i n e e r i n g ，t h ea u t h o rp o i n t e dt h a tt h ed i s a s t e rr e s e a r c hc o n s i s t e do f t h r e e p a r t s ：t h em e c h a n i c a lc a u s eo f f o r m a t i o nf o rt h ed e e pd i s a s t e rg e n e ，t h eq u a n t i t a t i v ed i s t i n g u i s h m e c h a n i s mo f d i s a s t e r , t h ee x p l o r a t i o n & c o n t l o lo f t h ed i s a s t e rc h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dr o c ke n g i n e e r i n g ；e n g i n e e r i n gd i s a s t e r ；h i d d e nd a m a g e ；g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) ；e x p l o r a t i o n ；c o n t r o l 1 1 1 ! ! 查兰苎圭兰苎望奎j 兰蔓堡堡l 第一章绪论 1 1 开展地下岩体工程灾害隐患探测与控制研究的目的及意义 “天有不测风云，人有旦夕祸福”。人是地球上最活跃的成员，也是极易受到伤害的 成员1 。灾害无时无刻不在威胁着人类，人类是在对灾害的不断斗争中得到进化、发展 的i “。一部人类的历史，也就是一部人类不断被灾害所困扰的历史。灾害与人类相伴生。 人类在地球上诞生伊始，灾害就随之降临在他们头上。灾害是自然环境或工程系统演 变过程中失去固有平衡或稳定时造成人类赖以生存的基础破坏或功能失效的突发事件。 总体上说，灾害包括自然灾害和工程灾变危害。自然灾害包括洪水、干旱、地震、热带 气旋( 台风) 、海啸、火山喷发、冰川冻土甚至流行病和病虫害等1 0 余种。工程灾变危 害包括大规模的工程活动诱发诸如边坡失稳、地表塌陷、地基失效和冲击地压、瓦斯突 出、岩爆、空区坍塌、矿井涌( 突) 水等岩土矿山灾害，以及工程系统自身损伤积累导 致突然失效的灾变危害。通常，灾害具有大面积破坏的突发性和系列次生灾害的连锁性， 极大地威胁着人类生存和社会发展。 地下岩体工程灾害是工程灾变危害的一种，隶属于人为地质灾害。它是由于人类开 展地下岩体工程经济活动引发的地质灾害p 。】。 地下岩体工程是在地下岩体中进行开挖、构筑而成的大型结构物或建筑体，如隧道、 军事人防、地下存储硐室、城市地铁和地下空间、矿山井巷、核电站和核废料永久储存 库等工程。它们的灾害破坏极其复杂而且灾害损失严重，大者影响到国民经济的发展， 小者导致局部区域功能瘫痪，阻碍工程建设进程。因此，地下岩体工程灾害隐患探测与 控制研究一直是灾害科学研究和防灾减灾工作的一项重要内容。 灾害，茶毒失灵，祸及众生。国际减灾十年委员会提供的资料表明：1 9 6 3 至1 9 9 2 年的3 0 年全球地震、洪水、干旱、台风和风暴等自然灾害事件共发生4 6 5 3 起，受害总 人数3 0 ，0 8 亿人次j 死亡总人数3 6 1 万人、直接经济损失3 4 0 0 亿美元。在明显破坏的自 然灾害中，洪水占3 2 、热带气旋占3 0 、干旱占2 2 、地震占1 0 、其它占6 。世 界权威的瑞典再保险公司统计资料表明：1 9 9 5 年全世界的灾难损失达1 5 0 0 亿美元，其中 的2 9 1 起灾难事故( 三分之二为自然灾害) 遇难人数达2 8 万人。日本神户大地震是1 9 9 5 年最严重的一场自然灾害，震级达里氏7 2 级，整个城市全部破坏，死亡0 6 万人、受伤 3 万人，直接经济损失8 2 4 亿美元。我国每年的灾害损失也非常严重，表i i 是1 9 8 9 1 9 9 3 年期间我国的灾害损失及其在国民生产总值中所占的比例【2 5 , 2 6 】。我国灾害损失与国 民生产总值之比是低收入国家的1 8 倍，中等收入国家的4 0 倍，高收入国家的1 0 0 倍 4 4 】。 随着灾害影响的不断增长，至今已没有一个国家在灾害面前是安全的。防灾减灾已经成 为世界性的迫切任务和持续性的热点课题【6 】。 ! ! 查苎! 主竺竺竺查 笙二雯堕l 三 年份 1 9 8 91 9 9 0 1 9 9 11 9 9 2 1 9 9 3 国民生产总值( 亿元) 1 5 9 9 3 31 7 6 9 5 32 0 2 3 6 3 2 4 3 7 89 3 1 3 4 2 3 灾害经济损失( 亿元) 5 2 56 1 61 2 1 68 5 4 9 9 3 占国民生产总值比例( ) 3 33 56 03 5 3 2 在上述骇人的灾害数字中，其中约三分之一为人类自身造成的人为灾害所致。当然， 地下岩体工程灾害就是其中的一个主要组成部分【4 7 - 2 1 1 o 近代人类很多开发资源的活动，已严重地破坏了自身的生存环境，增加了自然灾害 发生的频度，也诱发了更多的工程灾害。自觉和有计划的防灾，是人类必须永远面对的 课题。减轻自然灾害的各种措施，包括监测预报、防灾、抗灾、救灾、重建等相互衔接、 相互依存，密不可分，是需要统筹规划的系统工程。为了提高减灾的综合效益，人们在 提高对单灾种研究水平的基础上，愈来愈重视防灾减灾系统工程的综合研究。其中，防 灾减灾基础研究及相关领域高科技产品的开发与应用是发展的重尉。 我国地处环太平洋构造带和喜玛拉雅构造带交汇部位，复杂的地球动力作用，形成 了我国大地构造和地形的基本轮廓，也是形成我国灾害种类繁多的根本原因1 2 。我国灾 害种类多、发生频率高、分布广、影响范围大，制约着国民经济的发展，威胁着人民生 命和财产安全。加之我国防灾减灾技术落后、经验不足，灾害科学的研究和防灾减灾的 任务更加艰巨1 2 2 - 2 4 。 灾害，无论它以何种方式发生，总是直接或间接地对人类产生各种影响，危害人类 的生命和健康，破坏经济建设，阻碍社会发展。所以，人类必须战胜灾害，才能更好地 发展【”。 因此，新世纪里，面对我国严峻的防灾减灾形势，深入开展以现代学科交叉、融合 为特征，以现代高新技术应用为标志的工程灾害与防灾的基础理论研究，使我国工程防 灾的理论与技术整体上步入国际先进行列，并服务于我国国民经济建设，是一项具有深 远意义并赋有挑战性的选题。 1 2 地下岩体工程灾害隐患探测与控制研究现状综述 1 2 1 灾害科学研究现状与发展 1 2 1 1 国际上灾害科学的研究现状 1 9 8 7 年1 2 月1 1 日，第4 2 届联大通过了1 6 9 号决议，决定将1 9 9 0 2 0 0 0 这l o 年定 为“国际减轻自然灾害十年”( i d n d r ) ，简称“国际减灾十年”。旨在通过广泛的国际合 作、技术援助和转让、项目示范、教育与培训等手段，把当今世界各国，特别是发展中 国家由于自然灾害造成的人员财产损失以及社会和经济的影响减轻到最低程度。这也标 志着国际灾害研究进入了一个新的发展阶段。 1 国际上对灾害科学的研究内容1 2 “3 】 灾害科学研究有着十分明确的目标和目的，其目标是认识灾害的本质，灾害的发生 基础、成因和成灾的原因和机制，它们的时空分布规律与发展变化的趋势；其目的是有 助于选择减灾和防灾的方式方法和具体措施，以最小的代价换取最大的减灾效益，并最 2 ! ! 查兰苎主竺竺兰查 笙二童兰l 型l 三 终使灾害获得有效的防治，从而促进人类社会的繁荣发展。灾害的科学研究包括自然科 学和社会科学两大部分，其中自然科学部分的研究内容为： ( 1 ) 灾害的性质和特点 虽然灾害可以按照其物理学特征来划分种类，但是在不同地点发牛的某种灾害依然 有它的具体特点。因此，这就要求灾害的科学研究，要对某地点某种灾害事件做一一的 调查分析，达到定量指标的程度。 但) 灾害发生的诱发因素及其成灾机制 不同的灾害事件在成灾机制方面有较多的共同点，但是在不同地点各灾害事件的主 要成灾方式还是有很大的差别，特别是某些灾害以其次生灾害的破坏为主。因此，灾害 的科学研究，必须具体确定某种灾害事件在某地点发生的成灾方式和机制，以有利于选 择并确定减轻该种灾害的具体措施。 o ) 原生灾害与次生灾害的相互关系 原生灾害与次生灾害的组合关系因地而异，基本没有固定的方式。因此，灾害的科 学研究就必须深入研究各地原生灾害与次生灾害的内在联系，重点是揭示在何种条件下 将发生哪些灾害事件，并可能以何种方式造成损失。 ( 4 ) 灾害的遥相关因子分析 灾害的发生有其特定的条件组合，它不仅包括近相关因子，也包括遥相关因子。这 些遥相关因子，可以来自地球的不同圈层的某些变化，也可以是其它天体的某些变化。 因此，灾害的科学研究要注重对与灾害有关的遥相关因子及其相关机制的分析研究。 ( 5 ) 灾害未来发展趋势的预测 灾害未来发展趋势的预测研究，主要是根据灾害本身的性质特点和对过去这种灾害 的发生基础、相关因子、成灾背景和成灾机制的分析研究。确定这些条件的发展趋势和 动态变化，进而预测在某地发生某种灾害的可能性，及其可能达到的强度和造成的损失 等，从而为减灾防灾提供科学依据。 社会科学方面的研究内容为： ( 1 ) 灾害规模及损害程度的评估 灾害的规模是其自然属性，而其所造成的损失则是其社会属性，同一灾害事件在不 同区域所造成的损失有很大的差别。因此，如何描述灾害的规模与损失程度，也是灾害 科学研究的一个重要组成部分。 ( 2 ) 减灾的实际效益评估 减灾的效益包括经济效益、社会效益、生态效益等，也可以分为直接效益与间接效 益两部分。但是，目前主要研究的还只是其直接经济效益部分，而对如何估计其间接效 益及生态和社会效益仍然是一个难题。 ( 3 ) 减灾措施的环境效应和工程条件 自然环境结构的稳定性是相当脆弱的，任何一项人为活动都会引起一系列的环境结 3 ! ! 查兰堡查兰竺竺查 构的变化，其中有的变化对人类社会是有利的 必须考虑其环境效益，并进行工程条件评价。 2 国际上灾害科学的研究方向2 8 “】 第一章绪论4 有些是不利的。任何一项减灾的措施都 目前，国际上许多国家都十分重视对地震、洪涝、风灾和地质灾害等自然灾害的基 础性研究，特别是在近2 0 年来有了迅速的发展。 在自然灾害危险性评估方面，先进国家多从工程角度出发，研究了各类灾害危险性 的评估方法，建立了相应的信息库与地图册。 对于防灾研究，美、日、加、英、澳等国走在前面，但是目前大多只考虑单一的灾 种，没有同时考虑地震、洪水、火灾、地质灾害的综合危险性分析和损失评估i ”j 。 在地震研究方面，从地震学的角度看，地震的成因、起源和预报技术的研究，就涉 及到天体物理、海洋、地质地貌、物理、化学、力学、生物等多门学科；从地震工程学 的角度，主要关心地震动的作用，地震危险性分析，结构的抗震、耗能、隔振技术；从 地震灾害角度看，则涉及到震灾要素、成灾机理、成灾条件，地震灾害的类型划分等课 题，从地震灾害的对策研究看，则更是涉及到社会学、经济学及各种学科，以用于减灾 防灾的研究。 以上各方面的研究均有很丰富的成果，但据目前的水平，要完全预报地震的发生还 不现实，因而对地震对策的研究更为突出。 在洪水方面，对洪水成灾的研究，洪水发生的时空分布规律，洪水的预测预报、防 洪设防标准的研究、洪水造成经济损失的预计，洪水淹没过程的数值模拟，洪水发展的 水力学模型，防洪应急对策的研究均取得了很大的成就。 从7 0 年代开始，国内外一些研究机构和科学家致力于地震灾害损失的预测工作，取 得了许多成果。在美国，国家海洋和大气管理局( n o a a ) n 国家地质调查局s g s ) 在旧 金山、洛杉矶等城市开展了系统的研究。1 9 7 7 年美国政府颁布了“国家减轻地震灾害法”， 此后，由四个联邦机构：联邦紧急事务管理署( f e m a ) 、地质调查局( u s g s ) 、国家科学基 金会( n s f ) 和国家标准局牵头，会同地方州政府一起委托大学和私营咨询公司，进一步在 全国重点城市开展地震灾害损失研究。1 9 8 9 年，由美国国家科学研究委员会下属的“地 震工程委员会地震损失估计专家小组”提出一份未来地震损失估计的工作指南。与此同 时，日本和西欧国家也开展了类似的研究【2 8 】。日本对大阪和静冈地区的震害预测和防灾 预案十分详尽，葡萄牙科学家对首都里斯本三个小区在未来地震中的经济损失和人员伤 亡进行了预测研究。近几年来，美国的科学家提出了一种“假想地震”的模型，即针对 某一城市，假定未来若干年内发生某一震级的地震，预测可能造成的灾害损失。预测的 损失包括商业财产、房地产、商业活动中断、生命线、公共财产、工资赔偿和生命保险 赔付、毒气泄漏污染及清理等。 另外，国际上对在土木工程中应用人工智能技术和人工神经元网络技术进行了较为 深入的研究。灾害和灾害因子之间的关系是一种比较模糊，并非显式的对应关系。在研 究这些对应关系工作中，人工神经元网络和专家系统有自己独特的优势。例如，s a n d i ， p r a v e e n 的论文a na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kf o rw i n d i n d u t e dd a m a g ep o t e n t i a lt o 4 中南大掌博士掌位论文第一章缱造! n o n - e n g i n e e r e db u i l d i n g s 就探讨了用b p 神经网络进行研究的问题。 1 2 1 2 我国灾害科学的研究现状 我国是一个自然灾害高发的国家，对灾害的防治和减灾研究工作，正越来越受到国 内专家学者和政府部门的重视。但是，出于我国经济发展跟发达国家相比有较大差距， 所以在灾害研究方面的水平要比发达国家低，在灾害的防治和减灾措施方面的步伐，相 对要比发达国家落后。 在联合国提出“国际减灾十年”以后，我国的灾害学研究是比较活跃的，而且正在 快速地发展。从作者对中国学术期刊数据库的检索信息，可以证实这一点。在中国大陆 及港台地区出版的5 3 0 0 多种科技期刊中，题名中出现“灾害”的1 9 8 91 9 9 5 ( 7 年) 年期 间有1 8 8 5 篇文章，1 9 9 61 9 9 8 ( 3 年) 有1 6 1 6 篇文章，1 9 9 9 2 0 0 0 ( 2 年) 有1 3 2 9 篇文章。 可见在灾害研究方面的文献是比较多的，而且呈逐年上升趋势。与国际上的研究方法类 似，我国的灾害研究也是以单一灾种研究为主，研究灾害的成因，发生规律破坏程度和 防治方法等等。 我国是一个自然灾害种类繁多，灾情严重的国家，又是一个处于发展中的人口大国， 人为致灾作用比较严重。建国以来，虽然在气象、地震、海洋、洪水、地质、农、林等 七大类自然灾害的减灾工作方面，形成了自成一体的监测、预报、防灾、抗灾、救灾、 援建的工作管理系统，为减灾工作作出了重大贡献。然而，无论在减灾能力，还是在管 理水平上，与先进国家相比均有一定的差距。在减灾的科学技术水平和装备方面，各部 门之间发展很不平衡，大多数只相当于国际上8 0 年代甚至7 0 年代的水平。 我国的灾害科学主要开展了以下几个方面的工作： ( 1 ) 确立减灾与增产并重的观念，全面开展灾情调研，加强灾害评估工作1 4 ”列： ( 2 ) 利用先进的科学技术推动防灾减灾系统工程建设 3 6 , 8 , 1 0 , 1 2 1 4 , 1 6 - 2 4 , 2 6 , 2 7 , 6 晰8 1 ； ( 3 ) 研究人口资源环境灾害的关系，寻求发展与减灾相协调的最佳方案 6 9 8 2 1 ； ( 4 ) 促进灾害科学研究体系的发展 2 , 5 , 5 1 , 5 3 , 6 2 , 8 3 9 0 1 ； ( 5 ) 研究灾害的综合管理系统f 9 h o ”。 另外，随着灾害科学研究的进一步深入，我国灾害科学研究的方法，也在不断地创 新并实时地与各个相关学科进行交流和融合。例如，在灾害研究中，使用3 s 限s 、g i s 、 g p s ) 技术、多媒体技术、数据库技术、计算机网络技术等等【6 0 , 9 8 , 1 0 1 1 。 1 2 1 3 灾害科学研究的发展趋势【4 3 1 1 。各国政府与科技界对自然灾害越来越重视 由于灾害问题越来越严重，对经济建设和社会发展的影响越来越大，各国政府越来 越认识到了灾害研究的重大意义，纷纷以各种形式支持科技人员从事灾害研究。例如， 中国的国家自然科学基金委员会，最近几年都将灾害研究列为专题，从各相关学科中独 立出来，加以专门资助。 5 中龠大学博士学位诗文 嚣一章绪论6 2 。灾害研究的国际协作日趋密切 灾害没有国界，只有进行广泛的国际协作，才能掌握灾害发生规律。基于这一道理， 国际间关于灾害研究的忉、作将目益密剀化。联合国有关组织和一些区域性组织，在这方 面可以起到协调作用。事实上，在这方面，已经有了良好的开端。例如，加勒比海地区 组织了灾害研究与防御工程，为2 9 个成员国服务，这项工程是与世界卫星组织、红十字 会等合作进行的。亚洲于1 9 8 6 年1 月在泰国曼谷成立了“亚洲灾害防御中心”，向亚洲 国家提供灾害研究和防治方面的人员、技术、信息服务。在灾害研究的协作过程中，i n t e r n e i 网络技术将给研究工作带来极大的推动和促进作用1 9 8 3 灾害研究走向综合化和系统化 过去，灾害研究多局限于单个灾害种类单个侧面的研究，局限于具体的灾害事件的 研究，即进行孤立的研究。现在，灾害研究正向综合化和系统化方面发展，即开展对多 种灾害的总体研究，并注意研究灾害与灾害的主体人类社会的相互联系与相互作用。 灾害的综合防治研究，也是今后灾害研究的一个重要发展方向。 4 灾害研究与灾害防治紧密结合 灾害研究的最终目的是减少灾害的发生，降低灾害的危害。只有与灾害防治紧密结 合，灾害研究才会有生命力。现代灾害研究正愈来愈走向与灾害防治实践的融合。 从以上的分析可以看出，灾害对人类的生存和发展造成了极大的威胁，各国政府和 人民对灾害的研究和防治，已经越来越重视，研究灾害的广度和深度都在不断增加，灾 害研究将为人类更迅速的发展提供更好的保障。 1 2 。1 4 国内外流行的灾害研究理论述评1 8 6 l 目前，在国内外流行的、具有影响的灾害研究理论主要有四种：致灾因子论、孕灾 环境论、承灾体论以及区域灾害系统论。 1 致灾因子论 致灾因子包括自然致灾因子，如地震、火山喷发、滑坡、泥石流、台风、暴风雨、 风暴潮、龙卷风、尘暴、洪水、海啸等等，也包括环境及人为致灾因子。如战争、动乱、 核事故等等。因此，持致灾因子论的有关研究者认为，灾害的形成是致灾因子对承灾体 作用的结果，没有致灾因子就没有灾害1 1 0 4 , 1 0 6 1 13 1 。致灾因子论的主要内容是对致灾因子 的分类，以及在此基础上，着重研究致灾因子产生的机制及其风险评估( 重现率超越 概率的计算) ，目前研究最为深入的是地震机制及其风险评估l j ”j o ”，其次是洪水灾害机 制及其风险评估【1 1 0 , 1 1 3 1 ，就便也对干旱机制从水文学方面及资源利用方面进行了分析 f l j 。”日。另外，对生物病虫害、火山灾害的动力学机制及其风险评价研究也做了大量工作， 但目前还处在案例分析阶段，系统的理论总结还不够 1 0 4 , 1 1 6 】。由此可以认为，致灾因子论 的主要理论认识是致灾因子分类、致灾因子形成机制和致灾因子的风险评价，其实践的 目的是提高致灾因子的预报准确率，以及为工程建设提供技术参数( 如地震烈度区划、洪 水危险区划等) 。 6 ! ! 查竺! 圭竺苎竺查 一 一一一墨二兰l ! l 2 孕灾环境论 孕灾环境包括孕育产生灾害的自然环境与人文环境。持孕灾环境论的有关研究者认 为，近年灾害发生频繁，损失与年俱增，其原因与区域及全球环境变化有密切关系，其 中最为主要的是气候与地表覆盖的变化，以及物质文化环境的变化”“”“。孕灾环境 论的主要内容包括区域环境演变时空分异规律( 气候变化、她貌变化以及土地覆盖变化过 程) 的重建，编制不同空倒尺度的自然环境动态图件。存这些图件基础上，建立坏境变化 与各种致灾因子时空分异规律的关系，即建立渐变过程与突变过程的相互联系，从而寻 找在不同环境演变特征时期，区域自然灾害空问分布规律，进而结合区域承灾体的变化， 对未来灾情进行评估1 2 4 1 。对于中、长时间尺度环境演变与自然灾害的关系，往往出 于空间尺度愈小其评估的结果与实际情况相差较大，近年这个学派充分应用现代遥感技 术，以及地面观测网络( 气象、水文、地震等观测站) ，通过监测孕育各种自然致灾因子圈 层某些特征的变化，例如对云量的变化监测，判断可能降水量与降雪量的分布与数量， 进而通过模型预测洪涝灾害、雪灾以及早灾的发展【i ”“”】。在对区域环境演变与自然灾 害关系研究的基础上，考虑各种自然致灾因子与承灾体之间的关系，例如干旱程度与农 作物旱灾的关系，地震与建筑物破坏( 震害) 的关系，从而按不同的时空尺度评定环境演变 引起自然灾害的临界值域，以此评定区域自然灾害的状况。事实上，孕灾环境论的主要 研究成果多是从研究环境恶化土地退化、森林枯竭、生物多样性破坏、水土流失、 沙漠化、地面沉降、海水入侵等等的基础上，得以逐渐发展而形成一种解释区域灾害的 理论体系 1 2 3 , 3 2 , z 3 3 j 。由此可以认为，孕灾环境论的主要理论是区域环境稳定性与自然灾 害的日寸空分布规律；环境演变引起自然灾害的临界值域评定；特征时段( 冷期与暖期、 干期与湿期) 自然灾害分布模式相似型重建，其实践的目的是为区域制定减灾规划提供 依据。 3 承灾体论 承灾体就是各种致灾因子作用的对象，是人类及其活动所在的社会与各种资源的集 合。其中，人类既是承灾体，又是致灾因子。承灾体的划分有多种体系，一般先划分人 类、财产与自然资源二大类 1 1 5 , 1 3 4 。因此，持承灾体论的有关研究者认为，没有承灾体就 没有灾害4 ，l ”j 。承灾体论的主要内容包括承灾体的分类，以及在此基础上，进行承灾体 的脆弱性( 易损性) 评价0 2 ，l 。如把不同建筑结构土结构、砖木结构、钢筋混凝土结 构的建筑物分别划分为易灾建筑、次易灾建筑和不易灾建筑等f m ”。由于承灾体，特别是 其中土地利用变化对区域自然灾害的影响广泛而深刻，近年对人类向高风险区扩展而引 起的灾害尤为重视，并充分利用现代遥感手段进行承灾体的动态监测 1 3 5 1 3 9 j 3 9 - 1 4 1 1 ，从而 评价由于承灾体的动态变化对自然致灾因子导致的区域灾情变化。承灾体论用大量区域 灾害案例，较完善地解释了近年世界各国自然灾害灾情扩大的原因。由此可以认为，承 灾体论的主要理论是承灾体的分类、承灾体脆弱性( 易损性) 评估和承灾体动态变化监测， 其目的是为区域制定资源开发与减灾规划，防灾抗灾工程建设提供科学依据。 4 区域灾害系统论 由以上所述可以看出，致灾因子、孕灾环境与承灾体的相互作用都对最终灾情的对 7 ! ! 查竺苎查竺苎竺苎笪二童j l _ 主! 生 空分布、程度大小造成影响。灾害形成就是承灾体不能适应或调整环境变化的结果“。 所以，在灾情形成过程中，致灾因子、孕灾环境与承灾体缺一不可【1 0 2 ”。上述三种灾害 理论都有其突出的特点，即强调主导因素而忽视次要因素，因而都有其片面性。实际上， 对于区域灾情的发展来说，这三种因素在不同时空条件下，对灾情形成的作用会发生改 变。因此，我国学者史培军于1 9 9 1 年提出了“区域灾害系统论”，其认为灾害是地球表 层异变过程的产物，是致灾因子、孕灾环境与承灾体综合作用的结果1 1 ”1 。 1 2 2 地下岩体工程灾害隐患探测研究现状 根据灾害发生机理，任何灾害都是致灾因子、孕灾环境与承灾体综合作用的结果。 因此，人们在开展灾害研究时，总是从这三方面入手。由于地下岩体工程的复杂性，人 们往往通过探测其灾害隐患( 属致灾因子) 、监测其内部变化( 属孕灾环境) 等手段来预 测( 报) 其灾害的发生，达到防灾减灾的目的。目前，国内外主要用来探测地下岩体工 程灾害隐患的物探方法有：探地雷达法 h 2 1 5 81 6 0 以1 1 2 1 3 2 4 4 2 4 9 - 2 5 4 2 5 6 2 6 0 以6 3 2 6 印、地震法 m 5 3 7 1 1 、电阻率法【3 7 2 3 7 3 1 、电磁法【3 7 4 3 75 1 、综合物探法3 7 7 q 79 1 、常规电法【3 7 6 3 8 03 8 “、超 声波法【3 8 2 8 4 】、c t 成像法等等；用来监测或预警地下岩体工程灾害的主要技术有：微震 监测技术口85 1 、声发射技术口86 1 、多媒体信息技术i 删等。 探地雷达作为一种新兴的高分辨率物探技术，已广泛应用于地下岩体工程灾害隐患 探测之中。国内外有不少文献资料报道其研究成果，在下一节中作者将对其作详细评述。 尽管探地雷达具有精确、高效、快速、直观等优点，但它易受现场金属物干扰，并 受探测目标尺寸和深度的局限，因此，传统的物探方法仍在地下岩体工程灾害隐患探测 中发挥重要的作用。般地，地震法比探地雷达探测的深度大，对那些潜伏较深，或是 不适合探地雷达工作的灾害隐患，常常采用地震法进行探测，如探明井下深部断层位置、 隔水层厚度 3 6 s 1 ，岩体结构成像3 鲫，深处煤层采空区探测3 6 7 3 6 8 1 3 7 ”，厚表土岩溶勘查【3 7 0 】 等。电阻率法用于探测地下岩体工程灾害隐患，由来已久。早在七、八十年代，人们就 开始用二维自动地电阻率技术探测地下通道、矿山废弃巷道或老窑【3 7 2 】。目前，已发展到 高密度电阻率法，其测试精度与效率均提高了不少，应用范围也不断扩大【3 ”j 。对于覆盖 层较厚的隐伏采空区灾害，采用甚低频电磁法探测，可取得良好的效果【3 。7 4 】；而瞬变电磁 法在煤田矿井涌水灾害隐患探钡4 中，也能发挥其独到的作用i3 _ 7 5 】。由于地下涌水量的大小 与含水层的厚度、介质组成及结构等多因素的复杂组合厚度与视电阻率的乘积密切 相关，因此，有学者开始利用常规电法探测资料来预测地下涌水量口剁 。基于含水体具有 较明