（地质工程专业论文）延长县崩塌的数值模拟和运动机理研究.pdf

摘要 崩塌是指陡峻边坡岩体或土体在自重和外力作用下，突然脱离母岩( 土) 体而突然 猛烈的由高处崩落的物理地质现象。崩塌是一种常见的自然现象，但也可以形成地质灾 害。为此，本文依托“陕西省延长县地质灾害详细调查”项目，开展了延长县崩塌灾害 的地质背景、分类和分布规律的研究，探讨了崩塌的形成条件和影响因素，进行了崩塌 的稳定性分析和运动机理研究，得出崩滑距的线性回归方程。主要工作及成果如下： 首先，通过对野外调查资料的整理和统计，对延长县崩塌进行了分类，并对崩塌的 发育基本特征和分布规律进行了归纳总结。延长县共有崩塌7 1 处，崩塌规模以小型为 主，一般发生在6 0 0 ，相对高差大多数8 m 以上的斜坡上，大都发生于暴雨、连阴雨过 程中或滞后。崩塌的空间分布规律受地形地貌和地层岩性的控制，大都分布在延河凹岸、 道路两侧和黄土梁峁及残塬陡坡和人类工程的活动强烈区；崩塌的时间分布规律主要发 生在降雨比较集中的月份和降雨比较大的年份及人类工程活动比较强烈的时期。 其次，通过对调查资料的分析和研究，对延长县崩塌的形成条件和影响因素进行了 归纳总结。崩塌的形成和影响因素很多，分为静态和动态因素，静态因素包括：地形地 貌、地层岩性、斜坡结构、地质构造、地下水类型等；动态因素一般包括：人类活动、 降雨、河流侵蚀、地震、风化作用等：其中静态因素是崩塌崩塌的形成条件，而动态因 素是崩塌的引发因素。 再次，应用崩塌稳定性分析方法，对延长县典型岩质崩塌应用赤平投影进行了稳定 性评价，得出岩质崩塌大都处于不稳定。对土质崩塌应用数值模拟进行了分析，并用 f l a c 3 d 模拟了斜坡开挖窑洞后的应力应变，分析了卸荷裂隙存在下的窑洞稳定性和可能 破坏的位置。 最后，从运动学观点出发分析了崩塌的运动形式和运动轨迹，建立了倾倒式和拉裂 坠落式崩塌的运动学方程；运用离散元详细分析了延长县典型崩塌的运动机理，并得出 崩滑距的线性回归方程，用于确定崩塌的威胁范围。 本文所取得的成果，对于延长县崩塌灾害预测和防治将起到重要作用。 关键词：崩塌，形成条件，赤平投影，运动机理，崩滑距 a b s t r a c t t h ec o l l a p s e si sap h y s i c a lg e o l o g yp h e n o m e n o nr e f e r i n gt ot h eh i g ha n dp r e c i p i t o u s s l o p er o c km a s so rt h es o i lb o d y , u n d e rt h ee f f e c to fd e a dw e i g h ta n de x o g e n i cf o r c e ，s u d d e n l y s e p a r a t e df r o mt h em o t h e rr o c k ( e a r t h ) b o d ya n dv i o l e n t l yc a m ed o w nf r o mt h eh i g hp l a c e t h ea v a l a n c h e ，ak i n d o fc o m m o nn a t u r a lp h e n o m e n o n ，m a ya l s oc a u d e dt h eg e o l o g i c a l d i s a s t e r t h e r e f o r e ，b a c k i n gt h ep r o j e c tw h i c hi se n t i t l e d “t h ep a r t i c u l a ri n v e s t i g a t i o no f g e o l o g i c a lh a z a r d si ny a n c h a n gc o u n t yo fs h a a n x ip r o v i n c e ”，t h i st h e s i sh a ss t u d i e dt h e c o l l a p s eh a z a r d sa r o u n dy a n c h a n gc o u n t y , i n c l u d i n gg e o l o g i c a lb a c k g r o u n d ，c l a s s i f i e da n d t h ed i s t r i b u t i o n ，a n dd i s c u s s e dt h ec o l l a p s e s f o r m i n gc o n d i t i o na n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s a n dc a r r i e do nt h er e s e a r c ho fc o l l a p s e s s t a b i l i t ya n a l y s i sa n dt h em o v e m e n tm e c h a n i s m ，a n d t h e no b t a i n e dl i n e a rm o t i o ne q u a t i o no ft h ec o l l a p s e s t h em a j o rt a s k sa n da c h i e v e m e n t sa r e a sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h r o u g hr e o r g a n i z i n ga n da d d i n gu pt h ef i e l di n v e s t i g a t i o nm a t e r i a l s ，t h et h e s i s c l a s s i f i e dt h ey a n c h a n gc o l l a p s e sa n dc o n c l u d e dc o l l a p s e s g r o w t he s s e n t i a lf e a t u r ea n dt h e d i s t r i b u t i o n t h e r ea r ea l t o g e t h e r7 1c o l l a p s e si ny a n c h a n gc o u n t yg e n e r a l l yw i t hs m a l ls c a l e ， l o c a t i n ga tt h es l o p ew i t hg r a d i e n to f6 0 。a n dh e i g h to f8m e t r e s c o l l a p s e so c c r rm o s t l yi n t h ep r o g r e s so rl a go fr a i n s t o r ma n dt h ec o n t i n u o u sr a i n t h ec o l l a p s e s s p a t i a ld i s t r i b u t i o ni s r e s t r i c t e db yt h et e r r a i nl a n d f o r ma n dt h ef o r m i n gl i t h o l o g y , s ot h ec o l l a p s e sd i s t r i b u t em o s t l y i nt h ec o n c a v eb a n ko ft h ey a n r i v e r ，t h eb o t hs i d e so fp a t h sa n dl o e s sg i r d e r s ，t h er e m n a n to f s t e e pp l a t e a u sa n dt h ea c t i v ei n t e n s ea r e a so fm a n m a d ep r o j e c t s i t st i m ed i s t r i b u t i o nm a i n l y o c c u r si nt h em o n t h so ry e a r sw h e nt h er a i n f a l li sq u i t ec e n t r a l i z e da n dt h et i m ew h e n m a n m a d ep r o j e c t s a c t i v i t i e sa r eq u i t ei n t e n s e s e c o n d l y , t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h em a t e r i a l s ，t h ec o l l a p s e s f o r m i n gc o n d i t i o n sa n dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r si ny a n c h a n gc o u n t yw e r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t h e r ea r em a n y f a c t o r so nc o l l a p s e s f o r m i n g ，d i v i d e di n t ot h es t a t i cf a c t o r sa n dt h ed y n a m i cf a c t o r s t h es t a t i c f a c t o r si n c l u d e ：t e r r a i na n dp h y s i o g n o m y , l i t h o l o g yo fs t r a t u m ，s t r u c t u r eo fs l o p e s ，g e o l o g i c s t r u c t u r e ，t y p e so fg r o u n dw a t e ra n ds oo n t h ed y n a m i cf a c t o ri n c l u d e s ：h u m a na c t i v i t y , r a i n f a l l ，r i v e r s e r o s i o n ，e a r t h q u a k e ，w e a t h e r i n ga n ds oo n a n dt h es t a t i cf a c t o ri sc o l l a p s e s f o r m i n gc o n d i t i o n ，w h i l et h ed y n a m i cf a c t o ri sc o l l a p s e s i n i t i a t i o nf a c t o r t h i r d l y , a p p l i c a t i n gt h es t a b i l i t ya n a l y s e sm e t h o d so fc o l l a p s e sa n dt h ec h e kp r o j e c t i o n ， t h es t a b i l i t yt ot h ec o l l a p s e so ft y p i c a lr o c kw a s a p p r a i s e di ny a n c h a n gc o u n t y t h er o c k f a l l s a r em o s t l yi n s t a b i l i t y a st ot h el a n d f a l l s ，t h et h e s i sc a r r i e do nt h ea n a l y s i s a p p l i n gt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n ds i m u l a t e dt h et h es t r e s ss t r a i na r o u s e db ye x c a v a t i n gt h ed w e l l i n g o ns l o p e sw i t ht h ef l a c 3 d ，a n da n a l y z e dt h e d w e l l i n g s s t a b i l i t ya n dp o s i t i o n p o s s i b l y d e s t r o y e dw i t ht h ed i s c h a r g e dc r e v a s s e f i n a l l y , e m b a r k i n gf r o mt h ek i n e m a t i c sv i e w p o i n t ，c o l l a p s e s m o v e m e n tf o r ma n dp a t h w e r ea n a l y z e d ，a n dt h ek i n e m a t i c se q u a t i o no fc o l l a p s e sw i t hm o d e l so fl e a na n dt e n s i o n f r a c t u r ec r a s h e sw e r ee s t a b l i s h e d u s i n gt h es e p a r a t ee l e m e n t ，t h em o v e m e n tm e c h a n i s mo f t y p i c a ll a n d l i p e si ny a n c h a n gc o u n t yw a sa n a l y z e d ，a n dt h el i n e a rr e g r e s se q u a t i o no n c o l l a p s e sa n dl a n d s l i d e sd i s t a n c ew a so b t a i n e d ，w h i c ha r eu s e dt oa s c e r t a i nt h em i n a t o r y b o u n dc o m i n gf r o mt h ec o l l a p s e s k e yw o r d s ：c o l l a p s e ；f o r m i n gc o n d i t i o n ；c h e kp r o j e c t i o n ；m o v e m e n tm e c h a n i s m ；c o l l a p s e s a n dl a n d s l i d e sd i s t a n c e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：芳去蟹占内万年乡月，日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 名文储龆韶挣 导师签名： 毋ns 年月日 _ z 卢叼孑年只兰e t 长安大学硕上学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 崩塌一般是指陡峭边坡所发生的一种突然而又急剧的动力地质现象，即在地势陡 峭、地质条件复杂的边坡上，其上的岩体或土体在自重和其它外力作用下，突然脱离母 岩而急剧向下崩落【1 1 。陡峭的斜坡地形是危岩形成并造成崩塌坠落的必要条件，大量存 在的岩体或土体结构面是崩塌发育的地质构造特征，软硬相间的地层组合是形成崩塌的 主要地层组合特征，重力、降雨、根系劈裂、地震和人工开挖爆破等是崩塌发育破坏的 动力作用。 我国是滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害频繁发生的国家，而崩塌灾害是三大地质灾害 常见灾害之一，由于崩塌突发性强，破坏性强，经常破坏公路、铁路和建筑物，常给人 类的生命和财产造成重大损失。 ( 1 ) 1 9 6 2 年8 月2 6 日6 时，宝成铁路k 2 6 6 + 1 1 5 处，0 4 m 3 落石坠入道心，造成 货车列车颠覆的重大事故，破坏线路2 0 0 多米，中断交通2 3 小时之多，经济损失几十 万元。 ( 2 ) 1 9 8 0 年6 月，湖北省盐池河磷矿发生灾害性大崩塌，高1 6 0 m ，体积1 0 0 万 m 3 的山体突然崩塌，冲击气浪将四层大楼抛至河谷对岸撞碎，崩落的土石冲向对岸，造 成建筑物毁坏，有2 8 4 人丧生。 ( 3 ) 据西安铁路局1 9 8 1 年统计，宝鸡一天水，宝鸡一上西坝线路总长4 9 4 k m ，有 崩塌落石4 2 2 处，总延长5 7 6 0 2 m ，给铁路运营养护造成很大困难。1 9 8 1 年暴雨期间出 现较大病害工点8 6 处，崩塌落石工点2 7 处，占3 1 4 ，后接明洞1 2 处，改建隧道4 处，花费巨额投资。 ( 4 ) 2 0 0 2 年5 月5 日，四川绵竹县境内的一辆大客车在鲍竹路遭到一块重于1 0 t 的巨石冲击，车上4 1 名乘客，1 4 人受伤，1 8 人死亡。 ( 5 ) 2 0 0 7 年1 1 月2 0 日8 时4 0 分，宜万铁路巴东段高阳寨隧道进口处发生崩塌， 3 1 8 国道上方隧道进口坍塌下来的土石将公路完全掩埋，7 0 m 3 的巨石横卧路中，3 1 8 国 道完全中断，造成作业工作人员1 死1 伤，2 人下落不明。 本论文课题依托于导师陈志新教授负责的国土资源部中国地质调查局2 0 0 7 年开展 下达的计划项目( 水2 0 0 7 0 1 2 0 1 ) 子项目陕西省延长县地质灾害详细调查，其总体 第一章绪论 目标是在充分收集已有资料的基础上，以遥感解译、地面调查和测绘等主要手段，开展 延长县滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害调查，查明区内地质灾害及隐患的分布和发育特 征，并对危害程度进行评价，圈定地质灾害易发区和危险区，建立地质灾害信息预警系 统，为减灾防灾提供依据，所以开展该项目的研究并完成毕业论文具有一定的理论意义 和较强的应用价值。 1 2 国内外研究现状和趋势 自2 0 世纪中期以来，铁路部门对铁路沿线的崩塌给予了高度重视，在不同的特性、 发育环境、防治措施等方面积累了丰富的资料和经验，地质、国土和其它相关科研单位 在区域性地质灾害研究中也取得了较多的实用性成果，尤其长江三峡链子崖危岩的研究 是国内的典范，从地质环境、模型试验、数值模拟及防治技术方面进行深入的研究，并 取得了丰硕的成果。 但2 0 世纪8 0 年代以前，国内外学者对崩塌的研究大多数集中于崩塌形成条件和影 响因素、规律和处理措施等方面的研究，在崩塌分类、稳定性计算、路径和速度、预测 的研究也少有论述，能否把把千差万别的崩塌现象给予科学的分类、能否对它的稳定性 进行定量评价，以及能否对其路径和速度进行分析计算，这是广大工程地质工作者多年 来一直关注的问题。直到2 0 世纪8 0 年代以后，胡厚田等人收集了宝成、成昆等铁路沿 线主要崩塌工点的资料，并对工点进行了较详细的调查研究，并于1 9 8 5 年发表了学术 论文崩塌分类的初步探讨，对崩塌的分类及稳定性计算进行了研究，1 9 8 9 年出版了 专著崩塌与落石，随后其对崩塌落石预测预报进行了研究；同时西南交通大学出版 了曾廉编著的崩塌与防治，主要对崩塌落石及其形成条件、崩塌落石的规律及支护 加固和水库坍岸的预测等方面作过详细的论述和研究；1 9 8 9 年中国铁道部出版社出版了 我国第一部有关的研究专著崩塌与落石，对崩塌落石的定义、崩塌落石的形成和影 响条件、崩塌的形成机理、崩塌的分类、崩塌体的稳定性分析、崩塌落石的计算及预 测预报和防治等方面进行了全面系统的研究；随后很多专家学者也对崩塌落石进行了很 多研究，但主要集中在对崩塌落石的分类和破坏模式、不同破坏模式的运动形式和轨迹 和崩塌的稳定性分析评价方法的拓展及完善。 1 2 1 崩塌的分类和破坏模式研究现状 危岩体的破坏模式也称为危岩的失稳模式，是稳定性和治理措施研究的基础，直到 2 k 安大学硕士学位论文 如今，对危岩体及失稳模式分类尚未统一，从不同的角度出发存在多种分类。 1 9 5 9 年铁道部宝成线总结资料按崩塌发生的原因把崩塌分为：断层崩塌、节理裂隙 崩塌、风化碎石崩塌和软硬岩层接触带崩塌。 前苏联尼米罗依尼什维里，1 9 6 0 年按组成崩塌的岩体或土体把铁路沿线的山坡 崩塌划分为以下类型：岩体或石块崩塌、土体崩塌和混合性崩塌。 日本的山田刚二等1 9 7 1 年按地质情况，主要是按崩塌的组成物质把山崩划分为： 崩积土的崩塌、表层土崩塌、沉积土崩塌和基岩的崩塌。 英国的p b a t t e w e l l 等引用m a c a r s o n 等的资料把岩石斜坡不稳定性进行地 貌学分类：板块状破坏、岩石崩塌和岩石剥落。 e h e o k 等把斜坡破坏分为：平面破坏、楔形破坏、弧形破坏和倾倒破坏，其中又 把倾倒破坏详细的分为弯曲倾倒破坏、块状倾倒破坏和块状弯曲倾倒破坏。 1 9 7 5 年铁道部第一设计院主编铁路工程手册，把崩塌分为：崩塌、坠石、剥落。 1 9 8 9 年胡厚田在崩塌与落石一书中，按崩塌的形成机理，将崩塌划分为五类： 倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌和错断式崩塌。并指出可能存在的 一些过渡类型如鼓掌一滑移式崩塌、鼓胀倾倒式崩塌。 1 9 9 0 年曾廉在其编著的崩塌与防治一书中，按崩塌发生的地点，将崩塌分为两 类：山崩、岸崩。按崩塌的物理特征将崩塌分为：岩层崩塌、土体崩塌、混合体崩塌、 雪崩。按软弱面的特性、形状和崩塌发生的原因将崩塌分为六类：顺断层或风化夹层的 崩塌、沿完整节理面( 层理面、片理面) 的崩塌、x 节理切割的v 字型崩塌、多组节理 崩塌、风化层或覆盖层沿较完整基岩面的崩塌、沿垂直节理产生的崩塌。 旷镇国( 1 9 9 5 ) 研究重庆市渝中区危岩崩塌时，对危岩的破坏作了全面的归纳，按 危岩最终破坏时受力状态和破坏机制分为：拉断一坠落、剪切一坠落、压碎一崩落和倾 倒一崩塌。 黄求顺等2 0 0 2 年将危岩按破坏过程和规模的大小表面剥落、坠石、崩塌和山崩等 几种类型。 由上可见，由于个人的主观原因和研究对象不同的客观原因，因此对危岩体的分类 也不同，分类涉及到对危岩形成历史、破坏模式等各方面的认识。出发点不同，分类的 方法也就不尽相同。 3 第一章绪论 1 2 2 崩塌稳定性分析方法的研究 边坡危岩体体是一个多因素相互作用协调发展的复杂系统，稳定性便是这个系统发 展的一个综合信息。危岩体的工程地质条件复杂，存在较多的裂隙、软弱夹层及断层、 且相互交割，破坏模式多样，失稳原因复杂，给危岩体稳定性的评价带来很大的困难， 目前危岩体的稳定性评价有定性方法、定量方法和利用动态资料分析判断方法。定性方 法有地质工程类比法、图解法，定量分析方法有极限平衡法、数值计算和仿真方法、可 靠度分析法、系统辨识法和人工神经网络法。 ( 1 ) 地质工程类比法 工程类比法的实质是已有的自然边坡环境、或者人工边坡的研究设计经验，应用到 条件相似的新边坡的研究和设计中来，为此需要对已有工程设计经验进行广泛的调查研 究，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相 似性和差异性。 ( 2 ) 图解法 图解法包括岩体结构分析法和关键块体理论。岩体结构分析法主要依据是中科院地 质研究所孙广忠提出了“岩体结构控制论 并出版了岩体结构力学，将赤平投影和 实体比例投影法应用于边坡工程；而“关键块体理论 是由美国华裔学者石根华提出的， 其分析的核心可以归纳为寻找开挖临界面上关键块体，并且在岩石边坡稳定性分析中得 到广泛的应用。 ( 3 ) 极限平衡分析法 极限平衡分析法是边坡稳定评价的重要手段和实用方法，对岩质边坡，滑动面的形 状、组合状态以及滑动面的性状对其稳定性起控制作用。岩质边坡的滑动面是由层理、 片理、节理、裂隙和断层等由一定延续性的面组成，大部分较缓的软弱面，因此对可能 产生平面滑动的岩质边坡一般采用平面华东发进行计算，对可能产生折线滑动的边坡一 般采用折线滑动法进行计算。 ( 4 ) 数值计算和仿真方法【2 】 近几十年来，孙钧、钱七虎等从国# 1 - 弓1 进和自行研制了许多切实可行的数值分析方 法用于解决边坡工程的计算。 应用数值方法进行边坡工程的计算可以采用弹塑性理论和极限平衡分析解决，方便 地处理岩石边坡问题的非线性等特征，得到应力场、应变场和位移场，非常直观地模拟 边坡变形破坏过程。 4 长安人学硕上学位论文 采用离散元可以仿真边坡的整体滑动过程，对于预测边坡的破坏规模和方式具有重 要的意义；而有限元计算应力和位移时，采用的是接触单元求解接触问题，因无法求解 有初始间隙的接触问题及因采用单元内应力作为屈服判据可能导致失真现象，故应用受 到限制。 最近随着数值分析方法的不断发展，出现了不同数值方法的相互耦合，因此出现了 有限元、边界元、无限元、离散元与块体元的相互耦合数值解和解析解的结合，以及非 确定性的数值方法，如随机有限元、模糊有限元、率数值分析等方法。 ( 5 ) 可靠度分析法 边坡危岩体稳定性可靠性理论评价的基本思想是：首先根据危岩体滑动破坏模式建 立危岩体稳定性的极限状态函数方程，然后选取可靠度求解方法计算危岩体稳定性的可 靠度指标和破坏概率。可靠度分析问世不就，因此到目前还没有一种关于岩体边坡破坏 尺度的规范性说法，但在概率论基础上进行边坡可靠性分析，考虑边坡的各种影响因素 的不确定性用概率来度量边坡的安全度，是边坡工程研究的发展趋势。 ( 6 ) 系统辨识法和人工神经网络法 张奇华提出了一种边坡变形破坏的系统辨识方法，其主要思想是：在工程地质区域， 考虑变形破坏方式和相应的变形破坏特征、位移关系式，针对各种可能的变形和破坏建! 立变形监测网，由监测资料计算得到变形区域的空间位移量，对比各种可能的变形破坏 方式相应的变形特征和位移关系式，从而辨识出实际发生的变形破坏方式、变形区域和 变形演化成破坏的过程。这种系统辨识方法，意在探索边坡的变形、破坏分析与监测网， 监测数据有机的结合起来，并定量化，主要针对在通常情况下的变形、破坏。 近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定性分析评价，人工神经网络是指 出大量的简单神经元广泛互联构成的一种计算结构，是一种广泛的并行处理系统。对于 解决复杂边坡工程的稳定性提供了一种新的途径。 1 2 3 崩塌落石的运动形式和特征 通常崩塌落石运动形式按运动的性质与山坡坡度关系来划分。 h m 罗依尼什维里依据石块在坡面上运动的速度及特有性质，将山坡分为： 缓坡陡度o _ - 2 9 0 1 ； 陡坡陡度2 9 0 1 6 0 0 ； 极陡坡陡度6 0 0 9 0 0 ； 5 第一章绪论 1 9 9 0 年曾廉在崩塌与防治一书中根据野外抛石试验及对崩塌、落石工点的实地 观察与研究，依据石块在不同陡度坡面上的运动速度及特征，将山坡分为四种坡度地带： 缓坡地带一山坡坡度角o a 2 7 q l o ； 较陡坡地带一山坡坡度角2 7 1 1o a 4 0 0 ； 陡坡地带一山坡坡角4 0o q 6 0 0 ； 陡峻地带一山坡坡角6 0o q 9 0 0 ； 并且把缓坡地带作为崩塌落石的运动的减速地带；较陡坡地带作为崩塌落石运动的 加速或减速运动的双重特性地带；陡坡地带作为崩塌落石运动的加速地带；陡峻地带作 为崩塌落石运动带有冲击坡面的自由坠落地带；把崩塌落石的运动形式分为：坠落、跳 跃、滚动和滑动，多数情况下为跳跃和滚跳的组合，并且对每种运动形式都在力学上做 了速度的研究。 2 0 0 3 年唐红梅的危岩落石运动路径研究中将危岩下落分为四个阶段：初始位移 阶段，碰撞阶段，滑动阶段和滚动阶段。对不同危岩破坏模式的的四个阶段做了较为深 入的研究，获取了其运动的轨迹方程。 2 0 0 4 年赵旭在运动学在边坡落石计算中的应用中将运动学原理运用到崩塌落石 的计算中，结合工程实例将坠落、滑动、滚动和弹跳阶段的速度和运动轨迹进行了研 究。 1 2 4 存在的问题 综上所述，国内外学者对崩塌落石的形成条件、分类和破坏模式、运动形式、运动 速度和轨迹和工程治理都进行过系统和深入的研究，从崩塌落石的形成机理入手，分析 了各种影响和控制因素，并且在稳定性分析、运动轨迹、治理手段和措施方面取得了不 少成绩。然而，对于崩塌落石的分类和破坏模式还有许多问题需要研究如；大多数学者 在崩塌的研究中过于注重对岩质崩塌的研究，而缺少对土质崩塌的研究，特别是黄土窑 洞上部产生的剥落掉块的研究目前尚少；许多研究者对斜坡的稳定性的评价往往只重视 地质因素，而忽视工程因素的影响，且稳定性分析中有的重视计算而轻地质分析或者重 地质而轻计算，两者有机结合评价的研究尚少；虽然很多学者对崩塌落石有过深入的研 究，但崩塌落石现象时有发生，严重影响着公路、铁路交通和水利工程。因此对崩塌落 石的更加进一步的研究和有效的治理是非常有必要的。 6 长安人学硕士学位论文 1 3 本文研究内容及技术路线 本文笔者有幸在研究生学习过程中，参与导师陈志新教授负责的陕西省延长县地 质灾害详细调查项目，根据项目内容及本人的论文，确定研究内容如下： ( 1 ) 通过收集前人资料和大量的野外调查，基本查明延长县地质灾害发育的地质 背景( 自然地理环境、地形地貌、地层岩性、构造地质、水文地质等) 。 ( 2 ) 通过对前人资料和野外调查资料的总结，研究延长县崩塌灾害的现况、发育 特征和分布规律。 ( 3 ) 通过对延长县崩塌灾害大量资料的掌握，来分析控制崩塌灾害发生的条件和 影响因素。 ( 4 ) 选取延长县典型崩塌运用赤平投影图解法和数值模拟法来分析其稳定性，并 详细探讨存在节理下的窑洞剥落掉块问题。 ( 5 ) 运用运动学观点分析崩塌的运动速度和轨迹，并运用离散元模拟延长县典型 的岩质和土质崩塌的整个运动过程；通过离散元模拟建立崩塌的崩滑距方程，并在此基 础上确定崩塌的致灾范围。 为完成以上研究内容，本文研究的技术路线如下： ( 1 ) 系统收集延长县自然地理、地形地貌、地层岩性、构造地质、工程地质、气 候、水文及遥感解译等资料，并对以上及其相关资料进行综合分析。 ( 2 ) 现场全面调查，详尽记录现场地理位置、自然、地质环境、危害程度等，认 真详细填写各类卡片，严格绘制现场手图，并专门进行崩塌剖面测绘，绘制延长县崩塌 灾害分布图。 ( 3 ) 资料的归整和分析，总结延长县崩塌灾害的现况和分布规律，并分析其形成 条件和影响因素。 ( 4 ) 根据前人研究的部分成果，针对延长县崩塌灾害的情况，进行崩塌的稳定性 和运动过程的分析和数值模拟。 ( 5 ) 归纳整理完成本论文。 7 第二章延长县自然地理及地质背景 第二章延长县自然地理及地质背景 2 1 延长县地理位置及交通 延长县位于陕西省北部，延安市东部，属陕北黄土高原区。西邻延安市宝塔区，东 靠黄河与山西省永和县、大宁县、吉县相望；南接宜川，北邻延川县。地理坐标东经： 1 0 9 。3 3 7 0 4 1 1 0 。2 9 7 4 3 ；北纬：3 6 。1 3 3 7 3 6 。4 5 2 0 ”，东西长7 3 k m ， 南北宽5 5 k m ，总面积2 3 6 8 k m z 。延长县辖1 2 个乡镇2 8 9 个行政村，总人口1 3 7 9 1 6 人 ( 2 0 0 2 年延长县计划局统计资料) ，人口密度5 8 人k m 2 ，居民多为汉族。 境内交通较为方便。渭( 南) 清( 涧) 公路由南至北从县境通过，延( 长) 延( 安) 公路直通延长县城( 图2 1 1 ) 。柏油路、砂石路、土路连接全县1 2 个乡镇。乡镇与行政 村之间有简易土路相连，村村有人行便道相连，交通条件较为便利。距延安市7 2 k m ， 西安市4 4 0 k m 。 2 2 自然地理环境 2 2 1 山川地势 延长县地处陕北黄土高原东部，地势总体特征为西北高，东南低。以延河为界，南 北分别归属两大山脉，南部属梁山山脉崂山支脉的延支，为延河、云岩河、雷多河分水 岭；北部为横山山脉的延支，系延河、交口河、安河的分水岭，总体呈显“三川两山 地势特征。 2 2 2 气象水文 ( 1 ) 气候 延长县属大陆性季风半干旱型气候。年均气温1 0 4 。c ，极端最高气温3 8 9 ( 1 9 7 6 年7 月2 3 日) ，极端最低气温2 2 3 。c ( 1 9 7 1 年1 月2 2 日) ，年均降水量5 2 9 8 m m ( 1 9 5 0 - 、, 2 0 0 6 年气象资料统计结果) ，其中1 9 8 0 - - - 2 0 0 1 年均降水量为4 7 2 7 m m 。降水主要集中 于6 9 月份，占全年降水量的7 0 。由于受地形，大气环境的影响，境内年季降水分 布极不均匀，由南向北，由西向东，降水量呈递减趋势；降水量随经纬度增加而减少。 少雨中心在安河附近，多雨中心在雷赤。年最大降水量8 1 2 6 m m ( 1 9 6 4 年) ，年最小降 水量2 8 2 m m ( 1 9 9 7 年) ，多年( 1 9 5 0 - - - 2 0 0 6 年) 降水量变化曲线见图2 2 2 。降水量的 季节分布极不均匀，冬春少雨雪，夏季多暴雨，秋季时有连阴雨，多年( 1 9 5 0 - - - 2 0 0 6 ) 8 k 安大学壤士论文 “ 群_ i 、j j i 一、i 甄- ， 靠、 ? 7 l 、i 西 舶u m l ，一。l i 一7 i 厂 j 裨。 弋 、 。 a r 。 ”j 蘸迄零 l 一一一_ 州 。竺 一 j 0 ： ? j ，一、攀u 赫、：。、气 j 粤 ，、 ， i 、ij 、7l 炉，7 吁“、 。 k 一、 一 ，薹= 1 丁二j ”。气r 、“、，一一t 、眇j ? 矿百一一。、二，、，、眇、 in $ 日枣1 、 、 f l zt t 、薯 f e j - 触m 。- ，： 田2 2 2 延长县水系分布示意图 2 2 3 植被 延长县属于森林向森林灌丛草原过渡带，以灌木从及次生林为主，问有人工种植的 针叶林，其主要种类为：杨树、刺槐、柏树、花椒、杜梨树等，灌木种类有狼牙刺、酸 枣、荆条、酸刺等；草地多分布在峁、塬面以下的坡地上，草种有白草、蒿类等。农作 物有小麦、玉米、油菜、谷类、高粱等，果树有苹果、梨、红枣、核桃等。分布较广， 酸枣、刺槐及核桃等以散生为主；果树均为人工种植为主，梨果面积达2 0 万亩，其中 酥梨1 0 万亩、苹果1 0 万亩。1 9 9 9 年后相应国家退耕还林政策，林草覆盖率增至4 4 4 z 2 4 经济社会发展概况 延长县辖1 2 个乡镇2 8 9 个行政村，总人n1 3 7 9 1 6 人( 2 0 0 2 年延长县计划局统计资 料) ，人口密度5 8 皿2 。由于自然地理条件所限，人n 分布极不均匀，延河两岸河谷 阶地区人口分布密度大，黄土梁峁、残原区人口分布密度较小；从地理位置上看，西部 人口分布密度大，东部人口密度小，七里村镇人口分布密度最大，为1 2 2 人丹吨2 。 ( 1 ) 经济社会发展现状 2 0 0 1 年全县工农业经济总产值1 9 7 4 4 万元，其中农业总产值1 4 3 7 9 万元，工业总产 长安人学硕士论文 值5 3 6 5 万元，人均年收入9 5 0 元。受交通和环境差异影响，经济发展不平衡，西部盛 产石油，经济状况明显好于东部地区，七里村镇经济状况最好，人均年收入达1 2 0 0 元。 ( 2 ) 农业1 3 j 延长县为典型农业县，农作物有粮食、棉花、油料、粮食作物主要有小麦、玉米、 谷子、豆类：经济作物主要有苹果、酥梨、红枣等，近年实行农业产业结构调整，逐渐 向效益农业转移，林果业发展势头迅猛。 ( 3 ) 工业 主要为县办、乡办企业，涉及烟草、石油加工、水电站、建材、农机等行业，其中 钻采业2 0 0 1 年实现产值1 6 2 4 万元，水泥产业1 1 2 万元，农机业2 4 0 万元。 ( 4 ) 矿业 延长县矿产资源主要为石油、煤。石油开采历史较早，中国陆上第一口油井就位于 县城石油希望小学校园内。县境储油面积1 8 9 3 k m 2 ，油层埋藏深度6 0 - - 4 0 0 m ，厚度6 5 m ， 地质储量9 2 2 4 万吨，现仍处于开采阶段；煤分布于郑庄镇，面积1 6 k m 2 ，厚度0 6 m ， 呈水平状，圈定储量2 5 2 万吨，目前仍在生产的有石马科煤矿及张台煤矿，生产规模小， 以个体经营为主。 十一五期间，延长县确定了优先发展公路交通事业、城镇建设和矿业开发。公路交 通事业主要是实施甘谷驿一自家川段二级公路改造、渭清路过境路段二级公路改造工程 和完成延马路张家滩一罗子山段三级油路建设；城镇建设是雷家滩商住小区建设；矿业 开发主要是区内石油的大量开采。人类工程活动明显加剧，必须注重环境保护，避免形 成高陡人工边坡，及时加强坡面防护，减少诱发新的地质灾害隐患点；石油开发应先绿 化后开发，减少过度采油、修路造成的生态环境的破坏。 2 3 区域地质背景 2 3 1 地形地貌 延河两岸地势较平坦，其余广大地区黄土梁峁、丘陵、沟壑交错分布，相对高差在 1 0 0 - - - - 2 0 0 m 之间，地貌北部主要为黄土沟间区，其沟谷切割较深，1 0 0 - - - - 2 0 0 m ；中部河 谷形成阶地区，向南北延伸形成黄土沟间区；中东部主要为黄土沟谷区和黄土沟间区； 东部为岩质丘陵和峡谷区。地形地貌( 图2 2 1 ) 可分为如下类型： ( 1 ) 河谷阶地区 主要分布在黑家堡、七里村、张家滩镇西，延河川道地带及延河两岸的支沟内和县 第二章延长县自然地理& 地质背景 境张家滩以西有分布。阶地普遍不连续，并且有缺失，黑家堡和七里村镇西阶地发育较 好，普遍发育有两级阶地，土层较薄，地面平缓，呈块状零星断续分布。该区受延河河 水涨落影响，凹岸河流侵蚀强烈，形成l o 一4 0 m 的陡壁，基岩裸露，黄土悬空，是崩塌 发生的主要部位。 ( 2 ) 岩质丘陵区 主要分布于县境东部罗子山、安河、南河沟、雷赤等乡镇和部分靠近黄河地段，丘 陵区岩体由三叠系砂岩央泥岩、油页岩组成，覆盖薄层不连续的黄土，并零星分布厚度 很薄的一层红土。黄河深切形成峡谷，谷底海拔4 5 0 - - - 4 9 0 m 。由于黄土层较薄，红土零 星分布，并且报薄，斜坡地段基岩裸露和砂岩产状较平，故黄土崩塌不发育。 ，一、i 、一f 、一、 y 、d t “、? ： z 一一! ? ：“咐矗 1 。、譬i t 、， 、 ， 一_ 。喈 r 、jj 。v + 7 。， 一i 一目 耍b - m 一- - i - - _ t * 二二$ i i i _ | h m + j 峨* h 荫。j “。t 娃 、 、 * ” ，1 、一 ，二，m 。 ，目- 、j 、，。1 擎“ 、j 蛩” 、 j “5 、 、謦* o m t 、j 一 圪辑置 1 ：4 0 0 0 0 0 璺2 3 1 延长县地形地貌分布图 ( 3 ) 黄土沟谷 分布于县域水系发育的延河、拓家川河等水系及之沟斜坡地段。包括纹沟、细沟、 切沟、冲沟负地貌，由于地形陡峭，沟谷深切，般切割深度1 0 0 - - - 2 2 0 m ，受流水作用 - 、p 警 长安大学硕士论文 影响较大，沟谷崩塌、滑塌发育。县域西部地区土层厚度大，流水侵蚀作用明显，沟谷 分布密度大，且多“v ”型谷；东部地区土层相对来说厚度小，河流沟谷地带基岩裸露， 多“u 型谷，崩塌灾害不大发育。 ( 4 ) 黄土沟间地区 包括黄土原梁峁正向地貌，总体走向北东向，分布于延河南北两侧、地势平缓地段。 多分布于刘家河、安沟、交口、张家滩、七里村、黑家堡等乡镇呈条带状分布。 2 3 2 地层岩性 区内出露地层主要为中生代三叠系中上统一套内陆湖沼相碎屑沉积岩，自东向西由 老变新，走向南北或略呈北东向，倾角2 _ _ 5 0 ，与上覆地层呈不整合接触关系，基岩在 深切河谷及东部岩质丘陵区出露。 出露地层自上而下为：q 4 全新统杂填耕植土和坡积物q 3 鲥上更新统粉砂质黄土 q 2 耐中更新统黄土n 2 上新统三趾马红土t 3 三迭系砂岩夹页岩。 从地层分布特征可以看出，现今地形与古地形有很好的继承性，三迭系砂岩夹泥岩 形成后，该区大面积抬升，遭受剥蚀，形成古丘陵状地形，到新近世晚期，抬升停止， 接受堆积，形成三趾马红土堆积层，三趾马红土堆积在凹陷地带厚度大，梁丘地带厚度 小，后由于地壳不均匀隆升，形成东高西低，地层向西倾斜，剥蚀面同样向西倾斜的古 地形。东部自延河至张家滩，基岩抬升大，局部已升至山顶，如张家滩南部，基岩高程 可达1 2 3 3 m 。该区为薄层黄土覆盖的基岩裸露丘陵区，延河切割成为峡谷，但山顶一般 是馒头状，较平缓，三趾马红土仅为零星分布于原地形洼地处，而县城以西，基岩一般 发育于河谷中，特别是郭旗乡、郑庄镇和黑家堡以西，三趾马红土较为发育，厚度可达 2 0 m 以上，一些地段，上覆黄土较薄。 2 3 3 新构造运动与地震 ( 1 ) 新构造运动 区内新构造运动的特点是大面积不均衡缓慢垂直升降运动，以上升运动为主，西北 部总体上升幅度大于东南部，造就了地势西北高东南低的地势特征，