岩土工程前沿领域与现状(晏鄂川).ppt

晏鄂川前沿讲座yecyec6970 工程领域前沿 部分 晏鄂川教授 博士生导师主要内容 第一节岩土工程进展概述 第二节岩体工程的不确定特性 第三节岩质边坡工程 第四节环境岩土与地质灾害 环境岩土 滑坡预报 灾害监测手段等 第五节地质勘探技术 第六节国内外岩土工程的研究差距与展望 第七节岩体工程研究部分热点 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 岩土工程包含于许多工程门类之中 它们又可分为土质工程与岩体工程两大类 地质灾害 岩土环境也是岩土工程必须面对的课题 近年来我国大兴各类工程建设 工程规模宏大 影响深远 为世界所瞩目 在这些工程实践中 我国岩土工程的技术和科学研究也得到空前的发展 其工程技术和科学研究水平处于国际前列 第一节岩土工程进展概述 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 以水电工程为例 堤防和土石坝是我国涉及国计民生的重要土质工程 在其工程实践中提出了许多岩土工程的基础性科学问题 如土的本构关系 饱和及非饱和土的渗流 边坡稳定 抗震问题等 其中高土石坝工程大大推动了土的本构关系理论 数值计算的发展和试验设备与技术的进步 我国的小浪底斜心墙堆石坝 三峡二期围堰等大型土石坝工程都以科技攻关的形式进行过多单位 多模型 多程序的分析计算 对于工程设计起到了重要的指导作用 而土石坝的研究也推动了大型土工离心机和大型高压三轴试验设备和技术的发展 在堤坝工程中 渗流的分析和渗流控制 筑坝材料研究 抗震问题的研究也取得进展 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 隧洞及地下工程和岩质边坡是岩石力学和岩体工程的课题 人们在理论和机理方面开展了从宏观到微观 细观的不同层次的研究和探索 一方面 将研究的目光从岩体转向山体 地体 大范围大尺度的工程建设和资源开发 另一方面 着眼于岩体中的裂纹的起始 分叉 发展 断裂到破坏的全过程研究 引进了损伤和断裂力学的概念 建立适用的计算模型 非连续的理论和方法在岩体工程中是强有力的计算手段 地下洞室设计的新奥法 促进了现代地下工程的一系列新概念和新理论的形成 在各种稳定分析中 以极限平衡理论和方法为基础 计算方法有下限解法和上限解法 岩体中的渗流对于水利工程和环境工程都至关重要 已取得丰硕的研究成果 也面临不少需要进一步研究的课题 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 防灾减灾目前成为水利科学中岩土工程的重要领域 关于水利工程中堤防的破坏机理 隐患检测 工程加固方法 堤防的安全性评估 风险分析和管理也是目前许多国家研究的重点 土石坝及其他岩土工程的抗震反应分析也是防灾减灾的重要课题 这些问题在我国已受到重视与关注 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 在我国轰轰烈烈地开展岩土工程建设的同时 经济技术先进的国家将岩土学科的重点转入了资源 环境和生态等问题 而对于大型水利工程的建设给予更多的质疑 环境岩土受到极大重视 环境友好的地下空间利用开发受到欢迎 我国在这方面的差距固然是由于发展水平的差异所造成关心重点的不同 但是发达国家在其发展过程中的经验与教训是值得我们借鉴的 我国的决策层和岩土科学技术人员增强保护我国的水资源 保护环境和生态的意识是非常迫切和必要的 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 第二节岩体工程的不确定特性 1 概述在工程建设中 为了满足岩石工程建设前期的工程规划与设计需要 应进行地质勘探以搞清楚岩体的地质条件 岩性 构造 层理 断裂 岩溶等 开展岩石力学试验工作以查明岩体的力学特性及其赋存的条件 如岩体应力状态 地下水运行状态等 进行各种专题研究 了解工程岩体的应力 变形状态 评估工程岩体的稳定性 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 根据以上资料 数据和结果 进行岩石工程设计 决定建筑物的轮廓 尺寸及各种支护加固办法 选用合理的开挖方法和程序 通过这种前期工作争取把一切情况在开工前都弄清楚 以便开工后就按照既定的要求和程序进行施工 达到工程既经济又安全且效率又高 所以设计就相当于工程建设中的各种规章 规程 必须严格执行 然而在工程实践中 开工后总会遇到这样那样没有预见到的情况和问题 以致不得不修改设计 改变原来设想的做法 就是说 在前期工作原以为认识清楚了 确定了的东西其实有些并未搞清楚或发生了变化 还不很清楚 不很确定 有时甚至是很不确定 这就是在岩石工程中经常提及的不确定性问题 不确定性也是在各类工程建设中岩石所共有的特点 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2 岩体工程中不确定性的来源一般来说 工程中遇到以下三方面条件的变化要修改先前设计 其一是地质条件 岩体性状的变化 其二是施工条件的变化 包括器材供应 施工技术掌握的不均一 质量控制等人为因素 其三是洪水 地震 气候等环境条件的异常变化 后两方面情况对于除岩石工程外其他工程也是可能导致修改设计的因素 而对于岩石工程来说 地质条件 岩体性状的变化是导致修改设计的主要因素 也就是说 岩石工程中的不确定性 主要来源于地质条件 岩体性状的不确定性 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 这是因为天然岩体在历经了复杂的成岩过程和后期亿万年构造运动的改造后 其性状和赋存条件千差万别 可以说 每一处工程场址的岩体 不同工程部位的岩体都是不相同的 并且工程岩体一般都深埋地下 其性状与裸露于表面的岩体有时差别很大 隐蔽性突出 相比之下 工程前期勘探工作量总有限 不可能将所有节理裂隙等地质特征和变异都揭露出来 一般只能通过坑槽 钻孔 平硐获得的局部资料 进行统计分析获得平均的和优势的分布概念 施工开挖后 揭露出没有预见到的意外现象 如某种地质缺陷 是难以避免的 在这种情况下 为研究天然岩体的力学性状而进行的试验 测试和计算分析也会遇到同样的问题 前期试验研究得到的力学参数 曲线 应力 位移分布等也具有相应的不确定性 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 例如 三峡工程从20世纪50年代开始 对大坝基岩进行了十分详尽 数量巨大的地质勘探和试验研究工作 取得了丰富的资料 特别是对影响稳定的缓倾角节理问题进行了专题研究 然而 开工后开挖揭露出的情况与原先分析的有很大差别 不得不在施工期间针对特殊地段补充进行了集中的地质勘探工作和一系列专题研究 修改了设计 这也是岩石工程中不确定性的突出事例 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 3 不确定性给岩石工程带来的影响地质条件和岩体力学性状的这种不确定性 是岩石力学研究中的主要困难 试验研究成果 即使是现场岩体力学试验 代表的只是与试验点条件相似的天然岩体 通过大量试验可以得到该试验地段岩体力学性质的平均概念和可能变化的范围 但仍然不能对较大范围工程岩体的力学性状给出确定的数值来 地质条件和岩体力学性状的这种不确定性 也给岩石工程建设带来一系列消极影响 一方面 施工开挖后如果没有及时揭露原先没有发现的缺陷 就会给工程留下安全隐患 有时会引起施工期岩体失稳 事后处理延误工期 另一方面 为了对付这种不确定性 设计中不得不采用偏于保守的参数和条件 保留过大的安全裕度 不必要地增加工程量和投资 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 这种地质条件上的不确定性 也给岩石力学研究带来了以下特点 其一 对天然岩体力学性状的认识是随着地质条件不断揭露而逐渐深入的 也就是说 对岩体的认识具有阶段性 其二 试验研究可以获得岩体性状 力学参数 应力 位移分布 强度和承载能力等 的可能变化范围 也可以力求减小这个变化范围 却总难以针对一定规模的岩体给出十分准确的数据 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 4 减小岩石工程中不确定性的途径为了减小岩石工程中的不确定性 工程前期的地质勘探工作应尽量做细 岩石力学试验研究要更深入 设计中对岩体承载能力的利用要留有适当的余地和有备用方案 但是 最为有效的是施工中要根据临时发现的情况及时修改设计 也就是说 要进行动态设计 所谓动态设计 其实就是早年太沙基的Designasyougo的思想 即在施工中不断补充和修改设计的思想 后来隧洞建设中产生的新奥法的核心也就是要根据施工揭露的新情况不断调整 修改 优化设计 其实 这种做法应当不仅限于隧洞施工 对一切岩石工程 包括边坡 坝基 都是适用的 例如 三峡双线五级船闸高边坡工程的施工中就曾经历过这样的努力和实践 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 动态设计中修改设计的依据是施工开挖中不断揭露出来新的岩石情况 开挖爆破的影响和参数 施工地质测绘和监测 试验资料 工作的要点是对于这些信息和资料要及时综合 分析 反馈 调整 不及时就达不到动态设计的目的 然而 实现动态设计最关键的问题是设计 地质 施工 监测 监理和业主等各方面要密切配合 而不能分家 相互牵制 防范 要建立一个各方面 各环节 密切配合 而不是互相牵制 的体制 已故的国际岩石力学学会创始人之一L 缪勒教授打过一个比喻 形容在新奥法隧洞施工中有关各方之间的关系 彼此应当十分默契 密切配合 合作得像一个优秀的篮球队一样 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 5地质勘探工作可减少不确定性工程地质的主要任务是将天然岩体的情况查明 根据现行设计规范要求 在一个坝址区内的岩体情况 只要是与工程建筑物有关的 都要全面弄清楚 包括岩性 岩石的组分 结构 岩体构造 断裂 风化 溶蚀 侵蚀 剥蚀 等许多方面 并进而研究它们的成因 演变历史 分布规律等 在可研报告阶段和初步设计阶段还要求说明岩土体物理力学性质 提出岩土物理力学性质参数 论述和评价工程岩体的稳定条件 提出加固 处理意见 显然 岩石力学的工作在这里是包含在工程地质任务中的 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 在岩石力学已经成为独立学科和专业的今天 根据以往大量工程实践经验 我们可以就工程地质与岩石力学的分工提出这样一个模式 凡是不需要通过物理力学性质试验研究就可以得到的有关岩石 岩体性质的说明和描述 属于工程地质专业范围 反之 则归于项目工程地质和岩石力学两方面都要做 例如关于岩体节理裂隙的定量描述 工程岩体的分级 分区等 只是侧重点和使用的方法各有不同 利用弹性波穿过岩体时的反应来探测 研究岩体的物理力学性质 在工程地质中属于物探工作 侧重于查明岩体情况 在岩石力学中是研究岩体物理力学性质的一种方法 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 重要的是 分工不能分家 一切岩石力学的试验研究工作都必须和地质工作紧密联系 结合 包含几重含义 首先 岩石力学工作者必须对地质工作的成果 关于岩石 岩体的性质和状况的描述有详尽的了解 其次 室内试验取样 现场试验选点都应当与地质人员结合进行 以便保证试验结果具有足够的代表性 试验结果分析 解释要紧密结合试点附近的地质条件进行 特别是在试验结果出现异常时 各种计算分析数学模型的建立 本构关系和强度准则的选用 计算域 范围 的确定等都必须符合实际地质条件 应有地质人员参与 对分析 计算结果的解释和应用也要在充分考虑地质背景条件下进行 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 6工程设计可防避不确定性如果将工程设计理解为工程建设的前期工作 那么工程地质勘查和岩石力学试验研究都是工程设计的一部分内容 都是其中的一个重要环节 但对具体的设计工作而言 岩石力学研究是为工程建设服务的一项独立的专业 各有分工不同 岩石力学为工程建设的服务不应当是一种消极 被动的服务 而是一种积极的 主动的 参与式的服务 也就是说 一方面它应当按设计规范的要求 向设计工作提供有关天然岩体性状的资料 另一方面它还要将对工程岩体分析研究的结果反馈给设计 提出优化设计的建议 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 从岩石力学的角度看 水利水电的岩石工程设计的任务可以概括如下 根据工程地质勘探和岩石力学试验研究提供的关于天然岩体的地质条件和物理力学性质 考虑水文 气象等其他方面的条件 按照本枢纽对各水工建筑物功能的要求 确定岩石基础 地下洞室和岩石边坡的位置 尺寸 加固处理措施 施工开挖方法和程序等 与此相应地 岩石力学试验研究的任务为 根据水工布置的需要 通过现场和室内试验研究 提供关于天然岩体的物理力学性质的认识和资料 包括物理力学性质参数 应力 应变关系曲线 本构关系 变形和强度属性等 并按照工程设计选出的岩石工程方案 通过计算分析 模型试验或原型监测 阐明有关工程岩体的力学性状 应力 应变分布 塑性区或破裂损伤区 对其稳定性或失稳破坏形态做出评价 从岩石力学的角度提出优化设计方案 岩体加固处理的建议 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 第三节岩质边坡工程 1 第一个问题 水利工程中的岩质边坡 水利水电工程中边坡的开挖与水库水位的升降都可能导致边坡的失稳定 我国已建和在建的大型水利水电工程如三峡 二滩 李家峡 五强溪 隔河岩 小湾 天生桥二级河龙滩等涉及的天然边坡高达400 1000m 工程边坡高达200 400m 垂直开挖坡高近100m 漫湾水电站 龙羊峡水电站 天生桥二级水电站 隔河岩水电站等都发生过规模较大的边坡失稳 造成很大损失 龙滩水电站进口倾倒蠕变体约1300万m3需加固治理 在三峡库区 蓄水以后可对库区人民生命财产造成较大危害的有1168处崩滑体 需要避让或处理 有744处崩滑体目前较稳定 需监测预警 有578处相对稳定暂不处理 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2 第二个问题 岩质边坡稳定性研究 1 边坡稳定性分类 在中国水利水电科学院的组织下 有关设计院配合 对于全国117个水利水电工程中的典型滑坡和变形边坡进行了调查 总结了边坡失稳在各类岩体结构中所占的比例 其中块体结构占14 08 层状同向结构占19 72 层状反向结构占15 49 层状斜向结构占14 08 碎裂和散体结构占36 63 在七种失稳类型中崩塌占7 04 滑动占73 24 倾倒占5 63 溃屈占2 82 拉裂占4 23 复合占7 04 调查表明 引起变形和失稳的因素十分复杂 巨型和大中型滑坡主要以各种水的作用为主 中小型楔体滑动 拉裂及大型崩塌则以人类工程活动为主 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 陈祖煜等人利用调查登录的资料对于RMR SMR分类系统进行了补充修正 计入了坡高及结构面条件对边坡稳定的影响 经理论分析和工程验证 提出了CSMR ChineseSystemforSMR 分类体系 根据这一分类体系 边坡按其稳定性被分为五类 类稳定 81 100分 类稳定 61 80分 类局部稳定41 60分 类不稳21 40分 类很不稳定 0 20分 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2 影响边坡失稳的因素 影响边坡失稳的因素主要有 地形切割 岩性 构造 水和边坡开挖的综合作用 经验表明 谷坡强风化带 强卸荷带 甚至弱风化带的上部经常是边坡失稳的底界 这些部位的岩体结构完整性差 结构面大部分松弛 泥化或充填次生夹泥 在爆破开挖 施工用水或者降雨情况 极易失稳 地下水产生的渗透力对于边坡影响极大 因此 施工期降低地下水位 控制爆破的药量 注意边坡自上而下的边开挖 边支护加固 边监测变形 是防止失稳的有效措施 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 3 边坡的稳定性研究及稳定性分析 水利水电工程中的边坡研究内容可以归纳为监测 理论分析 数值计算和模拟试验几种 A 监测方面 用红外线进行大范围的普查 用综合探井 CT层析成像 定向取芯和平硐探测结构面或滑动面 进行地应力的测试 了解高陡谷坡的应力场 进行边坡表面 深部变形和地下水的监测 用测线法 统计法对节理类型进行调查统计 用蒙特卡罗法模拟岩体节理网络 确定岩体节理密度与连通率 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 B 理论与数值分析方面 用地质力学模型研究边坡破坏机制 用评价不同破坏机制的地质模式 评价边坡演变阶段和发展趋势 用组合梁板理论研究倾倒蠕变的机理 使用分块推力法与萨尔玛法 极限平衡理论和块体理论进行稳定计算 用数值计算模拟分析边坡应力变形 在边坡稳定分析方面 可以根据岩体的整体性和结构特点进行不同的稳定分析 对于全风化岩体及碎散 破裂结构岩体 可以与土质边坡一样采用自动搜索方法确定滑裂面及安全系数 对于 级结构面发育的岩质边坡 根据节理与裂隙统计资料 结合地质分析确定或者基本确定滑动面的位置 对于层状结构和已知控制性的不利结构面的组合块 按实际块体验算其稳定性 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 在各种稳定分析中 以极限平衡理论和方法为基础 极限平衡的计算方法有下限解法和上限解法 下限解包括 适用于圆弧滑动面的瑞典圆弧法和简化毕肖甫法 适用于任意滑动面的简布法和摩根斯坦 普瑞斯法 传递系数法等 上限解有 萨尔玛法 潘家铮极限分块平衡法 能量法 对于可能发生三维楔体破坏的岩质边坡 采用楔形体分析计算 与稳定分析一起 通常也配合进行应力变形的数值计算 模型不一定越复杂越好 重要的是其对于计算问题的针对性和选择参数的合理性 C 模型试验方法 用离心机模拟边坡 研究其破坏机理 用涌浪模型试验研究滑坡滑速与涌浪高度相关关系 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 3 第三个问题 岩体的力学参数选取 岩体的物理力学参数的选取直接关系到水工建筑物的安危和工程量的大小 由于岩体的破坏主要是剪切破坏 其抗剪强度指标是关键的参数 与土的强度指标不同 岩体的强度指标无法用室内试验直接测取 一般岩体的原位强度指标必须从地质岩性 岩块试验 表面的特征来合理估算 Hoek和Brown对此进行了广泛地研究 他们使用理论分析 模型试验和实测数据 提出节理化岩体的经验破坏准则 设计应用中表明它对于松动的岩体实用性好 对于紧密镶嵌的未扰动岩体则估计的强度偏低 目前 我国的水利行业对岩体的力学参数通常采用强度折减法 我国的GB50218 94 工程岩土分级标准 和水利工程边坡设计规范都规定了岩体力学指标的估算方法 目前现行的岩体力学指标估算方法主要有下列几种 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 1 工程地质类比法 2 Hoek Brown判据 3 正分析与反分析 4 试验强度折减法 5 非均质岩体综合抗剪强度 岩体中软弱结构面力学参数可以按成因分为原生型 次生充填型和构造综合型 以构造综合型居多 以颗粒组成为主要因素将软弱结构面分为全泥 泥夹岩屑 岩屑夹泥和岩屑岩块四种 对于无充填的刚性结构面可分为未胶结和胶结两种 在现场大型原位抗剪试验的基础上 按此分类国内水利水电工程中的软弱层抗剪强度指标试验值统计如下表所示 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 第四节环境岩土与地质灾害 1 环境岩土工程 国外发展的历史表明 当人均的GDP达到7000 8000美元以后 环境的污染将被全面治理 总体的环境将会优化 环境会走向好转 以垃圾处理为例 美国每年花在垃圾填埋的费用高达几百亿美元 我国目前不可能达到同样的处理标准 但是应尽量减少污染 研究符合我国国情的处理方式 是我国岩土工作者的责任 各种天然的地质灾害及工程建设引发的环境问题受到关注 在高边坡的治理 基础抗震 河道整治等诸方面都取得了经验和成绩 例如对于乌江渡 鲁布革的水库库区滑坡的治理 三峡船闸的高边坡治理 天生桥和漫湾开挖引起的滑坡的处理 李家峡泄水道滑坡治理等 我国的固体废弃物无害化处理方面 尽管与先进国家相比还有较大差距 但也有了进展 杭州 深圳 北京 上海 苏州 天津 长沙 贵阳 昆明等城市都有垃圾填埋的设施 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 岩土工程人员已经开始着手在这方面的工作 开展了有关研究 但这方面的工作还处于起步阶段 岩土灾害的治理还只限于与工程直接有关的部分 固体废弃物处理一般也限于大城市 环境岩土工程学是岩土工程学与环境科学相互整合的一门科学 举凡与环境有关的岩土工程问题都是环境岩土工程学所讨论的范畴 其目的在于使工程建设和自然环境得到平衡 以达到可持续发展 环境岩土工程主要包含地质灾害与卫生工程 环境岩土工程与地下水的污染有直接关系 是水利科学中不容忽视的一个重要方面 由于水资源利用的形势日益严峻 安全的饮用水和灌溉水的确保是维持经济发展的根本问题 如何控制地下水污染状况和水库水质量相当重要 因此 研究废弃物处理场的规划和现有污染的调查 将有助于完善水资源综合管理与使用 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 近年来 由于旧有废弃物处理场规划不当及人类生活发展 使得环境污染日益严重 我国虽属发展中国家 但随着经济快速发展和城镇化速度加快 城市垃圾产量与GDP几乎同步增长 以每年约9 左右的速度递增 1986年的5200万t 1990年6767万t 2002年的清运量达1 4万t 目前我国城市垃圾无害化处理率仅为20 左右 我国城市周围垃圾已经堆积十几亿t 许多城镇为城市垃圾所包围 环境岩土工程的研究方向主要在于旧有废弃物处理场与人类生活发展的污染控制 新建废弃物处理场规划与防护设计 这包括污染程度的评估 环境易损性评估 污染物迁移预测 地下水资源的利用 污染土修复与废弃物处理场的规划等 因此研究的课题主要有以下方面 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 1 污染程度与环境易损性评估 由于计算机的普及 数值分析广泛用于污染物迁移扩散机制的模拟 建立了大量的数值模型 使得人们对污染物迁移与扩散掌握了基本规律 空间技术的发展 高解析 可见光及不可见光的卫星相片的应用 使得大范围监测环境污染的技术逐渐发展和应用 勘探技术的成熟 使得预测地下的水文地质状况与污染程度的可靠度进一步提高 另一方面 计算机和网络技术的普及 使得岩土工程 环境状况和社会现况等信息的整合与分享成为可能 在上述的条件下 自1995年以来 通过地理信息系统平台 将上述所获得的信息进行系统性整合 把污染程度或环境易损性加以分级 并绘制成图 作为污染控制的参考依据及工程初步规划的决策参考 形成跨领域的整合 由于各地区之间人文与自然条件均不相同 使得选用的研究参数与数学模型各不相同 如何进行污染程度与环境易损性评估与污染范围 仍需进一步讨论和研究 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2 污染物迁移预测 污染物迁移预测对于污染控制是相当重要的 了解污染物的迁移规律可以作为保护区划定的参考依据 并可用来评估现况是否恶化或好转 污染物迁移预测通常通过现地监测与数值模拟 现地监测通常采取现地钻孔或电磁探测 探地雷达等地球物理探测法 污染物迁移预测的准确性和对于突发性事故的污染评估与治理是关键技术问题 3 地下水综合管理 包括地下水库勘探 水质监测 污染控制 保护区划定 土地利用与合理使用规划等 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 4 污染土修复 利用污染物迁移特性 使污染物从土中移除 污染治理效率的评估是重要的课题 5 废弃物处理场的规划 废弃物主要包括辐射污染物 固体污染物和液体污染物 这些污染物的处理问题包括了场址选定 保护层设计与安全性评估的研究 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2 地质灾害问题 1 概述我国是地质灾害十分严重的国家 根据 中国环境公报 1998 2002 的统计 1999年 2000年 2001年和2002年 全国因滑坡 泥石流死亡人数分别为823人 1102人 另63人失踪 788人和853人 目前地质灾害的研究主要在于灾害风险评估 包括灾害潜势图的划定与灾害预报 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 由于计算机的普及 数值分析广泛应用于灾害发生机制的模拟 建立了大量的数值模型 使得人们对灾害的发生掌握了基本规律 空间技术的发展 全球定位系统和高解析 可见光及不可见光的卫星相片的应用 使得大范围监测的技术逐渐发展和应用 勘探技术的成熟 使得预测地下地质状况的可靠度进一步提高 另一方面 计算机和网络技术的普及 使得岩土工程信息的整合与分享成为可能 在上述的条件下 自1990年以来 通过地理信息系统平台 将上述所获得的信息进行系统性整合 把地质灾害的危险和危害的潜势度加以分级 并绘制成图 作为灾害防救的参考依据及工程初步规划的决策参考的研究大量展开 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 另一方面 地质灾害具有地域性 不同的地区有不同的地质灾害 且地质灾害的分布通常相当广泛 这使得各国政府不可能投入巨资来全面有效治理地质灾害 而且也不可行 因此 分区重点防治并结合监测预警系统的建立是未来处理地质灾害问题的主要可行方法 通过灾害历史资料的搜集与可靠度分析进行预警基准的研究也相当普遍 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 国内外学者越来越重视高边坡病害的系统监测 随着监测技术的发展和监测经验的积累 对监测的意义 内容 目的认识不断深入 高边坡病害的监测是高边坡病害预报和防治基础信息获得的一种重要手段 实现高边坡病害的有效防治或灾害预报 监测的目的是预测地质灾害的发展演变趋势 具体了解和掌握病害演变的动态过程 适时捕捉病害临近暴发成灾的特征信息 或把握边坡病害治理的有效时机以避免灾害事故的发生 从边坡病害的监测内容而言 不仅包括边坡病害的形成条件 形成过程的监测 而且还包括病害治理工程效果的反馈监测 我国香港地区的滑坡监测技术和体系是相当先进和有效的 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2003年4月7日 中国国土资源部和中国气象局签订了 关于联合开展地质灾害预报预警工作的协议 从此 中央电视台每年在进入雨季后在黄金时间向全国人民发布滑坡泥石流等地质灾害预报 这在全世界尚属首次 据不完全统计的反馈资料2003年的预报预警工作准确率达到50 以上 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2 典型灾害 滑坡预报问题 一 滑坡时间预测研究历程对滑坡时间预报的研究历程 大致可以划分为以下三个阶段 1 20世纪60 70年代现象预报和经验方程预报阶段 主要以现象预报和经验预报为主 利用滑波的一些变形破坏现象和失稳前的宏观前兆现象 对滑坡失稳进行推断 这种预报是对滑坡前兆反映的经验积累的直观预报方法 滑坡前兆现象主要有 地面变形 地下水位突然变化 地声 地热 动物表现异常等 显然这种方法只适用于明显前兆的滑坡 预报精度也不高 是一种定性的预报方法 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 1963年 我国曾利用这种方法成功地预报了宝成线须家河滑坡 在这期间 日本学者斋藤迪孝通过大量的试验 提出了蠕变破坏三阶段理论 建立了加速蠕变的微分方程 利用该模型曾于1970年对日本的高场山滑波进行了成功的预报 此后 E Hock根据智利的Chuquicamata矿滑坡监测位移 时间曲线提出了利用滑波变形曲线的形态和趋势进行外延并推求滑动时间的外延法 其预报的理论依据与斋藤是相同的 由于这些方是在一定条件下建立的经验公式 所求得的蠕变破坏时间属于概算 预报精度受到一定的限制 仅适用于中短期预报和临滑预报 因此 这一阶段的预报方法 是建立在 现象 和 经验 基础上的经验预报法 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2 20世纪80年代位移 时间统计分析预报阶段 随着概率论 数理统计 灰色系统理论 模糊数学等现代数学理论的诞生和广泛应用 国内外学者在此基础上建立了多个滑坡预报模型 例如 王思敬教授 1984 提出了边坡失移前总变形量和位移速率的综合预报方法 陈明东 王兰生 1988 首先将灰色系统理论中的GM 1 1 模型法引入滑坡位移 时间曲线的拟合外推 提出了利用滤波灰色分析法进行滑坡的中期预报 晏同珍 1988 根据滑坡过程存在着与生物孕育 发生 消亡相似的位移特征 引入了Verhulst生物生长模型 Verhulst模型目前已被广泛采用 李天斌 1999 根据斜坡变形破坏的位移量化曲线更接近Verhulst反函数曲线 提出了Verhulst反函数模型 这一时期 张倬元 1988 还提出了黄金分割数法 孙景恒 1993 引入了Pearl生长模型法 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 此外 还有不少学者引入了马尔科夫预报 模糊数学方法预报 正交多项式最佳逼近模型 周创兵等 梯度 正弦模型 崔政权 泊松旋回预报和图解法等多种方法 使滑坡预报方法向定量化方向迈进了一大步 但是 这一阶段的学者们主要注重预报方法的探讨而对与滑坡密切相关的一些基本问题 如观测资料的分析 处理 预报时序资料的选择 干扰信息的剔除与有用信息的增强等还认识不足 对滑坡基础研究与预报相结合方面的探讨也较少 也很少在利用上述先进理论和方法的同进 将预报参数与斜坡变形破坏和演变机制联系起来考虑 因而大大影响了预报精度 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 3 20世纪90年代以来非线性预报和综合预报模型及预报判据研究阶段 20世纪90年代以来 由于系统科学和非线性科学的发展及其在各个领域内的广泛应用 人们的认识发生了质的变化 滑坡研究者开始认识到滑坡体系是一个开放系统 是一个灰与白 确定性与随机性 渐变与突变 平衡与非平衡 有序与无序等对立统一的系统 因此 许多学者引用了对处理复杂问题比较有效的非线性科学理论来研究滑坡的预报问题 提出了多个滑坡预报模型 其中代表性的有 尖点突变和灰色尖点突变模型 秦四清等 1993 动态分维跟踪预报模型 李天斌等 1995 协同预报模型 黄润秋 许强 1997 等 同时还提出了一些滑坡预报的联合模型 如滑坡预报的BP GA混合算法 吴承祯等 2000 以及协同 分岔预报模型 黄志全等 2002 等 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 此外 人们逐渐开始重视滑坡预报判据和综合预报模型的研究 并着手从物理现象和物理模型分析入手进行滑坡预报的探索 而且 人们逐渐认识到滑坡预报不仅仅是一个纯方法问题 要实现较为准确的预报 必须将斜坡变形破坏机制分析与定量预报相结合 必须对与滑坡密切相关的基本问题进行研究 运用系统综合 系统分析 系统模拟的方法对滑坡系统进行识别 模拟及预测预报 目前 地质力学模拟和数值模拟作为一种有效的手段 在滑坡演变的动态过程与趋势预测中已被广泛应用 滑坡预报已从过去单一的现象研究 模型方法研究进入了预报阶段 并且逐步同实用化 系统化迈进 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 近些年来 随着一些新的 先进的技术手段的应用和发展 一些相邻学科的渗透和新学科的兴起 为滑坡预报研究提供了新的理论方法和观测 实验 计算手段 滑坡研究者开始将GIS技术 专家系统的理论和方法等运用于滑坡的预测预报中 基于以往滑坡时间预测预报的研究成果 在滑坡时间预测预报的工程实践中也取得了不少成果和经验 如 我国三峡库区新滩滑坡在1985年就得到了成功的预警预报 避免了1000多人的伤亡 1995年甘肃境内的黄茨滑坡由于得到了系统监测 其发生时间也得到了准确的预报 统计国内外成功预报的滑坡如表1 1 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 二 滑坡预报的主要问题与讨论尽管国内外专家学者在滑坡灾害的时间测试预报方面取得了不少进展 并且也确有预报成功的实例 如上表1 1 但是 由于斜波演化过程的复杂性 随机性和不确定性 要想准确地预报滑坡的发生时间是十分困难的 在滑坡的时间预报中 临滑预报由于滑坡体的变形表现已经比较明显 而且又已经积累的比较长时间的监测资料 各方面前兆信息充分 发展趋势易于掌握和判断 因此 临滑预报相对是容易的 目前 国内外 尤其是我国 绝大多数滑坡的成功预报依赖的都是临滑信息 属于临滑预报 也说明了这一点 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 滑坡预报真正的难点主要是中长期预报 其次是短期预报 这些预报可能与 事件 相互迭加 更增加了预报的难度 因此 目前来说滑坡预报困难主要是指中 长期预报和短期预报的困难 我们要讨论的主要是前者 滑坡预报 主要指中长期和短期预报 下同 是一个世界性的难题 这一问题之所以难 主要有以下几方面的原因 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 1 滑坡既是一个复杂的地质力学过程 又是一个高度复杂的非线性系统 这个系统的特点就在于构成系统的内部条件 外部因素都具有很强的随机性和非确定性 而且这种特性用传统的理论难于表达 因此 对于一些复杂的滑坡系统 我们目前的认识和理论不平还受到很大的限制 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 2 对于复杂的滑坡系统 我们能够获得的信息是极为有限的 对大多数的滑坡 如果在事前没有被纳入人们的视野或被人们所认识 就几乎不可能掌握它的任何信息 因此 这类滑坡的发生往往使我们感到非常的被动和突然 也最容易造成灾害 即便是那些已经被纳入监控范围的滑坡体 我们监控的手段和监控的数量往往也是有限的 很难作到对各种信息全面和足够深度的把握 因此 实施预报就很困难 从这个意义上来讲 对某些高度复杂的滑坡 如果所掌握的信息不足 准确预报几乎不可能的 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 3 在认识问题的思路上还存在一定的问题 更多的是依赖于对监测结果的数学推演 而忽视了对滑坡体变形破坏机理的认识 抛开临滑预报和现象预报不说 现在大多数滑坡中长期或短期预报主要是依靠对位移监测曲线的推演 通过位移的相对变化 或速率的变化 来预报其今后的行为 也可以称为 相对位移预报 固然 滑坡位移随时间的变化对滑坡预报具有绝对重要的作用 但是 如果对这种位移随时间的变化仅停留在曲线 几何形态 变化的认识上 而过多的依赖于数学方程进行各种外推式预报 显然对问题的认识就仅停留在表面上 采用这种方法对一些结构和过程简单 监测曲线与一般的标准蠕动曲线接近的边坡可能取得成功 但是 大多数情况下 这种预报方法是达不到理想效果的 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 典型案例 一个典型的例子是如图1 1所示的具有 阶梯状 特征的监测曲线 由于滑坡体在变形破裂过程中将会受到降雨 开挖 震动以及位移受限制等诸多外界因素的影响 从而导致位移和其他物理量的监测数据产生受这些因素控制的 阶梯状 跳跃式增长 即变形量或变形速 率突然增大的现象 一俟这引起因素消失 斜坡的变形又会趋缓 这就给数学模型预报带来很大的不确定性 常常导致误判的情况出现 你可能看到在某些因素作用时 如降雨 滑坡的相对位移增长会很快 这时你会根据位移速率的突然变大做出滑坡的预报 但是 但这些因素消失后 曲线又到了一个平缓的阶段 坡体又稳定了 这种误判是常见的 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 尽管近20年来 我们提出了各种各样的方法对 监测曲线 进行这样那样的处理 包括平滑滤波 去噪等 希望能捕捉到有用的预报信息 由于这些处理都是 表面上 的 尽管处理的 数学效果 很好 但是都很难与实际变形机理相联系 因此 预报效果并不好 这就导致 相对位移预报 往往是 准确的事后预报 或事后 诸葛亮 实际上 从理论上讲 当我们所掌握的只是变形曲线在等速蠕变阶段的简单 几何 信息时 按照数学模型预报 或相对位移预报 这个思路 滑坡中长期预报几乎是不可能实现的 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 4 就数学模型预报而言 现行的预报理论模型适用性和实用性比较差 已有的预报模型或预报系统具有很强的地域性限制和条件限制 分散性也比较大 稳定性不好 尤其是基于非线性理论的一系列模型等 虽然在理论上具有一定的优越性 但同样由于没有与滑坡机理联系在一起 因此 实用性较差 还有待结合工程的实践中进一步检验完善 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 5 缺乏滑坡综合预报判据 由于滑坡地质体的演化过程极其复杂多变 要真正实现滑坡的成功预报 仅靠理论模型进行预报是不行的 应该更多地考虑多种方法的综合预报问题 目前 在这方面还没有建立一套适用的综合预报指标体系和相应的具有一定普遍意义的预报判据 这是今后必须努力的方向 但是通过相应研究发现 要想建立一套具有普适性的 对滑坡预测具有明显参考意义的滑坡预报判据 如临界位移判据 临界位移速率判据等 似乎也是不现实的 或许 世界上根本就不存在这种统一的判据 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 三 滑坡预报的发展趋势滑坡的预报研究虽已有数十年的历史 取得了较大的进展 但至今尚有许多关键问题没有解决 滑坡滑动时间预测预报理论和方法还不成熟 根据已有研究中存在的问题及目前学科的发展现状 预计今后滑坡预报的发展研究将集中于以下几个方面 1 基于岩土体 蠕变 流变 理论的滑坡变形过程及动态趋势预测预报研究 2 多因子综合预测预报研究 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 3 基于非线性动力学的滑坡预测预报研究 4 GIS技术在滑坡预测预报中广泛应用 5 智能学预测方法在滑坡预报中的应用 6 人类活动在滑坡演变过程中的作用和定量评价研究 7 水在滑坡演变过程中的作用和定量评价研究 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 3 地质灾害的监测手段A 大范围位移监测的合成孔径雷达SAR SyntheticApertureRadar 利用载有雷达飞行平台的运动 得到长的合成天线 通过太空发射电磁辐射波 EMR 并接收其反射波的强度与延时 由此获得高分辨率的图像 通过两幅或两幅以上的雷达遥感图像进行相位干涉处理的技术 称为干涉雷达 InSAR 技术 该技术是SAR技术中的精华部分 最大的特色在于可以分辨出数毫米的地面位移变化 并且可以得到高精度的地面数字高程模型 DEM 这些技术在地质灾害监测及预警系统领域已做过有益的实践 在某些领域取得了显著效果 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 B 全球卫星定位系统 GPS 70年代初期 美国国防部主持设计和研制GPS GlobalPositioningSystem 卫星导航定位系统时 十分明确将其用于军方 到1994年3月美国建成了由24颗卫星组成的覆盖率达98 的GPS星座 卫星可同时发射两种信号 C A码和P码 以保证在任何地方 任何时候同时观测到4颗以上GPS星座 俄罗斯的GLNASS系统则是另外一套全球定位系统 全球定位系统能为全球任意地点及任意多个用户同时提供高精度 全天候 连续的 实时的三维定位与三维测速和时间基准 随着GPS接收机的改进 数据处理方法的优化 目前可以利用GPS卫星发送的导航定位信号进行厘米级甚至毫米级的精度定位 米级甚至亚米级的动态定位 亚米级甚至厘米级的速度测量和毫微秒级的时间间隔观测 在滑坡监测方面 在水平和垂直方向 其精度可分别达1 5cm和3cm 由于具有全天候 可同时测量观测点的三维位移 测站之间无须保持通视 经费低廉等优点 在实时定位 导航和测速等方面的高效率 高精度 多功能 近几年来许多国家竞相利用GPS及GLNASS已有的系统 进行地质灾害的观测与预报 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 C 地下剪切破坏形态监测技术 TDR TimeDomainReflectometer 这是一种电子测量技术 最早应用于电力和通迅工业上 用来确定通信电缆和输电线路的故障与断裂 在20世纪70年代后期和80年代美国矿业局广泛采用了TDR技术寻找地下煤矿中的塌陷层 90年代以后 TDR技术在欧美等发达国家已开始在滑坡监测中得到广泛应用 用TDR监测滑坡的优点是价格低廉 检测时间短 可远程访问 数据提供快捷 安全性高 缺点是它无法确定滑坡移动量和移动方向 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 D 声发射监测技术 声发射是坡体 工程结构在破坏过程中材料内部贮存的应变能快速释放产生弹性波的物理现象 通过监测坡声发射参数的变化可进行早期预报崩塌 滑坡发生的时间 岩石的声发射现象 最早是由于天然地震及矿柱塌陷所观测到的自然现象 声发射的研究历史约有60年 由于20世纪60年代在金属材料的断裂机制和破坏预报方面取得了迅速发展 带动了岩石声发射的研究 70年代以来由于计算机的发展 使其应用范围逐步扩大 在崩塌 滑坡的发生与发展过程中 总是伴随着岩体应变能的不断积聚和释放 而位移信息恰是这种变化与调整的宏观体现 因此 声发射信息超前于宏观位移在理论上是显而易见的 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 E 其他监测技术 用于边坡病害监测的其他手段还有 用倾斜盘测边坡地表的倾斜 用位移计测地表位移 用雨量采集器记录降水量 用水位计测地下水等 这些技术的应用均已较成熟 且日趋完善 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 地理信息系统 GIS 产生于20世纪60年代 它是随着人们对自然资源和环境的规划管理工作的需要以及计算机制图技术的应用而诞生的 是一种对大批量空间数据进行采集 存储 管理 检索 处理和综合分析 并以多种形式输出结果的计算机系统 国外尤其是发达国家 将GIS应用于地质灾害研究方面已做了大量工作 从80年代至今 GIS技术的应用也从数据管理 多源数据集数字化输入和绘图输出 到DEM或DTM模型的使用 到GIS结合灾害评价模型的扩展分析 到GIS与决策支持系统 DSS 的集成 到网络GIS 逐步发展扩大应用 可以预见 通过GIS与数值模型的结合 有效地建立适当的区域潜势分级以及提高灾害预测的准确度仍是今后研究的重点方向与发展趋势 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 目前地质灾害的研究主要在于灾害潜势图的划定与灾害预报等的地质灾害风险评估 对某些地质灾害因其具有明显的复发性且紧邻人类的活动发展区 这类的地质灾害成为人们的关注和研究热点 它包括地震 边坡稳定 崩塌和滑坡 泥石流 因此关于崩塌 滑坡与泥石流的灾害潜势图之划定与灾害预报是主要的研究热点方向 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 C 灾害影响范围的界定 灾害发生的延伸距离 runoutdistance 理论预测与实际扩展距离与范围仍有相当的差距 这使得灾害影响范围的划定仍缺乏实用性 D 灾害预报的准确性 尽管可靠度分析提供了灾害预报的科学分析的理论依据 然而它仍需通过实践过程加以完善 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 3 地质灾害的研究目标与问题A 数学模型与GIS的整合 由于各地区的人文与自然条件各不相同 使得选用的研究参数与数学模型也各不相同 如何有效建立适当的潜势分级与影响范围 仍需进一步讨论和研究 B 实际应用的案例不足 尽管许多模式已投入使用 但仍需相当时间 或者说下一次灾害再次发生 才能了解现行模式的缺陷 以此进行反馈修正 以完善灾害评估模式 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 第五节地质勘探技术 20世纪70年代以前 普遍认为我国的勘察技术水平低 设备落后 周期长 成果不能完全满足设计 施工的需要 根据研究资料 我国工程勘探指数在同类岩石地区至少高出国外33 75 如下表 其中1为在石灰岩地区 2为在沉积岩区 3为在变质岩地区 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 从20世纪70年代末至80年代初期 我国陆续引进了一批先进的勘探设备和技术 结合工程建设实际需要 开展了关键技术的重点科技攻关 取得了很多的成果 80年代 一些国家在水文地质 工程地质与环境地质领域新技术新方法的研究 开发和应用方面取得了较大的进展 除了深化和完善常规技术方法外 还开发了许多高新技术 如热红外遥感找水及污染探测 浅层地震横波及瑞利波勘查技术 岩土体破裂过程声发射测量及处理技术 地面与井中地质雷达探测技术 弹性波和电阻率成像技术 高密度电阻率测量技术 地面及井中高精度重力测量技术 电 核 声 热 数字测井技术 核磁共振找水技术 高精度多波段热红外遥感技术 同位素示踪技术 数学模拟和计算机应用技术 3S技术 计算机虚拟试验技术等等 新技术 新方法的应用不仅满足了水利水电工程建设的需要 而且还促进了水利水电工程技术的进步和相关学科的发展 晏鄂川前沿讲座yecyec6970 以长江三峡工程建设为例 为了深入研究和正确回答三峡工程有关的重大地质问题 充分 适时 恰当地应用先进勘探技术手段和方法是一项关键的措施 如区域稳定性和地震活动性研究中所采用的库首区及主要断裂的形变测量 专用微震监测台网 人工地震测等 航天和航