岩土工程灾变和防灾理论51

岩土工程灾变和防灾理论主讲：陈忠辉土木工程系第一章绪论岩土工程灾害学的定义:岩土工程灾害学是研究工程建设过程中岩土工程的地质灾害问题，它是一个力学过程。它是土建工程地质学与岩土力学的交叉学科。主要任务：研究岩土工程灾害的地质条件和发生机理；预测岩土工程在自然因素和人为活动作用下岩土力学性质的变化和破坏规律，控制它的发展和影响范围，并提出改造环境、防治岩土灾害的方案和措施。形成岩土工程灾害的因素自然因素：生物圈的作用力：风化太阳热能的作用力：风化和冻融大气圈运动的搬运力：风蚀大气降水的袭击力：剥蚀、冲沟地表水圈的作用力：掏蚀、冲刷、岸边再造地下水的作用力：岩溶、破碎带的管涌、塌陷岩土的重力：滑坡、崩塌地球引力和板块运动：地震、地壳变形、火山人为因素人类活动一方面创造世界，另一方面破坏环境，造成岩土工程灾害。开挖斜坡：斜坡失稳开采地下固体矿物：地表移动、地应力重分布开采石油、天然气、地下水：地面沉降、塌落、地震河流水系的改道和破坏：河床变形、边岸再造、水库地震灌溉：岩土盐碱化和湿化土木工程建造：地基失稳、地层变形岩土工程灾害的分类渐进破坏：地层缓慢沉降、风化、剥蚀危害也是渐进，破坏范围较大，暂时危害不大，但总体危害也特别大。可防治性好。失稳破坏：滑坡、岩爆、崩塌破坏瞬间完成，范围相对较小，对人类的生产和生命危害极大，可防治性差。研究的方法根据本学科的工程特点，采用现场调查、科学实验和理论分析相结合的研究方法现场调查包括：工程地质测绘、勘探、和物探，主要收集现场资料。科学实验：岩土物理力学参数、现场和室内模型实验、水文实验，主要评价岩土工程的稳定性。现在实验包括数值模拟实验。理论分析：过去理论分析主要基于岩土力学、地质学和土建工程学，目前把非线性科学理论应用于岩土工程灾害分析。包括：分形理论、突变理论、耗散结构理论、协同学理论、重整化群理论等，它们主要处理自然界和社会活动过程中复杂现象和规律。本课程主要内容典型的三种岩土工程灾害规律和防治措施。（1）地层沉陷（2）滑坡（3）岩爆和冲击地压非线性科学的主要内容和应用第四章地层沉陷基本概念地层沉陷是指地层中岩体临空或受力而发生垂直和水平方向上缓慢或突发性的变形、破坏和运动。其实则是地层中岩土体的失稳破坏。基本特点（1）研究范围大，采动临空面及其周围岩体直至地表；（2）不仅研究应力、应变，更关心岩体及地表产生的大变形和大位移；（3）不仅研究本身岩体的损害，而且研究地层沉陷所波及的地层环境的破坏。地下采煤引起的地表塌陷原砂土堆坝河道右坝远景与干枯的河道沉降量理论研究路径理论研究是把岩体和临空面抽象为一定的理论模型，根据该理论模型的理论解及实测、实验求得的参数，对岩体内部及地表的应力和位移进行计算，其流程图如下：地层沉陷的理论研究示意图理论论研研究究的的三三种种方方法法唯象象学学理理论论研研究究：：包包括括概概率率积积分分法法、、负负指指数数函函数数法法、、典典型型曲曲线线法法。。它它简简便便易易行行，，避避开开了了岩岩体体的的本本构构，，对对于于层层状状结结构构计计算算误误差差较较小小。。经典典力力学学理理论论研研究究（（反反分分析析））：：利利用用黑黑箱箱原原理理，，进进行行岩岩体体采采动动系系统统调调制制，，老老拟拟合合采采动动岩岩体体与与地地表表的的移移动动曲曲线线。。计计算算结结果果较较差差，，很很少少使使用用。。力学理理论研研究（（正演演分析析）：：利用用力学学原理理，将将岩体体抽象象为力力学模模型，，编制制相应应的计计算程程序对对采动动岩体体与地地表沉沉陷进进行模模拟。。地下开开采地地层内内部沉沉陷特特征矿体采采空后后，围围岩的的原始始应力力平衡衡状态态被破破坏，，应力力开始始重新新分布布，使使围岩岩产生生变形形、移移动、、破坏坏，显显然破破坏的的程度度距离离采空空区的的远近近有关关。分分成六六个区区域，，上覆覆岩层层分为为冒落落带、、裂隙隙带和和弯曲曲带，，底板板分为为底板板导水水裂缝缝带、、保护护带和和承压压水导导升带带。地层沉陷分分区示意图图地表沉陷特特征沉陷盆地是是在工作面面推进过程程中逐渐形形成的，它它比采空区区域大得多多。地表沉陷盆盆地的发生生和发展地地表表沉陷盆地地区域划分分示意图地表沉陷的的危害地层沉陷对对建筑物的的危害地层沉陷对对水体的危危害地层沉陷对对铁路和公公路的危害害地层沉陷对对井巷的危危害地层沉陷对对山体和露露天矿边坡坡的危害地层沉陷诱诱发矿山动动力灾害地层沉陷的的预测（概概率积分法法）地下矿体采采出后，岩岩层和地表表将发生移移动，以统统计的观点点将整个开开采分解为为无穷多个个无限小的的开采，地表下沉地表倾斜变形地表曲率变形地表水平移动地表水平变形地层沉陷损损害控制（（一）活动基础：：随意调整整建筑物原原基础高度度的一组构构件群，吸吸收采动岩岩体向上传传递非线性性变形，达达到保护建建筑物安全全使用的目目的。活动基础结结构示意图图离层注浆控控制地层沉沉陷离层注浆控控制沉陷就就是利用矿矿体开采后后覆岩层裂裂过程中形形成的离层层空间，借借助高压注注浆泵从地地面通过钻钻孔向离层层空间注入入充填材料料，占据采采出空间向向上传递，，支承岩层层、减缓离离层上位岩岩体的进一一步弯曲下下沉，从而而达到减缓缓地层沉陷陷的目的。。其基本工工艺原理图图如下：改进开采工工艺或充填填技术大条带开采采工艺小煤柱开采采大大条带开开采充填开采对于有条件件的矿山进进行充填开开采，减少少地面沉陷陷第五章滑滑坡滑坡是一种种常见的斜斜坡失稳而而产生的岩岩土工程灾灾害。在矿矿山、交通通、水利和和城市建设设过程中由由于大量开开挖和施工工不当等原原因，破坏坏了山体的的稳定，从从而诱发滑滑坡的发生生和发展，，造成灾害害性的事故故。基本特征：：滑动的岩土土体具有整整体性，并并保持着斜斜坡原有的的地质结构构特征；滑移的方式式为滑动，，而不是滚滚动或倾覆覆。252m370622南芬露天铁矿非工作帮的大规模滑坡（250万立方米）2019年下半年~2000年上半年滑坡的危害害我国是一个个多山的国国家，西部部尤其如此此，据初步步统计由滑滑坡、泥石石流造成的的灾害，每每年达200亿左右右。仅80年代代一次性死死亡人数在在200人人以上或直直接经济损损失在千万万元以上有有十余起（（如1980年的盐盐池河滑坡坡、1981年鸡趴趴子滑坡、、1984年新滩滑滑坡、1983年洒洒勒山滑坡坡，1989年的溪溪口滑坡））。由滑坡坡造成水、、陆路交通通中断引起起的间接损损失更无法法估计。由人类建设设工程引起起的滑坡也也不少，如如云南漫湾湾水电站左左岸缆机平平台斜坡失失稳，陇海海线葡萄园园段滑坡迫迫使铁路改改线，龙羊羊峡电站虎虎丘山斜坡坡变形，成成昆线铁西西滑坡。滑坡的分类类滑坡的分类类比较繁杂杂，从不同同角度去分分类，例如如按滑坡的的组成物质质、滑动速速度、力学学特征、滑滑体形态、、滑体规模模、发展阶阶段等进行行分类。我国按力学学条件分类类：牵引式式滑坡、推推动式滑坡坡两类。牵引式滑坡坡是由于坡坡脚处任意意开挖所引引起，斜坡坡失去平衡衡，靠近坡坡脚部分岩岩体首先开开始向自由由面膨胀、、开裂、挤挤出，然后后依次向上上发展，最最后整个边边坡失稳滑滑移。推动式滑坡坡开始发生生斜坡的上上部，失稳稳破坏的岩岩体向下滑滑移，并挤挤压下部岩岩体，造成成斜坡下部部鼓丘和隆隆起。治理的方法法不一样：：牵引式滑滑坡通过增增加它的抗抗滑力，而而推动式滑滑坡通过卸卸荷方法来来减少的下下滑力。滑坡的发育育过程蠕动变形阶阶段由于开挖和和外界因素素的影响，，首先在斜斜坡内部产产生微小的的变形和移移动，然后后逐渐发展展，直至坡坡面出现断断续的张拉拉裂缝。随着张拉裂裂缝的出现现，渗水作作用加强，，变形进一一步发展，，后缘张拉拉，裂缝加加宽，开始始出现较小小的错距，，两侧剪切切裂缝相继继出现。坡坡脚部分岩岩体被压裂裂致碎，并并有潮湿渗渗水，此时时滑动面初初步形成，，但尚未贯贯通。斜坡变形进进一步发展展，后缘裂裂缝不断加加宽，错距距不断增大大，两侧羽羽毛状剪切切裂缝贯通通并撕开，，斜坡前缘缘岩体挤碎碎并鼓出，，出现鼓张张裂缝，坡坡脚附近渗渗水浑浊，，滑动面已已经形成，，失稳岩体体开始整体体向下滑动动。滑动破坏阶阶段滑体在整体体下滑时，，滑坡后缘缘迅速下陷陷，滑坡壁壁越露越高高，滑体分分裂成数块块。滑坡体体上的建筑筑物严重变变形以至倒倒塌毁坏。。渐趋稳定阶阶段滑动逐渐停停止后，形形成特殊的的滑坡地形形，在岩性性、结构构构造和水文文地质方面面相继产生生变化，例例如斜坡岩岩体发生整整体性破坏坏、岩体变变得松散破破碎，透水水性增强，，含水量增增高，地层层产状发生生变化。滑坡的预测测、预报滑坡是一个个典型的非非线性系统统的失稳，，非线性系系统失稳前前都要展示示大量的异异常信息———失稳前前兆。斜坡滑动类型型Heok根据据滑动面的差差异把岩石边边坡的破坏分分为四种类型型：圆弧破坏、平平面破坏、楔楔体破坏和倾倾覆破坏，前三种破坏坏性质属于滑滑动破坏，最最后一种属于于崩塌破坏。。大量的理论论研究和野外外勘察表明，，大多数岩石石边坡的破坏坏均为滑动破破坏。(a)(b)(c)(d)岩石边坡的滑滑动类型(a)平平面破破坏；(b)圆弧破坏坏；(c)楔楔体破坏；；(d)倾倾覆破坏边坡稳定性分分析方法岩石边坡稳定定性分析目前前有三种方法法：（1）解析方方法，最常用用是块体极限限平衡法，它它通过块体在在假定滑动面面上抗滑力和和滑动力之间间的平衡关系系来判断边坡坡的稳定性。。（2）数值方方法，通过计计算岩石边坡坡中的应力分分布，从而确确定边坡体的的不稳定区域域。（3）概率法法，把岩石边边坡的一些参参数视为一个个随机变量场场，通过建立立随机变量的的分布函数来来确定边坡的的稳定性。平面滑动稳定定分析边坡的稳定性性用稳定性系系数来表示，它定定义为块体的的抗滑力与下下滑力之比。。因此单平面面滑动时边坡坡的稳定性系系数为：假设两块体之之间存在一对对作用力和，，大小相等方方向相反。作作用的方向倾倾角为。通过块体ⅠⅠ的平衡可以以求得作用力力的大小和方方向。块体ⅠⅠ受到滑动面面以下岩体对对它的作用力力，单平面滑动双双平面滑动动HLhG12ⅠⅡG2G1FⅡFⅠABCDCR1圆弧面滑动当边坡的岩性性较软或结构构面与边坡面面倾向相反时时，边坡都沿沿某一个圆弧弧面滑动，而而不是平面滑滑动。绝大多多数土体边坡坡也是圆弧面面滑动。圆弧弧面滑动的边边坡稳定性系系数定义为抗抗滑力矩与滑滑动力矩之比比。圆弧面滑动稳稳定性Bishop计算算法NSSiSi+1Ni+1NiGox楔体滑动楔形体滑动是是常见的一种种边坡破坏形形式。因为楔楔形体是一个个空间块体，，因此其稳定定性计算是一一个比较复杂杂的问题。楔形体滑动模模型及其稳定定性计算ADCBHBDAC面A面CGNN1N212上述计算的缺缺陷有关几种边坡坡滑动模式一一般都只考虑虑滑动块体重重力的作用，，而实际上研研究的边坡大大多承受静水水压力、地震震力及建筑物物的作用力等等外加荷载。。在实际评价价边坡稳定性性时都要考虑虑这些外加荷荷载的作用。。滑坡的防治措措施防治措施大致致分为减滑工工程和抗滑工工程，减滑工工程在于改变变滑坡的地形形、土质、地地下水等状态态。抗滑工程程在于利用抗抗滑构筑物来来抵挡滑坡变变形或滑动，，这类主要制制止小规模的的滑坡。防治工程减滑工程抗滑工程挡土墙、抗滑滑桩、锚固工工程、竖井桩桩削坡减重地表水排除工工程地下水排除工工程排气工程河道构筑物地表水沟防渗工程水平钻孔集水井泄水隧道立体排水工程程第六章岩岩爆和冲击击地压基本定义岩爆是地下工工程中的一种种特殊现象，，一般定义为为在应力集中中作用下，脆脆性煤岩体内内积聚的弹性性应变能在外外界的扰动触触发下突然释释放，致使煤煤岩向自由空空间产生位移移的动力现象象。在煤炭系系统岩爆习惯惯上称为冲击击地压。它是是煤炭、冶金金、水电及铁铁道等地下工工程中重大灾灾害之一。危害自1738年年英国某锡矿矿首次发生岩岩爆以来，在在世界范围内内已有20多多个国家发生生过岩爆现象象，据煤炭系系统不完全统统计，到2019年底，，我国已有35对矿井累累计发生2000余次岩岩爆事故，造造成数以百计计的人员伤亡亡，巷道破坏坏达20多万万米。1、采矿开挖挖引起的矿山山压力灾害液压支架立柱柱缸体爆裂、、鼓肚、弯曲曲、损坏。安全阀开启老虎台矿岩爆的机理和和产生的原因因各类岩爆的最最终表现形式式都十分相似似，但由于应应力环境、采采动影响、岩岩体力学性质质及扰动特征征的复杂性，，造成岩爆产产生的成因及及机理尚不十十分明确。目前的研究多多集中在岩爆爆发生的准则则方面，相继继形成了强度度理论、能量量理论、失稳稳理论、冲击击倾向理论等等，岩爆发生生以后岩块的的动力行为，，完全按照运运动学的方程程来分析。强度理论强度理论认为为在开掘或采采动过程中，，在采场和巷巷道周围形成成应力集中，，当应力达到到岩石强度时时，脆性岩石石就突然破坏坏形成岩爆。。近代的强强度理论论引入系系统的观观点，以以岩体-围岩系系统作为为研究对对象，认认为岩体体的承载载能力应应该是岩岩体和围围岩系统统的综合合强度，，当岩体体承受的的应力大大于或等等于岩体体-围岩岩系统强强度时，，就发生生岩爆。。岩爆发发生的强强度准则则强度理论论在判别别岩爆时时，具有有简单、、直观、、容易应应用的特特点，但但它对岩岩爆的动动力学特特征描述述不够，，而且不不能反映映岩爆的的时间特特征。现现场资料料表明：：许多地地下工程程岩体承承受的应应力超过过它强度度时，虽虽然已进进入了软软化阶段段，但多多数并未未发生岩岩爆现象象。这从从侧面说说明了强强度理论论的局限限性。能量理论论能量理论论从能量量转化的的角度来来分析岩岩爆的成成因，该该理论认认为岩体体-围岩岩系统在在力学平平衡状态态下破坏坏所释放放的能量量大于所所消耗的的能量时时，即形形成岩爆爆。考虑虑了岩爆爆能量动动态过程程，岩爆爆的能量量准则可可表示为为：能量理论论只说明明了岩体体-围岩岩系统在在力学平平衡状态态时，释释放的能能量大于于消耗的的能量，，岩爆就就发生，，但没有有阐明平平衡状态态的力学学性质和和破坏条条件，特特别是围围岩释放放能量的的条件，，因此岩岩爆的能能量理论论缺乏必必要条件件。冲击倾向向理论一般容易易发生岩岩爆的岩岩体具有有同样的的物理力力学特征征，这种种产生冲冲击破坏坏的能力力称为冲冲击倾向向，它是是岩爆产产生的必必要条件件。当岩岩体介质质的冲击击倾向度度大于规规定的极极限值时时，就可可能发生生岩爆。。这些冲冲击倾向向的指标标包括：：弹性变变形指数数、有效效冲击能能指数、、极限刚刚度比、、破坏速速度指数数等。式中K为为冲击倾倾向性指指标，K*为冲击倾倾向性极极限值，，用一组组冲击倾倾向指标标来评价价岩体发发生岩爆爆的危险险性具有有实际意意义，但但岩爆的的发生与与周围环环境密切切相关，，实验室室测定的的冲击倾倾向指标标难于全全面代表表各种地地质因素素条件下下岩爆特特征。变形失稳稳理论失稳理论论是近年年来才被被应用于于岩爆研研究。它它从数学学上的稳稳定性理理论出发发，研究究系统稳稳定准则则。该理理论认为为岩爆发发生前是是一个准准静态过过程，而而岩爆是是一个平平衡状态态失稳转转化为另另一个平平衡状态态的动力力失稳过过程。当当岩体处处于非稳稳定的平平衡状态态时，遇遇到外界界有微小小的扰动动，岩体体就可能能发生失失稳，从从而在瞬瞬间释放放大量能能量，这这些能量量促使岩岩体从静静态变为为动态，，于是发发生急剧剧、猛烈烈的破坏坏。岩爆爆发生的的判据表表达式为为：岩爆烈度度分级岩爆级别岩爆释放的能量（J）岩爆的烈度(级)造成的损害程度微爆<10<1岩体的表面或深部局部破坏弱岩爆1~2抛出少量的岩块，有声响和地震效应，设备不受破坏中等岩爆2~3.5抛出大量的带粉尘岩块，形成气浪，造成巷道支护破坏强烈岩爆3.5~5造成几十米巷道破坏灾害性岩爆>5整个采区或整个水平范围内受破坏10~102102~104104~107>107岩爆预预测方方法———声声发射射岩石在在压力力作用用下发发生变变形和和断裂裂破坏坏，岩岩石内内部微微裂纹纹的扩扩展和和摩擦擦都能能引起起弹性性能的的突然然释放放并以以应力力波向向外传传播，，这种种现象象称为为岩石石的声声发射射。它它在地地下采采矿和和地震震工程程中也也称为为地音音。显显然声声发射射的强强弱和和时空空分布布反映映了岩岩体的的破裂裂进程程。在预测测评估估技术术方面面，不不断成成熟的的模式式识别别技术术和改改进的的声测测方法法使得得低应应力和和高应应力岩岩石之之间声声发射射的差差异能能被精精确地地测量量出来来，并并用来来进行行岩石石应力力集中中区和和岩爆爆先兆兆的评评估，，进而而预测测预报报岩爆爆的发发生。。预测实实例美国爱爱达荷荷州北北部的的Coeurd’’Alene地地区是是生产产铅、、锌、、银等等有色色金属属的重重要矿矿区。。该矿矿区正正常情情况下下声发发射率率一般般在30次次/日日以下下，但但在岩岩爆发发生前前两小小时左左右，，声发发射活活动突突然激激增，，其峰峰值强强度可可达正正常值值的数数十倍倍，随随后迅迅速下下降，，再经经过1~2小时时就发发生岩岩爆。。图显显示示三个个月内内在同同一个个矿内内所发发生的的四次次岩爆爆的声声发射射记录录，由由于成成功地地预测测了岩岩爆发发生时时间和和地点点，因因而这这四次次岩爆爆均未未造成成任何何人员员伤亡亡。钻屑屑法法钻屑屑法法是是在在岩岩体体内内钻钻孔孔，，同同时时测测量量岩岩粉粉量量、、声声响响、、钻钻孔孔冲冲击击、、钻钻孔孔阻阻力力和和岩岩粉粉粒粒度度，，来来判判断断岩岩体体内内应应力力集集中中程程度度，，鉴鉴别别发发生生岩岩爆爆的的倾倾向向和和位位置置。。一一般般在在钻钻孔孔时时产产生生类类似似岩岩爆爆的的冲冲击击效效应应，，这这也也是是钻钻屑屑得得以以鉴鉴定定岩岩爆爆危危险险程程度度的的物物理理基基础础，，这这种种效效应应也也可可称称为为钻钻孔孔冲冲击击。。钻钻屑屑法法一一般般应应用用于于煤煤矿矿开开采采中中。。一般般以以钻钻屑屑量量和和正正常常排排粉粉量量之之比比作作为为衡衡量量冲冲击击倾倾向向指指标标，，它它称称为为钻钻粉粉率率指指数数。。它它的的表表达达式式为为：：式中中为钻钻粉粉率率指指数数，，Vb为为钻钻出出的的岩岩粉粉量量，，Vz为为正正常常排排粉粉量量，，地球球物物理理检检测测法法某些些浅浅源源地地震震机机制制和和岩岩爆爆相相似似，，因因此此可可以以利利用用检检测测地地震震的的一一些些地地球球物物理理方方法法，，如如地地质质层层析析X线线成成像像法法及及电电磁磁辐辐射射法法，，检检测测岩岩爆爆。。地地质质层层析析X线线成成像像法法在在岩岩爆爆和和采采矿矿诱诱发发岩岩爆爆研研究究中中有有三三方方面面的的应应用用。。（（1））矿矿区区岩岩体体的的主主动动成成像像能能提提供供大大区区域域岩岩体体的的特特性性；；（（2））通通过过连连续续成成像像可可提提供供对对岩岩体体性性质质的的监监控控；；（（3））以以往往岩岩体体层层析析成成像像提提供供例例如如微微震震传传感感器器布布置置区区内内岩岩石石物物理理力力学学性性质质的的信信息息。。通通过过对对岩岩体体变变形形的的连连续续成成像像可可以以确确定定事事件件区区域域和