崩塌灾害变形破坏机理与监测预警研究

摘要

崩塌灾害是我国地质灾害中较频发的一种自然灾害，据中国地质环境信息网统计，全国每年发生崩塌灾害2000起左右，每年因为崩塌灾害造成的人员和经济损失巨大。为了减轻崩塌灾害的损失。国内外学者对崩塌灾害做了大量的研究和防治实践，取得了较多的研究成果。但因崩塌灾害的发生具有较强的不确定性、突发性和隐蔽性，目前对崩塌灾害的成因机制和监测预警方法研究还不够深入系统，继续加强崩塌灾害的变形破坏机制与监测预警的研究，显得十分必要和重要。本文以贵州省和四川省典型崩塌灾害为原型，通过对两个地区典型崩塌灾害的现场调查研究，总结归纳了常见崩塌灾害的变形破坏模式，并通过物理模拟试验手段研究了崩塌灾害的变形破坏特征和机制，揭示了崩塌失稳破坏的主要影响因素。在此基础上，针对各类崩塌的特点，采用岩石力学、断裂力学等力学分析，建立了各典型类型崩塌灾害的预警判据。通过分析崩塌试验变形—时间曲线特征，建立了不同尺度的崩塌灾害发生时间预测预报模型和方法。
　　本研究主要内容包括：⑴在对西南地区典型崩塌灾害现场调查的基础上，以崩塌的岩体结构、岩性、变形破坏机制与发展演化过程为依据，将崩塌分为三大类（倾倒型、滑塌型、坠落型）和七个亚类:倾倒式、倾倒压碎式、滑塌式、倾倒滑塌式、坠落式、悬臂梁（拉裂倾覆）式、错断式。⑵根据崩塌灾害的基本特征以及诱发崩塌灾害的环境因素，设计研发了崩塌全过程三维物理模拟试验平台。试验主体模型箱尺寸为3m(高)×3m(长)×2m（宽），可根据需要调整倾角，同时配备加载系统、多物理量测试系统、降雨系统和库水位升降系统，用以实现不同工况的崩塌模拟。⑶对倾倒滑塌式、倾倒压碎式和悬臂梁式崩塌的形成过程进行了系列物理模拟试验，分析研究了各类崩塌的变形破坏特征、过程和成因机制。试验结果表明:倾倒滑塌式和倾倒压碎式崩塌的变形曲线—时间具有典型的三阶段变形特征，但悬臂梁式崩塌的变形—时间的三阶段变形特征则不够显著。⑷根据崩塌的变形破坏特征和机制，分析了影响崩塌变形破坏的内在和外在因素，并以此确定了各典型类型崩塌的针对性的监测内容、监测仪器和技术方法。并结合贵州崩塌灾害的实际监测成果，分析研究了监测仪器的特点和适用条件。⑸结合各类崩塌的特征和监测内容，分别建立了倾倒滑塌式崩塌的裂缝临界宽度判据和裂隙临界水头判据、倾倒式崩塌的裂缝临界宽度判据和裂缝临界水头判据、倾倒压碎式崩塌的裂缝临界宽度判据和与母岩连接的崩塌裂缝临界宽度判据、悬臂梁式崩塌临界裂缝宽度判据以及错断式崩塌的连通率判据。⑹通过对崩塌变形—时间曲线与滑坡的斋藤曲线特征的对比分析，发现两者都表现出三阶段变形特征（初始变形、等速变形和加速变形），两者又具有明显的的差异，崩塌变形曲线在初始变形阶段曲线呈“S”型;在等速变形阶段曲线斜率相对较小，表明崩塌在等速变形阶段比滑坡变形相对较缓慢;而加速变形阶段变形曲线陡峭，表明崩塌失稳时具有快速性、突发性。针对此变形曲线特征，提出采用速度倒数法模型方程能较好地定量表征和拟合加速变形阶段曲线特征。⑺根据崩塌变形—时间曲线特征，提出了不同尺度的时间预测预报模型和方法，崩塌的短期预测预报可采用速度倒数模型和斋藤迪孝模型;因崩塌加速变形阶段的快速性和突发性，其加速变形阶段前的时间与整个变形阶段时间之比已不满足滑坡的黄金分割数0.618，其比值达到0.8～0.9，据此可进行崩塌灾害的中长期预测预报。最后根据变形监测曲线特征、预警判据以及预警模型和方法分别建立了各类崩塌。预警级别的综合判定方法。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 崩塌地质灾害破坏模式研究

1．2．2 崩塌灾害监测方法研究

1．2．3 崩塌地质灾害预警判据研究

1．2．4 崩塌地质灾害物理模拟试验

1．3 研究内容、方法及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法及技术路线

1．4 本论文的特色及创新点

第2章 崩塌灾害变形破坏模式

2．1 概述

2．2 典型崩塌灾害实例调查研究

2．2．1 威宁县猴场镇崩塌体

2．2．2 大方县云龙山崩塌体

2．2．3 开阳县金钟镇牯牛背崩塌体

2．2．4 思南县凉水井镇崩塌体

2．2．5 都匀市江州镇立山坡崩塌体

2．2．6 纳雍县鬃岭镇小垛口崩塌体

2．2．7 大方县油沙村崩塌体

2．2．8 遵义市山盆镇茶场村灰洞危岩体

2．2．9 遵义市山盆镇丁村大崖千崩塌

2．2．10 坪上危岩带

2．2．11 四川省宝成线K400崩塌

2．3 崩塌灾害变形破坏模式

2．3．1 倾倒型崩塌

2．3．2 滑塌型崩塌

2．3．3 坠落型崩塌

2．3．4 崩塌成因模式分类结果

2．4 小结

第3章 崩塌变形破坏机制的物理模拟试验研究

3．1 概述

3．2 崩塌物理模拟试验装置研发

3．2．1 试验平台的主要设计要求

3．2．2 试验平台设计方案及工作原理

3．2．3 试验平台基础设计

3．2．4 试验平台试验设备系统

3．2．5 试验平台液压系统

3．3 崩塌物理模拟试验相似关系设计

3．3．1 相似概述

3．3．2 物理模拟试验相似系数的确定

3．4 模型材料确定及力学试验

3．4．1 灰岩物理力学参数

3．4．2 模型材料的选择及配制

3．4．3 模型材料试验

3．5 崩塌变形破坏机制的物理模拟试验

3．5．1 崩塌原型

3．5．2 滑塌型崩塌模型试验

3．5．3 倾倒型崩塌模型试验

3．5．4 坠落型崩塌模型试验

3．6 小结

第4章 崩塌灾害监测技术方法

4．1 概述

4．2 监测内容

4．3 监测方法及仪器

4．3．1 崩塌灾害监测方法

4．3．2 崩塌监测常用仪器选用标准

4．4 监测布设及监测频率

4．4．1 倾倒型崩塌监测

4．4．2 滑塌型崩塌监测

4．4．3 坠落型崩塌监测

4．4．4 监测频率

4．4．5 宝成线K400崩塌体监测

4．5 崩塌主要监测数据类型与特点

4．5．1 变形速率-时间曲线

4．5．2 累计位移-时间曲线

4．5．3 崩塌变形与降雨量的关系曲线

4．5．4 次声检测信号

4．6 小结

第5章 崩塌灾害预警判据研究

5．1 概述

5．2 滑塌型崩塌预警判据研究

5．2．1 滑塌式崩塌预警判据

5．2．2 倾倒滑塌式崩塌判据

5．3 倾倒型崩塌预警判据研究

5．3．1 倾倒式崩塌预警判据

5．3．2 倾倒压碎式崩塌预警判据

5．4 坠落型崩塌预警判据研究

5．4．1 坠落式崩塌预警判据

5．4．2 悬臂梁式崩塌临界裂缝宽度判据

5．4．3 错断式预警判据

5．5 预警判据试验验证

5．5．1 倾倒滑塌式崩塌

5．5．2 倾倒型崩塌

5．5．3 悬臂梁式崩塌

5．6 小结

第6章 崩塌灾害发生时间预测预报模型研究

6．1 概述

6．2 崩塌变形—时间曲线特征分析

6．2．1 崩塌加速变形阶段变形—时间曲线特征分析

6．2．2 崩塌初始变形阶段变形—时间曲线特征分析

6．2．3 等速变形阶段特征分析

6．3 崩塌灾害发生时间预测预报

6．3．1 崩塌预测预报尺度划分

6．3．2 崩塌短期预测预报方法

6．3．3 崩塌中长期预测预报方法

6．3．4 崩塌预测预报模型与方法汇总

6．4 崩塌预警级别的综合判定

6．4．1 基于危险性的崩塌预警级别的综合判定

6．4．2 崩塌险情等级的划分

6．4．3 崩塌预警级别的确定

6．5 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果