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第二届谷德振讲座暨工程地质力学创新与发展研讨会

第二届谷德振讲座暨工程地质力学创新与发展研讨会

  • 召开年：2018
  • 召开地：北京
  • 出版时间： 2018-11-28

主办单位：中国科学院

会议文集：第二届谷德振讲座暨工程地质力学创新与发展研讨会论文集

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  • 摘要：对2018年工程地质学的基金申请情况、资助情况、研究队伍等进行了详细分析.工程地质学的基金项目申请数量有所下降,主要是青年科学基金和重大项目申请数量下降,重点项目和面上项目申请数量保持稳定,优秀青年科学基金项目申请量增加.近10年的统计数据表明,同行评议专家对申请书的评议尺度保持稳定.面上项目申请者的年龄结构趋于年轻化,青年科学基金申请者的年龄结构比较合理.重点项目的申请人仍以60年代出生的科学家为主,但70年代出生的申请人正在增加并逐渐获得资助.工程地质学在多个不同的项目类型中都获得了资助,呈现出越来越强的竞争力.
  • 摘要：文章陈述了致灾因子、承灾体、易损性、风险识别、成生原因、变形破坏机理、破坏模式与成灾模式等基本术语的含义.为了提高防灾减灾的有效性,作者提出了崩塌滑坡灾害风险识别的方法,包括历史对比法、直接观察法、间接反演法、遥感遥测法、动态监测法和综合分析法等.考虑斜坡边界形态(a)、成分结构(b)、初始状态(c)、引发条件(d)、环境因素(e)和成灾条件(v)及其随时间(t)的变化,建立了包括6个函数的崩塌滑坡灾害风险综合分析计算模型:Rt=[(f(a)+f(b)+f(c))d(t)+f(e)]f(v).采用专家赋值法,以2017年四川茂县"6·24"新磨村滑坡和贵州纳雍"8·28"普酒社区崩塌灾害为例分别对两者的初始、引发和临界灾害风险进行了初步的尝试性的追溯分析,只是一种探索.
  • 摘要：谷德振先生是"岩体工程地质力学"理论体系的创始人.工程地质专业委员会设立谷德振讲座就是为了更好地继承和创新工程地质学的思想、理论与技术体系.应第二届谷德振讲座专刊之约,本文以南京大学《工程地质学》教材再版更新为契机,诠释了工程地质学传承与创新的重要性.
  • 摘要：本文的主要目的是探讨地震诱发的高速远程滑坡的液化机理.通过排水和不排水环剪的对比试验,以及对地震诱发的不同类型的滑坡实例的现场调查,考察了土结构破坏和土粒子破碎产生的滑动带液化的不同机理.土结构破坏引起的液化在滑坡发生时即可产生,而士粒子破碎引起的液化需要在滑动过程中产生.在此基础上提出了滑动带向滑体内的扩展模型,并分析了两种液化机理引起的滑坡体形态的差异.本文的独到之处在于揭示了土粒子破碎对高速远程滑坡的重要影响,强调了在滑坡灾害预测研究中必须同等重视滑坡体结构和土粒子易破碎性的调查分析.
  • 摘要：简单实用的隧道大变形风险评估方法对灾害防治和工程应用有重要价值.本文应用指标打分法建立了高地应力隧道施工期大变形动态风险评估方法.应用指标体系打分法建立了包括地质因素、设计因素和施工因素3项一级指标和岩石强度、围岩完整性等18项二级指标的风险评估指标体系,经统计分析确定各指标影响权重.通过现场对各指标进行打分,对照大变形风险可能性等级标准,确定风险可能'性等级;通过专家调查对直接经济损失、工期延误进行估计,确定严重程度等级;综合考虑风险发生可能性及损失严重程度,应用风险矩阵法得到风险等级.将所建立的风险评估方法应用于在建汶马高速公路米亚罗3号隧道,评估结果与实际开挖结果-致,验证了此套方法的有效性与实用性.该风险评估方法可为隧道施工期大变形的预防和控制提供科学依据.
  • 摘要：磷石膏是一种固体废弃材料,磷石膏的堆存浪费大量土地资源,严重污染士壤与水环境,并可能引发滑坡溃坝,因此进行磷石膏的资源化利用迫在眉睫.本文采用硅酸钠改良水泥基稳定磷石膏,开展路面基层试验研究.通过无侧限抗压强度试验、水稳定性试验、干缩试验放扫描电镜试验,研究了硅酸钠在不同掺量、掺入方式、养护龄期条件下改良水泥基稳定磷石膏的物理力学特性,揭示了硅酸钠促进水泥水化并产生水化硅酸钙,从而提高提合料强度的改良机理.试验结果表明,当溶于水的硅酸钠掺量为2％～4％时,可有效改良水泥基稳定磷石膏混合料的抗压强度、水稳定性能、失水率及干缩应变,并提出在路面基层施工后的4～5d内,是有效控制路面基层失水与干缩的最佳时间,从而可避免因水分快速散失导致裂缝的产生.
  • 摘要：酸雨作为一种常见自然灾害,不但会对环境产生污染和破坏,也会引起岩士体的失稳破坏如边坡垮塌等,学者们对后者的研究较少.酸雨区基性/超基性岩质边坡失稳现象常见,但结合酸雨影响的失稳机理尚有待研究.本文以典型酸雨区雅安境内一辉长岩边坡为例,首先设计了岩石酸雨化学风化模拟实验,开展了不同贯通度和酸雨作用历时的辉长岩结构面酸蚀作用研究;通过岩体结构面直接剪切试验及边坡稳定性计算对比分析了不同酸雨作用历时条件下的边坡滑动稳定性,论证了酸雨作用对边坡稳定性的显著弱化作用.通过对酸雨作用前后试样的X衍射测试仪(XRD)、偏光显微镜薄片观察、扫描电子显微镜测试(SEM)提出了酸雨显著弱化边坡稳定性的内在原因,认为辉长岩边坡酸雨弱化机理主要体现在两个方面:岩石中的链状硅酸盐矿物(辉石)和架状硅酸盐矿物(基性斜长石)酸蚀为层状硅酸盐矿物(绿泥石、伊利石及高岭石),显著降低结构面抗剪强度;可溶盐及部分教土矿物逐渐被酸雨溶解携运流失,结构面上逐渐发育裂隙,使潜在滑面有效抗剪面积减小.研究成果可为酸雨地区的岩土体稳定性分析评价及加固工程设计提供参考.
  • 摘要：充填法采矿是维护矿山稳定、控制地压变化以及限制围岩变形的最有效的手段方法,这种方法被大量地应用于金属矿山的开采工程当中.充填体作为矿体采出后的替代物,充入地下采空区后经过相变-固结-承压-提供反力-与围岩相互作用等阶段,与上覆岩层、下部矿体以及周围围岩形成了一个共同抵抗外部压力又相互作用的系统.这个系统在矿山开采状态下如何维护自身稳定以及相互作用所产生的变形破坏等都是需要进行研究的问题.金川煤矿二矿区已经进行了几十年的充填开采作业,逐渐形成了体积非常巨大的充填体,而进入深部开采工程后,上覆巨大充填体的受力稳定问题直接关系到矿山的安全生产.本文结合金川二矿区开采实际,在精确刻画充填体三维形态特征的基础上,采用数值模拟方法分析了大型充填矿山充填体的力学行为.模拟结果表明:充填体在开采时会出现整体受压变形,最大剪应力是导致充填体与国岩发生局部破坏的主要因素,对此根据充填体整体塑性屈服区域的分布和剪应力分布情况,确定了破坏失稳的危险区域.
  • 摘要：现场调查表明,砂质纹层、凝灰质纹层和天然裂缝广泛地存在于陆相页岩储层中.本文对鄂尔多斯盆地页岩储层中的纹层和天然裂缝进行了多尺度研究,并构建了三维地质结构模型.首先,基于二维裂缝现场调查,利用蒙特卡罗模拟方法建立了研究区域的三维裂缝网络模型.然后通过多种观测手段获得由宏观尺度到微观尺度的纹层结构特征.对多尺度纹层厚度的统计分析表明,米级、分米级、厘米级、毫米级和10微米级等不同研究尺度下的纹层平均厚度分别为2.26m,2.09dm,1.70cm,1.48mm和11.7μm,呈现出分形特征,分形维数为1.06;不同研究尺度下的单层厚度均服从负指数分布规律,即各研究尺度下厚度越大的纹层,其层数越少,反之越薄的纹层其数量越多.最后,根据上述纹层平均厚度及概率分布函数特征,建立了页岩的多尺度纹层结构模型,并将其叠加在裂缝网络模型上,生成不同尺度下的页岩三维地质结构模型.模型输出的裂缝、纹层参数与研究区域的真实地质参数有着较好的对比验证.这项研究工作可为页岩气储层的水力压裂数值模拟和物理模型试验提供更可靠的地质模型.
  • 摘要：本文以谷德振先生创立的岩体工程地质力学理论为指导,在水文地质结构概念的基础上提出了矿山水文地质结构的概念,结合中国煤矿的宏观地质背景及矿山水害的研究基础,基于矿山水文地质结构对矿山水害类型进行了重新划分.从突水水源、导水通道以及采掘活动3个致灾危险掘出发,结合矿山突水溃砂灾害、底板突水实例,对矿山水文地质结构的采动响应进行研究,为矿山水害防治和矿山安全地质工作提供了一种新的思路和途径,显示了岩体工程地质力学在煤矿水文地质工程地质研究中的重要指导作用和强大的生命力.
  • 摘要：桩板拦石墙是针对2008年"5·12"汶川震区高陡斜坡带高位落石灾害难以实施主动加固,而在拟设拦挡部位所采用的一种被动防护措施,适用地形坡度介于25°～35°.为研究此类桩板结构在落石冲击荷载下的动力响应,采用有限元与无限元榈合进行数值模拟,结合经典弹塑性理论,系统分析了桩板拦石墙在不同冲击工况下弹塑性加载与卸荷回弹过程中冲击力、贯入深度、结构耗能效果等特征参量,明确了结构的抗冲击特性.结果表明,本文采用的"无限元"边界可以有效地减小应力搅在人工截断边界处反射造成的误差.在冲击速度为10m·s-1、15m·s-1、20m·s-1、25m·s-1的情况下,本文计算冲击力的大小分别为1.9MN工5MN、3.1MN、3.7MN,结果与Kawahara模型一致,但较Labiouse模型和Hertz弹性解大.根据混凝土损伤理论,提出了损伤等级分类,有效地量化结构破损程度.当速度大于20m·s-1时,桩、板混凝土拉压损伤严重,结构存在丧失承载力的风险.本文的计算方法与结果可为相关结构设计提供实际指导.
  • 摘要：近年来由于受极端强降雨天气的影响,宁镇地区山前缰坡发生多起中型一大型滑坡地质灾害,主要表现为间歇性蠕滑,规模较大,而滑移距离较小,一般小于30m,该类滑坡严重威胁附近居民的生命和财产安全,造成巨大的经济损失和严重不良社会影响.为此,本文针对这一典型山前缓坡新型滑坡地质灾害,运用岩体结构控制论和优势面理论对其滑坡体地层结构及滑动机理进行研究,结果表明滑坡主要发生在山前缓坡地段,滑坡体具有特殊的地层结构及水文地质特性,受到强降雨作用时,在坡体内容易产生暂时性承压水,在其浮托力的作用下缓坡主要产生顶托破裂和剪切破坏,并随降雨产生间歇性蠕滑.
  • 摘要：珊瑚礁是一种特殊的岩土体,从工程地质角度可分为珊瑚砂屑土和珊瑚礁灰岩两大类.本文回顾了珊瑚礁研究30年的基本历程,重点对珊瑚砂屑土的静力学特性、动力学特性、颗粒强度低等特殊力学性能以及桩基工程性质的探索和研究成果进行了回顾与展望,并以南海岛礁工程建设为引,号召更多的科研学者加入到珊瑚礁的研究队伍中,共同促进珊瑚礁工程地质学科的发展.
  • 摘要：不同于一般的库岸变形,库盘变形、谷幅变形是水库蓄水引起的新的工程地质问题,直接关系到水库大坝的安全运行.监测发现,已建的多座水库在蓄水过程中库盘出现下沉或抬升变形.本文以库盘变形较为典型的溪洛渡、铜街子、江垭、锦屏一级、小湾几个水电站为例,基于水电站所处的地质环境,从水库蓄水引起的区域水文地质条件变化角度分析库盘变形的地质成因条件.研究发现,地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件是发生库盘、谷幅变形的内在因素,而水库蓄水位、蓄水过程是诱发库盘、谷幅变形最重要的外在因素,外因通过内因而起作用.研究成果将为在建、待建水电工程建立正确的库盘变形、谷幅变形物理模型,准确计算、分析、预测可能发生的库盘、谷幅变形提供科学依据.
  • 摘要：降雨是诱发地质灾害的重要因素之一,中国大陆于2003年启动的区域地质灾害气象预警取得了较好成效,目前区域地质灾害气象预警业务逐步从地质灾害发生的“危险性”预警向“风险性”预警转变,开展区域地质灾害气象风险预警模型研究具有重要意义.本文总结提出了区域地质灾害气象风险预警概化模型及其计算方法,以四川省青川县为例,构建了青川县区域地质灾害气象风险预警模型,并以典型实例进行了预警效果校验.区域地质灾害风险预警指数(R)可以概化为地质灾害潜势度(Q)、降雨诱发因子(T)和地质灾害承灾体脆弱性指标(V)三者的乘积,并分别给出了三者的计算公式.构建了青川县区域地质灾害气象风险预警模型,给出了根据预警指数值划分区域地质灾害气象风险预警等级的依据,提出当Q、T、V中两项达到高等级(0.8),一项达到较高等级(0.6)时,为红色预警;当Q、T、V中两项达到较高等级(0.6),一项达到中等级(0.3)时,为橙色预警;当Q、T、V中一项达到较高等级(0.6),两项达到中等级(0.3)时,为黄色预警.以2018年6月26日为典型实例,模拟了四川青川县区域地质灾害气象风险预警实况并进行校验,结果显示94.1％的灾害点位于预警区范围内.
  • 摘要：天然锁固段主控锁固型斜坡稳定性和构造地震演化过程,其按照承载力从低到高的次序依次断裂(宏观破坏).因此,研究某一锁固段断裂时下一个锁固段的力学响应机制,对预测后者的断裂行为具有重要意义.研究表明,锁固段在体积膨胀点处产生的高能级特征破裂事件(标志性事件)可作为该点的判识标志,亦为锁固段的断裂前兆.构建了剪切作用下断层中包含两个锁固段的力学模型,基于理论分析和数值模拟讨论了具有不同承载力的锁固段组合导致的力学行为,指出天然锁固段之间的力学作用遵循强作用模式,即当前锁固段被加载至峰值强度点时,再经历一个可忽略的剪切位移增量或应变增量,伴随的荷载转移可使下一个锁固段演化至其体积膨胀点.该模式能够合理解释多种地震观测现象和实验结果.
  • 摘要：回灌式开采是目前普遍提倡的保持热储压力、减缓水位下降、实现地热资源可持续开发利用的有效手段之一.外源水回灌是近年来探讨的新思路,是易于回灌的碳酸盐岩储层的优选方案.本文针对天津东丽湖地区蓟县系雾迷山组白云岩热储,通过开展储层条件下水一岩相互作用实验,探讨了未处理湖水回灌的可行性和热储层的地球化学响应.结果表明,未经处理湖水回灌后,其TDS显著降低,说明发生了沉淀,经计算沉淀量为142.6mg·L-1,相当于矿物质量增加了0.09％.反应初期阶段,斜长石发生溶解,释放出K、Ca、Na等碱金属和SiO2等组分;导致溶液中白云石、方解石和钾长石过饱和而沉淀析出;随着反应进行,不全等溶解沉淀作用使部分白云石发生溶解,而方解石持续沉淀;伊利石是反应过程中形成的主要黏土矿物,其对储层结构的影响取决于其形状.基于现有实验结果,认为未处理湖水直接回灌对白云岩热储的影响较小,不会破坏储层结构.
  • 摘要：国家进行了8次天然气水合物试采工作,特别是2017年5月中国神狐海域天然气水合物试采取得了巨大成功,创造了产气时间和产气总量两项世界纪录,但是由于天然气水合物特殊的物理力学性质和赋存状态,技术经济开采还面临诸多难题.在分类总结天然气水合物开采方法的基础上,分析了中日两国的海域天然气水合物试采情况及试采数据,得出了如下结论与建议:天然气水合物开采方法可归纳为两大类:原位分解法和地层采掘法;海域天然气水合物试采数据表明:压力和温度条件都是影响产气速率的主要因素与约束条件,在生产不同阶段,影响产气能力的主要因素不同;对日本第1次天然气水合物试采数据分析表明,压力驱动力、温度驱动力与产气速率均有较好的相关性,提出了表征温度压力耦合关系的指标相态平衡距,研究了产气速率与相态平衡距的分段线性关系,建立了天然气水合物储层分解动力学模型范式;分析了降压开采方法中大幅快速降压与分段缓慢降压两种降压方式的优劣,提出有效供热是实现天然气水合物降压开采的长期高产的必要条件,集成页岩气开发中的水平井压裂技术与干热岩地热开发中热量对流交换循环的原理,提出对流注热降压开采方法.
  • 摘要：尾矿库是一个具有高势能的人造危险源,一旦溃坝,将严重威胁下游人民生命财产安全和生态环境保护.由于尾矿库溃坝因素和条件的复杂性,以及溃坝体在下游沟道或场地运动及滞留特征的不确定性,导致尾矿库溃坝后的运动特征预测成为一个难点.本文基于连续介质和非连续介质力学理论,考虑当前流固耦合数值模拟能力和特征,运用Massflow和PFC3D软件,结合无人机精细测量、现场调查和验证分析等手段,开展了多手段相结合的尾矿库溃坝运动特征模拟研究.研究发现,基于PFC3D和Massflow两种数值方法模拟溃坝后的尾矿砂运动过程有所不同.Massflow模拟结果显示,大部分尾砂体沿着尾矿库下游的曲折沟道运移,在沟谷与张唐铁路交汇的涵洞处堆积;而PFC3D模拟结果显示,尾矿库溃坝后大部分尾矿砂沿着尾矿库主体朝向溃决漫流,少部分进入其下游曲折沟道.,研究认为,考虑地质体和运动过程的不确定性,对于尾矿库溃坝的运动特征模拟宜结合两种不同理论基础的模拟方法,并结合实际尾矿库情况进行综合分析预测.
  • 摘要：岩体结构是岩体的固有属性.结构面和结构体是岩体结构的组成单元,当岩体发生形变时,这些单元会起到控制作用(谷德振,1979).长远程岩质滑坡中岩体结构单元往往伴随着整个滑坡运动的过程,这是由于岩体内在的结构控制着岩体变形、破坏的机制与运动方式.虽然目前存在多种关于长远程滑坡的理论假设和基于各种理论假设的实现模型,然而这些模型的大多忽略了岩体结构效应这一本质问题.本文在系统总结了目前已有长远程滑坡理论和模型的基础上,讨论了长远程岩质滑坡动力学关键参数,动力学机制和动力学过程模型中的关键岩体结构效应问题,提出了考虑岩体结构效应的滑坡动力学可能的研究方向.
  • 摘要：页岩气开采过程中水力压裂及废水回注可能带来的环境问题受到越来越多关注.由于水力压裂开采技术涉及的污染物种类众多,因此建立敏感性监测指标对于识别潜在的地下水污染具有重要意义.本文以中国涪陵页岩气田焦石坝区块为例,首先确定了地下水环境背景值(包括水化学、同位素及溶解气);通过页岩水与浅层地下水的端元对比,确定了地下水环境敏感性监测指标与污染示踪方法.结果显示浅层地下水TDS在146～402mg·L-1之间,属于HCO3-Ca·Mg型,地下水属于年轻地下水(含3H、14C接近100pmC),地下水甲烷含量均小于0.01mg·L-1,水中溶解气的甲烷(CH4)体积比低于0.0064％,δ13C-CH4总体小于-50‰,为生物成因甲烷(显著区别于热成因页岩气).涪陵页岩气田焦石坝区块页岩水TDS约为海水两倍,为大气降水成因,显著区别于北美的(蒸发)海水起源.根据页岩水和浅层地下水水文地球化学特征的差异,建立了确定地下水敏感性监测指标的框架,识别出焦石坝区块地下水敏感性指标(7项).页岩气开发对地下水潜在的污染主要包括气体污染和溶解固体组分污染.对于气体,建立了甲烷含量及同位素组成的端元,并且应用惰性气体进行了两个端元识别;对于溶解固体组分污染,基于浅层地下水背景值数据,可利用本文给出的敏感性指标进行判别.本项研究对于中国页岩气开发的地下水环境保护具有重要的意义,有助于完善页岩气开发过程中地下水环境监测和潜在污染示踪.
  • 摘要：岩溶介质赋水各向异性使岩溶含水层具有不均一性和复杂性,增加了刻画地下水流场的难度和不确定性.为深入理解岩溶水系统不均一性,基于水化学和同位素数据研究了西山岩溶水系统补径排路径,为厘清岩溶水流场特征提供了新的依据.水化学和同位素证据表明西山岩溶区有3个补给源区:军庄、潭柘寺降水补给区和永定河渗漏补给区,每个补给区各自具有独立的径流通道.军庄补给区为降水和河水补给,降水补给向温泉一永丰屯方向径流;入渗河水补给沿永定河断裂向南东方向径流,在古城一带转向北东方向补给玉泉山泉.潭柘寺降水补给沿八宝山断裂北侧经回民公墓,八宝山朝四季青方向径流.自北而南可分为军庄—永丰屯径流带、永定河—香山径流带、潭柘寺—八宝山—四季青径流带.潭柘寺和永定河是西山岩溶水和重要补给源区,对玉泉山泉有直接影响.
  • 摘要：本文是2018年全国工程地质学术年会的学术总结.会议以“'一带一路'与生态环境一新时代工程地质理论与实践”为主题,近1500位代表通过41个大会特邀报告和主题报告、283个分组报告,进行了广泛交流.本文结合会议和文献,梳理了中国工程地质几十年理论积淀与学科成就,主要包括学科体系的成长与壮大,岩、土体工程地质,灾害与动力工程地质,海洋、城市工程地质,工程地质国际化,工程地质技术发展,标志性重大工程成就,以及工程地质技术标准体系建设等10个方面.结合会议主题和工程地质学科布局、技术创新、学科全球化等时代特点,阐释了新时代工程地质的学科构想,指出了新时期工程地质的学科任务.

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