利用InSAR形变反演滑坡滑面运动特征——以汶川县布瓦村滑坡为例

当前滑坡滑面运动特征获取多采用接触式手段,费时费力、成本高昂,且仅能获取稀疏点位滑面运动状态。因此,本文提出一种非接触式滑坡滑面运动特征获取方法,其基本思路是:基于位错理论建立滑坡表面形变与滑面运动间的关系模型,同时引入滑面运动平滑约束条件,最终以InSAR等技术获取的地表形变为约束,反演获得滑面运动特征。本文选择四川省汶川县布瓦村滑坡作为研究对象,以时序InSAR技术获取的滑坡坡面升降轨形变数据为约束,基于发展的理论方法反演获得布瓦村滑坡滑面几何与运动学参数,并结合野外勘查、Lidar观测以及模型残差较好地验证了反演结果的可靠性,其中反演升降轨模型残差仅3.1 mm·a^(-1)和3.4 mm·a^(-1)。反演结果显示,布瓦村滑坡滑面位于坡表以下平均~15.0 m深度处,滑面整体以沿坡向运动为主,最大运动量级达~80 mm·a^(-1),同时在坡体西侧中下部发现微量的垂直坡向运动。本文提出方法可方便、快速的获取空间连续的滑坡滑面运动特征,为滑坡灾害预警和失稳风险评估提供更为直接可靠的科学参考。

深部矿山不同埋藏深度岩石拉压力学特性试验研究

岩石的物理力学特性随埋藏深度增大会发生变化。本文以云南某矿山900~1200 m深度范围内4个不同埋藏深度的矿体上下盘围岩(灰质白云岩)为研究对象,开展了不同含水条件下(自然状态和饱水状态)的单轴压缩和巴西劈裂试验,探明深部岩石力学基本物理力学特性随埋深的变化规律。研究结果表明:在研究的深度范围内,岩石基本物理成分组成及结构相似,随着岩石埋藏深度的增加,岩石试样的密度、纵波波速、单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量等均略微增大,而泊松比呈先增大后减小的趋势。含水条件对岩石的力学特性影响显著,不同埋藏深度的岩石试样进行饱水处理后其抗压强度、抗拉强度和弹性模量均明显减小,泊松比显著增大,其中岩石单轴抗压强度对水的敏感性高于其他参数对水的敏感性,各参数对水的敏感性排序为:抗压强度>弹性模量>泊松比>抗拉强度。本研究很好地揭示了深部矿山不同埋藏深度围岩的拉压力学特性变化规律。

上木江坪高陡斜坡危岩特征与定量风险评估

青藏高原东缘高陡斜坡危岩体严重威胁山区交通廊道的建设、运营与维护。本文以青藏高原东缘上木江坪高陡斜坡为研究对象,研究斜坡危岩体的崩塌落石对都四铁路和G350国道的危险性与定量风险,对山区交通廊道崩塌落石的防灾减灾具有重要意义。联合现场调查与无人机航空摄影技术,重建了高陡斜坡高精度三维地形,获取危岩体节理面产状,基于赤平投影明确了斜坡危岩体的破坏模式和稳定性。采用三维落石模拟软件RockyFor3D模拟了斜坡崩塌落石的运动轨迹,定量评估了落石危害范围、危险性分区与对道路车辆的定量风险。研究结果表明:斜坡后壁存在3处危岩体(A、B、C),分别且受3组节理控制,斜坡破坏为楔形破坏为主,斜坡危岩体处于基本稳定-不稳定状态。通过落石三维运动模拟可知,落石的运动轨迹受地形控制,在坡降较大位置,最大弹跳高度、最大速度与最大动能呈陡增趋势。危岩体A和B不会对都四铁路与G350国道产生威胁,仅使G350国道服务区西边和西南边缘处于极低危险区,其车辆风险均处于可接受风险区。危岩体C将使G350国道服务区、G350国道和都四铁路隧道口均处于极低-低危险区,对都四铁路和G350国道的车辆遇到落石的定量风险位于风险警告区,应对危岩体C的崩塌落石制定相应防灾减灾对策。

基于BP神经网络的九寨沟地区地震滑坡危险性预测研究

BP神经网络因具有良好的精度和拟合能力,被广泛地运用在区域性滑坡危险性预测中。本文建立了基于BP神经网络的地震滑坡危险性评价模型并应用于四川九寨沟地区,以2017年8月8日的九寨沟MS7.0地震引发的4834个历史滑坡为例,将其随机划分为70%的训练样本集用于九寨沟地区地震滑坡危险性预测,以及30%的验证样本集对预测结果的精度进行评估。选取高程、坡度、坡向、平行发震断层距离、垂直发震断层距离、震中距离、距道路距离、地面峰值加速度(PGA)以及岩性共9个影响因子,分析发震断层对地震滑坡的控制作用,并总结九寨沟地区地震滑坡空间分布规律特征,其中发震断层、岩性和坡度对九寨沟地区地震滑坡分布产生重要影响。利用模型得到九寨沟地震滑坡危险性预测图,结果显示73.19%的滑坡位于极高和高危险区域,与实际地震滑坡分布基本相符。通过30%的验证样本集来绘制预测成功率曲线,结果表明模型预测成功率(AUC值)为0.90,证实了BP神经网络在九寨沟地区地震滑坡危险性预测中具有良好的精度和拟合能力,评价结果为后续地震滑坡灾害预测和防震减灾工作提供了科学的参考。

砂岩质文物内部毛细水运移过程微电极响应特征

盐结晶病害是砂岩质文物中最为常见的病害之一,可溶盐溶液在砂岩内部的毛细运移直接影响着文物保存的完整性。为了进一步了解不同因素影响下砂岩质文物内部中毛细水运移特征,以大足石刻砂岩材料为研究对象,自主设计了毛细吸水试验及微电极电阻率测试装置,定量分析孔隙结构、孔隙溶液、干湿循环及相对湿度对毛细运移和电阻率分布特征的影响。结果表明,松散的孔隙结构及较低的相对湿度对毛细运移有促进作用。毛细运移受可溶盐溶液表面张力影响明显,吸水量和运移速率随表面张力增加呈递增趋势。干湿循环作用导致内部孔隙扩张使毛细迁移速率加快,同时呈现出试样饱和度和砂岩电阻率的负相关性。可溶盐的存在极大降低了砂岩的电阻率,通过电阻率的时空分布特征,识别湿润锋的视电阻率范围与试样表层盐结晶劣化区域大致重合,整体趋势沿深度方向呈凹曲面变化。研究结果揭示了砂岩质文物内部毛细水运移规律,可为合理追踪盐害范围提供理论支撑。

堤防光纤感知系统建立与汛期应急监控

汛期堤防安全关系到人民的生命和财产安危与社会稳定,而不断提高汛期堤防应急监控水平是减轻洪涝灾害的必然途径。本文对现有堤防的相关监测技术进行了评述,在此基础上,结合作者20余年在地质与岩土工程光纤监测理论研究、技术研发和堤防监控应用实践,梳理了汛期堤防的应急光纤监控内容;介绍了基于3Ds的分布式光纤感测技术的堤防监控原理与最新进展;构建了汛期堤防应急光纤感知系统;重点介绍了汛期堤防水位、渗流、侵蚀和形变等分布式光纤监控技术,并指出了今后的研发方向和目标,以期为我国的汛期堤防应急防控提供一个新的监控思路与技术手段。

连云港海相软土固结状态及地质成因

软土的固结状态是分析其沉降变形的一个重要指标。为了研究连云港海相软土的固结状态,进行了多组原位十字板剪切(FVT)试验、标准固结试验和金属基索状光缆的沉降监测。结果表明:由于表层作用,导致浅部和深部软土显示出不同的固结状态,固结状态存在一个临界深度(5~6 m)。原位土抗剪强度与埋深的拟合曲线表明视超固结比(OCR_(1))大于1,但这包含了土体结构强度,不能反映土体在地质历史上曾经受过的最大有效应力,临界深度(5m)以上OCR_(1)平均值为1.74,临界深度以下OCR_1平均值为1.01,整体均为轻微超固结土。基于标准固结试验,采用塑状样试验数据计算临界深度以下软土超固结比(OCR_(2)),OCR_(2)小于1,表明其为欠固结土,在地质历史上所遭受的最大有效应力小于现在土体上覆有效应力。FVT试验得出的OCR_(1)值大于标准固结试验得出的OCR_(1),这与室内试验样的扰动和土体应力状态的改变有关,基于室内压缩试验的数据会低估OCR_(1)。基于金属基索状光缆的软土沉降监测数据在深度上的分布规律与软土OCR_(1)分布规律基本一致,OCR_(1)虽不是真正的超固结比,但这一指标直接与工程建设有关。

落石被动柔性防护网非线性静力设计方法及验证

被动柔性防护网是一种常见的落石灾害防治措施。针对当前落石被动柔性防护网尚无适用的工程化设计方法的现状,以非线性计算过程中结构内能与设计防护能级相等作为加载完成的判别准则,建立了落石被动柔性防护网的非线性静力设计方法。基于LS-DYNA对250~5000 kJ共8种常用能级的被动柔性防护网开展非线性动力分析,明确了冲击力的分布范围及相对大小,形成了适用于不同能级落石被动柔性防护网非线性静力设计的荷载模式。为了有效模拟被动柔性防护网特殊的受力特征,开发了由索单元与受拉弹簧单元组成的非线性耗能单元用于耗能器模拟,开发了内部由多段索单元组成的滑移索单元用于滑移边界以及网环单元模拟。基于对网片冲击试验的反演和3500 kJ被动柔性防护网的设计及足尺冲击试验检验,验证了所提出的落石被动柔性防护网非线性静力设计方法的有效性。

横断山区水电工程扰动灾害及风险分析

水电作为全球公认的清洁能源,但水电站的大量建设会人为的改变流域水文条件,对流域内地质环境的影响也仍未可知,因此亟需查明水电工程与地质环境之间的互馈作用。以我国水电工程密集区——横断山区作为研究区,首次对横断山区内的水电工程及扰动灾害进行系统的研究,通过遥感解译及现场验证,获得金沙江、澜沧江、岷江、雅砻江、大渡河以及怒江6个流域内的水电工程共计162座,水电工程扰动灾害共计2841处,并对灾害空间分布规律进行分析。结合前人研究和团队最新成果,对水库水位抬升及循环涨落作用下的库水作用,水库滑坡特征开展分析,揭示了水库滑坡失稳原因。在此基础上提出了水电工程扰动灾害风险分析方法,对6个流域分别开展风险评价,获得了各个流域在不同规模灾害下的经济及人口风险分区图。本研究可为横断山区及其周边区域未来水电开发提供指导,这对保障区域工程的安全建设具有重要意义。

海相页岩与陆相页岩体积压裂支撑剂敏感性差异机理探讨

页岩体积压裂是储层在地应力与致裂压力联合作用下形成天然裂缝与压裂裂缝相互交错的复杂缝网,现场实践表明这个复杂的缝网破裂演化过程中海相、陆相页岩储层对不同粒径的支撑剂注入具有明显的敏感性差异。通过海陆相页岩露头剖面地质调查、钻井取芯对比分析岩体结构性差异,分析海相、陆相页岩水平井水力压裂施工数据,结合位移间断边界元裂缝网络演化模拟(DFN),揭示海相与陆相页岩体积压裂支撑剂敏感性差异机理。结果表明:陆相页岩呈岩性互层结构,多种岩体结构面发育,具有高度的结构非均质性特征;在相似的工况条件下,支撑剂随高压流体注入陆相页岩储层地面采集压力波动幅度较大,支撑剂对陆相页岩敏感性强于对海相页岩敏感性;海相页岩与陆相页岩岩体结构性差异导致水力压裂过程中的起裂行为、拓展机制、缝网形态的差异化机制,天然裂隙、弱结构面越发育,相同注入条件下压裂液滤失量大缝内净压力越低,水力裂缝平均开度越小;天然裂隙与最大水平主应力夹角越大,水力裂缝沟通天然裂隙之后转向至最大水平主应力方向扩展,转向段裂缝开度越小,容易引起支撑剂聚集沉降,从而造成支撑剂敏感性强。该研究对陆相页岩储层压裂方案优化具有一定现实指导意义。

页岩气水力压裂开发的环境效应研究进展

水力压裂技术在改造低渗储层中得到广泛应用但其带来的环境问题也备受关注,主要包括水资源消耗、地表水与地下水污染、诱发地震等。本文通过调研国内外页岩气开发环境效应相关研究进展,针对上述环境负面效应评述目前还存在的问题与下一步研究方向。对比常规油气和其他能源开发,水力压裂作业单位能源用水密度并非最高,且总用水量占地区水资源供给量较低,不会显著增加供水压力。发展新型水基压裂液或无水压裂技术、或充分回用返排液都是减轻水力压裂消耗水资源的有效手段。油气盆地沉积地层渗透率特征及地下流体运动驱动力性质共同决定了由水力压裂作业导致压裂液及地层卤水向上直接污染浅部含水层的可能性极低,已知的甲烷、压裂液及地层卤水造成的水资源污染均是由完井施工缺陷或储运管理不当造成的。但利用地球化学与同位素方法进行水力压裂作业污染物溯源仍存在不确定性,因此完善地表水与地下水监测方案、构建适当的污染指标体系、提升对压裂液与地层卤水在复杂地层中迁移规律模拟预测能力、加强压裂液与返排液监管是应对水资源污染的有效方案。水力压裂作业一定程度上造成气田周边地震活动增加,未来需要进一步完善地震风险评估与预测预警,最大程度降低诱发地震带来的风险。

滑坡在役防治工程缺陷分类和健康评价方法

为快速评估常见在役滑坡防治工程的运行状态并采取科学有效的维护手段,笔者在三峡库区、汶川震区和川东地区实地调查了160余处抗滑挡墙、抗滑桩和格构锚固工程,获取了上述三类滑坡防治工程表征损伤的第一手资料,总结分析了其变形破坏模式及特征,定义了滑坡防治工程缺陷的概念,定性地提出了缺陷程度分级标准。在统计分析滑坡防治工程损伤特征基础上,选取了墙身滑移距离、墙身沉陷位移、墙身倾斜程度、墙身裂缝密度、桩体倾斜程度、桩体剪切程度、桩体裂缝密度、格梁最大裂缝宽度、单根格构梁裂缝率和受损格构变形区比例等10个控制指标作为其缺陷分类指标,结合多元线性回归法,对单体工程结构进行综合量化评分评定,进而建立了半定量的滑坡防治工程健康评价方法。

墙顶支撑对开挖前抽水引发基坑变形控制效果研究

基坑内抽水可诱发基坑围挡向坑内偏转并进而导致坑外土体随动沉降;在基坑土方开挖前,由于基坑内的支撑体系尚不能被完整架设,仅坑内土体可起到约束围挡变形的作用,此时,坑内抽水引起的围挡偏转十分明显。本文系统研究了围挡顶部支撑对土方开挖前抽水引发基坑变形的控制效果,首先通过抽水试验探究了坑内外强水力连通时墙顶支撑对抽水引发基坑变形的影响,并建立了三维数值计算模型,研究了若干典型参数(如,坑内降水深度等)对围挡顶部支撑控制基坑变形效果的影响。研究发现,围挡顶部支撑仅能有效限制浅埋范围内的围挡侧移(本文约埋深11 m范围内),对深埋位置围挡侧移的限制效果十分有限,且随着降水深度的增加,变形控制效果越弱;对于开挖前抽水深度较大的工程,仅采用围挡顶部设置支撑的方法可能无法有效限制围挡侧移的发展;另外,围挡顶部支撑仅能有效限制基坑围挡后方一定范围内(本文约10 m)的地表沉降,且当坑内外有水力联系时,由于坑外水位下降是引起地面沉降的主导因素,围挡顶部支撑并不能明显体现限制坑外最大地面沉降的作用,此时,应结合坑外地下水回灌进行沉降控制。

深层地热能丛式多分支U型井采热技术及传热算法

深层地热能是一种分布广、资源量大具有发展前景的可再生新能源,当前的主要开采方法有增强型地热系统(EGS)、环绕式井筒换热系统(AGS)、断层带流体循环开采和同轴套管开采法,但存在采热功率不稳定、地震风险高和采热效率低等难题。针对当前深层地热开采技术面临的瓶颈问题,本文以开采过程只有能量交换而没有物质交换为原则,以深层干热岩地热规模化可持续稳定开发为目标,提出了深层地热能丛式多分支U型井采热方法(UMW-DGS)及关键技术,在此基础上建立了井筒轴对称热传导模型,以青海共和盆地恰卜恰深部干热岩储层为背景,提出了高温高压岩石热导率测试新方法,计算了在定井径条件下井周温度场和采热功率的时空演化规律,分析了温度差、热导率和井径等3个敏感因素对采热功率的影响。此外,针对UMW-DGS定解问题,研发了基于有限体积法(FVM)的三维热流固耦合数值算法,研究了UMW-DGS单水平井段换热效率和在不同泵注量条件下温度场时空演化。通过分析不同流量的有效换热量、换热时长和功率发现:泵注流量的增加会导致有效换热能量和有效换热时长的降低,并且使有效换热功率先增加后减少。研究结果表明,深层地热能开发需要在平衡换热温度和功率的条件下设计注入排量,从而得到最优的换热效果。

洪水冲刷浸泡联合作用下村镇建筑地基承载性能劣化机理研究

洪水作用下地基承载性能劣化问题是影响山区村镇建筑安全的主要因素之一,也是乡村振兴战略中建设生态宜居的居民生活环境所面临的主要威胁。现有研究大多针对洪水浸泡下的地基承载性能劣化过程,而洪水冲刷及其与浸泡作用的联合影响还有待进一步研究。对此,本文围绕洪水冲刷浸泡联合作用下村镇建筑地基承载性能的复杂劣化过程开展研究,在二维浅水方程对洪水动力过程模拟基础上,构建考虑洪水流速垂向非线性分布律的侵蚀模型,进而对洪水作用下的地基土体冲刷深度进行计算。同时,综合考虑洪水浸泡后地基土力学的折减强度,采用有限元方法对洪水冲刷、浸泡下的地基承载力进行对比。典型案例分析表明,洪水冲刷浸泡联合作用下村镇建筑地基承载力下降47.88%,且洪水冲刷对地基承载力的劣化作用略强于洪水浸泡作用。

储层工程地质力学导论

全球范围内的减少碳排放和实现可持续发展,都亟需提升清洁能源的消费占比并加大地热和页岩油气等非常规能源的开发力度。由于非常规储层具有致密超低渗以及油气赋存状态等自身工程地质特性,而且存在于地下深部而具有人不可入的特点,其开发必须通过钻孔对储层实施改造改性。储层工程地质力学则是研究储层工程地质特性的一门理论和应用科学,是地质学、力学与地球物理学的一个交叉学科。如果说储层地质力学是连接油气地质和油气开发的纽带,则储层工程地质力学进一步综合了工程地质力学、岩石力学以及储层地质力学的相关理论和方法,评价储层的工程地质特性与所处物理环境力场,研究储层改造改性原理与技术,为深部能源资源开发提供科学依据和技术支持。储层工程地质力学更强调将储层地质力学理论与储层改造改性相结合,解决深部能源资源开发中的储层改造改性关键技术难题,聚焦于储层压裂、储层改性、流体流动以及THMC强耦合过程,服务于清洁能源开发与减碳固碳,助力于我国“碳达峰”和“碳中和”目标的实现。

裂隙优先流与风荷载耦合下台风诱发乔木斜坡浅层滑坡机制研究

在总结既有文献关于台风诱发滑坡特征的基础上,构建了裂隙优先流和台风风荷载耦合下乔木斜坡稳定性评价的简化力学模型。选取圆锥形、圆台形和圆柱形3种不同形状树冠的乔木,通过脉动风叠加平均风计算乔木不同高度处的风荷载时程曲线。利用ABAQUS有限元模拟获得台风作用下乔木的力学响应,并将乔木底部总力的最大值视为下滑力。以简化的二元结构斜坡为算例,在250 mm·d^(-1)的固定降雨强度下,计算了裂隙优先流(即裂隙斜坡)和风荷载耦合下发育3种类型乔木斜坡的稳定性,并与仅考虑风荷载时(即无裂隙斜坡)的结果进行比对。结果表明:由于裂隙优先流的存在,裂隙斜坡的雨水入渗速度明显快于无裂隙斜坡,其达到饱和状态所需的时间较无裂隙斜坡大幅缩短;裂隙斜坡和无裂隙斜坡的稳定性系数均随风速的增大而降低,整体上各风速下裂隙斜坡的稳定性系数明显小于无裂隙斜坡,且裂隙斜坡失稳时的风速要明显小于无裂隙斜坡;无论裂隙斜坡还是无裂隙斜坡,发育圆柱形树冠乔木时其稳定性系数下降程度最大,圆台形树冠次之,圆锥形树冠最小。研究结果可为台风等极端强对流天气下富乔木坡地浅层滑坡机制解析和预警预报研究提供参考。

软土地区大型基坑平行分区研究

为了给软土地区大型基坑平行分区的设计和施工提供理论依据,结合软土地区大型基坑平行分区典型分区参数,建立数值计算模型,对分区后邻近被保护建/构筑物一侧围护墙的水平位移、地表沉降以及坑外土体沉降和水平位移进行分析,在此基础上研究大型基坑平行分区控制变形的机理。研究结果表明:分区后的围护墙顶部的水平位移比未分区的稍大,围护墙最大水平位移深度与未分区相近,但围护墙最大水平位移比未分区时减小31.1%;分区后最大地表沉降位置比未分区时更接近基坑,最大地表沉降比未分区时减小35.1%;围护墙的水平位移、地表沉降和坑外土体变形主要由邻近狭窄基坑开挖引起;分区后土体内部沉降、水平位移和坑底隆起影响深度均小于未分区时的值。分区后,在远处大面积基坑开挖过程中,基坑外侧围护墙凭借其较大的刚度,对土体变形具有较强的遮拦效应;近处小面积基坑开挖时,可以充分利用基坑宽度较小时开挖引起的变形也较小的规律;大面积基坑分区开挖符合基坑变形时空效应理论的要求。平行分区可以充分利用基坑外侧围护墙对变形的遮拦、基坑宽度对基坑变形的影响以及基坑变形的时空效应,从而使得平行于分隔墙一侧的围护结构变形和地表沉降大幅减小。

基于固废制备人造石颗粒材料耐久性试验

以玄武岩石粉、电石渣、脱硫石膏固体废弃物为原料,利用水热固化技术,制备玄武岩石粉人造石颗粒材料,探讨基于固废制备玄武岩石粉人造石颗粒材料的耐久性。通过开展耐水、耐酸和冻融循环试验,结合SEM微观表征,以质量损失率和强度损失率为评价指标,对人造石颗粒材料在不同原料钙硅比(Ca/Si)条件下的耐久性进行分析。试验结果表明:人造石颗粒材料整体耐水性能良好,增大原料Ca/Si,有利于提高人造石颗粒材料的耐水性,当Ca/Si达到1.0时,其软化系数可达0.894;酸蚀可导致人造石颗粒材料质量损失与强度损失,增大原料Ca/Si可提高人造石颗粒材料的耐酸腐蚀性能;冻融循环会使人造石颗粒材料内部会产生裂隙,从而导致其强度下降,当Ca/Si为0.9和1.0时,人造石颗粒材料强度损失率最小,仅为18.7%,其抗冻融性能相对最佳。

水化学环境下白垩系五龙组砂岩崩解能量耗散模型

白垩系时期的五龙组砂岩,由于其地层年代新,沉积时间较短,岩石内部胶结作用不完全,因此在水化学环境下极易被侵蚀并发生崩解,进而诱发各种灾害。本文以白垩系五龙组砂岩为研究对象,将其置于不同酸碱度的化学溶液中进行岩石的循环崩解试验。通过试验分析了水化学作用下白垩系五龙组砂岩崩解过程中岩石的耐崩解指数;得到每次循环崩解后,各粒径范围内崩解物质量百分比,基于此分析了岩石在水化学环境下的崩解特性;使用微观观察手段和检测手段探究了崩解前后矿物组分变化及崩解过程中岩石的微观结构演变规律;基于热力学以及断裂力学相关理论,构建崩解过程的能量耗散数学模型。研究结果表明:白垩系五龙组砂岩整体崩解速率先增后减并最终趋于稳定,其崩解物粒径分布较集中,主要在0.25 mm以下;在不同水化学环境下,白垩系五龙组砂岩的崩解强度呈现酸性>碱性>中性的差异化特征;将不同崩解循环次数下崩解物颗粒级配分布数据和微观几何结构参数代入能量耗散模型,结合实际情况分析表明岩石崩解能量耗散模型能较好表征岩石的崩解过程。研究成果可为岩石的崩解机制研究提供参考。