高位远程地质灾害研究:回顾与展望

在全球范围内,高位远程地质灾害造成了多起群死群伤事件和特大经济损失,是特大型地质灾害防灾减灾科技攻关的难点。文章系统回顾了高位远程地质灾害的研究历程,认为常规的“高速远程滑坡”研究难以适应高山、极高山区复合型地质灾害防灾减灾的要求,提出了从高位失稳、远程成灾和风险防控全链条的高位远程地质灾害研究思路,探讨了高位崩滑启动源区的易灾地质结构特征和早期识别技术、高速碎屑流远程链动机理和边界层效应以及风险评估和防灾减灾问题。通过对青藏高原高山、极高山区的高位远程地质灾害研究,揭示了高位滑坡碎屑流势流体链动传递机理,以及紊流体和犁切体的边界层效应,提出可以通过改造高势能碎屑流体的边界层底坡、增大湍流边界层内湍动能的生成与组合障桩前死区范围的消能降险方法。最后,针对铁路、公路、水电工程、边疆城镇和国防建设的发展,讨论了复合型高位远程滑坡灾害的防灾减灾将面临的新挑战,提出了易灾地质结构孕灾机理、高位远程链灾动力过程和风险防控理论与技术等3方面亟待加强的研究方向。

诱发台风暴雨型滑坡的降雨阈值研究——以泰顺县为例

在我国东南沿海地区,台风暴雨诱发了大量山体滑坡。建立诱发台风暴雨型滑坡的降雨阈值模型,可为该地区的滑坡预警提供参考依据。基于浙江省泰顺县2007—2022年以来发生的滑坡信息和日降雨量数据,进行了诱发滑坡的台风暴雨事件编目,初步揭示了台风暴雨型滑坡的发育规律和触发降雨特征,通过降雨强度(I)、降雨历时(D)的幂律关系构建了滑坡临界降雨阈值模型,并开展了不同台风降雨雨型的阈值模型对比。结果表明:台风暴雨型滑坡大量发生在与台风登陆方向接近的迎风坡,坡表植被多为乔木和竹林;诱发滑坡的台风降雨一般持续2~3 d,且降雨过程集中,降雨雨型以单峰型为主,总降雨量一般在200 mm以上;台风暴雨诱发滑坡的降雨阈值显著高于一般性的降雨,这种差异与台风降雨模式及大尺度气候环境有关;雨型也会显著影响降雨阈值,随着降雨峰值的后移,阈值逐渐降低,表明台风暴雨型滑坡对长时间降雨后出现的强降雨事件更加敏感。通过降雨阈值模型对9次台风降雨事件是否诱发滑坡进行了预测,预测结果与实际情况比较吻合,证明该模型及研究思路对台汛期东南沿海的滑坡监测预警有较强的参考价值。

岩崩坡面撞击碎裂特征离散元模拟

岩崩坡面撞击破碎是运动轨迹难以预测的重要原因,其中坡体几何特征是影响破碎块体运动变化特征的关键因素。为了研究岩崩撞击破碎过程及坡体几何特征对岩崩块体运动特征的影响,利用离散单元法(PFC^(2D))模拟技术,通过统计典型岩崩灾害点岩体结构与坡体几何特征,建立了岩崩自由落体-撞击破碎-运动堆积模型,剖析了在不同坠落高度、撞击角度条件下岩崩坡面撞击碎裂过程,获得了块体运动速度、裂纹数量和冲击力变化曲线,同时采用双参数Weibull分布对碎裂块体破碎程度进行了描述。实验结果表明:破裂过程分为接触-解体、挤压-碎裂及独立运动3个阶段;岩体碎裂由撞击点开始,沿结构面先出现解体,再产生新断裂面的岩石破碎;块体速度、裂纹数量和冲击力的骤变均发生在接触-解体与挤压-碎裂阶段,块体速度骤降,呈现出“阶梯效应”,冲击力骤升,表现为“双峰现象”,同时随着坠落高度增加或撞击角度减小,“阶梯效应”与“双峰现象”更为明显;同一撞击角度条件下,坠落高度的增加使得撞击动能增加,进而增大了破碎程度,导致粒径分布范围与特征粒径尺寸的减小;同一坠落高度下,撞击角度的增加,意味着接触面积的减小,进而降低了破碎程度,导致粒径分布范围与特征粒径尺寸的增大。研究成果对揭示岩崩坡面撞击碎裂机理及预测块体运动轨迹提供了技术支撑。

基于概率模型的四川省降水诱发地质灾害风险预警方法研究

开展降水诱发地质灾害风险预警是降低地质灾害风险的重要手段之一。基于2008-2019年四川省地质灾害历史灾情数据,在地理分区基础上,以地形、岩土、植被、气候因子为区划评价因子,采用信息量模型,将四川省划分为7个地质灾害分区。以正态化处理后的地质灾害有效降水量为建模因子,采用高斯拟合方法,建立各分区降水诱发地质灾害概率模型,并进行地质灾害预警检验。结果表明:(1)四川省可划分为盆地及盆周山区低易发区、中等易发区、高易发区,西南山地次易发区、易发区,川西高原次易发区、易发区等7个地质灾害分区。(2)ROC(Receiver Operating Characteristic)曲线分析表明,盆地及盆周山区的地质灾害分区精度略低于西南山地区和川西高原区的分区精度。(3)各分区正态化处理后的有效降水量与地质灾害频率具有很好的高斯分布关系。(4)建立的降水诱发地质灾害概率模型的地质灾害预警成功率为72%,当日降水量≥10 mm时,地质灾害预警成功率为83%。

崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链演化特征分析及防治对策研究

某沟谷两岸坡面陡峻,沟谷狭窄,纵坡降较大,在地震、降雨等不利因素影响下,其左岸堆积体上方的崩滑堵沟隐患点可能出现失稳,并发展为崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链。针对此灾害链不同阶段的演化特征,采用相应的数值模拟模型和数值计算方法进行模拟分析和计算,评价其对沟口桥梁工程的影响,并采取相应的防治对策。经分析计算,崩塌滑坡隐患点距沟底高程落差约1 km,岩体体积约8×10^(6)m^(3),平均厚度约26 m,崩塌滑坡堵河可形成最大水深为14.4 m、面积约为7.19×10^(4)m^(2)、方量约为2.74×10^(5)m^(3)的堰塞湖;堰塞湖溃决形成洪水过程中,桥梁处最大水深为4.43 m(不含原始水位),最大流速为7.54 m/s,峰值流量为807 m^(3)/s;在溃决洪水强烈揭底冲刷和侵蚀的条件下,溃决洪水引发的泥石流在桥梁处的最大水深为7.1 m、最大流速为8 m/s、峰值流量为1685.5 m^(3)/s、最大冲刷深度为16.58 m。为减少该灾害链对桥梁工程的影响,采取河道疏通、岸坡防护和监测预警等防治措施。

砂砾土渗流侵蚀中细粒迁移-沉积-滤通的物理水力临界条件

细粒迁移机制是理解砂砾土渗流侵蚀过程的基础与关键,对研究砂砾土斜坡雨水侵蚀过程的细观致灾机制具有重要意义。目前其运移模式及运移状态发生转变的临界条件并不清晰,不同物理水力条件下的细粒运动类型有所不同。为掌握砂砾土侵蚀过程中细粒的整体运动类型及其发生改变的临界条件,采用可视圆柱入渗试验和离散元数值模拟,分析了细粒迁移的影响因素和内部机理。结果表明:(1)细粒迁移受级配和水力梯度影响显著,而受初始孔隙率影响不显著,且级配的影响大于水力梯度;(2)水力作用下细粒整体运动状态可分为沉积和滤通2种模式,内部结构不稳定的砂砾土细粒运动处于滤通状态,内部结构稳定和稳定性过渡型砂砾土随水力梯度升高细粒的运动状态从整体沉积转变为整体滤通;i=3.4-(3)细粒运动状态在粒径比和水力梯度共同作用下存在明显界限,最终得到细粒沉积-滤通转变的临界条件为0.12e(D15/d85)/1.5。研究可为砂砾土斜坡渗蚀失稳防护提供理论指导。

基于无人机3D点云的高陡斜坡岩体结构特征

岩体结构控制着岩质斜坡的变形破坏模式,但传统的结构面信息调查方法存在危险性高、难度大的缺陷。为安全、高效地获取斜坡岩体结构信息,利用无人机摄影技术开展高陡岩质斜坡的测量,构建斜坡岩体的3D点云模型,识别结构面的产状、间距、迹长等岩体结构信息。对湖北秭归卡门子湾滑坡区调查验证,斜坡共发育6组优势结构面,平均间距为0.46~1.01 m,平均迹长为0.82~12.57 m;无人机3D点云获取的岩体结构信息精度满足要求,方法高效、可行;获得的岩体结构信息为斜坡岩体结构模型建立和稳定性评价等工作提供了可靠的数据基础。

基于赤平投影和萨尔玛法的西藏某露天矿山边坡稳定性评价

本文以西藏某铜矿区露天矿山岩质边坡为例,基于矿山边坡现场调查及其工程地质特征,开展了矿山边坡工程地质分区研究,并采用赤平投影法和萨尔玛法相结合,定性分析和定量计算边坡稳定性。研究结果表明:边坡稳定性评价结果与当前边坡现状相一致,矿区边坡总体上稳定性较差,局部区域边坡稳定性差。通过定性和定量两种稳定性评价方法相互印证,对下一阶段边坡灾害防治设计、施工等提供了重要依据,对类似边坡工程有很好的参考和借鉴作用。

红石岩堰塞坝新堆积体动三轴试验研究

牛栏江上的红石岩堰塞坝新堆积体以石灰岩和白云岩为主,级配和密度离散性较大。同时,已有研究结果表明,红石岩新堆积体具有黏性粗粒土性质,静力参数具有明显的离散性,需开展其岩土料的动力参数研究,以为将其利用改建为水利枢纽提供基础材料数据。采用GDS动三轴仪,对红石岩新堆积体进行了动剪切模量比与阻尼比试验,研究新堆积体动应力应变特性及其影响因素。试验结果表明:随着剪应变的不断增大,新堆积体动剪切模量比不断减小,阻尼比随之增大。新堆积体动力特性受围压影响较为明显,最大动剪切模量随着围压的增大而增大。在相同剪应变条件下,随着围压、干密度、粗颗粒含量的增大,动剪切模量比逐渐增大,阻尼比逐渐减小。另一方面,新堆积体细粒含量较多,颗粒岩性复杂,风化程度差异明显,导致其动力特性具有一定的离散性,与人工筑坝堆石料存在明显差异。

表水侵蚀地裂缝物理模型试验研究

地表水入渗侵蚀是地裂缝出露地表的一个重要诱发因素。肯尼亚裂谷区因其特殊的构造环境背景,降雨侵蚀地裂缝极其发育。本文以东非肯尼亚裂谷地裂缝为原型,建立了降雨侵蚀条件下隐伏岩土体破裂扩展出露地表的地质模型,通过物理模型试验揭示了地裂缝发育过程中土体内部水力侵蚀破坏的演化规律。试验结果表明:(1)表水侵蚀地裂缝可将其破裂扩展过程分为3个阶段:均匀入渗阶段,侵蚀掏空阶段、塌陷致灾阶段。(2)隐伏岩土体破裂的影响区域是表水入渗的优势通道,该区域水力侵蚀强烈。(3)当侵蚀塌陷形成时,土体内部含水率和孔隙水压力出现同步的陡变。土体内部含水率的突变反映了裂隙的发育以及局部塌陷的形成,从而可以揭示土体内部侵蚀塌陷的进程。此次基于表水入渗的物理模型试验研究可为地裂缝的监测防控提供科学理论支撑。

地质灾害易发性评价方法综述

我国地形地质条件复杂,地质灾害多发,人类各类工程地质活动加剧了地质灾害的发生与发展.地质灾害预防与管理工作是保障人民生命与财产安全的前提与基础.地质灾害易发性评价是地质灾害危险性评价和风险评价的前提,也是地质灾害区划和防治工作的基础.本文基于国内外地质灾害易发性的相关研究,对地质灾害易发性概念、评价指标体系、权重计算方法和易发性评价模型进行分析总结,并指出了地质灾害易发性评价中亟待解决的主要问题.

河南省泌阳县崩滑流灾害孕灾地质条件分析

为分析泌阳县地质灾害孕育、形成的地质环境条件,深化地质灾害早期识别、形成机理和规律认识,在地质灾害风险调查成果的基础上,分别对崩塌、滑坡、泥石流进行孕灾地质条件分析。针对地形地貌、地质构造、工程地质岩组、斜坡结构、水文地质条件、人类工程活动等孕灾因子进行分析。研究结果表明,崩塌、滑坡主要孕灾因子为地形地貌、工程地质岩组及斜坡结构;泥石流主要孕灾因子为地形地貌和工程地质岩组。结合主要孕灾因子,将全县划分为四个孕灾大区及若干小区,并对各分区孕灾地质条件进行详细论述,阐明不同分区内主要孕灾因素。

长江经济带岩溶塌陷分布、成因及其对工程建设的影响

[研究目的]岩溶塌陷是长江经济带主要环境地质问题之一,开展长江经济带岩溶塌陷分布、成因及其对工程建设的影响研究,对长江经济带立体综合交通走廊建设和新型城镇化建设地质环境安全保障具有重要意义。[研究方法]本文系统梳理了长江经济带岩溶塌陷研究成果,从岩溶环境特征、岩溶塌陷的成因类型和机制、发育及分布规律、对工程建设的影响及防控措施几个方面进行论述。[研究结果]研究结果表明,长江经济带岩溶塌陷易发区面积约25.4万km^(2),有记录的岩溶塌陷灾害2146处,矿山疏干排水、抽水、工程施工等是这一地区岩溶塌陷的主要诱发因素。长江经济带岩溶塌陷具有以下发育分布规律:一是具有区域性和地带性的分布特征;二是发育地层一般为均匀状纯碳酸盐岩,沿断裂破碎带、褶皱轴部裂隙发育带、可溶岩与非可溶岩接触地带等岩溶洞隙密集发育带分布;三是多发生在岩溶地下水强径流带、河流两岸等地下水位变化幅度大、水动力条件易发生急剧变化的地段;四是多发生在人类工程活动强烈的地区,塌陷的规模取决于人类活动的性质和强度。为了降低岩溶塌陷对工程建设和安全运营影响,本文同时提出了相关建议和对策。[结论]长江经济带岩溶塌陷分布广、危害大,高易发区内线性工程、重要城市群等规划建设应对这一环境地质问题引起重视,该研究成果可为长江经济带国土空间规划、地质灾害防治提供基础支撑和理论依据。

蜻蛉河流域工程活动对地质灾害的影响研究

本文以云南姚安县蜻蛉河流域为例,对流域内人类重大工程活动详细调查并对地质灾害发育特征及形成机理精细化调查和分析,通过对流域类典型地质灾害的归类和分析,总结区内人类工程活动因素诱发地质灾害的孕灾机理及成灾模式,为下一步国土空间规划和风险双控提供可靠的数据基础和理论依据。

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。

基于无人机倾斜摄影测量三维建模的区域黄土滑坡识别及特征分析

【研究目的】黄土滑坡是黄土地区人居与城镇建设安全的重大隐患。滑坡识别是滑坡灾害及其他研究工作的基础,因此基于无人机倾斜摄影测量三维建模从不同维度、不同视角直观快速地识别黄土滑坡并进行特征参数提取,能够为黄土滑坡风险识别及风险管理精细化研究提供技术支撑。【研究方法】以宁夏回族自治区固原市彭阳县红河镇西南部的黑牛沟村为研究区,采用无人机倾斜摄影测量数据获取、三维建模、现场验证结合地统计学分析,开展了区域黄土滑坡识别及其特征参数提取和分析。【研究结果】基于三维实景模型确定并分析研究区沟谷沿线地貌凹陷区是否存在陡壁及其周界形态,结合色调、纹理和微地貌等标志实现了黄土滑坡识别,共圈定了23个滑坡,结合现场验证移除2个非滑坡点,最终确定了21个滑坡;滑坡密集分布在主沟和支沟沟口,多呈对滑的形式出现在沟谷两侧且具有群发性;大型及特大型滑坡占比达到57.14%,滑坡的滑动方向主要以西南(阳坡)、东南(半阳坡)为主,相对高差集中在80~120 m,滑坡体坡形多呈凹形坡,滑坡体坡度主要集中在20°~30°;滑坡体土地利用类型主要为植被,其次为裸地,也有一部分为农田,道路和河流占比极少。【结论】基于无人机倾斜摄影测量构建的三维实景模型可从多维度、多视角精确快速地识别区域黄土滑坡,并分析其相关特征参数,能够弥补当前二维平面遥感影像存在的不足;还能够为滑坡易发性、危险性、易损性及风险评估等相关研究提供数据支撑。

典型喀斯特白云岩小流域土壤-表层岩溶带厚度空间异质性特征

土壤-表层岩溶带厚度是喀斯特地球关键带的关键指标,明确其空间异质性特征对于理解地球关键带结构演化机理以及评估水源涵养功能具有重要意义。在广西环江木连小流域1.4 km 2范围内,通过高密度电法(ERT)探测45条样线,共获取1731个样点的土壤-表层岩溶带厚度及环境因子数据资料,研究了土壤和表层岩溶带厚度的空间分布格局及其影响因素。结果表明,土壤和表层岩溶带厚度平均值分别为1.15 m和6.44 m,且分别呈现强变异程度和中等变异程度。地统计分析结果表明球状模型和指数模型分别可以反映土壤和表层岩溶带的空间结构特征。土壤厚度呈现中等空间自相关性,变程长,空间连续性好;而表层岩溶带呈现强烈的空间自相关性,变程短,空间依赖性强。土壤厚度受到环境因子(地形湿度指数、垂直曲率、曲率、坡向、坡度、高程、覆盖度、出露基岩率和植被归一化指数)的多重影响,而表层岩溶带厚度受部分环境因子影响的同时,与土壤厚度和植被类型的相关性更高。研究结果有助于喀斯特区土壤-表层岩溶带演化机理认识,并为土壤-表层岩溶带厚度的空间预测提供科学依据。

亭子口灌区一期工程红层区黏性土边坡稳定性及影响因素研究

依据四川省亭子口灌区一期工程,分析了红层区形成条件及黏性土土性机理,研究了影响亭子口灌区黏性土边坡稳定性的3种因素:内在因素、环境因素和人为因素。开展的主要工作有:利用Geo-Studio软件,改变黏性土强度单一变量,固定其他变量,研究强度变化对边坡稳定性的影响;利用软件中的SLOPE/W模块及SEEP/W模块分别进行稳态和瞬态分析,研究持续降雨对边坡稳定性的影响;建立并模拟不同边坡模型,研究阶梯开挖、平台宽度、坡表形态对黏性土边坡的影响规律;模拟逐次开挖边坡,研究不当削坡对黏性土边坡的影响。结果得到:相同及不同坡度边坡,边坡安全系数与内摩擦系数、黏聚力呈正相关,且坡度越缓,正相关性越明显;持续降雨0~10h边坡黏性土孔隙水压力逐渐增大,坡脚土体最先饱和,安全系数持续降低;阶梯开挖、平台宽度、坡表形态对黏性土边坡的稳定均有影响,除此之外,地形地貌、环境气候等也是影响边坡稳定的重要因素;不当削坡会导致坡脚的剪应力过大,边坡安全系数逐渐减小进而可能失稳。

碳酸盐岩裂隙溶蚀扩展试验与模拟研究

研究表明碳酸盐岩的溶蚀过程可用溶解速率方程进行表征,但表征的形式存在较大差别,主要体现在远离平衡的欠饱和态下。为进一步确定碳酸盐岩在欠饱和态下的溶解特征及溶蚀速率的表征形式,首先开展了碳酸盐岩裂隙溶蚀试验研究,探讨了CO_(2)及溶液初始Ca^(2+)浓度对溶蚀过程的影响,并基于试验结果构建了欠饱和态下的溶解速率方程;而后采用碳酸盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型,通过数值模拟对量化模型的参数进行率定和检验。结果表明:(1)CO_(2)的参与加快了碳酸盐岩的溶蚀扩展,溶液初始Ca^(2+)浓度越高,对碳酸盐岩的溶解抑制程度就越高;(2)CO_(2)作用下碳酸盐岩裂隙溶蚀扩展的平均溶蚀速率增加了1.82~2.29倍;(3)溶液不同初始Ca^(2+)浓度在同等区间流量条件下,蒸馏水为溶蚀溶液的样品中Ca^(2+)浓度差值下降了0.0915mmol/L,溶液初始Ca^(2+)浓度为0.352,0.476,0.581mmol/L的溶蚀溶液中,Ca^(2+)浓度差值分别下降了0.0742,0.0536,0.0474mmol/L;(4)在高度欠饱和状态下溶解动力学由线性速率定律控制,随着溶液中Ca^(2+)浓度的升高,溶解动力学将变为非线性关系,此时Ca^(2+)浓度为0.4倍的平衡时Ca^(2+)浓度。研究结果可为定量评价岩溶发育演化提供数据支撑。

老采空区地表沉降预测合理监测模式分析

为研究老采空区沉降监测数据时间间隔对预测精度的影响,本文利用某老采空区地表沉降监测点实测沉降数据,在等时间间隔、非等时间间隔两种情况下建立两种方案、六种沉降预测模式,采用长短期记忆神经网络(LSTM)预测模型对老采空区地表沉降进行预测,以平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分比误差(MAPE)作为评价指标,分析不同时间间隔监测数据对预测精度的影响。结果表明,在总监测时长不变的情况下,预测精度随平均监测间隔时长的增长呈先增高后降低的趋势,即并非监测间隔越短,预测精度越高,而是在相应监测间隔范围内存在预测精度最优值。研究成果可为老采空区监测方案设计及沉降预测模式提供借鉴和指导。