基于高精度三维模型的危岩体控制爆破技术研究

开展复杂环境下危岩体控制爆破技术的研究,对提高公路施工效率、消除潜在安全隐患具有重要的理论意义和参考价值。依托古蔺至金沙高速公路建设项目为工程背景,为了消除施工过程中的危岩体隐患,进行危岩体控制爆破技术研究。采用三维激光扫描技术,架设6个扫描站点,构建了危岩体高精度三维DTM表面模型,结合高密度电法,布设4条物探测线,实现危岩体区域地质三维可视化。基于高精度三维模型,进行了裂岩管致裂试验,设计炮孔深度为危岩体高度的70%,裂岩管间采用串接方式,每孔裂岩管总装药量为720 g。结果表明:构建的高精度三维模型准确反映了危岩体形态特征,为爆破方案设计提供了可靠的资料,同时裂岩管的致裂效果良好,易于危岩体的后期治理排除,为同类项目提供了可行的参考方案。

融合贴近摄影和LiDAR技术的危岩体三维模型构建及稳定性分析

高陡危岩崩塌是我国山区常见的一种地质灾害,但由于通行困难等客观因素的限制,导致人工地质勘查工作效率低,安全风险高,存在调查死角。以三峡库区老鼠错3号高陡危岩体为例,融合无人机贴近摄影测量和机载LiDAR技术,建立了高陡危岩体调查分析方法体系。在此基础上,系统构建了老鼠错3号危岩体的三维地质模型,获取了该危岩体工程地质特征。研究显示老鼠错3号危岩体发育有5条控制结构面,软弱层最宽27.30 m,凹腔最深2.19 m,崩塌类型为倾倒式崩塌;危岩体稳定性系数在自然工况下为1.375,处于稳定状态,暴雨工况下为1.01,处于欠稳定状态,需进行治理。结果表明融合贴近摄影和LiDAR技术方法对高陡危岩体调查具有较好的互补性,可为高陡危岩体的非接触式测量、地质信息获取及稳定性分析提供一种新的调查思路,为库区的防灾减灾工作提供一定的技术支撑。

滚石运动特征试验研究

选择坡面长度为176.4 m,坡度为39°～60°,局部坡度约为90°的边坡作为试验场地,对质量为9.5-92.5 kg,形状为长条状、薄片状和方形等的岩块进行256次滚石试验。在试验的基础上,分析了坡面特征对滚石停留位置的影响,坡面对滚石运动时间（到达坡底动能）和对不同形状滚石的运动特征的影响。同时,利用正交试验理论,采用滚石在坡面上运动的平均加速度作为评价指标,对影响岩块在边坡上运动的3个重要因素——滚石的质量、滚石形状和坡面状况（包括坡度以及与坡度相关的坡表覆盖层）进行了分析。结果表明：在这3个因素中,坡度及坡面状况是主要因子,其次是滚石的形状,再次是滚石质量。当滚石质量15≤m〈27 kg,其形状为薄片状,坡度平均为59.6°,基岩基本裸露,滚石运动的平均加速度最大;当滚石质量9.5≤m〈15 kg,其形状为长条状,坡度为39°,坡面有碎石浮土时,平均加速度最小。所得成果为危岩体防治时冲击能量的确定提供了依据,提出危岩体整体防治的新的可行方法,对坡面地质灾害的防治有指导意义。

西南山区某铁路隧道口高位落石三维运动特征分析

西南山区某铁路隧道口上部广泛分布着高位危岩体,对下部隧道建(构)造物具有严重的威胁。采用Rockfall Analyst软件对该隧道上部五类不同尺寸的高位危岩体进行三维运动轨迹数值模拟,研究表明:研究区的高位危岩落石具有弹跳高度大、速度快、冲击能量高的特点;弹跳高度、运动速度与危岩落石的质量无关,冲击能量大小与落石质量成正比。分析表明:该地区高位危岩体的防护应避免单一防护措施,建议综合使用多种防护措施。

雅砻江锦屏一级水电站坝区右岸高位边坡危岩体稳定性研究

通过现场调查分析,将危岩概括为4种失稳模式:整体滑移剪切破坏模式、块体崩滑破坏模式、整体剪切错落破坏模式、压缩-拉裂-滑移破坏模式。根据极限平衡原理,针对不同的失稳模式提出不同的稳定性计算方法和稳定状态分类指标,并对不同规模和不同稳定状态下的危岩提出相应的防治措施。

溪洛渡水电站某危岩体稳定性及加固措施研究

在现场调查分析的基础上,提出了溪洛渡水电站某危岩体的两种可能失稳模式(剪切坠落或拉裂倾倒失稳),进而建立了相应的稳定性计算极限平衡力学模型,而且对危岩体的变形和破坏特征进行了数值模拟分析,分析结果表明,危岩体抗拉裂倾倒稳定性较差,剪切坠落失稳的稳定性系数较高。在稳定性分析的基础上,计算出危岩体倾倒失稳时,安全系数为1.5时的锚固力,进而提出了危岩体加固方案:充填凹岩腔+填充裂隙+预应力锚索+锚杆联合加固,数值模拟表明此加固方案效果良好。

溪洛渡水电工程坝区高边坡危岩体分类及稳定性评价

针对溪洛渡水电工程坝区高边坡危岩体分布广泛,对建筑物、大坝以及整个发电系统存在极大的潜在威胁等问题,在现场调查的基础上,将危岩体分为孤立式、悬挂式、贴坡式、软弱基座式和碎裂结构式等5种类型,指出每一种类型分别对应不同的失稳模式。在充分揭示危岩体边界条件、形成机制以及失稳方式的基础上,提出了危岩体稳定性、危险性分级和系统评价方法,为高边坡地质灾害防治提供了依据。

危岩体调查及稳定性工程地质分类方法探讨

危岩体是指陡峭边坡上被多组结构面切割,在重力、风化营力、地应力、地震、水体等作用下与母岩逐渐分离,稳定性较差的岩体。其对工程建设的潜在威胁严重。野外调查是危岩体研究中的最基础,最关键的部分。在总结对我国西南地区大型水电站危岩体的野外调查、险情排查经验的基础上,提出危岩体调查应该按资料收集、了解调查区所影响的建构筑物的特征、调查区全貌观察(确定调查的路线)、初步调查以及补充调查和现场复核等步骤进行。介绍了危岩体的边界、成因、稳定性、几何尺寸、失稳方式、运动轨迹及对建构筑物可能造成的危害等的确定方法。还介绍了先进的三维激光扫描技术在危岩体调查中的应用。最后提出了根据地质特征对危岩体进行稳定性分类的方法。这些成果有助于预防边坡地质灾害和边坡防护对策的制定。

树木对滚石拦挡效应研究

树木对滚石有显著的拦挡效应。在对滚石与树木碰撞概率理论分析的基础上,设计树木对滚石拦挡效应试验,对滚石与树木碰撞的概率、滚石与树木碰撞后运动距离和碰撞前后速度及动能的变化进行研究。得到滚石与单排树木碰撞的概率、与多排树木碰撞的概率、与树木至少发生k次碰撞概率和至少与树木碰撞k次所需树木排数的计算分析方法,并通过试验验证其准确性;分析滚石与树木碰撞后运动距离的变化,得到滚石与树木碰撞后和未碰撞相比,在平台运动距离降低80%～100%的占试验总数的44.86%,而超过20%的比例达到85.11%;提出滚石与树木每碰撞一次,碰撞后的速度为碰撞前的55%,动能为30%。在此基础上,得到树木作为危岩体被动防治措施时,所需树木排数的计算方法。所得成果可为将树木作为危岩体防治措施时确定树木排数提供依据,对坡面地质灾害的防治有实际意义。

基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究

考虑滚石启动方式、斜坡覆盖层和植被特征、斜坡坡度、坡面长度、滚石形状和滚石质量等6个可能影响滚石运动特征的因素,按照正交设计现场滚石试验。在试验基础上,采用极差、方差和回归分析等手段,以滚石运动的加速度和滚石与坡面碰撞速度恢复系数作为评价指标,对影响滚石在斜坡上运动特征的6个因素进行分析。结果表明:影响滚石运动加速度的诸多因素中,斜坡坡度是主要因素,以下依次是滚石形状、斜坡覆盖层和植被特征、坡面长度、滚石质量和滚石启动方式;斜坡坡度、滚石形状和斜坡覆盖层及植被特征是滚石运动加速度的决定性因素;滚石运动加速度与上述决定性因素之间可用线性关系来描述。斜坡覆盖层和植被特征对滚石碰撞恢复系数起控制性作用,其他因素几平无影响;斜坡覆盖层与植被特征和碰撞恢复系数之间可用线性关系描述。所得成果为危岩体防治时冲击能量的确定提供了依据,提出危岩体整体防治的新的可行方法,对坡面地质灾害的防治有实际意义。

三峡库区望霞危岩体孕灾地质环境条件分析

危岩体是一种典型的灾害地质体,其形成、变形与破坏受控于地质环境条件,地质基础要素在孕灾的过程中起着决定性作用,各基本地质要素与灾害形成的关系是研究危岩体变形规律和破坏机理的关键性问题。通过对三峡库区望霞危岩体区域地质构造作用分析,横石溪背斜构造解析,各类地质结构面发育特征统计和危岩体岩性组合方式及工程地质条件剖析,结合危岩体两次变形破坏过程,分析各因素对危岩体的形成及变形的关系。研究认为:孕育望霞危岩体的横石溪背斜雏形形成于印支期的隆升阶段,至燕山主期形成褶皱主体,后期则以继承性改造为主,危岩体的形成及孕育主要集中在背斜核部区域,枢纽位置尤为发育。控制危岩体变形的5条关键裂缝与顶部发育的"V"字形裂缝关系密切,其是在纵弯褶皱作用下背斜顶部脆性岩层受到强烈的拉裂影响,叠加台阶式层间滑动作用,形成与轴面近于平行的拉张裂缝。在望霞危岩体中发育多组地质结构面,其中原生结构面对各条关键裂缝及关键块体提供基础背景值,控制其规模、范围及变形强度。控制着变形关键部位特别是前缘软弱层变形位置、牵引区段及强烈程度。构造结构面主要控制关键裂缝的延伸方向、距离及样式,控制关键块体的变形方向,裂解范围及规模,掉块及崩裂位置,控制危岩体底部关键部位即压张裂缝的形成位置、张开度及位移方向。次生结构面主要控制后缘变形区,对各条关键裂缝控制其继承性变形,控制关键块体扩张,对岩体裂解破坏至关重要。同时,望霞危岩体在地层岩性上构成了典型的硬—软—硬岩性组合,为危岩体的变形提供了地质结构组合条件,其底部大面积的采空区控制着危岩体整体滑塌变形。

滚石在平台上的运动特征分析

平台对危岩体失稳后运动有很好的减速拦阻作用，是危岩体防治的有效措施。采用运动学和力学的方法推导了滚石与平台碰撞过程的速度计算公式；探讨了滚石在平台上运动的水平距离的计算方法；在此基础上通过现场滚石试验，分析了滚石形状对滚动摩擦系数的影响。结果表明：滚石与平台碰撞后的速度可由法向恢复系数、切向恢复系数和碰撞前滚石的运动速度确定；滚石在平台上运动的水平距离由第一次碰撞前在平台上飞跃的水平距离、两次碰撞之间水平距离和碰撞结束后滚动的距离3部分组成，其值可通过运动学分析确定，法向恢复系数、切向恢复系数和滚动摩擦系数是计算滚石在平台运动水平位移的重要参数；滚石与表面为块碎石的平台的滚动摩擦系数的值在0．19～1．05之间，按长条形、方形、球形和薄片状的顺序逐渐减小，滚石形状与表面为块碎石的平台之间滚动摩擦系数呈良好的直线关系。所得成果为将平台作为危岩体防治对策时确定平台的宽度提供理论依据。对危岩体与落石的防治有指导意义。

三峡库区望霞危岩体变形破坏过程的综合监测与险情预报

三峡库区巫山县望霞危岩体于2010年及2011年两次发生大面积变形破坏,采用全站仪、裂缝位移、GPS等方法对危岩体进行了长期的变形监测,并通过地质基础的调查、监测方案的设计、监测数据的处理、宏观现象的分析,两次成功地对危岩体的垮塌变形实现了预警预报,避免了重大伤亡。研究结果显示,危岩体具有渐变和突变两种类型,在不同的变形阶段应采用相应的监测方法和监测频率,应以地质调查为基础,以监测危岩体关键部位为原则,监测数据的分析要密切结合宏观现象,从后缘、崖壁、崖底全面把握危岩体变形趋势。提出危岩体的监测应做到"详调查、细部署、观现象、握趋势、准预报"5原则,即"望霞经验"。"望霞经验"可以为危岩体的监测工作提供参考。

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发，建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论，探讨了复杂应力状态下裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程，提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。

三峡库区望霞危岩体地质模式及变形破坏过程

危岩体变形破坏预警判据的选择和确定是地质灾害监测预警预报的关键性问题。结合三峡库区望霞危岩体两次发生大面积破坏过程的监测数据和观测资料,采用地质勘察、地球物理勘查对底部采空区及地质结构特征分析,并结合裂缝位移、GPS监测数据分析危岩体后缘主控裂缝T10号缝的变形特征,将其划分为3个变形区段和3个变形演化阶段。研究认为:底部采空区、后缘塌陷坑、岩体节理裂隙、风化凹槽对危岩体变形具有控制性作用,后缘主控裂缝分为性质不同的东段、中段和西段,整体上呈现直角状,在变形程度上由东向西减弱,东段变形牵引中、西段变形,以塌陷沉降为主,伴随向SSW的强烈扩张,新生多条次级裂缝形成阶梯状陷落地貌,显示台阶式渐进后靠变形演化特征。

斜坡危岩体崩塌运动的数学模型及工程应用

崩塌是'5·12'汶川地震诱发的主要次生地质灾害之一,在对灾区村镇大量崩塌体现场调查的基础上,将崩塌危岩体的运动过程分为自由落体、弹跳和滚动3个阶段,建立了各阶段运动过程的数学模型.以灾区九寨沟杨家岩崩塌体为例,计算了危岩体的运动速度、滚动距离和冲击力,为灾后重建中崩塌体的治理提供了依据.

崩塌体失稳关键区岩石损伤特性试验研究

针对导致大型高陡危岩失稳的底部关键区域损伤劣化问题,通过声发射试验以及数值模拟试验获取关键区岩石试样在三轴压缩过程中的应力应变及声发射特征参数,利用损伤理论对试样的损伤特性与演化规律进行分析。研究结果表明:试样呈现出典型的脆性岩石破坏特征,伴随能量集中释放,在主破裂出现时刻声发射计数骤增;随着围压升高,声发射活跃频度增大,沉寂期缩短;不同围压下累计声发射计数曲线均呈现出初期平缓—中期缓增—后期陡升的阶段性特点,并与应力应变曲线具有良好对应关系;数值模拟试验所得到的力学及声发射数据能够合理反映并补充声发射试验结果,两种试验方法获取的岩石损伤性质参数及其趋势规律基本一致;基于累计声发射计数构建损伤变量,据此可定量化分析试样及危岩失稳关键区的损伤演化状态。本研究对具有相同失稳模式的高陡危岩损伤特性分析具有重要参考。

输电线路杆塔危岩威胁等级评价方法研究

从影响滚石击中塔体时的能量以及塔体被滚石击中的可能性出发,提出现场评价危岩对塔体威胁等级的方法。该方法考虑了边坡形状、塔位与山体的相对位置、坡上危岩的数量和大小以及坡脚滚石的数量和大小等因素。当边坡总体坡度相同时,上缓下陡的折线边坡,滚石落地速度最大;而内凹的曲线边坡,滚石落地速度最小。位于山体内凹一侧的塔位,塔体受危岩威胁最大,而位于山体凸出一侧的塔位,受危岩威胁最小。

复杂环境下危岩体爆破排险

介绍了复杂条件下危岩体的爆破排险实例。树立先加固再排险的思想,设置冗余系统,有效地避免了滚石的危害;采取合理控制单耗、小药量松动爆破、层层剥离碎石,避免了飞石,减弱了地震波;并阐述了炮孔布置、单孔装药量等参数的确定以及安全防护措施,为此类工程积累了经验。

三峡水库区危岩防治技术

危岩是三峡水库区重要的地质灾害类型之一。基于多年来对三峡水库区危岩研究和防治实践,遵循坠落式危岩、滑塌式危岩和倾倒式危岩的危岩失稳分类方案,构建了危岩防治必须坚持防治工程的宏观综合性与危岩体的微观综合性相结合、具备支撑条件时优先采用支撑技术、谨慎使用清除技术、主动防治和被动防护相结合的防治理念。概化提出了支撑、锚固、封填、灌浆、排水和清除共6类主动防治技术,拦石墙、拦石栅栏和森林防护共3类被动防护技术以及锚固-拦挡、锚固-支撑共2类主动-被动联合防治技术。详细论述了每类防治技术的技术要点。该研究成果丰富了重庆市地方标准《地质灾害防治工程设计规范》的技术内涵,对于提高三峡水库区危岩灾害的防治水平有重要价值。