浙江大型古地下工程洞室群的科学研究与启示

作者近20年来在中国浙江省发现多处大型古地下工程洞室群,包括3 000余个古洞室。通过现场调查发现,在这些古洞室群中,既有迄今为止所发现的最大跨度为92 m的天台县黑洞大型古地下采石场洞室,又有最大高度为99 m的长屿硐天水云硐古地下采石场洞室,还有洞壁刻凿最为华丽的龙游石窟古地下洞室。这些洞室均具有共同的特点:始采于几百年-几千年,即均保持了上千年的稳定;它们又具有各自独特的结构:斜墙、鱼尾形柱托、斜顶、穹顶、肋形仰拱,洞间隔墙,洞间水平隔板等等。研究表明,这些独特的结构均对洞室的长期稳定起到了至关重要的作用;除此之外,在这些古地下洞室群中还发现了古人高超的测量技术、开凿技术和防水技术等。这些保持了上千年稳定的无支护大跨度人工洞室群,对现代岩石力学有着诸多启示。然而,随着对这些洞室群的发现及旅游开发,各种破坏现象已经产生,严重威胁着这些古工程遗迹的稳定和安全,同时也对如何开展大跨度人工洞室群的长期保护提出了新课题和新挑战。

工程地质水文地质研究室成立60年随想和希望

0引言 2017年是工程地质水文地质研究室成立60周年,日子过得真快。60年是一甲子之年,人的一生若是两个甲子之年也就很不容易了。 50周年时我和许兵老师共同组织撰写了工程地质五十年,当时得到了老师们喜欢。 人的一生虽然短暂,但总要为后人留下一些东西,可以作为经验之传,也是给后人一些怀念。

包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的应用

在干旱半干旱地区,包气带的溶质和同位素剖面不但可以提供较长时间尺度上的地下水补给信息,而且记录了过去气候变化与环境变化信息。本文基于学科组近10年的研究成果,以鄂尔多斯盆地为例(包括南部的黄土高原和北部的沙漠高原),将包气带和饱和带结合起来,利用多种环境示踪技术,提升了包气带在干旱半干旱地区地下水研究中的潜力,并将其应用到地下水补给历史重建、地下水补给机制确定、植被变化对地下水补给影响评价和地下水污染物全过程示踪中。研究表明,由于在干旱半干旱地区,包气带较厚且补给量有限,地下水和现今的浅表水文过程未达到水力平衡,如在沙漠高原西部,近2 500 a降水尚储存在包气带13 m以浅,地下水是4 000 a以前补给的,其水化学特征与浅部包气带水差异巨大;而在黄土高原,补给量较大,但包气带巨厚,年降水仍需要几十到上百年时间入渗到地下水(但并不意味着没有补给,其土壤水在包气带中平均入渗速率为0.1~0.3 m·a^(-1)),包气带浅部溶质含量较深部和地下水中的高;典型黄土塬区的地下水均不含氚,地下水年龄在几百到上万年。黄土内部层状均匀的土壤质地特征和相对较老的地下水年龄揭示的均匀活塞流入渗是黄土塬区浅层地下水补给的主要方式。黄土高原退耕还林还草和沙漠区植被恢复导致地下水补给呈现不同程度的减少,反映在包气带上表现为溶质含量的增加,可用于定量化确定地下水补给量的变化。本文强化了包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的作用,在未来地下水资源评价、地下水污染全过程刻画中应得到重视。

赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究

浸水或增湿过程中,黄土特有的不稳定结构极易发生破坏,约束黄土的力学行为特征。通过粒度分析、扫描电镜和压汞实验对赵家岸滑坡地区黄土的微观结构进行分析,得到由上到下黏土的胶结作用升高,架空孔隙压缩明显,小孔隙几乎没有变化的特征。不同初始含水量条件下三轴压缩实验显示该区的顶部和底部黄土的强度均随初始含水量的增大而减小。由于底部黄土黏土胶结作用较高,黄土的强度减小速率大于顶部黄土。同时发现c值对于水的敏感性明显大于φ值,强度的降低主要是c值的减小导致。由于地下水位的升高,滑坡底部黄土的含水量增加,颗粒之间主要承担胶结作用的黏土矿物软化,导致附近的黄土微观结构持续破坏,导致赵家岸滑坡发生蠕动。

地质材料结构与功能射线成像方法与技术

地质材料结构与功能射线成像是采用射线对地球自然物质进行结构与功能成像,是研究地质材料物质组分、结构、特性与功能的重要手段,是认知地质现象、过程与动因的重要途径。在分析射线成像方法的基础上,分别梳理地质材料表面结构成像、三维结构成像与原位结构成像方法技术及适用条件,提出了地质材料功能成像方法与技术,并指出了地质材料结构与功能射线成像适用条件与发展趋势:(1)可见光、红外射线束和电子束射线等可实现地质材料表面的高精度成像;(2)X射线、γ射线和中子射线能量较高,可穿透地质材料实现三维成像;(3)地质材料的颗粒、矿物与基质等三维内部结构的静态成像研究已经比较成熟;地质材料原位(温度、应力和空隙压力等物理场)条件下的结构进行成像,是近年来地质材料结构成像的发展趋势;对地质材料的生成富集、储集、渗流等功能及过程进行射线成像是未来地质资源能源开发的重大需求,目前仍处于初步探索阶段。

锁固型斜坡失稳机理及其物理预测模型

稳定性受潜在滑面上锁固段所控制的一类斜坡,称之为锁固型斜坡,其失稳机理较为直观明确,我们认为突破斜坡失稳预测这一世界性科学难题应从该类斜坡入手。本文总结了当前有关锁固型斜坡的分类研究,认为可将其分成两大体系;指出锁固型斜坡演化3阶段与锁固段变形破坏过程之间存在内在联系,其演化过程之所以出现加速蠕滑阶段,是因为锁固段损伤累积至体积膨胀点后所致;发现锁固段峰值强度点和残余强度点可视为锁固型斜坡演化进程中的两个特征灾变点,其分别对应着突发型和渐变型滑坡的发生;基于锁固段损伤本构模型和重正化群理论,导出了体积膨胀点、峰值强度点与残余强度点三者之间的量化力学联系,构建了锁固型斜坡失稳的物理预测模型;据此模型对盐池河山崩、新滩滑坡和Libby坝左坝肩楔形岩质滑坡的回溯性预测效果良好,并可合理解释其失稳机理;阐述了该模型的使用原则和配套技术方法,以便于实际应用。

金属矿开采节理演化诱发覆岩变形失稳机制研究

金属矿开采诱发覆岩变形是一个复杂的力学问题,在工程活动的扰动下,采空区围岩的原始应力状态将被打破,引起覆岩的应力重分布,从而达到新的应力平衡状态。当覆岩中存在一些软弱结构面时,这些软弱结构面将不断地发展、演化,并可能出现贯通,其对覆岩的变形和破坏具有明显的影响。针对节理条件这一变量,采用Udec二维离散元模型,分析了双岩桥模型和四岩桥模型中各岩桥破裂特征及机制,并对比了两组模型中顶板应力释放规律及特点。采用3组对比模型实验,分析了0°/90°,45°/45°,20°/70°节理条件下岩移特点及变形机制。基于数值模型,对镜儿泉矿区实际节理条件下的地表变形特征和沉陷范围进行了研究,模型结果与地表变形GPS监测结果具有很好的一致性。

页岩微纳观尺度雁列式断续裂纹的原位观测

在自然界岩石和工程围岩中,宏观尺度雁列式断续破裂现象较为常见。然而,在微纳观尺度上,是否也存在类似的雁列式断续破裂特征?其扩展与演化过程又是怎样的?这是非常值得探讨的基础科学问题。采用带切槽的弧形页岩试样,在扫描电子显微镜(SEM)下开展原位拉伸与微纳观破裂过程观测试验。基于原位观测分析,获得如下几点认识:(1)在微纳米尺度,依然存在断续破裂现象,呈"S"形或反"S"形雁列式展布,是由裂纹尖端部位拉张-剪切复合应力场及矿物非均质性共同诱导形成的。(2)微纳观雁列式断续裂纹总体展布特征和扩展、演化过程是有规律可循的,相邻微裂纹近似平行展布。对单个裂纹来讲,中间的拉张裂纹近似平行于最大拉张应力方向,而两端翼裂纹转向朝着最大剪切应力方向扩展。(3)微纳观雁列式断续裂纹仅代表着主裂纹路径形成过程中的暂时的剪切变形状态或某个中间扩展阶段。(4)雁列式断续裂纹在微米至纳米尺度上具有多尺度分层级结构特征:相对较大尺度的雁列式断续裂纹包含着更小尺度的次级雁列式断续裂纹。该研究提供了微纳观尺度页岩雁列式破裂的观测证据,为分析页岩多尺度裂纹演化过程提供了重要支撑。

岩体在工程状态下间断面的力学效应

通过对岩体工程地质现象和实验现象的观察、分析,并对一些物理模拟和数值模拟的结果进行了研究和总结,试从12个方面,在定性的意义上阐述了岩体中间断面对其力学性能和行为影响,并对这些影响分别作了简要的论证和解释。

岩溶(喀斯特)与洞穴研究60年

0引言 作者从事岩溶与洞穴研究60年以来,虽几经波折但从未间断并逐渐成熟而跻身于国家先进行列。在国内外出版了一系列研究成果,组织过多次国际国内会议或论坛,并承担了国际、国内岩溶与洞穴组织领导层职务,不仅为中国也与世界该领域科学研究作出贡献。

电法精细探测在雄安新区的应用展望

从国家建设雄安新区的目的标准及措施看,对浅层地球物理的探测标准和水平提到了史上最严、精度最高的世界级标准。为此,本文对电法勘探中的高密度电阻率法及中国科学院自主研发的多通道大功率电法系统这两种方法进行了对比与总结,并对这两种方法在雄安新区的应用和进一步创新进行了展望。由于这两种方法都采用仿反射地震勘探方法的布极方式,一次性布设电极,通过改变电源的位置,得到一条剖面下由浅到深多个点的高密度电法资料,因此,横向分辨率都较同类方法高。通过这两种方法相结合的方式,可获得由浅入深不同垂向分辨率的电法资料,从而实现电法的精细探测,有望为雄安新区建设中遇到的水文、地质构造等勘查任务提供物探方法支撑。

长屿采矿遗址1997年采石塌陷及地震记录

采矿塌陷在开采施工中被给予了特别关注,也是施工地质灾害重要表现形式之一。已有地震记录中不乏对其形态辨识,然而少见对塌陷机理和发生过程中能量转换等较全面的研究。温岭市长屿硐天采矿遗址区碧玉潭洞室群1997年8月11日早晨发生持续时间约20 s大塌方。现场残留了面积约31 380 m^2、体积约1.35×10~6m^3的塌陷岩体。通过现场工程地质调查、塌陷过程追溯、邻近地震台站频谱记录分析,笔者认为这次发生在凝灰岩中的大规模塌陷系因地下采石过程中保安矿柱被过量开挖掉而引发局部顶板破裂和应力分布的大改变,进而发展至整个矿区岩体塌落破坏,使矿坑积水飞溅和压缩空气冲击波带来了沿途150 m范围内人员伤亡、树木折断和财产损失。塌陷区南93 km的温州台地震波谱记录了这次采矿塌陷地震活动,其波形数据与现场塌陷破坏能量转化情况基本吻合。在采矿活动中保安矿柱的合理配置、为人员安全设置变形破坏过程监测等,是需考虑的预防塌陷措施。

用拐点原理计算滑坡后沿张裂缝深度的新公式

当坡体后沿产生张裂缝时,通常意味着坡体接近极限平衡状态,滑坡可能发生,若遇降雨,张裂缝充水产生的水压往往是滑坡发生的启动因素,因为水压的大小与张裂缝的深度估算有关,是边坡稳定分析的重要条件之一。建立了一个坡体后部潜在三角形极限平衡体拉张模型,导出裂缝深度公式。应用拐点的数学性质原理,解出裂缝处与内摩擦角相应的滑面倾角,计算张裂缝深度系数,绘制了应用于实际的张裂缝深度系数的数值解曲线图。解释了张裂缝发生条件:裂缝处的滑面倾角必须小于裂缝深度系数的一阶导数的极值点确定的与土层内摩擦角对应的倾角α。给出了圆弧滑面和一种非圆弧滑面发生张裂缝位置的公式。与Spencer裂缝公式进行了比较,表明本文方法具有实用价值。

均质坡设计最小安全系数的非圆弧曲线搜寻法

挖方边坡设计的目标是确定设计安全系数下的坡角和坡高,设计边坡是安全系数大于1的稳定边坡,不存在滑面,搜索的目的是寻找与设计安全系数相等的最小剪应比(面)。提出一种非常简单的指数型曲线搜索法,可搜索存在地下水的均质坡设计最小安全系数与其相应的坡角或坡高。从坡肩向外,进行等步长点搜索通过坡趾的曲线族。在每一点、指数由1逐渐增大变动指数曲线,对曲线与坡面线间的坡体进行条分,把每个条块底面抗剪强度与剪应力分解为水平与垂直分力,根据平行力系可移动原理,求各条块抗剪强度与剪应力的水平分力与垂直分力的合力,然后计算该曲线剪应比面的抗剪强度与剪应力,得到该剪应比面的剪应比,逐点对剪应比大小进行比较,搜索出曲线族的最小剪应比,直到通过某点的指数曲线的最小剪应比等于设计安全系数为止。通过3个算例与其他方法计算结果进行对比,表明这一方法的有效性具有实用价值,提出边坡设计应以最小安全系数为主要参照标准。

膨胀土临界状态强度特性及其模型拟合

针对蒙自地区膨胀土,进行了饱和重塑条件下的固结排水(CD)与固结不排水(CU)试验,系统研究了饱和土在不同固结围压σ3、初始干密度ρd、初始含水量ω0、剪切速率υ、排水条件下的应力应变特性。通过对临界状态试验结果的归一化处理,揭示了不同试验方法对同一土样抗剪强度量测差异的内在统一性,得到了重塑饱和膨胀土在固结排水与不排水条件下p'-q-ν空间内的破坏线。利用双曲线模型较好地拟合了弱硬化型应力应变曲线,用指数曲线模型拟合了弱软化型应力应变曲线,为模拟边坡在降雨条件下的抗剪强度变化及构筑物土体处于正常水位时的强度状态等工况提供了技术参数与理论支持。

基于能量原理的页岩损伤破裂研究

岩石变形破坏过程本质上是能量耗散的损伤演化过程.为研究页岩压缩变形及损伤破裂特征,本文建立了基于轴向应变的损伤变量,并将其引入基于损伤能量释放率建立的损伤演化方程.结合不同层理角度页岩单轴循环荷载试验结果,验证了该损伤演化方程可用于描述单轴循环荷载下页岩损伤演化过程.在此基础上,定义了可用于定量评价页岩压裂缝网复杂程度的新指标CA.通过计算与不同页岩试样破裂形态相应的CA,发现CA与页岩破裂形态的复杂程度具有较好的正相关性,可作为评价页岩压裂效果的指标.此外,CA的计算结果表明,加载方向和页岩原生层理面的夹角越大,对应的岩石试样破裂形态越复杂.