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我国是一个山地大国,山区面积约占国土陆地面积的2/3,主要集中在西部地区。西部山区地形起伏大,地质环境脆弱、构造复杂、地震频发、岩体破碎、降雨充沛、特殊的地形地貌、地质环境及气候条件使得该区域一直是地质灾害的高发区和多发区。岩崩灾害是西部山区一种常见的地质灾害,具有突发性,可预见性差,速度快,能量高,运动距离远,影响范围大,监测预警困难,危害严重等特点,是山区地质灾害防灾减灾的重点和难点。 据全国290个县市地质灾害的调查结果显示,岩崩灾害在地质灾害中所占的比例高达17%,是除滑坡之外第二大地质灾害类型。在岩崩灾害诱发因素中,降雨、地震、人类工程活动是主要诱发因素。近年来,岩崩灾害频发并造成重大的人员伤亡和财产损失。由于岩崩灾害研究基础还比较薄弱,减灾防灾能力还难以满足国家经济建设和公共安全的需要。针对岩崩灾害基础研究与减灾实践中存在的难点问题,以岩崩灾害形成演化地质力学模型研究为基础,探索岩崩灾害形成、运动到堆积的动力演化规律,揭示危岩裂隙失稳扩展的力学机理;研究岩崩碎屑流的动力过程与机理;揭示岩崩灾害对承灾体的动力相互作用机理,为潜在岩崩灾害识别、定量风险评估与减灾关键技术研发提供基础。取得的主要研究成果如下: 1.初步揭示了危岩裂隙扩展的宏细观机理 基于细观力学理论方法,利用室内试验及声发射试验分析岩样的细观动态损伤演化过程及其力学特性。结合断裂力学的相关理论对岩体中典型裂隙的开裂、扩展机理进行了分析研究,初步揭示岩崩灾害从微观裂隙形成到宏观破坏演化的机理。 2.揭示了岩崩体性质、规模及坡面坡度对其流动性的定量影响 构建了室内小尺度无侧限岩崩体动力演化过程模型试验系统。研究了崩塌体粒径大小、形状、规模、崩塌次数及坡面坡度等因素对岩崩体流动性与堆积形态参数的影响,并得出以下规律: (1)在相同试验条件下,碎屑颗粒尺寸对滑移距离、等值摩擦系数影响较大,碎屑颗粒尺寸越大,滑移距离越远,岩崩堆积体堆积长度越大,堆积高度越低,堆积宽度越大,等值摩擦系数越小,岩崩碎屑物的流动性越强。 (2)岩崩体积越大,重心运移距离越近,远端位移越大,碎屑物堆积长度越大,等值摩擦系数越大,不同岩崩体积碎屑颗粒的堆积形态相似。 (3)随着分次岩崩次数的增加,碎屑物堆积长度和等值摩擦角均增大,而运移距离随着岩崩次数的增加而有减小趋势; (4)坡度增加,碎屑颗粒堆积长度减小,滑移距离增加,等值摩擦角减小。 (5)在相同颗粒尺寸条件下,不同颗粒形状的碎屑颗粒堆积形态基本相似,堆积宽度相同;卵圆形颗粒的堆积长度要比砾角状颗粒的大,运移距离要比砾石的大,说明颗粒磨圆度越好,碎屑颗粒的流动性越强。 3.发展了不规则形状PFC3D模型,并用于岩崩体动力过程分析 在克服传统颗粒离散元缺点的基础上,以不规则形状岩崩颗粒为基元,建立了以真实岩崩颗粒形状为计算单元的动力过程数值分析模型。研究了微观接触模型参数变化对岩崩碎屑流的堆积形态、堆积宽度、堆积厚度、运移距离、运动速度等参数的影响规律。通过对比发现,基于真实颗粒体形状PFC3D的数值计算的三维动力过程分析模型与模型试验结果有较好的相近性。 4.开展了岩崩灾害与承灾体动力相互作用的PFC3D-FLAC3D耦合研究 构建了岩崩灾害与成灾体相互作用的物理模型试验装置,研究了挡墙不同位置、不同高度对碎屑流堆积形态及速度的影响;采用PFC3D-FLAC3D耦合理论与计算方法研究岩崩灾害与承灾体的动力相互作用。 5.西藏樟木扎美拉山岩崩灾害演化动力过程及危害范围预测 建立了樟木扎美拉山岩崩体动力过程三维数值分析模型,对危岩崩塌体可能危害的范围及运动规律等进行了定性、定量分析研究。得出如下几点结论: (1)扎美拉山崩塌规模大,危害严重,历时长,成因复杂。陡竣的斜坡地形是崩塌发生的基础条件,坡体结构和地层岩性是崩塌形成的有利因素,降雨、地下水和地表水、地震、风化等是长期影响崩塌形成的外部条件。在强降雨、冰雪水冲刷及强地震等诱发因素作用下,仍有发生崩塌的可能. (2)扎美拉山崩塌岩体的运动路径为:崩塌块石启动后,首先沿东南方向运动,少量岩崩碎屑停留在扎美拉沟内,个别块石越过樟木沟落于樟木滑坡体上。绝大部分岩块运动至樟木沟受阻后转向西南顺沟向下运动,部分停留在樟木沟内,另一部分运动至波曲河后停止;在24s时,岩崩颗粒到达扎美拉沟,速度达到最大值约80m/s。 (3)扎美拉山危岩崩塌体主要危害对象为樟木镇武警二营~樟木沟沿线一带,主要影响停车场、加油站、318公路约300米、住户(30~40户),约300多人的安全。将岩崩的危害范围划分为严重区和影响区,危害严重区面积约48万m2,影响区面积约25万m2。