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2008年的1~2月,我国南方地区湖南、湖北、江西、广西等省区出现了1954~1955年冬季以来最严重的大范围持续低温、雨雪、冰冻天气,由于雨雪量大、积雪深、低温冰冻持续时间长,对农业、交通、电力、通讯以及人们的日常生活造成了严重影响,同时突如其来的极端冰雪灾害也引发了多起次生地质灾害。地质灾害是地球在内动力、外动力或人类工程动力作用下,发生的危害人类生命财产、生产活动或破坏人类赖以生存与发展的资源与环境的不幸的地质事件。在2008年南方极端冰雪气候期间,贵州因冰雪诱发的地质灾害达13起,造成1人死亡,受地质灾害威胁的群众达2483人,地质灾害造成的直接经济损失达到316万元,潜在经济损失达830万元;四川宜宾市因冰雪融化发生岩石崩塌事故,崩塌巨石致村民2死1伤;广西在2008年1月~3月发生地质灾害216起,比2007年同期增加202起,造成2人死亡,直接经济损失350多万元,等等。由此可见,南方极端冰雪天气引发的地质灾害已经成为影响国民经济发展和人身安全的制约因素之一,解决南方极端冰雪条件下引发的地质灾害问题迫在眉睫。
本文从整理大量前期冰雪地质灾害资料入手,通过选定具有代表性的地质灾害点和前期的勘察取样,对土体进行了试验工作,包括土体的常规性质试验和三轴试验,讨论了冻融后土体的抗剪强度变化;然后讨论了两种常用的分析边坡稳定性的方法,即:极限平衡法和强度折减法,并对极限平衡法中的条分水力模型进行了改进;对南方地区引发的滑坡分布规律进行了分析,并将其分为三种类型;通过工程地质理论分析和数值模拟的方法,对南方地区引发的滑坡进行了成因分析和特征分析;对崩塌、泥石流和地面塌陷的分布规律进行了总结,同时用工程地质理论分析了三种地质灾害产生的原因,并对其特点进行了探讨和研究。针对以上内容,本文开展了细致的研究工作,并取得了以下的研究成果:
(1)讨论了土体和岩体在冻结和冻融过程中的破坏机理和参数变化,重点研究了粘土的粘聚力(c)和内摩擦角(ψ)在冻融中的变化规律,即:土体在冻融之后,无论该土体处于饱水状态或非饱水状态,c值都随着冻结时间的增加而逐渐减小,并且冻结温度越低,这种变化就越来越明显;在土体饱水时,ψ值随着冻结时间的增加而逐渐增大,并且冻结温度越低,这种变化就越来越明显,而在土体处于非饱和状态时,ψ值经历了一个先降低,后升高的过程;土体在冻融过程中,无论该土体处于饱水状态或非饱水状态,c值随着冻融温度升高而一直降低,慢慢趋于稳定,而ψ值则先升高,后降低;无论土体处于饱水状态或非饱水状态,土体的c、ψ值均随含水率的升高而降低。
(2)南方极端冰雪条件下形成的滑坡按时间序列和温度情况主要分为冻结滑坡、冻融滑坡和冻融循环滑坡;目前常用的滑坡稳定性方法主要有极限平衡法和强度折减法,本文对极限平衡法中的水力模型进行了改进,尽管两种方法都得到了广泛的应用,但是两种方法在分析冰雪滑坡时都有其一定的局限性,这种局限性主要是由于冰雪滑坡的复杂性和两种方法本身就做了若干假设造成的,因此在分析过程中,一定要考虑滑坡自身的工程地质条件,制定相对应的计算方法和适合的强度准则。
(3)对南方四省在冰雪期间引发的滑坡进行了地区分步统计,对冻结和冻融两个过程引发的滑坡实例进行了具体的分析和研究,并分析了冻结阶段滑坡大部分是以老滑坡加剧为主,冻融阶段滑坡大都以直接引发的滑坡为主的原因,分析了三个产生滑坡的密集区域:湖北省十堰市、湖南省娄底市和湖南省郴州市的地质环境特点,总结了三个极端冰雪条件下滑坡的生成规律,即:区域集中、时间集中和形态规模相似;对冻融滑坡的破坏机理进行了深入研究,由于前期的极端冰雪天气,斜坡上的表层岩土体产生了冻结作用,冻融影响范围内将产生塑性区,且随着前期冻结时间的增长,塑性区不断扩大,在冻融时,由于两种岩性渗水性能的差异,导致斜坡内水位上升,渗透力变大,土体有效应力不断减小,最终产生塑性区部分的松散土体沿着岩性交界面滑下。
(4)选取了冻结滑坡和冻融滑坡的两个具有代表性的工程实例,通过工程实例,结合前期理论分析和两个滑坡的工程概况、工程地质条件,对两个滑坡的形成机理进行了研究和探讨;
(5)对南方四省在冰雪期间引发的崩塌进行了地区分步统计,分析了崩塌密集区的地质环境,总结了崩塌的生成规律和形成机理;
(6)对南方四省在冰雪期间引发的泥石流进行了地区分步统计,分析了泥石流密集区的地质环境和发生泥石流的时间,总结了产生冻融泥石流的三个必要条件,并对其形成机理进行了深入的研究;
(7)对南方四省在冰雪期间引发的地面塌陷进行了地区分步统计,分析了地面塌陷密集区的地质环境,归纳了地面塌陷的两种类型,即:一类是完全由冰雪融化引发的,还有一类是冰雪融化和人为因素(采石场抽水、矿山开挖等)共同引发的,论述了两种类型的塌陷特点,总结了地面塌陷的生成规律和形成的五个过程。