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学术动态季刊

2016年第1期

目次

高速远程滑坡-碎屑流"裹气流态化"减阻机理研究程谦恭(1)

生物炭对矿区污染土壤中重金属锁定机制研究龚正君(8)

不同结构尺度红层岩土水稳定性机理研究郭永春(12)

强震作用下大型古滑坡体变形破坏机理研究胡卸文(14)

胶体污染物对多孔介质吸附能力影响机制的微尺度研究黄涛(19)

水幕在隧道空间做防火分隔的隔热阻烟作用研究刘静(22)

快速提取铁路沿线山区DTM的LiDAR数据等高线滤波法任自珍(24)

金沙江河谷深厚覆盖层成因及工程环境效应研究覃礼貌(26)

二氧化铈控制饮用水臭氧氧化过程中溴酸盐生成机理研究王群(29)

地震作用下高位斜坡动力响应及滑坡启动机理研究王鹰(32)

黑色岩层黏土化过程的硫化矿物氧化动力学机理研究巫锡勇(36)

联合移动GNSS和参考站网络数据获取实时水汽分布与预报研究熊永良(39)

基于复杂网络理论的道路网自组织结构和协同生长机理研究张红(43)

基于多尺度信息转换模型的交通线路损毁度快速评估体系研究曹云刚(46)

高速远程滑坡-碎屑流"裹气流态化"减阻机理研究

程谦恭*(地学学院)

高速远程滑坡—碎屑流,是具有极端破坏力的地质灾害现象之一,常表现出巨大的体积(一般在数百万方以上,可达几千万方,几亿方,十几亿方甚至几十亿方),超常的高速度(迄今为止,已知两个高速远程滑坡的最大速度分别达213m/s和278m/s),难以预料的超常滑距(最大水平滑距Lmax是最大垂直落差Hmax的30倍,甚至更大,滑程可达几公里,几十公里甚至上百公里),巨大的能量(例如,在运动过程中往往能仰冲爬上并翻越相当高的山坡,最大爬越高度可达640m),异常高的流动性(例如,碎屑流可以绕过障碍物运动,具流动特点)等许多"令人惊异"和"迷惑不解"的现象.在欧洲的阿尔卑斯山脉,北美洲落基山脉,亚洲的喀喇昆仑山脉和喜马拉雅山脉以及我国的西南山区等地,尤为常见.例如,2001年1月发生在萨尔瓦多拉斯科利纳斯的一场灾难性滑坡-碎屑流掩埋了其下方的五百余户人家,又如,2005年10月8日,克什米尔地震过程中所触发的一系列崩滑事件,造成的人员伤亡达25500人之多,其中最典型的高速远程崩滑事件—HattianBala岩崩碎屑流,以68×106m3的失稳滑体沿坡面滑下,掩埋了其下方的一个村庄,导致1000余人伤亡,再如,2006年2月发生在菲律宾中部莱特岛热带山区的一场灾难性岩滑-碎屑流事件,15×106m3(包含运动路径上所裹挟的堆积物)的崩滑体直接掩埋其运动途中的村庄导致1100多人丧生.在国内,最触目惊心的是2016年5月12日,汶川大地震过程中所触发的一系列高速远程崩滑灾害,给灾区人民造成了严重的生命财产损失.诸如此类的崩滑事件,在国内外的高山地区屡见不鲜,给社会造成了严重的灾难.因此,掌握高速远程滑坡-碎屑流的运动机理,预测其运动速度,运动距离,覆盖面积,是减轻和预防该类灾害的必要手段,也是山区建设不断发展的迫切需求,对于推进山区建设的合理发展具有重要指导意义.

高速远程滑坡转化为巨大干碎屑流(drydebrisflow)发生远程运动的一个重要作用是"裹气流态化(particlefluidizationcausedbytrappedair)".在崩滑体高速运动碎屑化过程中,由于有适合的地形条件(如沟谷圈闭地形),高速运动的干碎屑流内部易形成圈闭气流,在流体内部产生浮力作用,而形成空气润滑减阻效应,加之高速运动的碎屑流体中有强烈的振动作用的存在(由滑坡的势能或动能转化而来),因此滑坡在运动过程中被"流态化(fluidization)"或

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转化为"流体"状态,形成由固体碎屑与空气相互混合的二相干碎屑流(sturzstroms),如埃尔姆滑坡,洒勒山滑坡,头寨沟滑坡,弗兰克滑坡,牛圈沟滑坡,东河口滑坡等.这是一种具有很高的动能和势能,具有极大冲击破坏力的碎屑流.该类碎屑流在物质组成,运动方式及运动机理上均不同于一般所讲的泥石流,例如泥石流运动的最大速度比滑坡-碎屑流的最大速度小一个数量级(加利福尼亚Wrightwood泥石流的最大速度为20km/hr,我国云南蒋家沟泥石流的最大速度为15m/s),而且泥石流主要是由固—液两相组成,基本没有或很少有气相,滑坡—碎屑流之所以有很高的速度就在于碎屑流在运动过程中有强烈的气体掺入.流体力学的多相流理论认为,固,液,气三相组成中各相含量的不同对流体的流变特性有着显着的影响.随着掺气量的增加,流体粘度减小,导致雷诺数增大,阻力系数减小,流动加快,破坏性加剧.火山碎屑流之所以有比滑坡-碎屑流更大的速度,也是因为火山碎屑流中有大量的(由火山喷发提供),比滑坡—碎屑流更多的气体,并且是温度很高的气体(碎屑流的温度越高,粘度就越小),而且往往还有水的掺入.海底水下滑坡之所以有更大的速度,是因为有巨大的水体掺入,形成了低粘度,高流动性的浊流.虽然在火星和月球上没有气体或很少有水体,但火星和月球上的碎屑流往往由巨大的陨石撞击(其撞击能相当于小型原 爆炸的能量)而触发,因此,碎屑流能像火箭一样被"喷射"或"溅射"很远,此外,由于这些星球上没有空气阻力作用,反而使碎屑流"飞行"的更远.

高速远程滑坡最终堆积区的地貌形态,也是流态化运动特征的反映.在滑坡远程运动的最后阶段,滑坡体具有的动能和势能逐渐消耗殆尽,加之地形开阔,碎屑体中裹挟的空气不断逃逸,最后,在适当的地形条件下形成碎屑流的超稳定性堆积.碎屑流最后堆积区的地貌形态,也表现出非常明显的流动特征.如,平面形态往往呈现舌形或扇形(lobateformorfanform),边缘有突起的"裙边"(raisedrims)或称"边缘堤(levees)"或"翻边埂",扇面上具有非常清楚的"纵向脊,沟状槽(longitudinalridgesandgroove-liketroughs)"及伴生的"雁列形裂隙状洼地(enecheloncrevasse-likeridges)"或者出现"波状横向脊(transversewave-likeridges)",有的碎屑流体甚至在其前缘形成指状分支流动的现象.

一般来说,一种碎屑流的堆积区不可能同时出现"纵向脊"和"波状横向脊".当碎屑流运动停积时,粘度小的碎屑流往往出现"纵向脊",如塞尔曼碎屑流,头寨沟滑坡以及月球,火星表面的碎屑流,而粘度大的碎屑流往往出现"横向脊",如埃尔姆滑坡,二蛮山滑坡(与此不相关的一个典型例子是粘度最大的基性火山熔岩流,流动时其表面呈现出不断翻滚的"横向脊"—称为"绳状"熔岩).

碎屑流堆积区流态化地貌特征,以黄土高速滑坡最为典型.例如,1920年宁夏海原大地震中形成的众多黄土滑坡,"从滑坡后壁开始,顺着滑移方向为一系列波浪状的黄土滑移体.滑移区的后段和中段,波峰波谷相间排列,节律性很强.到滑移区前缘,滑移体变为波状黄土土丘.整个滑移区表现为波状起伏,峰谷相间的流滑状态.波峰带在平行走向方向的延展表现为蛇曲形和斜列形,构成奇特的阵列地貌景观".滑坡的流态化地貌宛如"黄土流","黄土瀑布","滑坡漩涡像瀑布似的","宛如急泄的土流或瀑布","黄土气浪,掩天蔽日".

上述碎屑流最后堆积区的地貌形态,是高速运动的碎屑物质与周围的空气之间复杂而又强烈的流体动力学作用的反映.如侧翼涡旋气流(边缘区出现类似流体中的涡流),尾部横向环状流(尾涡流),气携底浪(底部振动波或边界剪切层),超前气浪或超前溅泥气浪,粉尘状磨蚀性砂质密云等现象,都是非常明显的流动性反映.

1国外关于高速远程滑坡-碎屑流的研究现状

灾难性高速远程滑坡-碎屑流运动机理的研究,在上个世纪国外先后有许多学者进行过探讨,提出了多种假说.Heim首先提出了"粒间撞击高能导致流态化"假说,Bagnold和美籍华人许靖华先后提出了"无粘性颗粒流说",Kent提出了"圈闭空气导致流体化说",Shreve提出"气垫层说",Habib和Goguel先后提出了"孔隙气压力说",Erismann提出了"岩石自我润滑说",Korner提出了"底部颗粒滚动摩擦减阻"假说,Melosh提出"声波流态化"观点,Davies提出"底部高剪切速率导致流态化说",Foda和Kobayashi提出"基底压力波机理",Davies提出了"碎屑化远程运动机理".

21世纪以来的十年,国外对高速远程滑坡-碎屑流运动机理的研究成果主要体现在:实例调查分析,物理模型试验,数值模拟分析,统计分析等四个方面.Egashira等通过室内模型试验,模拟分析了碎屑流物质不同于滑床物质的情况下,碎屑流铲刮滑面,裹挟堆积体的运动过程,首次实现了物理模型试验中对滑体质量变化问题的分析,McClung基于调查统计的地形参数,运用基于运动剖面角度分布的最小二乘法和基于无量纲地形参数Gumbel分布的超距预测法,分析了滑坡运动路径上斜坡坡度对滑体运距的影响,Okura等对干滑坡的流化作用进行了试验分析,Evans等调查研究了1984年6月28日发生在哥伦比亚西南部凯利山的第四系火山碎屑岩滑事件,滑体以碎屑流形式沿水平方向运移3.46km,垂直落差1.18km,等价摩擦角为19°,Fannin和Wise根据大量滑坡—碎屑流事件的现场调查数据,建立了分析碎屑流运动的经验模型,对不同地形下碎屑运动特性进行了分析,Gray通过工业生产中常用的转鼓,对干碎屑流的运动做了物理模型试验,分析了鼓内填充度不同的各种情况下,碎屑流的运动混合特征,Legros研究了高速远程滑坡的活动性,认为:用于描述滑坡活动性的视摩擦系数(垂直落距/水平滑距)在物理学上是无意义的,运距基本取决于滑体体积,而垂直落差仅会增加运距的离散性,Davices等对岩崩运动过程中的"碎屑化作用(fragmentation)"进行了数值模拟,定性分析了碎屑化在岩滑运动过程中的作用,Crosta等运用2D和3D有限元法对滑体运距进行了模拟分析,Hunter和Fell基于对350个高速滑坡数据的统计分析,基于失稳机制,边坡类型,滑体体积,滑源区及下部边坡的几何尺寸和运动路径的受阻情况等,提出了预测滑坡运距角的方法,Friele等研究了全新世时期发生在Cascade火山带米格山地块区的大规模滑坡,滑移总体积约为6×108m3,运动过程包含早期较高源区的岩崩和后期碎屑流两个阶段,McDougall和Hungr由于一种改进的DNA模型,实现了三维简单地形下滑体运距的数值模拟,模拟分析中实现了对基底阻力变化,滑体质量变化,运动大变形等特征的分析,Crosta等基于Voellmy流变特性和由GIS获取的高精度基础地形资料,运用拉格朗日描述下的准三维有限元方法对ValPola滑坡的整个运动过程进行了模拟,并通过模拟结果与现场数据的对比,分析了该方法在处理复杂性大规模滑坡中的适用性,Luzio等描述了位于意大利亚平宁山脉中部Maiella地块西部边缘的第四系CampodiGiove岩滑事件,分析了地形对堆积物分布的控制作用,Félix等为研究密集火山碎屑流的动力学特征,进行了干碎屑流沿粗糙倾斜滑面运动的物理模型试验,试验模型中通过设置滑面宽度大于碎屑流运动宽度,实现了碎屑流无侧限流动的模拟,Agnesi等介绍了一种综合分析法用于滑体运距的预测,Ferrara等对发生在意大利西西里岛南部Castelmola村附近的崩滑体的运动学特征进行了研究,Geertsema等对2002年7月初发生在哥伦比亚东南部的PinkMountain背斜西翼的大型岩滑—碎屑流进行了详细的描述,由DEM模型估计滑体体积约为1.04×106m3,垂直落差达450m,水平运距达2km,等价摩擦角为11.6°,覆盖面积达43公顷,滑体在运动过程中存在裹挟沿途堆积物的现象,McDougall和Hungr对高速滑坡运动过程中的物质裹挟现象进行了动力学模拟,Hungr等从经验方法和各种数值模拟方法中讨论了滑坡的运动机制,运距和速度分布,较为系统的概述了前人所提出的主要模型的机理和特征,Crosta等应用二维FEM模型对滑体运动过程中的扩离现象进行了模拟,通过多种基本模型和屈服准则组合情况的模拟分析,实现了对滑体内部变形和滑体质量变化的模拟,Pollet等基于Flims岩滑的现场调查结果,对其运动特征进行了分析,并用"书斜式叠加板(slab-on-slab)"模型来解释碎屑堆积物的形成机理,Friedmann等运用颗粒流的物理模型试验,研究分析了颗粒流的非线性特征,并对碎屑运动过程中的能量耗散机理和重力驱动机理进行了研究,Locat等运用"碎屑化(fragmentation)"机理分析了高速滑体具有远程运动特征的原因,Dunning等,Owen等对2005年10月8日克什米尔地震过程中发生的一系列崩滑体进行了描述,对崩塌源区特征,崩塌过程和堆积形态等进行了统计分析,Hewitt等从沉积学和地貌学分析方法入手,对灾难性崩滑—碎屑流的堆积特征进行了调查研究,Gerol-ymos等运用新的颗粒碰撞模型对Nikawa滑坡的远距离运动特征进行了分析,Zambrano介绍了一种大型岩崩的动力学模型,并根据能量守恒方程,获得了摩擦减损公式和潜在崩滑体沿运动轨迹的速度分布公式,Evans等对2006年2月发生在菲律宾中部莱特岛热带山区的一场灾难性的岩滑—碎屑流事件进行了描述,15×106m3(包含运动路径上所裹挟的堆积物)的崩滑体直接掩埋其运动途中的村庄,导致1100多人丧生,该滑坡是由一处高达450m的岩质边坡失稳所产生,水平运距为3800m,垂直落距为810m,等价摩擦角为12°,滑体在运动至谷底2600m处时因遇到稻田,产生超孔隙水压力,导致滑体所受摩擦力迅速减小,滑距增加,Tommasi等用离散元模型分析了含泥岩夹层的灰岩地层沿平坦滑面运移的干碎屑流的运距分布特征,并用PFC2D软件对潜在岩崩体的运距进行了预测,Manzella等通过小尺寸物理模型试验,研究了岩崩运距和扩散过程的机理,并通过改变滑体降落高度,体积,失稳体的几何尺寸和物质组成来分析其对堆积体特征(长度,宽度,高度和形态)和运距的影响,Sosio等对2004年9月发生在意大利中部阿尔卑斯山上的2.5×106m3的PuntaThurwieser岩崩进行了现场调查与研究,并通过二维和三维DNA模型对该滑坡的运动机理进行了数值分析,提出了冰川层能提高滑体运动活动性的观点,Pirulli等运用基于连续介质力学和长波近似原理的RASH3D方法对Frank滑坡和ValPola滑坡进行了反分析,以研究岩崩体的运移和扩散过程,Hungr和McDougall较为系统的介绍了DNA模型和DNA3D模型的理论基础及其在滑距预测中的应用,并通过大量室内试验对两种模型的准确性进行了验证,Gray和Kokelaar通过实验模拟分析了具有自由流动表面的碎屑流体中大颗粒的运动沉积特征.


写滑坡论文的格式
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在高速远程滑坡研究历程中,Hungr等发表的《AReviewoftheClassificationofLand-slidesoftheFlowType》系统地总结了各类流动型滑坡的运动形式,并基于其运动机制,粒径分布,物质组成,运动速度等对流动型滑坡进行了详细的分类,提出了一个已被世界各国学者认可的分类标准,是滑坡流态化研究领域一篇具有极高参考价值的文献,此外,Evans等在第六届国际滑坡大会之后编着的论文集《Catastrophiclandslides:effects,occurrence,andmecha-nism》中,论述了当时世界范围内最有影响力的16个灾难性高速滑坡—碎屑流(包括中国洒勒山滑坡在内)事件的运动过程和形成特征,是一本关于高速远程滑坡-碎屑流典型实例研究的重要总结性文集,具有极高的参考价值.

最近十年里,国外最着名的高速远程滑坡研究学术专着有4部.Erismann和Abele出版的《DynamicsofRockslidesandRockfalls》一书共分七章,从典型实例的地形地貌,崩滑体失稳,破碎,运移等几个方面进行了分析研究,较为全面的介绍了高速远程滑坡的碎屑化机理和远程运动机理,并提出了几种可行的预测方法.Pudasaini和Hutter编写的《AvalancheDynamics:DynamicsofRapidFlowsofDenseGranularAvalanches》,系统的总结了国外近一个世纪以来对雪崩动力学的研究成果,从数值模拟和物理模型试验两方面介绍了近几十年来国外学者在碎屑流运动机理研究上的主要成果和进展,为以后关于碎屑流运动机理的研究提供了丰富的资料,是一本具有重要意义的参考文献.Evans等编写的《LandslidefromMassiveRockSlopeFailure》,除对崩滑体失稳机制进行了分析之外,还着重研究了崩滑体失稳后的碎屑流运动过程,通过各种方法和模型对失稳后的碎屑进行了分析研究,文中还对Flims等世界典型崩滑事件进行了研究.Sassa等编写的《ProcessinLandslideScience》,共四篇二十六章,分别从滑坡研究的发展历程,滑坡动力学,滑坡监测和滑坡风险性评价四个方面对滑坡研究的现状进行了阐述,在滑坡动力学特性的研究中,书中介绍了日本近20年来关于高速滑坡的环剪试验成果和崩滑事件分析.

2国内关于高速远程滑坡-碎屑流的研究现状

21世纪以来的十余年里,我国先后也发生了不少高速滑坡—碎屑流.2000年4月9日,西藏林芝地区波密县易贡藏布河扎木弄沟发生巨大规模高速远程滑坡,历时约10min,滑程8km,垂直落差3330m,截断易贡藏布河,形成长约2500m,宽约500m的滑坡堆积体,面积约5km2,平均厚度60m,体积2.8~3.0亿m3,滑坡运行过程中,形成的"土—石—水—气"混合体,具有明显的"气垫"效应,"飞行"特征,气浪冲击与涡流堆积特征.2016年6月5日发生在重庆武隆县的特大滑坡,滑动距离高达1.5km,造成了重大人员伤亡.2016年8月6日,四川汉源猴子岩发生崩滑.2016年6月28日发生在贵州省关岭县岗乌乡的大寨滑坡,被认定为"特大滑坡碎屑流复合型灾害",它呈现高速,远程滑动的特征.2016年7月27日,四川省汉源县万工乡二蛮山发生大规模滑坡,约48×104m3的强风化玄武岩体,在前期降雨的影响下高位高速滑出,随即解体转化为碎屑流,沿沟谷高速运动,沿途不断携卷和铲刮堆积于沟床及两侧斜坡的表层松散物质,使滑体的体积和含水量不断增大,当运动到沟谷中段时,因沟道在此向右偏转,在强大的惯性力作用下,部分碎屑流体冲向左岸斜坡,将居住于此的5户村民房屋掩埋,造成20人失踪,另一部分碎屑流体继续沿沟谷高速运动近1.4km才最终停止.

在我国,高速远程滑坡运动机理的研究,也一直是许多学者关注的热点课题.21世纪以来的十年,我国先后出现了大量高速远程滑坡-碎屑流的研究成果.殷跃平,朱平一,刘伟,吕杰堂等分别对西藏波密易贡高速巨型滑坡进行了现场调查和研究.刘忠玉提出了高速滑坡远程预测的"块体运动模型",基于"峰残强降"和"势动转化"原理对高速滑坡的危害范围预测做了初步探讨.王士天,许强,柴贺军等在易贡高速滑坡现场发现了滑坡高速流态化运动的地质证据,例如,运动过程中,由于高速振动液化后喷水冒砂形成的碟形小洼地,岩屑锥状丘,碎屑流边缘旋流等.邢爱国,高广运等对高速滑坡飞行气动特性进行风洞试验研究,计算出高速滑体的几何外形与结构,飞行姿态对高速滑坡飞行气动特性有显着影响,而飞行速度对气动特性的影响甚小.刘涌江,胡厚田,白志勇根据空气动力学理论,通过对4种不同形状滑坡模型的风洞试验结果分析,得出空气动力学效应对凌空飞行滑坡体运动的影响规律.刘涌江,胡厚田等进行大型高速滑坡滑动过程中碰撞特性的试验,研究了滑体碰撞解体后不同速度段岩体体积的分布规律.鲁晓兵等对碎屑流沿坡面运动进行了试验分析.方玉树从能量转化角度分析了滑体运距的分布,并通过对大量崩滑体总斜率μ与总能量的相关性推出了运程预测中总斜率与总能量关系的经验公式.陈禄俊,邢爱国等以头寨沟滑坡为研究对象,使用数值模拟方法研究了高速滑体凌空飞行的运动规律.崔芳鹏,胡瑞林等对重庆小南海地震崩滑堆积体进行野外地质调查,阐述了该崩滑堆积体的基本特征和形成机制,认为其形成过程经历了"风化剥蚀→震荡抛射→崩滑堆积→堵江成湖"4个阶段.胡明鉴,程谦恭等通过高速环剪试验,对易贡远程高速滑坡形成原因进行了分析,认为滑坡剪切速度越高,滑面土体强度越低,两者交互作用使得滑坡加速.程谦恭等论述了云南哀牢山区大水井高速岩滑的运动特征,并分析了高速远程滑坡超前冲击气浪的动力学机理.

2016年7月在西安召开的国际第10届滑坡与工程边坡大会上,殷跃平主编的《中国典型滑坡》画册,以照片形式反映了我国典型滑坡的特征.黄润秋,许强等编着的《中国典型灾难性滑坡》,选取20世纪以来发生在我国的19个灾难性滑坡实例,从滑坡过程实录,基本特征,成因机制等方面,对实例进行了深入,系统地分析研究.

在黄土高速滑坡机理的研究中,王家鼎,张倬元,王家鼎,白铭学,肖树芳对地震诱发高速黄土滑坡,强震作用下低角度黄土斜坡滑移的机理进行了深入的研究.张得煊等对海原地震过程中触发的一系列黄土滑坡土样进行了环剪试验,分析了饱和黄土在不排水剪应力作用下的土体特性变化.金艳丽,戴福初通过对饱和黄土应力-应变特性的试验分析,研究了灌溉诱发黄土滑坡的形成机理.孙萍,殷跃平,吴树仁等对高速远程地震黄土滑坡发生机制进行了试验研究.周永习,张得煊等对黄土滑坡流滑机理进行了试验研究.许领,戴福初,闵弘对黄土滑坡的发生,滑动机制以及滑坡液化机制研究进行了评述,提出了黄土滑坡研究的几点设想.

近几年,在黄土滑坡研究领域出版了4本学术专着.王家鼎,张倬元在《典型高速黄土滑坡群的系统工程地质研究》一书中,论述了高速黄土滑坡群的灾害特征,深入探讨了高速黄土滑坡群的形成及运动学机理.王念秦,张倬元所着的《黄土滑坡灾害研究》,系统的论述了黄土滑坡的类型,滑带土特征,黄土滑坡的形成和运动机理.吴玮江,王念秦所着的《甘肃滑坡灾害》系统地总结了甘肃滑坡类型,特征以及滑坡发育程度,分布规律和影响因素等,并通过典型实例深入探讨了高速远程滑坡的冲撞加速作用机理等问题.袁丽侠所着的《宁夏地震诱发黄土滑坡图集》,以图片的形式展示了宁夏南部地震诱发的滑坡类型,并分析了其形成原因,对于研究高速滑坡有较高参考价值.

国内近十余年来,出版了关于高速滑坡动力学机理的学术专着3部.胡广韬等所着的《滑坡动力学》,是国内第一部关于滑坡动力学的专着,在该书中,胡广韬系统提出了被同仁和后人称之为"胡氏假说"的剧动式高速滑坡"八大效应",并深入研究了坡基型剧动式高速滑坡,高速滑坡启程弹冲与行程高速,多级冲程高速滑坡等机理.程谦恭,彭建兵,胡广韬等在《高速岩质滑坡动力学》一书中,详细研究了剧冲式高速滑坡破坏,失稳剧动,高速飞行,碰撞解体及冲击成坝动力学的机理,并提出高速滑坡"峰残强降启程机理"与"滑坡坝冲击坡夯实机理"等的计算公式.胡厚田,刘涌江,邢爱国等在《高速远程滑坡流体动力学理论的研究》一书中,以云南头寨沟滑坡为原型,在现场详细调研的基础上,基于流体动力学理论,运用离散元模拟了高速远程滑坡运动全过程,并对远程碎屑流运动进行了理论分析.

在对高速远程滑坡研究的述评方面,程谦恭,张倬元,黄润秋厘定了高速远程崩滑的定义,详细阐述了国内外典型高速远程滑坡灾害事件的几何学,运动学特征,概述了国内外所提出的高速滑坡动力学机理,分析和讨论了动力学机理研究的发展趋势与动向,提出了进一步研究应解决的十大关键问题.张明,殷跃平,吴树仁等总结了国内外关于高速远程滑坡-碎屑流运动机理研究的发展历程与现状,并对未来的发展方向做了展望.

3国内关于汶川地震触发的高速远程滑坡的研究现状

汶川地震由于具有震级高,震源浅,震源呈长条形,释放能量大,持续时间长,地面振动强烈等特点,加之汶川地震区特殊的地质背景和高山峡谷地形地貌,触发了大量的崩塌滑坡等次生地质灾害.滑坡规模巨大,如安县大光包滑坡(体积7.5亿m3),绵竹市文家沟滑坡(体积2750万m3),北川县唐家山滑坡(体积2037万m3),青川县东河口滑坡(体积1500万m3)等,均是特大型地震滑坡.而大量高速远程滑坡—碎屑流,因其规模大,速度快,滑程远,破坏力强等特点,成为地震地质灾害研究的热点.

国内学者对"5.12"地震触发的高速远程滑坡—碎屑流运动过程进行了大量的分析研究.许强,黄润秋揭示了汶川地震触发的大型崩滑灾害具有震裂溃屈,临空抛射和碎屑流化等动力学特征.黄润秋等通过对安县大光包滑坡的剖析,将其运动过程分为:坡体震裂,松弛和解体阶段,高速溃滑阶段,振动堆积阶段及二次抛滑和碎屑流堆积阶段.殷跃平对汶川地震触发滑坡的高速远程特征等进行了大量的分析,通过汶川牛圈沟滑坡,北川王家岩滑坡,青川东河口滑坡的研究,描述了滑动—流动—滑覆,高位抛滑—滑覆—气浪击毁,高速抛滑—碎屑流,铲刮滑动—碎屑流及滑覆—堰塞等过程.伍法权等指出地震抛射型高速滑坡以高位崩塌为主,受地震动力抛掷作用和地形坡降控制,以高速碎屑流形式,经历了高位崩滑—低空飞行—远程抛洒—气垫冲击等演变过程.王运生等揭示了汶川地震高位滑坡中的抛射运动模式,并给出了几处大滑坡的运动距离与拔河高度等参数.许强等提出抛撒型滑坡:首先在地震作用下,滑体拉裂,松动,高位滑出,在剪出口前缘的陡坎及前缘一定距离内有一段滑动空区,几乎保持原始地貌形态,在其运动过程中,由于其内部质点速度差异或滑体与沟谷岸壁,沟道碰撞碎裂解体,转化为高速远程碎屑流化运动,在运动过程中铲削,裹挟坡面及两侧松散物质,使滑体方量不断增大,并根据牛圈沟滑坡—碎屑流运动特性,对滑动过程中的弯道超高,爬高和滑移距离分别采用超(爬)高值估算法,动量传递法和谢德格尔法进行了分析比较.石菊松等认为汶川地震诱发的灾难性滑坡,如青川东河口滑坡,彭州谢家店子滑坡,汶川映秀牛圈沟滑坡,绵竹清平文家沟滑坡等,不仅具有高速远程,碎屑化的特点,而且具有明显的气浪效应.孔纪名等阐释了牛圈沟滑坡的"滑动启动—碰撞碎裂—碎屑滑动—堆积停滞"4个运动阶段中的7次折向过程,应用"地震启动—碎裂—加速"机理解释地震滑坡超高速,滑程远,规模大的特点.李秀珍等认为东河口滑坡运动阶段可分为启程滑动,近程飞跃,碰撞和远程流动3个阶段,并对46个典型地震滑坡的滑动距离与滑坡体积以及原始斜坡坡角的相关关系进行了统计分析.孙萍,张永双等对东河口滑坡-碎屑流高速远程运移机制进行了探讨.黄河清和赵其华对文家沟巨型滑坡—碎屑流的基本特征及成因机制进行了分析.吴树仁等统计分析了汶川地震10个规模最大,位移最远,危害最严重的滑坡的分布特征.王涛等对文家沟高速远程滑坡—碎屑流的启动,高速远程运动和减速停积阶段进行了定性分析.吴文平等指出地震坠落滑动型滑坡运动及形成过程经历了后缘崩塌坠落启动,中下部整体启动滑移,滑后堆积等3个阶段,并对其发生进行了动力学量化分析.

国内学者对"5.12"地震触发的滑坡—碎屑流运动过程进行了大量的物理模型试验和数值分析.唐春安采用二维平面模型,根据应力波理论,进行了两个边坡分别在左侧和下部动态载荷作用下的碎裂和抛射过程的数值试验研究,认为地震压缩波在传播过程中遇到边坡自由面会产生加速度倍增拉伸反射波,造成表层拉裂破坏,当加速度足够大时,浅层碎裂的岩石就可能出现抛射现象.黄雨等针对高速远程滑坡所呈现出的流态化特点,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,开展了强震诱发崩滑运动过程的数值模拟研究.韩金良等反演了汶川地震中的牛圈沟滑坡,大光包滑坡,唐家山滑坡,东河口滑坡的滑动速度.孙萍等利用DPRI环剪试验机,对东河口滑坡滑动过程中的振动液化现象进行了一系列环剪试验研究,研究表明,地震作用过程中,发生在滑坡潜在滑面上的振动液化现象是导致高速远程滑坡产生的一个重要因素.夏敏等采用FLAC3D程序对滑坡进行了三维模拟.苏生瑞等采用2D-Block软件对谢家店子滑坡进行了全过程的数值模拟研究.

在汶川地震地质灾害调查研究的基础上,出版了3本极具参考价值的学术专着.黄润秋等着的《汶川地震地质灾害研究》一书由四篇十六章构成,从汶川地震发震构造背景及动力学机制分析,地质灾害发育分布规律及发生机理,次生地质灾害风险性评价及防治对策,震后地质环境评价及震毁城镇选址四个方面,对汶川地震震后研究成果进行了汇总,是一本内容丰富,参考价值极高的文献.许强,裴向军,黄润秋等着的《汶川地震大型滑坡研究》系统地总结了汶川地震触发的崩滑灾害分布规律,在对崩滑事件统计分析的基础上,选取了18个典型滑坡事件进行了详细的现场调查和成因机制分析,是一本关于大型滑坡地形学研究和机理分析的重要参考文献.殷跃平等着的《汶川地震地质与滑坡灾害概论》,分别从区域地质构造背景,地震前后地壳运动GPS监测分析,地震断裂滑动及同震位移,地震诱发地质灾害,地震滑坡触发特征和地震滑坡高速远程特征等六个方面对汶川地震发生的地质背景进行了研究,并选取牛圈沟高速滑坡—碎屑流,北川王家岩高速远程滑坡和青川东河口滑坡-碎屑流进行了实例分析,是一本重要的参考文献.

国内多家科研单位将汶川地震滑坡野外考察照片与典型遥感影像汇集成册,这些画册,从不同侧面生动地反映了汶川地震地质,地质灾害等方面的特征,为高速远程滑坡-碎屑流的研究提供了丰富的原始资料,具有重要的参考价值.

在对汶川地震滑坡灾害研究的述评方面,许冲,戴福初,徐锡伟对这方面的研究成果进行了总结,指出了研究中存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望.

对高速滑坡—碎屑流动力学机理的研究,不仅从基础研究上来说,它可以向人们揭示一种自然规律,而且从应用基础研究的角度来说,它对国民经济和社会发展也有重要的意义.对碎屑流态化运动机理的掌握,是正确建立地质力学模型,确定危险区范围,评价危害程度,进行工程建设选址等所必不可少的基础,对碎屑流运动规律的掌握,也可能推进工业中气力输送,管道运输等相关领域的发展.

生物炭对矿区污染土壤中重金属锁定机制研究

龚正君*(地学学院)

哥本哈根世界气候大会是一次被喻为"拯救人类的最后一次机会"的会议.世界各国都有相应的CO2减排计划,我国减排目标是到2020年生产总值CO2排放比2005年下降40%~45%.由此而来的"碳封存"成为全球关注的焦点,拟实现捕获碳并安全存储的方式来取代直接向大气中排放CO2.早在几百年前,亚马逊印第安人就会将生物炭和有机质掺入土中,创造出肥沃的黑土.目前,结合土壤危机和气候问题,将碳封存于土壤中,成为热点话题,这让人类反思亚马逊黑土之谜.生物炭指在缺氧的条件下把生物质进行高温处理,生物质中的油和气燃烧掉,剩下的就是生物炭.生物炭碎料的孔洞结构十分容易聚集营养物质和有益微生物,从而使土壤变得肥沃,利于植物生长,实现增产的同时让农业更具持续性.更妙的是,它把碳锁定在生物群内,而非让它排放到空气中.生物炭几乎是纯碳,埋到地下后可以由几百至上千年不会消失,等于把碳封存进土壤,有助于减缓全球变暖,因此全世界范围内引发对生物炭的广泛兴趣.

在亚马逊黑土研究过程中,发现黑土的主要成分就是生物炭.这一现象为科学家们提供了另外一条思路,生物炭既然能长期(可长达几百年)存在于土壤中,让土壤保持其富有的生产能力,同时碳被封存在土壤中就是同样的期限.Lehmann发现,采用生物炭的方式将碳封存于土壤,比采用植物和树木的方式封锁碳更加有效,其在Nature杂志上发表论文认为,在"CO2-树木-土壤碳"循环中,只有0%的C被长期封存于土壤中,而在"CO2-树木-生物炭-土壤"循环中,将有20%的C被封存于土壤中,这无疑是一个令人惊喜的发现,为碳封存提供了有效的途径.据Lehmann等人估算,生物炭每年能够从大气中吸收55~95亿吨的碳,这无疑为哥本哈根世界气候大会的目标指明了前进的方向.因此,为解决碳封存问题,以生物炭的形式将碳封存于土壤中,不仅是解决全球气候问题,缓减温室效应的有效措施,还是将日渐贫瘠的土壤变成"亚马逊黑土"的重要举措.

因对碳封存的重视而引起科学家们对生物炭在土壤中作用机制的广泛关注.Montgomery在2020展望中明确表示,土壤将是未来关注重要环境要素,其中在土壤中添加生物炭来改善土壤质量和肥力将是重要的研究内容之一.科学家们在探索亚马逊黑土之谜的同时,更多的研究者对生物炭-土壤系统对农作物,土壤肥力等的影响产生了浓厚的兴趣,希望将亚马逊的黑黄金推广到更多的地区和种植更多的物种.

首先就有研究者将各种生物炭介入土壤研究土壤中作物的生长情况.Zwieten等将纸厂废渣在低温条件下制作成生物炭,并研究了该生物炭添加在土壤中,作物的生长情况.结果表明,因为纸厂生产工艺中要大量使用石灰,所以制作出来的生物炭主要成分为C和Ca,将该生物炭与酸性ferrosol土壤混合后,阳离子交换能力提高两倍,氮的利用也显着增加,土壤的质量显着改善,农作物的产量提高,而在碱性calcarosol土壤使用生物炭时,得到了不完全相同的结果,小麦,大豆和小萝卜的产量在这样的环境中产量变化不尽相同.Ellen等对采用生物炭修复的贫瘠土壤中种植辣椒和西红柿的生长发育进行了研究,发现辣椒在这样的生物炭-土壤体系中有更为茂盛的生长,从辣椒的叶面积,植物冠干重,枝干数量,发芽率,花和果实的量等都有很好的增加,辣椒的根系显着的发达,土壤中的可利用生物菌群也大量的增加.在此生物炭-土壤体系中种植西红柿,发现西红柿的植株高度和叶面积都显着增加,但是对于西红柿的花和果实影响不明显,这些研究结果表明生物炭对植物的影响不是直接来源于对植物影响的直接或间接的影响.Ellen推测有两种原因导致生物炭的使用普遍提高农作物的生长状况:一是生物炭促进那些有利于植物根系菌群的微生物群落的生长,二是那些在高浓度环境中表现出的生物毒性的化合物在生物炭中的低浓度而引起的毒物兴奋效应.Julie对增加不同量(0,8,20t.ha-1)的生物炭于哥伦比亚大草原氧化土(热带地区高度风化和淋溶的土壤)中,跟踪研究玉米-大豆轮作的情况.通过4年(2003–2006)的种植发现,玉米在生物炭加入量为20t.ha-1的地块中,在第一年玉米的产量无显着变化,在后面三年中玉米的增产量分别是28%,30%,140%,同时如Ca,Mg等营养物质的利用率都有显着的提高,土壤的pH提高了,同时可交换酸度减少.

是什么原因导致了当生物炭介入土壤时各种作物都表现出很好的生产力.此方面有也科学家对生物炭的介入改变土壤肥力等进行了研究.Ding等研究了竹炭的吸附性能以及竹炭在不同深度的土壤中对氮的滞留情况.通过实验,在土层深度为20cm时,因竹炭的加入可以减少15.2%的NH4+-N的流出损失,结果表明竹炭对NH4+-N通过阳离子交换的作用吸附显着.由此可以猜想竹炭的加入可以增加土壤中化肥的利用率.David等应用生物炭来改善热带风化土壤的质量和减少营养成分流失.通过实验得到,在添加的生物炭比例越高的土壤中,营养物质N,P,Mg和Si的流失量就越小,如在20gkg-1的土壤-生物炭环境中,总N和总P的流失率分别减少11%和69%.由此研究可知,将生物炭应用于热带风化土壤中防止营养物质的流失是可行的.David课题组还对生物炭修复美国中西部土壤进行了研究,结果为生物炭的加入,改变了土壤对总氮,有机碳,P,K,Ca,Mg的储存,从而改变土壤的质量,提高美国中西部土壤的肥力.

科学家普遍认为土壤-生物炭体系可以提高农业生产率.他们研究结果90%证实土壤-生物炭体系能显着增加农作物产量,同时Lehmann和Rondon也指出,这一结果依赖于生物炭的使用量,植物生产力有20%~220%的增幅.Blackwell等认为,这一研究并不能通用到所有的植物和土壤,比如目前的研究并不包括草地,灌木,树木以及热带多年生作物会有同样的效果.

由此可见,在土壤中加入生物炭激发了众多科学家的兴趣,近年来生物炭的加入对土壤的基本性质,营养物的影响以及对农作物的影响均有研究成果呈现.从这些研究结果中不难得出生物炭的加入对土壤的质量及肥力均有非常重要的意义.那么,生物炭的加入,会对污染土壤中的污染物质有怎样的影响是否有利于土壤的可持续利用土壤中污染物的生物可利用性情况又如何这是犹如生物炭可通过碳封存作用改变气候变暖一样重要的科学问题因此生物炭掺入土壤中,会对土壤中的污染物迁移转化起怎样的作用将是土壤修复的新研究热点目前,虽然有众多科学家认为采用生物炭的方式将碳长期封存在土壤中来应对令人担忧的全球气候变化,但是对于生物炭-土壤系统中污染物的迁移转化规律的认识却比较缺乏,对土壤中加入生物炭对污染物的影响也有少量的研究.在这一类研究中,一部分成果表现在生物炭与污染物之间的作用机制,比如陈宝梁等制备出三种有磁性的生物炭材料,并采用其制备的磁性生物炭材料处理废水中的混合有机物和磷酸盐,结果表明,带磁性的生物炭比非磁性的生物炭具备更强的吸附能力,磁性生物炭材料对有机污染物和磷酸盐的污水处理有良好的作用.Cao等采用奶牛粪便在200℃和350℃下制备生物炭用于对Pb和阿特拉津杀虫剂的吸附.该生物炭对Pb的吸附遵循Langmuir-Langmuir吸附模型,对阿特拉津的吸附是该农药被生物炭吸附的同时进入有机相,当Pb和阿特拉津同时存在时,相互之间的竞争很小.这样的研究结果表示奶牛粪便制备的生物炭对金属和有机物都有很好的吸附.在污染物-生物炭作用研究中,还缺乏更多的成果呈现,对多种污染物同时与生物炭的作用机制的报道也很缺乏.

那么污染物在生物炭-土壤体系中的情况又是如何在土壤耕作过程中大量使用杀虫剂等环境污染物,在生物炭使用后,土壤中的杀虫剂将会发生怎样的迁移转化过程,是否有利用农业的生产应着这样的疑虑,科学家们也有相应的研究成果呈现.有研究者对生物炭掺入土壤后,土壤中的温室气体的产生情况和两种杀虫剂莠去津和乙草胺的去除情况进行研究,结果表明,在不同比例的生物炭-土壤系统中,温室气体CO2和CH4的排放明显减少,对重量比小于20%的生物炭-土壤系统中N2O也是大量减少排放,生物炭的加入,增加了生物炭-土壤系统对莠去津和乙草胺两种杀虫剂的吸附,可以减少耕作过程中杀虫剂的使用量.这样的研究成果表明,生物炭掺入土壤,无疑是改善温室气体排放,封锁碳的重要策略,也是不会给土壤的生产造成不良影响.陈宝梁课题组还采用松针生物炭对土壤中的多环芳香烃(PAHs)进行修复,该研究采用不同热解温度(100℃,300℃,400℃,700℃)生产出系列的生物炭,并应用于稻田土壤中PAHs的吸附研究,得到了生物炭对PAHs有良好吸附效果的结论.Yu等将木屑生物炭用于土壤中,研究该土壤系统中毒死蜱和虫螨威两种杀虫剂对洋葱的生物可利用性.结果表明,随着生物炭比例的增加,两种杀虫剂的流失量也随之增加(达到86~88%,35天),虽然杀虫剂在生物炭-土壤中保持较高的水平,但是洋葱植株内杀虫剂的浓度却随生物炭比重的增加而减少,减少的比例可达10%(毒死蜱)和25%(虫螨威).也有研究者对五氯苯酚,三嗪类杀虫剂在生物炭-土壤系统中的作用就生态毒性等进行了研究,这些研究成果展示了,生物炭对土壤原位修复中对有机物的生物可利用性具有重要的意义.

随着环境问题的多样化,严重化,众多的农业生产污染物进入土壤,威胁着土壤利用的可持续性和农作物的安全性.在无机物污染土壤的研究过程中,有部分研究者开始关注生物炭的使用会对土壤中无机物的迁移转化起这样的作用.Minori等连续发表两篇文章报道了在生物炭修复土壤中Cu的吸附等温线及阳离子的释放.他们在研究中发现,Cu的吸附等温线在不同的土壤类型中表现各不相同:在粘土,SanJoaquin碱性土壤中,生物炭对Cu有显着的吸附能力,在侵蚀土壤,Norfolk酸性肥沃土壤中对Cu的吸附能力很弱.采用核桃壳制备的酸性活性炭和生活垃圾制备的碱性生物炭在Norfolk酸性土壤中对Cu的吸附好于SanJoaquin碱性土壤,吸附能力显着增加.在Norfolk酸性土壤中,酸性活性炭的加入可以通过离子交换的机制能增加对Cu的吸附,减少H+,Ca和Al的吸附.在SanJoaquin碱性土壤-生物炭体系中,因Cu与土壤以及生物炭表面的电负性发生静电作用,灰分的吸附,Cu与生物炭材料上配位基团的π电子的配位作用及沉淀作用而使Cu滞留.他们还发现从粘土,SanJoaquin碱性土壤中,生物炭对Cu有显着的吸附能力的情况,在侵蚀土壤,Norfolk酸性肥沃土壤中对Cu的吸附能力很弱.核桃壳制备的酸性活性炭和生活垃圾制备的碱性生物炭被用于重金属在降雨而产生的滤液毒性实验,生物炭减少了Cu的吸附-解吸附的滞后作用,如果没有酸性活性炭存在下使用pH值为4.9的缓冲溶液就可获得Cu滤液.溶解性的磷和锌溶液的吸附-解吸附平衡被获得,并且显示在酸性的溶解及粒子状态下,Cu和其它吸附的元素将被同时释放出来.相比之下,在只增加了碳或者土壤(SanJoaquin土壤)保持一定数量的情况下,S和K将因为表面交换而被耗尽.在增加了酸性活性炭的土壤中Al和原有的Cu之间有固定的平衡浓度.在碱性生物炭中阳离子的交换机理尤为重要,可溶性的Al2O3不会被交换出来.该课题组还对生物炭老龄化会对土壤的修复有何影响展开了研究.生物炭老龄化主要表现在环境污染物的吸附尤其是对天然有机物(NOM)的吸附以及氧化作用.该课题组研究了在有NOM有没有羟基的条件下,采用垃圾制备的生物炭和活性炭对碳化的承受能力.对于因氧化而老龄化的问题,作者采用了磷酸活性炭在活化过程中的耐受程度分析.结果为生物炭的有机基团和NOM的多羟基能够锁定碱性土壤中的Cu(II).采用350℃制备生活垃圾的生物炭有利于提高所有重金属的吸附.这一结果比磷酸活化的活性炭的吸附效果更显着.在溶液中总硫的比例在生活垃圾生物炭修复的土壤中被减少,但是在磷酸活化的核桃活性炭中就不行.Hartley等人将绿色废弃物(GWC,30%v/v)或者生物炭(BC,20%v/v)添加入三种不同的棕色土壤中,并种上芒草.结果发现在GWC中农作物叶面的As的含量变化作用很小,而As在根和茎的含量变化在三种土壤中各不相同.土壤孔隙水中溶解性C的含量的增加也会影响Fe和As的迁移.而BC的实验结果不好,没有如上的现象.将这两种材料添加进土壤,对溶解有机碳(SOC),Fe,P和pH的影响可以判断As渗漏进入地下水的状况.

纵观现有关于生物炭用于土壤生产的研究成果,揭示了生物炭乃是碳循环有效的固碳策略,同时也对土壤质量,肥力及生产力有促进作用.但是对于生物炭作为土壤的原位修复材料,研究成果较为缺乏,土壤原位修复能力和机制尚不够清楚,因此也就为本项目提供了重要的立项依据,完成生物炭对矿区污染土壤中重金属锁定机制的研究.

要着重强调的是,在以往所做有关生物炭对土壤中污染物作用研究工作中,并没有深入探讨众多重金属混合与生物炭-土壤系统作用的机理.而且,自然环境条件(如降水,pH,湿度等)下,土壤对重金属的作用机制,土壤与生物炭之间的作用机制以及土壤和生物炭对重金属的竞争作用等,这些问题还有待解决.这也是本项目的立项理由.

综上所述,生物炭对矿区污染土壤中重金属的锁定机制研究是生物炭广泛介入土壤实现碳封存和土壤原位修复的重要组成部分.研究生物炭进入土壤对重金属污染物的迁移转化机制,对于深入生物炭对全球碳循环的贡献研究是必不可少的.然而,生物炭掺入土壤会对土壤中重金属污染物的迁移转化和稳定等环节的定量关系如何还不清楚,特别是生物炭老化过程以及生物炭对重金属污染土壤中的多种重金属的锁定机制的竞争关系缺乏研究.因此,探讨模拟自然环境条件下的重金属迁移转化条件,揭示生物炭在土壤原位修复的作用机制,可为矿区重金属污染土壤的原位修复策略提供科学依据.


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不同结构尺度红层岩土水稳定性机理研究

郭永春*(地学学院)

红层在我国分布面积约82万km2,西南,中南,西北地区分布广泛.通过对铁路,公路,水利水电,建筑等38个不同工程期内红层岩土工点的调查分析,在红层地区边坡,地基,洞室工程中,红层岩土由于水稳定性差,崩解软化,快速风化,翻浆冒泥,膨胀变形,渗流破坏等工程地质问题在施工,运营等工程期内尤为突出.根据铁路工务部门统计:由于排水不良造成的路基病害占各类病害总和的37.3%,与水的危害有着直接或间接关系的基床病害占各类病害总和的22.5%.国家中长期铁路规划通过西南红层地区总里程约有3157公里,边坡,路基,洞室等红层岩土工程中的"水稳定性"问题不可避免.

研究表明:水是工程期红层岩土工程安全持续性影响因素之一,贯穿整个"工程生命周期",其影响具有隐蔽性,持续性,周期性,滞后性等特点,水对红层岩土的工程影响,只能按照既有工程经验模糊折减设计施工参数,进行力学稳定性评价,没有突出水对岩土工程的深刻影响,导致不安全隐患和经济效益的损失.工程实践亟需有效判断和评价红层岩土"水稳定性"的系统方法.

特殊岩土工程实践研究成果,尤其是膨胀性,崩解性,软化性,湿陷性,冻胀性,溶解性,胶结性,分散性,侵蚀性等水岩相互作用现象充分说明了水的存在和演化对岩土体工程性能产生了重要的影响,水在各种特殊岩土性质变化机理中起着至关重要的作用,是控制各种特殊岩土性质变化的序参量.京九铁路季节冻土边坡水稳定性评价,遂渝铁路客运专线红层岩土水稳定性评价,遂渝铁路路基基床水泥土水稳定性评价和湘耒高速公路软岩填料水稳定性评价等特殊岩土工程实践提出了系统开展"水稳定性"研究的迫切需要.

水作为强大的地质营力,参与了宏观到微观范围内的各种地质作用和生态—环境过程,水稳定性现象是普遍存在于各种岩土工程之中的水岩相互作用问题.关于水岩相互作用的理论研究很多,虽然其研究的重心在于水岩相互作用本身,但都不同程度的强调了水对岩土体工程性能的影响,为系统开展岩土"水稳定性"研究奠定了理论基础.

水以大气降水,地表水,地下水等形式与红层岩土等区域性分布的岩土体发生侵蚀,淋滤,洗刷,冲刷,蒸发,渗流,溶蚀相互作用,改造红层岩土体地层结构,岩体结构及其岩性组合,导致边坡,地基,洞室,基坑,堤坝,沟渠等红层岩土工程产生滑坡,崩塌,泥石流,沉降变形,风化剥落,翻浆冒泥等变形破坏形式,呈现典型的区域性,季节性,周期性,滞后性的发生发展规律.各类地质问题稳定性,安全性,危险性等研究成果重视水对岩土体工程性能的影响,但多是将水的因素作为经验系数,将岩土工程参数进行折减,以保证工程安全,在形式上,仍然是以"力学稳定性"分析为核心,对水的持续性,隐蔽性,周期性,滞后性影响估计不足,没有突出水对岩土工程安全的系统影响.

水以结合水,毛细水,重力水,固态水等形式与细观岩土结构,矿物成分发生相互作用,导致矿物成分流失,细观结构变化,引起岩土体细观工程性能的劣化,导致工程安全问题.在细观尺度上岩土体的膨胀,崩解,软化,收缩,冻胀,融沉,湿陷,溶蚀,分散,渗流,盐渍等特性突出了水岩相互作用的细观机理,通过结构变化的形式导致岩土体工程性能的变化,细观变化的积累,导致宏观问题的产生,影响工程安全.软化系数,崩解指数,胶结系数,灵敏度,分散度等工程参数,充分表达了细观岩土结构与水的相互作用程度.工程实践中将这些参数融入力学评价体系中的多为经验参数,没有突出水对岩土体稳定性的深刻影响,因此,可以探索建立岩土体水稳定性评价方法,弥补力学稳定性分析的单一性,完善工程稳定性评价体系.

细观分析的关键集中在岩土体结构特征的变化上,而物质成分的水稳定性问题却是所有问题发生的最本质的微观过程.在微观物理化学尺度上,水与岩土中的矿物成分发生物理化学相互作用,水化,溶解,氧化,腐蚀,还原等破坏关键物质成分的基本物理化学结构,导致岩土体最根本的物质结构的破坏,具有隐蔽性,持续性,滞后性等特征,具有显着的时间效应,随着时间的积累导致细观性能的变化,进而引起显着的变形破坏.可以应用地球化学,化学热力学,岩土工程化学,粒子能场理论等物理化学理论,探索水稳定性问题发生的必然性和发展趋势,构建岩土体水稳定性的基本物理化学过程,阐明岩土体水稳定性发生发展的本质机理,建立关键物质成分水稳定性系统分析方法.

水是风化作用过程中重要的环境因素,冰劈作用,冻融作用,碳酸化作用,氧化作用,水化作用,溶解作用等风化作用都是在水的持续性影响下发生的地质过程,水对岩土体生命周期产生了重要的影响.风化作用可以在建设工程生命周期全过程发生,进而影响岩土体工程耐久性,而水正是岩土耐久性分析中持续性影响因素之一.

有效应力原理在形式上通过公式把孔隙水压力和有效应力联系起来,阐述了岩土,水,力三因素的有机联系,非饱和土土力学的建立,把"土-水"特征曲线放到了突出地位,尤其是土中吸力问题,成为非饱和土研究中的核心问题.相对完善的力学稳定性分析方法和指导思想,对水稳定性分析具有重要的指导和借鉴意义.在系统研究岩土体力学效应的同时,孔隙水压力,孔隙水压力系数,灵敏度,界限含水量,孔隙比,饱和度,土-水特征曲线,土体吸力等岩土参数也强调水对其力学效应的重要影响,尤其是岩土体力学参数随含水量和不同岩土结构变化规律的研究成果极为丰富,"水稳定性"思想蕴含在土力学原理之中.

虽然既有各种理论中蕴涵水稳定性思想,为进行水稳定性研究提供了理论可能性,但其仍然是相对独立的分布在各自的理论体系中,还没有形成关于岩土体水稳定性系统分析方法,也就是说结合红层岩土水稳定研究,整理和归纳上述理论中蕴涵的水稳定性思想,系统阐述岩土体"水稳定性"机理是项目研究中亟需解决的基础理论问题.

基于既有研究成果,对比红层岩土遇水前后结构性能的变化,在宏观层次上,结合滑坡稳定性,泥石流危险性,崩塌稳定性,地面沉降等工程评价参数中水影响参数的考虑,建立岩土体水敏性方程,判断宏观岩土体水稳定性发展趋势,在细观上,研究膨胀力,软化系数,胶结系数,崩解指数,分散系数等特性参数变化规律,判断细观岩土特性水稳定性程度,在微观上,基于物理化学,化学热力学,地球化学等基础理论,分析红层岩土水稳定性发生的必然性和方向性,建立关键物质组成的水稳定性分析函数或水敏性方程等从宏观到微观多层次水稳定性分析问题成为项目研究中的重要内容.

水稳定性问题不仅仅在于水的影响,还在于岩土结构和物质成分的影响.岩土结构和物质成分不但是"力学稳定性"分析的基础,同时也是"水稳定性"分析的基础.物质成分是岩土体工程性能的物质基础,岩土结构具有显着的尺寸效应,深刻影响着水稳定性宏观发生机制和微观发生机理.结构本构方程,特殊岩土的结构性,岩土体性能微观结构机理,岩体结构等问题都强调重视岩土体结构性能的研究,才能深刻理解岩土体性能变化的根本原因.因此,开展岩土体水稳定性研究还必须重视对岩土结构和关键物质成分的研究.

岩土体与水相互作用必然导致岩土水稳定性的变化,问题的根本不仅仅在于水稳定性发生的机理,更在于水岩相互作用的必然性和工程期发展趋势对工程长期安全的影响,问题的关键不仅仅在于水岩相互作用程度大小,更在于水稳定性系统分析与量化评价对工程安全建设的指导意义.

因此,考虑建设工程生命周期全过程,深入开展水稳定性机理与工程评价研究,以西南地区广泛分布的红层岩土为研究对象,以岩土工程安全为目标,以岩土体结构为核心,以(岩)土,水,力三因素协同作用为关键,将与水有关的各种独立研究成果联系起来,总结各种水稳定性现象发生发展趋势,建立从宏观到微观多层次岩土体水稳定性分析体系,有利于形成系统性,整体性的工程分析和判断,为特殊岩土量化评价与分类治理提供理论基础,有利于突出水对特殊岩土工程安全的深刻影响,形成以"力学稳定性"分析为主和"水稳定性"分析为辅的特殊岩土"工程稳定性"系统分析体系.

强震作用下大型古滑坡体变形破坏机理研究

胡卸文*(地学学院)

汶川"5.12"大地震(Ms等于8.0)不仅在地震影响区内产生大量的崩塌,滑坡地质灾害,而且在整个核心区内因强震触发形成的大型高速滑坡堵江形成114处堰塞湖,通过震后对强震区诱发的大型高速滑坡堵江现象调查显示,本次强震触发并堵江形成堰塞湖的大型高速滑坡基本均属岩质滑坡,而位于地震核心区内原有大型古滑坡体未见一例发生整体下滑,只是在局部陡缓交界部位存在震动裂缝或发生局部坍滑,如北川唐家山堰塞湖库区马铃岩古滑坡,紫坪铺近坝左岸古滑坡以及汶川县城青土山古滑坡等,均存在上述变形破坏现象,这与常规认识存在很大差异.即强震下为何大型古滑坡体均能基本保持整体稳定,而未发生一例古滑坡体高速下滑的堵江事件

位于北川县唐家山堰塞湖库区的马铃岩大型古滑坡属基岩切层老滑坡,由于其位置特殊(距唐家山堰塞体上游4.6km),在唐家山堰塞湖抢险过程中其稳定性备受世人瞩目.该古滑坡体滑床岩性为志留系上中统茂县群S2-3mx1-2灰色千枚岩夹砂质灰岩,滑坡分布高程665~1047m,纵向(主滑方向)长650~770m,横向宽600~750m,厚41~58m,面积约45.6万m2,方量约1650万m3,整体呈圈椅状地貌,地形总体坡度20°,靠通口河上游侧为35°~40°,坡面发育3级平台,滑坡后壁,后缘滑坡洼地,两侧剪切带(已发育为冲沟)和前缘剪出口均较明显.滑坡体后缘张拉裂缝大部分已被崩积层所覆盖,但在滑坡后缘平台的中部保留有最宽约10cm的"V"字型张拉裂缝.

分布在紫坪铺水利枢纽工程坝前左岸葫豆坪至灯盏坪一带的大型古滑坡体,距离震中映秀镇仅4km,该堆积体距紫坪铺大坝仅618m,距右岸引水隧洞进口最近处仅250m.堆积体顺坡长1600m,沿河宽300~870m,平面面积约1.0km2,总方量达3500万m3~4500万m3,其稳定性直接关系到大坝等工程的安全运行.

古滑坡体前沿窄,向山内变宽,地貌上为围椅状地形,由几个不同高程的平台和连接它们的斜坡构成,主要平台如观音坪1110~1150m,白庙子1000~1040m,灯盏坪960m,葫豆坪800~820m,地形相对较缓,一般20~30度,而后缘 基岩陡峻达40度以上.椐早期勘探揭示,古滑坡体由块碎石夹粘土,块碎石土和粘土夹块碎石组成.块碎石成分为近源物质,主要由灰岩,白云质灰岩组成,含细粉砂岩和少量辉绿岩.在紫坪铺大坝施工过程中,为了确保滑坡体前缘稳定,在其前缘利用施工围堰实施了压重处理.

地震后调查表明,尽管受到8级地震(地震烈度达到近9度)作用,该古滑坡体整体稳定,仅在前缘890m高程公路以下出现了4处小规模的坍滑和1处地表变形,坍滑宽度小于30m,地表变形位于890m公路靠下游外侧,可见长度约30m,最大震动裂缝宽度约50cm,下错约20cm,可见深度约1m.此外在950m左右高程公路和980m左右高程公路上可见3处路面有剪切破坏现象,造成路面局部破坏.其它部位未见有变形破坏现象,堆积体处于整体稳定状态.

位于阿坝州汶川县城西北部的青土山古滑坡也具类似特点,古滑坡平面形态呈舌形,纵向长260m~500m,横向宽150m~320m,滑坡面积9.62万m2,总体积240.5万m3.据已有勘探资料及野外调查,滑体以千枚岩质粉质粘土夹碎石,角砾为主,但在不同的部位其成分稍有差异.据调查20世纪60年代初,青土山古滑坡曾发生变形,原汶川县招待所食堂,县 中队营房,县公 和县人民政府办公楼,受到不同程度的损失,茂汶公路(国道213线)路基亦受损.2003年雨季,青土山滑坡再次发生变形,滑坡前缘部队操场地面及G213国道线近60米道路隆起,滑坡体上也出现多处裂缝.换言之,"5.12"地震前的青土山滑坡一直处于缓慢蠕变之中,地震后,处于蠕变的古滑坡体并未出现整体快速下滑趋势,也未出现大变形滑移,只是表现出坡体上原有裂缝有加宽加深迹象,并在陡缓交接局部也出现新的地震裂缝.

上述现象说明,就大型古滑坡堆积体而言,强震作用并未触发其整体滑动,更不会出现高速滑动乃至堵江现象,这与常规认识存在较大差异,一般认为,松散堆积体斜坡(含古滑坡)的复活主要受控于两大因素:一是水的作用(暴雨或河道水力条件改变),二是地震作用.水的触发效应已经得到公认,但强烈地震是否会诱发古滑坡复活,在汶川"5.12"特大地震前的一般认识是肯定的,而实际上目前对松散堆积体(含古滑坡体)的稳定性分析计算也是按上述因素分别考虑的,只是在施加地震力时进行了简单化的概化处理,而地震时古滑坡体对地震动力响应机制到底如何并未揭示清楚,就是在目前的滑坡体治理工程设计中,也常将暴雨等水作用工况作为设计工况,而将地震作为校核工况.

但是汶川"5.12"特大地震所诱发的大量崩塌,滑坡地质灾害,显然改变了上述看法,即"强震诱发古滑坡体整体复活并高速下滑的可能性小",那么造成这种现象的根本原因是什么据申请人初步研究显示,这与古滑坡体的特殊地形地貌,地质结构,古滑动面倾角大小等因素密切相关.因此本研究以唐家山堰塞湖库区马铃岩古滑坡,紫坪铺近坝库区左岸古滑坡和汶川县城的青土山古滑坡等为原型,通过实地勘查及滑体,滑带土室内动力学参数试验,采用室内物理模拟和数值模拟方法,系统开展大型古滑坡强震作用下动力响应机制研究,在此基础上揭示其变形破坏机理,对丰富和完善古滑坡动力学的理论与实践具重要意义.

地震诱发滑坡虽然发生频度低,但一旦发生,造成的灾害程度往往非常巨大.D.K.Keefer对全球诱发滑坡的震例研究结果表明,地震滑坡无论在诱发规模,面积还是造成的灾害损失方面,是其他因素诱发滑坡不能比拟的.地震作为一种诱发因素,其作用强度远比降雨或重力诱发因素强烈.发生在我国山岳地区的一些地震表明,强烈地震诱发的次生灾害,其危害比地震直接造成的损失还要大,如美国LomaPrieta地震触发边坡破坏达1300处,影响范围15000km2,意大利Umbria-Marche地震影响范围到达1000km2,引发近千处滑坡.在我国,云南通海M7.8地震,造成大量的滑坡灾害,滑坡影响面积为85km2,四川炉霍M7.6级地震诱发各种规模滑坡137处,滑坡面积达90km2,台湾集集M7.3级地震诱发多处滑坡,导致滑坡崩毁的面积占台湾岛总面积3%,而2016年的"5.12"汶川M8.0特大地震,触发不同规模的滑坡数万起,具有危害的6000余起,形成近百个堰塞湖,导致大量人员伤亡和财产损失.

1地震滑坡特性和类型

陈国顺根据山西地震带中多处滑坡的滑动面倾角大小,提出振荡式及触发式滑坡两种类型的滑坡:振荡式滑坡的滑动面倾角小,因而滑力来源于强震振动.而触发式滑坡的滑动面倾角大,因而滑力来自滑体本身静荷载.孙崇绍通过我国历史地震中有关地震引起的崩塌,滑坡的记载,研究了各种类型的地震地质灾害和地震强度,当地的工程地质条件以及周围环境的相关性.

2关于地震滑坡机理研究

2.1地震滑坡空间分布规律及其控制因素

2.1.1空间分布规律

国内外众多专家Keefer,Khazai,Sato,黄润秋等通过地质统计学的方法分析了地质条件与滑坡分布的相互关系,其中包括发震断层或者地表破裂带的距离地表破裂带的运动情况地层序列坡度坡高坡体结构等震圈闭线等.殷跃平指出汶川地震诱发大型,特大型滑坡数百处,崩塌在 断裂带附近沟谷几乎连片,难以统计具体数字,70%以上的中大型及超大型崩滑体密布于龙门山 断裂(映秀~北川断裂)带及其附近.魏欣以汶川地震极重灾区涉及的四川12县市为研究区域,对汶川地震诱发高速滑坡的空间分布规律以及高速滑坡的滑程,剪出口高程,滑坡前后缘高差等几何要素做了分析研究.

祁生文等通过分析12个汶川极重地震灾区的地震滑坡分布,揭示地震滑坡的空间分布密度取决于距离发震断裂的距离和斜坡坡度,与发震断层的距离呈负指数关系,与斜坡坡率呈正相关关系,岩性,绝对高程,坡向对地震滑坡的分布密度影响很小.

2.1.2控制因素

Keefer和Richter较早研究了区域地震崩滑的特点,给出了地震触发崩滑的最小震级和烈度,以及震级和地震滑坡区域面积的相关性公式.意大利科学家也做了类似的工作,Prestininzi等对意大利从公元前461年到1992年间的地震目录进行了分析,给出了地震烈度与地震滑坡之间图形关系.Papadopoulos等根据1000年到1995年希腊境内的47个地震事件(MS等于5.3~7.9),统计出了地震滑坡与震中距的关系.在我国,根据《中国地震目录》及其他主要地震目录,记载了34例发生在5级地震以下的边坡崩滑事例,记录的最小地震为4.0级.孙崇绍等对中国历史地震资料(1500~1949)进行统计后表明,地震引起的滑坡灾害多在5级以上的震区,6级以上的震区内崩,滑的数量显着增大.

李天池根据我国区域地质和地貌条件的特性,给出了我国西南,华北和西北地区单个地震Ⅶ度以上烈度区的滑坡面积和震级的关系.周本刚通过对西南地区1970年以来的MS>,6.7的11次地震的分析统计,认为一般在Ⅵ度区内不存在产生新滑坡的现象,即产生新滑坡所需的最小地震烈度为Ⅶ度,而诱发震前稳定的老滑坡,所需的最小地震烈度为Ⅵ度,要比产生新滑坡低一度.辛鸿博等通过对边坡崩滑的Ⅵ度区面积进行计算分析,得到边坡崩滑区的面积随着震级的增大而增大.

3地震滑坡机理

查阅国外关于滑坡机理相关研究成果显示,最近30年来,国外最着名的滑坡研究成果主要有三项:1)1984年加拿大地质调查局的Eisbacher和Clague编写了专着《高山地区破坏性的块体运动:灾害和管理》,分5个专题论述了山区的地质灾害和防范措施,2)2001年Erisman与Ger-hard在专着《岩滑和崩塌动力学》中,研究了崩滑失稳,解体,运动的实例与机理,3)2002年Evans与DeGraff编辑的《灾难性滑坡:效应,发生与机理》论文集出版,书中论述了当前世界范围(包括中国洒勒山滑坡在内)最有影响的16个灾难性高速崩滑(碎屑流)事件的运动过程和形成机理,是关于高速崩滑(碎屑流)研究的重要阶段性总结.

在地震滑坡研究方面,国内研究也空前繁荣,张缙提出了高速滑坡的启动机理,指出峰值强度与残余强度差别越大,滑体势能越大,并可转化为动能,同时指出运动路程(线)对运动速度与距离的影响.郭崇元提出了超大型滑坡速度的计算公式.方玉树对超大型滑坡动力学问题进行了详细地论述与分析.王兰生提出高速滑坡启动的"平卧支撑拱"机理,并对高速滑坡-碎屑流进行了深入地阐述和分析.晏同珍等对滑坡的形成机理,高势能滑坡的滑程进行了深入分析和研究.胡广韬等通过对滑坡营力因素的历史转化性,滑坡动态阶段的差异性,滑坡形成位置的选择性,高速滑坡的多级冲程与多序次,高速滑坡的冲程剧动与行程高速的研究等,提出了有关"滑坡动力学"的20余项关键性理论.王思敬,王效宁专门分析了高速滑坡运动全过程的能量变化.黄润秋,王士天,张倬元提出斜坡岩体高速滑动的"滚动摩擦"机制.张佳川,卢万年应用空气动力学中的机翼理论分析了高速滑坡体在空气中滑行的规律,在理论上定量地分析了"空气动力擎托"的机理,提出了滑坡远程运动中滑坡速度及滑程的预测公式.徐俊龄提出高速滑坡形成的"闸门效应",并讨论了高速滑坡的基本类型.陈自生对沟谷型滑坡的流态化问题进行了分析.王效宁研究了滑坡体中滑带温度场的变化规律,讨论了温度与滑动速度的关系.程谦恭,彭建兵,胡广韬等详细研究了剧冲式高速滑坡变形,破坏,失稳剧动,高速飞行,碰撞解体及冲击成坝的动力学机理.钟立勋基于洒勒山滑坡,溪口滑坡,头寨沟滑坡的调查研究,提出"崩滑灾害形成的相似性".王家鼎,张倬元对典型高速黄土滑坡群进行了系统的工程地质研究,提出了地震诱发高速黄土滑坡的机理-黄土体解体,斜抛和粉尘化效应,王家鼎,白铭学,肖树芳分析了强震作用下低角度黄土斜坡滑移的机理.南凌,崔之久基于西安翠华山高速运动的古崩塌性滑坡体,将其平面堆积体划分为 相带,边缘相带,抛掷相带,气浪溅泥相带和特殊的残留相带,分析了崩塌体的运动和动力学特性.黄润秋对几类典型的大型岩质斜坡变形及失稳机理进行了深入地分析,阐述了大型滑坡形成的"滑移-拉裂-剪断","挡墙溃决","超级强夯"等模式的发生机理.李忠生,胡广韬,彭建兵对地震动作用下黄土滑坡的稳定性动力学机理进行了细致的分析和研究.

4关于边坡地震稳定性评价方法

由于地震力等动力荷载的特殊性,地震荷载作用下边坡的稳定性分析方法与边坡的静力分析方法有很大的区别,主要体现在:(1)边坡地震反应分析方法的研究,即如何在边坡岩土体中考虑地震动作用,(2)边坡岩土体的动力特性和强度准则及参数测试的研究,这是实现边坡地震反应分析数值模拟的关键,与(1)共同构成了边坡地震稳定性分析的基础,(3)边坡地震失稳机理与失稳位置的研究,(4)边坡地震稳定性评价方法,(5)边坡地震稳定性评价指标与安全标准的研究,即工程应用的标准,(6)边坡输入地震动的研究,(7)边坡地震稳定性评价指标的计算精度,即边坡地震稳定性评价指标的可靠性等.

关于岩土边坡地震稳定性分析方法,Kramer将边坡地震失稳分为惯性失稳和弱化失稳两类,并且把惯性失稳的分析方法归纳为拟静力法,永久位移法,Makdisi-Seed法和应力分析法,把弱化失稳归纳为流动破坏分析法和变形破坏分析法.刘立平等将边坡地震失稳分为惯性失稳和衰减失稳两类,并把惯性失稳的分析方法分为拟静力法,Newmark滑块法,有限元方法及概率分析法等,把衰减失稳的分析方法有流动破坏分析法和变形破坏分析法等.祁生文将边坡地震稳定性评价方法归纳为:拟静力法,有限滑动位移法,Makdisi-Seed简化分析法,剪切楔法,概率分析方法以及数值方法.以上几种分类基本代表了国内外对岩土边坡地震稳定性评价方法分类的主流.

而刘红帅等则认为,从地震作用下是否考虑边坡岩土体参数不确定性的观点来看,岩土边坡地震稳定分析方法可分为确定性方法和概率分析方法两大类,从边坡稳定性计算中对地震动作用的不同处理方式来看,岩土边坡地震稳定性分析方法宜分为拟静力法,滑块分析法,数值模拟法和试验法四大类.

5关于地震作用下松散堆积体边坡稳定性

杨庆华应用基于离散单元法理论的二维颗粒流数值模拟程序,探讨了松散堆积体在地震诱发作用下的崩塌过程与规律.佟海宁运用动力有限差分数值分析法,提出松散堆积体边坡地震成灾模式与防治对策.汪贤良通过对漩口镇集中村堆积体边坡,在汶川地震前后变形特征和稳定性分析,得出强震作用下坡体表面监测点加速度相对场地输入PGA来说有缩小现象,低高程处监测点加速度缩小现象比高高程处加速度缩小现象要明显一些,表明深厚覆盖层堆积体可以吸收地震波的能量,并很好地解释了在如此强烈的地震荷载作用下堆积体边坡没有失稳的原因.谢红强结合金安桥水电站B20堆积体边坡工程实例,采用非线性动力有限元法,研究了复合堆积体边坡地震动力响应特征.董志高,吴继敏等采用反应谱法考虑地震作用的动力特性,使用有限元方法,分析地震作用下崩塌堆积体边坡的稳定性,胡卸文采用剩余推力法,对震后位于唐家山堰塞湖库区马铃岩古滑坡体稳定性进行了系统分析和计算,指出地震对大型古滑坡复活主要受控于其地形坡度及微地貌特征,地形坡度40°以上以及由缓变陡的转折部位是古滑坡整体或局部容易被地震触发失稳的充分条件,并非所有的古滑坡体均会被地震诱发而整体复活.同时还分析了唐家山滑坡堵江机制为顺层岸坡结构地震诱发—滑坡体前缘剪切,后缘拉裂—高速下滑,形成气浪,前缘刨蚀河床,对岸阻化隆起—后缘边坡坐落下滑—堰塞堵江,并对唐家山滑坡后壁残留滑坡体的特征,变形破坏机制进行了分析.陈兴长分析了汶川地震滑坡形成的内动力地质作用与外动力地质作用,以及二者的耦合作用.孙萍研究了东河口滑坡碎屑流的高速远程运移机制,认为东河口经历了滑坡启动阶段,重力加速阶段,圈闭气垫效应飞行阶段,撞击折返阶段及长距离滑动堆积阶段5个重要动力过程.殷跃平重点剖析了汶川映秀牛圈沟滑坡碎屑流,北川城西滑坡,青川东河口滑坡碎屑流这三个典型实例,认为滑坡具有岩性破碎,抛掷效应,碰撞效应,铲刮效应,气垫效应特征.

由上述国内外地震滑坡的研究现状与发展趋势,表明对地震滑坡研究主要侧重于新发生的崩塌,滑坡体,且主要集中于岩质边坡触发的滑坡,而对此类研究又偏重于以下几方面:1)地震滑坡分布与发震断裂带,地震震级(或烈度)的位置关系,2)岩质边坡地震触发机理,3)地震触发高速滑坡运动过程,机制等.就是对松散堆积体(含古滑坡)受地震影响的研究也主要集中在动力作用下的稳定性分析计算(且主要采用有限元等数值模拟方法),对强震作用下大型古滑坡体变形破坏机理有所涉及,但正式发表的文献成果很少,除了申请人通过对马铃岩古滑坡,汪贤良通过对漩口镇集中村堆积体边坡稳定性研究,初步揭示了大型古滑坡体的变形破坏机理外,基本上仍认为强震作用触发古滑坡体整体失稳的可能性要高于岩质边坡.而这种认识显然与实际情况差别很大.

胶体污染物对多孔介质吸附能力影响机制的微尺度研究

黄涛*(地学学院)

由于单位质量的胶体有很大的比表面积,胶质不但能像固相基质那样吸附污染物,而且还以类似于水相的速率运移,因而污染物对胶体比对固相基质表面具有更高的亲和性.在一定的地球化学条件下,地下环境中的胶体作为污染物的载体,可以大大地影响污染物运移的净速率.因此研究胶体污染物有很大的工程意义.

通常情况下,胶体是指一些粒径在1nm~10μm范围内的极细的物质颗粒,如粘土矿物,铁铝氧化物,硅酸盐,细菌,病毒和有机大分子等.由于一系列的物理化学作用,当胶体在孔隙介质中运移时,部分颗粒会被介质中的固定部分吸附而沉积到介质表面或孔隙中,这一过程通常称作胶体沉积或过滤.胶体沉积将会改变多孔介质的几何结构和表面性质,从而影响到介质的吸附性能:被吸附的颗粒会对水流产生更大的阻力,导致水头差变大,进而减小整个介质的渗透性能.另一方面,由于影响了水的流动,介质对后续胶体的吸附作用也将受到影响.与此同时,多孔介质中还无时无刻的发生着沉积颗粒的解吸现象.先前研究表明,颗粒的解吸现象往往是由于溶液pH值升高,离子浓度增大或者水流剪切力变大导致的.甚至当上述现象不存在时,由于颗粒在孔隙中的不断集聚而导致孔隙间的流速变大,也会发生颗粒的解吸现象.这是因为随着流速的变大,水流对颗粒的曳力也逐渐变大.当曳力大于介质的附着力时,颗粒将最终脱离介质表面而被流体夹带走.流体拖曳力导致的颗粒脱离的程度是由颗粒及介质表面的静电环境决定的,当处于合适的静电环境下,颗粒的解吸现象可被忽略,反之则需加以重视.由于胶体颗粒沉积导致多孔介质渗透性能降低的现象通常称为堵塞(clogging).堵塞现象往往会对多孔介质中的水流和物质运移产生较大的影响,而这对于诸如污水过滤设施,病原体和污染物在地下水中的运移,石油开采,地下水的原位修复等工程应用是十分重要的.因此,研究胶体颗粒在多孔介质中的运移,沉积和释放过程是很有必要的.

由于污染物在胶体上的吸附强度对运移起着关键作用,所以胶体的组成及性质直接影响污染物的环境地球化学行为.在认识到胶体携带污染物运移的重要性后,国内外诸多学者对以胶体为载体的胶体污染物的形成,运移动力学过程等机理进行了深入研究,取得了一系列的成果:

(1)在地下水中胶体的形成机理方面,McCarthy等通过分析地下水中胶体的成因,稳定性以及控制胶体通过多孔介质运移时的化学和水文因素,认为胶体对地下水中污染物的运移有着很大的影响作用,赵素莲等学者则在地下水中胶体的形成的研究基础上,分析了胶体对地下水中污染物迁移的影响,建立了胶体聚沉与迁移的定量模拟预测模型.

(2)目前研究胶体及其迁移过程多是通过室内实验模拟进行,国内外大量的学者做了不同的研究.Seaman等学者在不同电解液浓度下的室内土柱实验里,对胶体流经多孔介质时的动力学过程进行了模拟分析,Grolimund等通过室内土柱实验证实了饱和多孔介质中的胶体的确促进了强吸附污染物Pb2+的运移,Roy和Dzombak通过不同pH值和离子强度条件下的室内砂柱实验,认为胶体对疏水的有机化合物菲和金属离子Ni2+运移的影响,Liu等通过在强风化岩层填充土柱中淋滤不同强度的Na+,Ca2+,Mg2+溶液,分析在氧化铁环境下,地下水组分和离子强度稍有改变,会对胶体的形成和运移产生重要影响.

(3)在研究控制胶体污染物在多孔介质中迁移的控制因素方面,Corapcioglu和jiang把数学模型预测的结果与室内土柱试验的结果进行对比,认为胶体的捕获和吸附速率强烈地影响着溶质的运移过程,Ren和Packman认为胶体的存在对多孔介质过滤能力有着至关重要的影响,其研究结果表明胶体的吸附能力强烈的制约着污染物的运移,Roy和Dzombak在土柱实验的基础上建立了一个多孔介质中胶体态污染物的运移模型,该模型涵盖了胶体的对流,弥散,沉积和从多孔介质中的释放过程,以及污染物在溶解相与悬浮相,胶体与固相间的均衡等,并对室内土柱试验的观测结果进行模拟,得到了胶体污染物在多孔介质中的动力学过程的控制因素,郭清海等人则分析了在一定重金属离子浓度条件下,溶质的离子强度,土壤胶体表面电位对土壤胶体-溶液界面上Cu2+和Pb2+吸附机制的影响.

砷(Arsenic)是地壳的微量组分,其化合物广泛用于工农业生产和医药.微量的砷可促进人体新陈代谢.但长期饮用含有砷超标的饮用水,微量砷在体内长期蓄积,造成对机体的长期慢性损害.如导致皮肤癌,黑脚病神经痛,血管损伤及坏疽以及增加心脏病的发病率等.自然界中的砷广泛分布于大气,水,土,岩石和生物体中.由于地热等地质活动和人类的社会经济活动,如农药化肥的使用,化石燃料的燃烧,采矿和工业废弃物等,大量的砷被释放到环境中去,从而对大气,水体和土壤造成了严重的污染.而其中富砷地下水是世界诸多国家亟待解决的环境问题,它严重威胁全世界数亿居民的身体健康.在天然水体中,砷的存在形式为H2AsO4-,HAsO42-,H3AsO3和H2AsO3-,微小颗粒形态的砷浓度一般为56mg/L,而溶解状态的砷浓度只有几个μg/L.砷在地下水中主要以砷酸根和亚砷酸的形式存在,因此,地下水中的As(V)更容易被含水介质中带正电的物质,如铁,铝氧化物,针铁矿和水铝矿及水铁矿等吸附.地球上很多地区的含水层中砷浓度高于50g/L,尤其在印度,孟加拉国,智利,中国大陆,中国台湾,墨西哥中部,越南,美国的西南部等.随着pH值的增大,胶体和粘土矿物带更多的负电荷,降低了对以阴离子形式存在的砷酸根的吸附,从而有利于砷的解吸,为地下水中砷的富集创造条件.因而富砷地下水一般都为弱碱性.而氧化还原环境对地下水中砷的迁移和富集也起着非常重要的作用.在氧化环境中,地下水中砷的化合物会被胶体或铁锰氧化物或氢氧化物吸附,但在还原环境中当氧化还原电位达到一定程度时,胶体变得不稳定或对砷有着强大吸附能力的铁锰氧化物或氢氧化物被还原,生成了溶解性很大的更为活泼的低价铁锰离子,吸附在它们表面的砷也随着被释放出来进入地下水中.因此,在采用吸附原理的除砷措施时,应当使得过滤设施处在pH等于4~9的氧化环境中,最大程度的提高去除效率.目前,国内外学者在富砷地下水领域已有一定的研究,并取得了一系列的成果.如:

(1)天然水体中砷的来源及其迁移等研究方面,以智利北部Atacama沙漠地区的Loa河流域为例,该流域的河水被上游的ElTatio地热系统流出的富砷地下水污染,其砷平均浓度达到了1400mg/l.Romeroa等人通过在该河流中采集了多组河底沉积物样品,对其中的砷等主要污染物进行研究,为解决该流域的富砷饮用水问题提供了依据,Park等对富砷地下水中砷的富集环境和来源,分析方法和技术及富集机理等进行了研究.

(2)在饮用水除砷技术方面,郭华明等学者总结了目前富砷地下水的研究进展,分析了含砷饮水对人体的危害,并在传统的混凝沉淀法的基础上提出了活性氧化铝吸附过滤法去除水中的砷.

可以看出,目前国内外对于胶体(或胶体污染物)的研究主要是集中在室内土柱实验和数值模拟实验等中等尺度的范围内.由于缺乏高精度的探测技术,对于胶体在多孔介质中的沉积,释放动力学过程及其控制因素等还不能完全准确的了解,而以胶体为载体的胶体污染物在介质中的物理化学过程仍需要更精确的描述.对于富砷地下水,目前的研究范围主要以发展除砷技术为主,而对于将砷和胶体污染物综合起来研究的报道则更是少之又少.诸多问题的解决,关键在于发展一种高分辨率的探测技术,能够深入到介质内部对胶体污染物的动力学过程进行分析,从微观角度对其机理和控制因素等问题进行研究.作为一项无损三维成像技术,X射线微断层扫描技术(X-rayMicrotomography,XMT)已被广泛用于观测材料内部的三维结构,并能达到微米级的分辨率.根据不同元素的X射线吸收边不同的性质,通过调整X射线的能量对样品进行差异扫描,进而根据样品对X射线吸收系数的突变,可以获得该指定元素的三维分布情况.这种断层扫描技术称之为X射线差异微断层扫描技术(X-rayDifferenceMicrotomography,XDMT).根据砷的X射线吸收边值,利用XDMT技术对含砷样品进行扫描,并通过计算机重建和三维成像技术,可以对含砷胶体污染物在多孔介质中的沉积分布情况进行可视化研究.根据XDMT得到的数据,应用格子Boltzmann法(LB法)求解胶体颗粒迁移模型,在微观尺度对胶体污染物在多孔介质中的动力学过程进行模拟研究.

我们拟以土壤胶体作为砷的载体,研究含砷胶体污染物在多孔介质中的运移,沉积和解吸的动力学过程,并通过分析胶体污染物的动力学过程对多孔介质的几何结构,渗透性能,吸附性能的影响,应用X射线差异微断层扫描技术,从微观角度对其化学,水文等控制因素进行研究,为提高多孔吸附介质的吸附性能和除污效率等方面的研究提供理论依据.

水幕在隧道空间做防火分隔的隔热阻烟作用研究

刘静*(地学学院)

近年来,随着我国经济的快速发展以及隧道建设技术的不断进步,公路隧道,地铁隧道,铁路隧道及跨江海水下隧道等的建设项目与日俱增.它们的建成并投入使用,在缩短行车距离,提高车速,改善交通拥堵,推动地方经济发展方面发挥了积极作用,取得巨大的社会和经济效益.

随着隧道数量及交通流量的增加,隧道消防安全问题也越来越引起人们的重视.由于隧道的相对封闭性,一旦发生火灾并得不到有效控制,将造成重大的社会影响和巨大损失.过去二十多年,世界上发生了几起非常严重的隧道火灾,如1999年3月24日法国与意大利之间的勃朗峰(Mont-Blanc)隧道火灾,1999年5月29日奥地利的陶恩(Tauern)隧道火灾,2001年10月24日瑞士圣哥达隧道火灾等都造成了重大的人员伤亡和财产损失.其中举世瞩目的英法海底隧道(全长51公里),在1996年和2016年分别发生两次大火,给人们留下了深刻的印象和教训.鉴于隧道火灾的危害性,人们普遍认为应该在隧道内采取消防措施以减少火灾的危害.

火灾造成大量的人员伤亡和财产损失,烟气和高温是主要原因.大量的科学研究表明,隧道发生火灾后,在很短的时间内,火灾的热释放速率可以达到一个相当高的值,这些大量释放的热能很可能会对隧道的围护结构和隧道内人员产生灾难性的后果.火灾产生的烟气携带着大量热量,一氧化碳等有毒气体沿着隧道蔓延,造成隧道内缺氧,能见度降低,高温,缺氧,有毒的环境再加上恐慌心理,严重影响受困人员的安全疏散,同时如此恶劣的环境也影响了救援工作的开展.此外,由于炽热气流可顺风传播很远,一旦遇到易燃物即很快燃烧,这样着火点即可从一辆车跳跃到另一辆车,造成二次火灾.如1979年日本坂公路隧道火灾就由于高温烟气在隧道内一上坡处聚集,并引燃了该处的车辆,火灾 有189辆汽车相继着火,圣哥达,勃朗峰,陶恩隧道火灾 有100辆汽车烧毁.

鉴于隧道火灾发生可能造成的灾难性后果和巨大损失,在隧道内开始设置相应的消防措施以期减小火灾的危害,这些措施主要包括烟气控制和灭火两个方面.

隧道火灾烟气的控制,一种常用的方式是采用纵向通风排烟,即通过临界风速控制火灾烟气蔓延,烟气将沿隧道下游纵向流动,通过隧道出口或竖(斜)井排出,能保证上游人员安全.近年来,针对特长隧道又提出了集中排烟方式,现阶段我国水下隧道的上海长江隧道,杭州庆春路过江隧道以及浙江钱江隧道等都采用该集中排烟方式.

目前国内外隧道的灭火设施主要有以下几种:传统的灭火器和消火栓系统,适用于汽油类火灾的固定式水成膜泡沫灭火装置,控制初期火灾和防护冷却火场区域的水喷雾系统,用以控制和扑灭初期火灾的泡沫-水喷雾联用系统.水灭火系统被认为是最有效的灭火设施,它经济,高效和方便,被广泛应用于各种建筑以保护生命和财产安全.但是在隧道内使用水系统进行灭火一直存在一定的争议.如运用水喷淋系统,其耗水量大,容易造成隧道内路面湿滑,促进液体火灾扩大,同时烟气在喷淋水流的作用下,将冲击上升的烟气并降低烟气温度,使烟气出现比较大的扰动,破坏烟气层稳定性,从而影响整个烟气层界面高度,威胁隧道内人员的安全疏散.利用水雾系统或者是近年来呼声很高的高压细水雾进行灭火,虽然可以在一定程度上进行控火冷却,但可能会降低火场的能见度和扰动烟气层界面,进而影响人员的疏散和扑救行动的开展.

鉴于隧道火灾的特殊性及现有灭火设施的局限性,有必要在隧道内开展多种防火措施的研究,建立适合隧道火灾特性的性价比高的防火体系.在建筑内,利用防火分隔构件设置防火分区,可以保证火灾发生时,在一定的时间内把火势控制在一定范围内,以阻止火势的迅速扩大和烟气的肆意蔓延,并为人员,物资疏散和救援工作赢得时间,进而减少和控制火灾所造成的损失.按照传统,利用防火墙,防火卷帘,防火门等对被保护空间进行物理分割虽然在一定程度上可以阻挡火烟的蔓延,但对于存在车流及人流的隧道则不适合,会阻碍交通,影响救援及疏散.

水幕系统由水幕喷头,管路,供水设备和控制阀等装置组成,将消防系统中的高压水喷洒成水帘幕状,用以阻隔火焰及烟雾的蔓延扩大.水幕系统的作用除了进行防火分隔外,还用以冷却防火分隔物,提高耐火性能,部分细微水滴受热蒸发还能消耗带走大量热量,降低火场温度.水幕系统对阻止火灾蔓延,减轻火灾损失,保护人群安全疏散方面,起着至关重要的作用.因此,上世纪80年代以来,水幕系统在建筑消防中得到了广泛的应用,主要用来保护门,窗,通道口,洞口等部位.对一些大型车间,仓库,商场,大厅等大跨度,大空间的建筑物和舰船的大空间舱室,在无法安装防火卷帘进行防火隔断时,也可以直接采用水幕系统进行防火分隔.

如果在隧道内结合应急点,救援站以及其它安全疏散出口,每隔一段距离设置水幕进行防火防烟分隔.当发生火灾时,起火区域两侧的水幕开启喷水形成水幕,将着火区域与周围的空间隔离开来.由于水幕的隔烟,阻火,清洗毒气的作用,可以将火灾的影响控制在一定范围内,并在受保护区域提供一个更为安全的环境,为人员的安全疏散提供更多的时间,同时有利于救援人员接近火源.而且受困人员可以方便地穿过水幕安全疏散,消防救援人员也可通过水幕进入火场灭火扑救,不会受到阻碍.如果只设置水幕分隔系统,而不需设置灭火系统就能满足人员的安全疏散要求,就可避免由于设置水灭火系统引发的对烟气的扰动,同时可提高排烟的效率.因此,设置水幕不失为一种很好的尝试.细水雾灭火系统由于其用水量少,高效,绿色环保.近年来有人提出将其用于隧道灭火,并开展了相关研究.出于对火灾规模的控制和保护隧道的围护结构,可以考虑二者的协同作用.鉴于此,研究利用水幕对隧道空间进行防火分隔及其与隧道内其它相关消防系统的协同作用对构建隧道内完善的防火保护系统具有重要的意义.

针对水幕的防火分隔效果,国内外的专家和学者进行了相关的研究.BerourN从光学角度,利用光的吸收,散射和折射机理研究了水幕衰减辐射热的能力.Dembele.S等利用小尺寸实验,研究了喷头的类型,布置方式,系统的流量和压力等因素对水幕衰减辐射热能力的影响,结果表明随喷头排数增多,喷头流量和压力的增大水幕系统衰减热辐射能力的增强.秦俊等对贮油罐区防火水幕技术进行了模拟实验研究,测得水幕的隔热效率为97%.仲晨华等开展了大型水幕防火分隔效果的实验研究,按无水幕(干烧)和分别启动1排,2排,3排水幕4种工况进行试验,测量水幕两侧各测点温度的变化情况.钟涛,毛献群等在与仲晨华等同样的实验条件下,改变水幕喷头排数,测量了水幕两测的温度和氧气浓度随时间的变化情况,并考察了水幕与水喷淋结合的冷却降温效果.魏东等对消防水幕阻火隔热效果进行了理论与实验研究,评估了烟气温度的变化,水幕对热辐射的衰减作用以及水幕对烟气的阻挡效果,指出液滴的粒径和喷水强度是影响消防水幕阻火隔热效果的两个最主要因素,且可以互为补充.针对建筑中经常用水幕代替防火构件起分隔用的情况,ChowW.K和Zou,G分别开展了实验研究.Chow,W.K以8只工业用喷头组成的雨淋系统为研究对象,通过摄取的影像研究水幕的空隙率,指出由于水幕中空穴的存在会影响水幕的阻烟效果.并以3只工业用喷头组成的雨淋系统为研究对象,在一个由两个相邻房间组成的结构内进行了全尺寸的实验研究,研究了水幕阻挡热辐射和烟气蔓延的作用.并在相同的实验设施内,以一氧化碳为指标考察了有毒气体穿过水幕的情况.Zou,G等在一个由相邻的两个房间组成的结构内通过全尺寸实验研究了水幕阻隔热辐射和烟气的能力,指出水幕对烟的阻隔能力与可燃物的种类有关,烟雾粒子较大的情况下,隔烟效果较好,增加水幕喷头的排数时也起到较好的效果,同时发现被保护的房间内烟气填充的时间有所延长.

上述研究多是评估水幕替代建筑内防火墙,防火卷帘等进行防火分隔时的隔热阻烟性能,分析了不同水幕设计参数对水幕衰减热辐射,阻挡烟气能力的影响.不同人员开展实验时,仅局限于一定实验场景,没有综合考虑各因素之间的相关关系.隧道的环境有别于普通建筑,其火灾发展蔓延规律也独具特色.目前,对于水幕在隧道内的应用研究非常少.段云等利用FDS软件模拟了长宽高为120m×3m×2.5m的地下隧道中特定场景下水幕对军工隧道火灾中烟气的流动速度,烟气浓度以及温度等特性参数的影响,模拟得到水幕能有效地减慢地下隧道中烟雾的扩散并能降低烟雾的温度.Murakami,M.指出可以利用由特制喷头组成的水幕对地铁车站,公路隧道等有大量乘客的场所进行防火分隔.并在一个1:2的公路隧道模型内进行了实验研究,验证了水幕阻挡热辐射和清洗烟粒子的能力,并用CFD数值模拟手段模拟了水幕动作后,热烟气的流动特性.他考察了火源位置和功率不同的情况下,水喷淋和水幕联合作用以及水幕和挡烟垂壁协同作用的情况,将它们与没有启动水幕的情况相比较,证明了水幕的隔热阻烟效果.欧洲是世界上开展隧道火灾研究最为活跃的区域,欧洲委员会(EuropeanCommission)发起了UPTUN(Cost-effective,SustainableandInnovativeUPgradingMethodsforFireSafetyinExistingTUNnels)项目,由42位隧道专家(18个欧洲国家)建立的一个针对欧洲既有隧道火灾安全的大型研究项目.UPTUN他们在一个横截面为9.7m2,试验区长度约为69m的实验隧道内开展了单排水幕喷头作用下一系列的实验研究,评估了不同火源功率,不同纵向通风速度下,水幕对温度,氧气,二氧化碳和一氧化碳浓度的影响,并实验了添加剂,火源预燃时间对水雾隔热阻烟效果的影响.崔泽艳等研究了一种箱式水幕系统在地铁火灾中的应用,着重分析了该装置的流场特性.

纵观前面已有的研究成果,国内外对隧道内利用水幕进行防火分隔开展的研究很少,而且只开展了针对少数火灾场景的部分研究,缺乏全方位系统的研究.例如还没有开展隧道内水幕安装距离,安装高度,隧道形状,坡度对水幕防火分隔效果的研究,也没有开展隧道水幕分隔与供风,排烟,灭火等相关消防措施协同作用的研究,因此,在隧道消防越来越引发人们关注的情况下,有必要对水幕在隧道内的应用展开全面,系统的研究,探明其在隧道火灾防控方面的作用,为隧道内消防设施的选择和设计参数的选取提供技术支持.

快速提取铁路沿线山区DTM的LiDAR数据等高线滤波法

任自珍*(地学学院)

随着铁路,尤其是高速铁路的大力修建,以及未来"数字铁路"的建成,都需要准确的大范围的地形信息,但由于地表往往被不同的地物所覆盖,获取精确的地形信息难度很高,尤其是沿线山区,更是由于茂密的植被以及陡峭的地形而加大信息获取难度,因此,准确的山区地形信息提取技术研究具有重要的意义.

数字地形模型(DigitalTerrainModel,DTM)是一种有效表现地面形态的数学模型,应用范围很广,获取方法也较多,如人工测量,立体摄影测量,雷达干涉,GPS以及机载激光雷达技术等.其中,人工测量方法是最早最简单的一种方法,但精度差,可靠性低,尤其是在复杂的地理环境,如有植被覆盖的地区,在成本控制方面,大范围的人工地形普查不仅费时费力,而且效率低下,只适用于实时性要求较高的小面积测量.

摄影测量是通过立体像对,利用共线方程的原理间接获取DTM.到目前为止,立体摄影测量是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术,已成为国家基本比例尺地形图测绘的重要技术,也是目前铁路建设中所采用的技术.但是其工作流程生产周期较长,人工干预工作量很大,费用高,效率低,获取的高程点密度低,尤其是在植被覆盖区域,即使有GPS辅助测量,其精度也很低,不能满足目前铁路建设速度和"数字铁路"建设的需要.

GPS也是一种可精确获得地球表面点三维数据的技术,具有全天侯,高精度,自动化,高效益等显着特点,广泛应用于军事,民用交通,大地测量等各个领域.但是GPS技术不适用于大面积,高密集度地形数据的获取.

合成孔径雷达干涉(InSAR)可以直接获取地表高程信息,它不受天气状况的影响,但是受雷达技术所限,在地势起伏较大,地形相对复杂的地区,其所采集的高程信息会出现数据空洞.

机载激光雷达技术(LiDAR)可直接获取地面(即使被植被覆盖)及其上目标的三维数据,且精度高,数据信息丰富,适应性强,在DTM提取上,尤其是山区DTM提取上,具有极大的应用潜力.但是,LiDAR获取的"点云"数据具有不规则的,离散的特点.在使用之前,必须先对其进行滤波处理.目前滤波算法较多,国外已有一些比较成熟算法,但这些算法大都在平坦的城市区域应用效果较好,而不适用于地势起伏的山区,需要做更多,更深入的山区滤波算法研究.我国在LiDAR数据滤波算法的研究尚在起步阶段,更需要在借鉴国外经验基础上进行深入的研究,找到高效的,准确的适应山区地形的滤波算法,以获得准确的山区DTM,为此类地区的建设活动,如铁路建设,"数字铁路"的建设服务.

LiDAR数据滤波的基本原理是基于临近激光脚点间的高程突变(局部不连续).现有的滤波算法很多,如果按照使用的数据结构来分,可分为基于原始离散点,基于不规则三角网或是基于规则格网点等三类.在这三类方法中,基于原始的离散"点云"数据结构的滤波方法,获取的DTM一般错误率较少,精度精度,但计算难度较高,花费的时间也较多,基于内插格网点正好相反,它可以引用许多既有的影像处理技术,操作方便且快速,但产生格点的内插模式所造成的精度损失会放大成果的错误率,在高程不连续的断线地形处尤为明显.

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如果按照使用的数学方法来分,则大致可分为三类:数学形态学,表面估计和聚类分析.数学形态学是通过高差判断点的属性.表面估计方法是通过迭代过程更新当前地面模型,直至计算收敛得到地面点.聚类分析是通过几何,光学,统计或其他特征对激光脚点进行识别.其中,聚类分析在设计思想上与其他两种方法存在明显区别:它不依赖几何假设描述地形/地物形态,在建立特征与聚类结果关系上存在一定困难,应用较少,不做介绍.

数学形态学滤波方法通常是基于这样一种假设:地物在整个目标区域内较高或是地面在局部区域内较低.采用形态学滤波方法必须事先具备目标区内建筑物尺寸以及地面地物间的高差的大约数据,再依地形起伏程度的不同,来设定不同大小的结构元尺寸以及高差阈值等参数来区分地面与地物高程点.1996年德国斯图加特大学(StuttgartUniversity)的Kilian等人最早采用数学形态学运算,借助一个移动窗口,窗口内最低点就认为是地面点,高程值高出该点一定范围的其他点也认为是地面点,并结合移动窗口的尺寸大小给以一定的权,可结合不同尺寸的窗口重复进行,最好考虑各点的权内插DTM.Kilian等注意到采用形态学方法时太大的窗口尺寸会滤除地形细节,太小的窗口尺寸则不能去除房屋.1999年德国Petzold等人建议先用大尺寸的窗口在目标区内移动并同时挑出窗口内的最低点,滤除窗口内与最低点的高差大于阈值的其他点位,然后逐渐缩小窗口尺寸重复操作.2000年美国俄亥俄州立大学哥伦布分校的Man等人利用权函数,设计较低的点位有较大的权,在较大窗口内的点位也具有较大的权,再依权重滤除地物点.2002年奥地利格拉茨大学的Wack等人提出了一种阶层式改进最低区块法(HierarchicalModifiedBlock-Minimum),该方法假设局部区块最低点为地面点,利用高斯拉普拉斯操作元在由粗到细的网格内滤除高程急剧变化的地物点.在这些算法中,都需要人工指定窗口的大小,为了解决这一问题,有学者采用动态调整窗口尺寸或是自适应滤波方法进行改善.

采用数学形态学滤波方法,成果取决于窗口尺寸大小及选取的高差阈值,因为太小的窗口会将地物点视为地面点,太大的窗口则会平滑地形而滤除结构点,高差阈值较大会留下一些植被点,高差阈值太小也会滤除一些微小的结构点.因此使用形态学滤波时,必须具备准确的地形及地物的先验知识,设定最适当的参数才能较好的区分地面与地物点.

表面估计法是一种以面为基础的方法,大多假设地面具有高程连续性.表面估计法不需要确定窗口尺寸,因而较形态学滤波易于实现.现有的表面估计滤波法主要区别在于初始DTM的生成,而由初始DTM迭代生成最终DTM的方法则大致相同.2002年日本地理测量研究所的Masaharu等人将地形表面分割成许多小的区域并选择每个区域的最低点作为地面点的候选点,再利用这些候选点周围缓冲区的统计特征去掉其中的非地面点,最后利用剩余的地面点内插生成初始DTM.2005年以色列技术工程学院Akel首先采用基于法线和高差的区域增长法从原始LiDAR数据中提取出道路中心线,然后以道路中心线作为地面点,再次采用基于高差的区域增长法得到初始DTM.2016年提出的等高线滤波法直接利用LiDAR数据生成的数字表面模型等高线的特性,生成初始DTM.可适用于地势起伏的地形表面.

金沙江河谷深厚覆盖层成因及工程环境效应研究

覃礼貌*(地学学院)

我国西南地区自然地质条件复杂,山高谷深,川流奔涌,水能资源丰富.随着我国国民经济的蓬勃发展以及西部大开发战略的实施,以水力水电资源开发和交通建设为首的人类工程活动不断向其深处延伸,广泛分布于河谷中的松散堆积体以其特殊的物质组成,结构构造,空间分布及其不良工程地质特性和成灾致灾作用而备受瞩目.例如:金沙江虎跳峡河谷段河床及谷坡厚层松散堆积体,给该河段坝址及坝型选择和工程布置造成极大影响,保留或清除覆盖层,都遇到不同类型的工程地质问题.而且谷坡堆积体延绵10余公里,结构松散,表层滑塌现象明显,整体处于极限平衡状态,曾于1996年10月28日发生了13.5×104m3松散堆积体滑坡,致使金沙江断流40多分钟.可见,这套松散堆积物对水电工程建设及区域地质环境条件有着重要影响.

金沙江乌东德坝址(位于云南省禄劝县和四川省会东县交界处的金沙江河段)峡谷下游1.5km处有一巨型堆积体(金坪子堆积体),体积约7×108m3,是金沙江不均匀深切形成的深槽被两侧岩壁的崩坡积物和坡积物与金沙江流水带来的冲积物填充形成,为崩坡积物和坡积物夹河流冲积物的复合堆积体.若产生滑坡将导致河道壅水并超过设计的水电站坝高,危及拟建的水电站安全.

金沙江中游上江坝址河床发育最大厚度达206.2m的深厚覆盖层,从上到下分布漂卵石,低液限粘土,砾卵石,碎块石,砂砾石等,其中粗粒土强度较高,变形模量大,但低液限粘土层性状较差,强度较低,是一条相对的软弱带,对大坝建基面的选择意义重大,其处理措施将极大的影响到枢纽工程的造价和施工进度.

金沙江支流之一的安宁河流域,昔格达组地层广泛分布,为一套灰, 半成岩的泥页岩,粉砂岩,含泥炭,稳定性差,是滑坡,泥石流地质灾害的易发层,其成灾致灾作用占流域地质灾害总数的90%以上.

此外,在大渡河,岷江和雅砻江等各梯级水电工程中,河谷内均发现有不同厚度的深厚覆盖层,极大的影响工程稳定,增加工程造价.且在当前日渐加剧的人类工程扰动和极端自然地质条件下,易于发生滑坡,泥石流及堵江等各种地质灾害,破坏流域生态环境,给人民生命财产带来巨大损失.

为了避免或减轻上述工程地质,环境地质问题,加强各流域地质灾害区划预测预报的指导性和准确性,采取科学合理的防灾减灾措施,必须对河谷深厚覆盖层的基本工程地质特征,分布规律和成灾致灾机制进行深入研究,而这些都应建立在对其成因机理及其演化过程进行深入系统研究的基础上.上个世纪80年代以来,国内众多学者对各工程场区河谷深厚覆盖层的研究也已取得较为深入的认识,但多仅限于单个工程个例,缺乏系统性,影响人们对西南地区各流域河谷深厚覆盖层的整体认识,不利于各种河谷区工程建设的规划,选址,以及地质灾害区划预测预报等.

我们拟选取穿越西南横断山区,横截南北向康滇地轴,流经数个构造单元的金沙江河谷为研究对象,根据地球内外地质动力耦合作用机理,探讨该区地圈物质势能分布和变化规律,对金沙江河谷覆盖层成因及其演化过程进行系统研究,并按成因类型将河谷进行分段,深入研究各段河谷覆盖层的基本工程地质特性及其成灾致灾作用和工程环境效应.这不仅对金沙江流域水电梯级开发的规划选址及坝址区工程地质条件分析有着极大指导意义,同时还对本区河谷在当前日渐频繁的人类工程活动和极端自然气候,地质环境作用下由河流作用诱发的各种环境地质灾害的预测预报提供重要依据.

第四纪松散堆积体作为第四纪地质学和地貌学的重要研究对象和内容,其物质组成,结构构造,成因机制和对人类工程活动的影响早已被众多第四系地质地貌学和水文地质学学者进行了不同程度的研究,其目的主要为研究新构造运动,气候变迁,河谷地貌演化和第四系找矿找水等.

据有关文献表明,Fist和Wilkinson早在上个世纪50~70年代就发现河谷深厚覆盖层与河谷深切之间有着密切的关系.此后,Dalrymple上个世纪90年代通过对新生代以来持续上升地区内河谷深厚覆盖层进行高分辨的地层研究,提出了河谷充填与海侵之间的联系.这些研究都为河谷(尤其是山区河谷)深厚覆盖层的形成提出了独到的见解.

而在我国,山区河谷中分布的深厚覆盖层由于其特殊的成因,物质组成,结构构造及其复杂的工程地质特性被工程地质学界广泛关注的,还是始于上个世纪80年代.随着我国西南地区水利水电开发向深处发展,在几大流域河谷中均有深厚覆盖层被不断揭露,由其引起的工程地质及环境地质问题已引起了水电部门和科研院所的广泛关注,为此,有关部门还申报了"六五"国家科技攻关项目——"深厚覆盖层建坝研究".经过当时水电部几大勘测设计院和科研院校的联合攻关,在深厚覆盖层的勘探,取样,工程特性,建坝试验和工程适宜性等都取得突破,为我国西南山区发育深厚覆盖层河谷建坝的勘察,设计,施工和监测提供了重大的技术支撑.由于研究的实际需要和目的不同,该研究多集中于覆盖层分布区建坝所面临的各种工程问题的分析,处理和检测.

杨天俊通过对宝兴水电站深厚覆盖层的深入研究,根据覆盖层成因类型,物质组成,粒度特征等,提出了深厚覆盖层岩组划分方案,将其分为六大岩组,并对各岩组的渗透及渗透稳定,沉降及变形,抗滑稳定和砂土震动液化等工程地质问题进行研究.虽然其研究目的还是为水电建坝服务,但其工程岩组划分基本概括了西南地区常见的深厚覆盖层成因类型,较为系统的总结分析了各岩组的工程地质特性,给发育有深厚覆盖层的西南河谷区的其它工程建设提供了宝贵的借鉴作用.

陈海军,任光明和聂德新通过野外现场调查和大量的试验分析,对河谷深厚覆盖层工程地质特性,包括其基本特性,物理特性,一般力学特性,渗透特性,地基承载力和变形模量等参数进行了深入系统的研究,提出了控制河谷深厚覆盖层工程地质特性的主要控制因素,即密实度和颗粒级配,在此基础上提出了一套在工程上行之有效的河谷深厚覆盖层渗透稳定性评价方法体系.这应是我国有文献可查的首次对深厚覆盖层的工程地质特性进行较为系统的研究.

相比之下,人们对深厚覆盖层的成因机理的研究相对较少,且早期多认为是冰川成因,直到20世纪60年代,国际上不断发现许多混杂堆积体具有多种成因类型,而非仅有冰川成因.综合各文献资料,现行的研究认为河谷深厚覆盖层的形成主要有以下几个原因:

(1)构造成因:主要包括三个方面,一,流域不同地区新构造运动的差异性,隆起区的流水侵蚀,提供了丰富的物源,而在拗陷或断陷区河谷内往往加积巨厚的覆盖层,如,地处安宁河断裂带上第四纪断陷盆地的大渡河支流南梗河冶勒水电站库坝区河谷,覆盖层厚度达到500m,二,水流直接对构造断裂及其破碎带进行侵蚀而成,如长江三峡河谷深槽及其覆盖层(杨达源等,1992,2002),三,流域地壳上升和沉降的转换,上升期,水流侵蚀作用增强,河床下切形成深槽,而后地壳开始相对缓慢下降,河流以沉积为主,于深槽处形成深厚覆盖层,如,甘肃九旬峡水利枢纽坝址区的深厚覆盖层.

(2)崩滑流堆积成因:大型崩塌滑坡渡江事件在堵断江河后,形成局部侵蚀基准面,改变河流原有的水流条件,也可形成局部地段的河流深厚堆积.例如,云南省金沙江虎跳峡两家人堆积体为具有滑坡,崩塌和崩坡积等成因特征的复合地质体(刘衡秋,2005),巫山移民新址松散堆积体为构造和岩溶作用前提下形成的滑坡体,崩塌体,泥石流堆积体和岩溶塌陷堆积体的复合地质体等.

(3)气候成因:主要包括两个方面,一,冰川对高原河谷的剧烈刨蚀作用,产生大量的碎屑物质,冰碛作用使它们堆积在谷地和凹地中,再被流水搬运堆积在河谷中,形成深厚覆盖层("气候型"加积层).例如,岷江河谷的深厚覆盖层,自下游向上游一般增厚,有悖于常规河流堆积特点,其原因正是冰川对上游河谷强烈的刨蚀作用,二,间冰期,冰川消融,山区水流及其侵蚀作用增强,形成河床深槽,同时海平面上升,沉积作用加强而成.

上述河谷深厚覆盖层成因机制的认识在一定程度上反映了其形成的作用方式,与覆盖层的物质组成,结构构造特征等也比较符合,为相应工程地质问题的解决处理提供重要依据.但考虑到西南地区河谷覆盖层分布的普遍性,同时,西南地区河谷深厚覆盖层多具复合成因,表现为垂向剖面上的成层性,显着区别于我国东部河谷的覆盖层特征.而已有的研究仅限于局部的单个工程实例,缺乏对某个流域深厚覆盖层的系统认识.显然,某个流域局部深厚覆盖层加积条件(包括:地壳运动,气候,物源,水流,基准面等)的改变,必然导致整个流域物质能量的重新调整分布,推动河谷覆盖层的不断演化.因此,缺乏系统研究可能导致部分研究成果的相互矛盾.尽管缺乏系统性,但已有局部工程实例的研究为本课题研究提供了丰富的基础资料.

此外,王思敬提出了重大地质灾害的成因的地球内外动力耦合作用理论,指出在地球内外能源的驱动下,地圈系统物质发生运移,而运动模式和展布格局则主要取决与系统内各子系统的相互作用和由此而导致的系统的演化.当地壳受到内动力地质作用时,地壳产生隆升和沉降两种不同的形变,这种地圈物质势能的变化和分布为地圈物质运移的总趋势奠定了基础.这一理论为深厚覆盖层的成因机制内外动力耦合作用研究提供了重要的指导依据.

刘衡秋通过由内外动力地质作用控制的山体或斜坡的发展演化过程,初步探讨大型复杂松散堆积体形成的内外动力耦合作用及其概念模型.他认为:大型复杂松散堆积体的形成过程反映了内动力作用下地表山体或斜坡中结构应力释放与结构松弛及外动力地质作用的表生改造,属于典型的内外动力耦合作用产生的多期次,成因复杂的复合地质体,单一因素(内动力或外动力)的分析不能全面反映堆积体的成因机制.

地球内外动力耦合作用理论及大型松散堆积体形成的内外动力耦合作用机制及其概念模型提出和建立为本研究提供了重要的理论指导依据,但这些理论和概念模型尚未提出深厚覆盖层成因机制的内外动力耦合作用方式,过程,条件等自身机制问题,使之尚未能系统的运用到某地区或某河流深厚覆盖层成因机制的研究实践中.

二氧化铈控制饮用水臭氧氧化过程中溴酸盐生成机理研究

王群*(地学学院)

饮用水是人类生存的基本需求,供水安全是社会安全的一个重要组成部分.不安全的饮用水可能引起疾患或死亡,全世界每天约有5万人因水污染和水短缺而死亡,全球50%的疾病都是由不安全的水质引起的,其中发展中国家80%的疾病来源于受污染的水.近年来,政府高度重视饮用水安全保障工作,采取了一系列措施,取得了较大的成绩,但是饮用水安全总体形势仍然严峻,不少地区水源短缺,城市饮用水水源污染加重,重大水污染事故频发.饮用水安全保证是关系到国计民生的大事,也是实现"三个代表",坚持"以人为本"科学发展观,建设"和谐社会"的具体体现.

目前,常规饮用水处理工艺"混凝-沉淀-过滤-消毒"已不能满足人们对水质的要求,水中的一些有机物难以被常规水处理工艺去除,并且这些残余的有机物一般具有很高的稳定性,这就需要通过深度处理来满足饮用水水质的要求.臭氧催化氧化法是一种去除水中有机污染物的有效方法,但是当水中存在溴离子时,臭氧氧化或消毒过程中会产生溴酸盐副产物,该副产物会对人体健康产生很大的影响.国际癌症研究机构把溴酸盐定为2B级潜在致癌物,具有一定DNA和染色体的遗传毒性.《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)以及《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)中规定,溴酸根限值为0.01mg/L,该标准等同于世界卫生组织与美国国家环保局USEPA小于10μg/L的标准.因此,饮用水中的溴酸盐控制问题成为各国学者高度重视的问题.

另外,目前市场上销售的瓶装矿泉水普遍采用臭氧消毒工艺,瓶装矿泉水中溴酸盐的含量及其对人体健康的影响就越来越受到人们的关注.很多研究者对某一地区市售的矿泉水以及矿物质水做了一定的调查研究,结果发现所取的样品中溴酸盐指标的合格率仅为50%和66.7%.因此,针对饮用水臭氧氧化或消毒过程中溴酸盐生成问题,开发研究控制臭氧氧化过程中溴酸盐生成的关键技术及机理非常必要.

1研究现状

当原水中含有溴离子时,会生成溴酸盐(BrO3–),并且溴酸盐不像DBPs那样能够在接下来的生物处理单元中被降解,溴酸盐一旦生成就难以在常规处理工艺中被去除,正是由于溴酸盐的这一特点,臭氧氧化或是消毒过程中溴酸盐的控制技术一直是臭氧技术应用过程中的一个瓶颈问题,因此如何减少臭氧使用过程中溴酸盐副产物生成量一直以来都是臭氧技术研究的热点.

通常人们认为当水中有臭氧存在时,BrO3–的生成主要是由臭氧分子的直接氧化和羟基自由基(·OH)的间接氧化两种途径实现的,具体水中臭氧化过程中BrO3–生成途径示意图见下图:

图1水中臭氧化过程中溴酸根生成途径示意图

图1中加粗箭头为BrO3–生成的主要途径.主要的反应路径如下:首先Br–被O3氧化成OBr–或HBrO,接着HBrO/OBr–被·OH或CO3–·氧化成BrO·,BrO·会不成比例地分解成OBr-和BrO2–,生成的BrO2–很容易被O3氧化成BrO3–.由此可见,反应过程中·OH或CO3–·等强氧化性自由基的产生量直接影响到了BrO3–的生成,如何控制臭氧反应过程中自由基的生成量对控制BrO3–的产生至关重要.

目前控制溴酸盐生成的方法主要有:降低pH,加氨,加过氧化氢,加自由基清除剂,改变臭氧投加方式等.不同溴酸盐控制技术及特点如下:

降低pH值:主要是使HBrO/OBr–的平衡左移,生成HBrO,降低了OBr–的浓度.O3只能氧化水中OBr–,却不能氧化HBrO,并且在低pH值的情况下,水中臭氧分解生成的羟基自由基量也会降低,所以降低水的pH值就会抑制溴酸根的生成.由于pH值较低的水不适宜人们饮用,水体pH值调低后在出厂之前还需调到正常水平.所以,这种抑制臭氧氧化过程中生成溴酸盐的方法既不方便也不经济.

加氨:当水中有氨存在时,氨会与HBrO/OBr–反应生成溴氨,溴氨虽然会被继续氧化生成BrO3-,但其反应非常缓慢,氨使得溴酸盐的生成滞后,使得在相同反应时间内生成溴酸盐的量降低.

加过氧化氢:过氧化氢臭氧氧化过程中控制水中溴酸盐主要是由于加入过氧化氢后,溴酸盐形成过程中的中间产物HBrO/OBr–被过氧化氢还原为Br–.只有投加过量的过氧化氢才能控制溴酸盐的生成,过量的过氧化氢减少O3的浓度,减少臭氧反应过程中的Ct值,从而减少了溴酸盐的生成量,若投加的过氧化氢不过量则可能会增加溴酸盐的生成,因此过氧化氢存在一个最佳投量问题,在实际应用中由于原水水质时刻变化,所以最佳投加量很难控制,如果过氧化氢投加不足可能倒起到了相反的作用.

Cl2-NH3工艺:此工艺是原水预氯化后加氨水然后再臭氧氧化.Cl2-NH3工艺可以减少40%的溴酸盐的生成.该工艺其控制溴酸盐有三个主要原因:反应过程中形成的HBrO与NH3反应生成NH2Br,·OH被NH2Cl清除而减少·OH,NOM与HBrO发生反应.通常情况下臭氧氧化工艺被用于去除水中的稳定性有机污染物,那么加氯氨工艺虽然会控制溴酸根生成,但是消耗了臭氧分解产生的羟基自由基,抑制了臭氧氧化有机污染物的能力.

改变臭氧投加方式:除水质条件影响臭氧氧化过程中溴酸盐的生成外,臭氧投加方式等运行条件也是影响臭氧氧化过程中溴酸盐生成量的主要因素.采用相同臭氧投加量情况下,增加臭氧投加点的数量缩短了臭氧与水体的平均接触时间,同时也降低了整个臭氧反应过程中水中剩余臭氧的浓度,从而使溴酸盐的生成量降低.此种方法虽然可以控制臭氧氧化过程中溴酸盐的生成量,但是工程投资相对较大,而且不便于运行过程中的维护和管理,对臭氧氧化过程中生成溴酸盐的控制也有限.

前期研究发现,二氧化铈有很好的控制臭氧氧化或消毒过程中溴酸盐的生成效能,与上述方法不同的是,本研究中采用的是固体催化剂,不需要额外投加药剂,运行成本相对较低.当水中的溴离子浓度为1.1mg/L时,二氧化铈催化臭氧氧化溴酸盐的生成量减少了约70%.并通过对比试验以及影响因素试验等得出,O3/CeO2反应过程中BrO3–生成量较低的原因并不是由于CeO2吸附氧化过程中产生BrO3–所引起的.为了进一步考察二氧化铈控制臭氧氧化过程的机理,进行了氧化铈催化臭氧氧化有机物的试验研究,发现O3/CeO2氧化过程中并没有提高对氯硝基苯的去除率,反应结束后对氯硝基苯的去除率比单独臭氧氧化还要低,O3/CeO2氧化过程不但没有催化臭氧产生更多的羟基自由基,羟基自由基的生成受到了一定的抑制,CeO2抑制了羟基自由基的生成途径.

由羟基自由基的生成途径可以知道,水中的一些含氧负离子(如HO2–,O2·–等)直接影响到羟基自由基的产生.通过不同CeO2煅烧温度下催化臭氧氧化BrO3–的生成量以及CeO2的表征发现,二氧化铈中的Ce(IV)含量越多时产生的羟基自由基量越少,此时出现更多的剩余电子的金属离子增多,从而形成活性中心,对水中氧的吸附能力大大增强,特别是水中的含氧负离子.

前期只是通过间接手段推断出了二氧化铈控制臭氧氧化过程中溴酸盐的机理,在本研究中拟通过电子顺磁共振(ESR)或一些间接手段等考察羟基自由基以及某些中间产物的生成情况,从而更加清晰地了解二氧化铈控制水中溴酸盐生成机理.由于二氧化铈是一种N型半导体材料,其自身的晶格缺陷等在控制臭氧氧化过程溴酸盐生成过程中起到了关键作用,那么以二氧化钛为代表的其它的半导体材料会不会有相同的作用呢将考察不同晶型以及不同条件制得的二氧化钛或其它半导体材料对臭氧氧化过程中溴酸盐的控制效果,从而寻找出更多的,适合不同条件应用的控制臭氧氧化过程中溴酸盐生成的催化剂.

,臭氧技术在国外水处理行业已经得到了广泛的应用,目前在我国的应用正是处于高速发展过程中,臭氧氧化或消毒过程中的溴酸盐的控制是国内外臭氧技术应用过程中的关键问题,也是众多学者的研究重点,该问题的解决有利于臭氧技术在水处理行业的发展.

地震作用下高位斜坡动力响应及滑坡启动机理研究

王鹰*(地学学院)

高位滑坡是指滑坡剪出口位置明显高于周围其它结构物,如村庄,道路的滑坡,在高震级或高烈度山区,高位滑坡的危害往往十分巨大,由于陡峻的地形和特殊地层结构,高位滑坡往往演化为高速,长冲程滑坡,滑坡体积巨大,坡体结构在空中解体,在主震或高震级余震作用下,巨型滑坡堆积物有时将数个村庄和街道瞬间掩埋,甚至堵塞河道,造成巨大的人员伤亡和财产损失,形成的堰塞湖为抗震救灾和灾后重建留下隐患.例如2016年5月12日汶川地震中,北川县城滑坡和青川县东河口乡的特大滑坡,造成超过2000余人死亡的惨剧.

王兰生,李曰国,詹铮等对暴雨期四川盆地区岩质滑坡的发育特征进行了调查,并对1981年暴雨期四川盆地岩质滑坡的主要特征和防治措施进行了初步探讨.黄润秋对20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制进行了较详细的研究后认为:中国大型滑坡发育最根本的原因是有利的地形地貌条件,约80%的大型滑坡发生在环青藏高原东侧的大陆地形第一个坡降带范围内.同时,该地区也是世界上板内构造活动最为活跃的地区,其地壳内,外动力条件强烈的交织与转化,促使高陡边坡发生强烈的动力过程,从而也促进大型滑坡灾害的发育.强震,极端气候条件和全球气候变化构成大型滑坡发生的主要触发和诱发因素.魏鹏,王运生等,通过龙池乡川主坪高位滑坡,对典型地震抛射滑坡形成的抛射堆积体进行剖析,研究了地震加速度受地形放大效应的影响效应及崩塌被抛射的运动程式,他们认为:在斜坡坡折部位由于卸荷拉裂作用强烈,强卸荷带以外岩体安全度低.高烈度区由于地形放大效应,地震加速度被放大,自身稳定性很差的斜坡坡折岩体其脆弱的联结很容易被纵波等破坏,后至的面波在坡面折射和反射后形成强大惯性力将岩体抛出.这种滑坡与一般由暴雨诱发的滑坡具有本质的区别:发生在斜坡高位且具有独特的抛射现象.王运生,徐鸿彪等根据典型地震高位滑坡坡体结构特点及地震斜坡响应,对其形成机制进行探讨,认为P波的垂直上抛作用及S波的水平剪切作用,将强卸荷带下限以外裂隙切割的岩体结构面贯通并使其丧失与下部岩体的结合力,后至的面波经地形放大后,巨大的加速度(通常>,2g)将斜坡上部表层高位岩体近水平或斜向上抛出,形成地震高位滑坡.许强,黄润秋等从地震动力学和斜坡变形破坏成因机理的角度,揭示了汶川地震诱发的大型崩滑灾害具有震裂溃屈,临空抛射和碎屑流化等独特的动力学特征.刘长春,殷坤龙,李远耀在研究巴东县文家滑坡时认为:敏感性分析结果说明粘聚力c,内摩擦角φ的变化对滑坡稳定性影响较为显着,且它们之间的变化关系基本上是线性的.

程谦恭等在国家自然基金项目《高速远程滑坡液化减阻和超前冲击气浪机理研究》中,对切向层状岩体斜坡上形成的高速滑坡的启动机理进行了研究,建立了侧翼与滑床复合锁固切向层状岩体滑坡动力学与中部"砥柱"锁固平面旋转切向层状岩体滑坡启动动力学机理与稳定判据.并通过对滑坡土体土工常规实验,土动三轴实验和振动斜槽试验,对滑坡的流滑机理进行了研究,他们认为饱和土体动有效强度具有波动性,强度的发挥有间歇性,强度的弱化具有过程性.在往返动荷载作用下,饱和土体中产生的瞬态动孔隙水压力是应力孔压和结构孔压的耦合.晏鄂川,刘汉超,唐辉明等为研究地震高烈度区老滑坡的复活变形原因,对滑坡滑体物质及滑带土的动力学特性进行了研究,其研究结果认为:滑体物质及滑带土在动荷载作用下的动力学性质与其静荷载作用下的力学性质有着较大的差异,主要表现在滑体物质及滑带土的动应力与动应变关系的非线性,滞后性及变形积累特点,动弹性模量与动强度的显着降低以及动阻尼比的显着增大.鲁晓兵,矫宾田等研究了高速滑坡中的热效应,他们的研究从理论和数值分析两方面讨论滑坡滑带内热致孔隙压力及其对高速滑坡的影响.高速远程崩滑动力学问题,国外先后有许多学者作过研究.1932年地质学家海姆对1881年瑞士埃尔姆(Elm)滑坡的研究.但真正引起世界范围重视则是在1963年意大利瓦依昂(Vajont)发生特大型灾难性滑坡后才开始的.瓦依昂滑坡发生后,在世界范围内陆续出现许多有关大型高速崩滑机理的专门性研究成果.对于瓦依昂滑坡高速启动机理,Skempton认为是岩体的残余强度太低造成,Muller则提出触变液化的观点,而Loky和Romero等人认为滑动面上的孔隙水压力起着重要作用.关于其他高速远程滑坡碎屑流态化运动机理,拜格诺德和美籍华人许靖华先后提出高速滑坡运动的"无粘性颗粒流说",Kent提出"圈闭空气导致流体化说",Shreve提出"气垫层说",Habib等人提出"孔隙气压力说",Erisman提出"岩石自我润滑说",Melosh提出"声波流态化"观点,Davies提出"机械流态化说".这些观点是20世纪80年代以前提出的关于高速崩滑启程与远程运动的主要机理.概括起来,对于地震诱发滑坡研究主要集中在以下几个方面.

(1)地震诱发滑坡的机理研究

随着全球进入新的地震活跃期,许多学者对地震诱发滑坡进行了大量研究工作.其中以美国,日本,中国,意大利等多地震国家学者居多.邹谨敞等,孙崇绍等,陈永明等,徐光兴等,Kamp等,Agnesi等,Chigira等,Zhang等,Eeckhaut等,Lee等,Zolfaghari等,Owen等,李光等从地震与滑坡灾害的统计分析入手,对地震震级,地震烈度及地震其它参数与地震滑坡的关系,地震引起的滑坡分布特征,地震滑坡与地质条件的关系等进行了深入的研究.也有一些学者对地震诱发滑坡机理进行了探讨.胡广韬从动力学的角度,提出了高速滑坡启程剧动机理.毛彦龙等对地震滑坡的形成机理,坡体波动振荡的累进破坏效应,启动效应及启程加速效应进行了探讨.王家鼎提出了一种地震诱发高速高位滑坡的机理,将地震诱发的高速高位滑坡的全程描述为:地震力一滑带土体被剪断,解体一被抛起—多级斜抛运动(波浪状)—粉尘化悬浮—形成气垫层—土体在地震停止时获得初速度—在气垫层上运移—高速远程—滑带土瀑布或土流—崩滑堆积而成的松散滑带土体.Cetin等,Gratchev等,袁丽侠从液化角度分析了地震滑坡的形成机制.Merodo等在广义塑性理论框架内建立了砂土连续屈服边界面模型,并以此为基础建立了数值模型,分析了地震诱发滑坡的形成机制.京都大学防灾研究所的汪发武,认为,对于地震诱发的Tsukidate滑坡和Yamashina滑坡,发生的原因是液化作用和高速剪切产生的高孔隙水压力,以及滑带土体较低的抗剪强度所致.Martino等重建了Calitri滑坡的震前形态,利用动力数值方法分析了滑坡的形成机制.王峻从滑带土的易损性角度分析了地震滑坡的形成.

综上所述,已有许多学者在高速滑坡及滑坡触发机理方面开展了一些研究工作,取得了许多有价值的研究成果,但是,由于高位斜坡对地震波动力响应问题的复杂性和研究的局限性,强震区不同高位边坡对地震波的响应及地震诱发的高位滑坡的启动机理研究中,从坡体优势结构面和滑带土微结构与的动力响应与动力学参数与滑坡启动机理之间的联系还研究较少.汶川地震诱发的许多高位岩质滑坡,坡体地下水并不丰富,滑带土发生液化甚至流体化的可能性很小,从现场调查结果看,一定存在别的启动机理,地震诱发的高位滑坡启动机理研究还有待深入.

(2)滑带土研究

滑带土与滑坡的发展变形,稳定性评价有着密切的关系,因此滑带土工程特性的研究常成为滑坡研究中一个重要的内容.滑带土的研究方法,基本可概括为试验与理论研究相结合,微观与宏观研究相结合的方法.

滑带土的强度试验主要有3种:大位移剪切,人工切面剪切和沿天然滑动面剪切.所用的主要试验仪器和方法包括:环状剪切仪,用于环剪试验,应变式直剪仪,可进行往复直剪,多次直剪,切面直剪及涂抹剪,天然滑面剪试验,三轴剪力仪,可进行三轴切面剪和三轴薄片剪,现场大面积剪切仪,用于在现场的试坑,探井或滑动面上进行直接测试.在国外,Hvorslev对粘土进行剪切试验时,除了观测到不均匀变形外,还发现与主剪切面斜交的破裂面,今井秀喜等研究裂缝产生机理时,用黏土模型作剪切实验,把先出现的羽状裂缝称为雁行排列的张裂缝,把羽状裂缝强烈切割的部分称为破碎带,Skempton等对滑带(面)进行微观构造研究,也观察到一些间断排列成阶梯形倾斜破裂面与主剪切面斜交.Frydmana等,Zhang等对滑带土进行了环剪试验.Lacerda利用原状滑带土进行了三轴试验,通过孔压的循环变化,模拟地下水位周期性变化,验证了地下水位周期性变化能造成滑带土强度的降低.在国内,曲焰在武都滑坡滑带土研究中,在滑动面上下1米厚的范围内观察到各类形态的破裂面,并指出羽状破裂面的形态大小与土的力学性质有关.孙可和对一定厚度的软弱夹层进行剪切实验,发现夹层中形成一组羽状破裂面,当反剪时形成一组倾斜相反的羽状破裂面,倾向与剪应力一致,并与前一组交叉呈"X"状.王恭先发现以粉土为主,遭浸湿的滑带土,含水率少时其内摩擦角可达15~20°,一旦饱水则降至5°左右,具有强度骤然降低的特性.汪斌等通过室内流变试验,研究滑带土的蠕变特性和长期强度.王志俭采用GDS非饱和土三轴试验系统对万州安乐寺滑坡滑带土进行了松弛试验研究.李维树,李远耀,程圣国等进行了滑带土剪切试验,研究了滑带土抗剪强度参数及其影响因素.

以上研究中,关于滑带土的动力特性的研究较少,尤其是高位滑坡滑体物质及滑带土.近年来很多学者所进行的滑体物质及滑带土动力特性研究特征的试验研究,为高位滑坡滑体物质及滑带土的动力特性研究提供了借鉴和参考.滑体物质及滑带土动力特性研究的基本方法目前采用类似砂土的方法.在室内动三轴试验中,研究方法基本分为两类,一类是将等幅正弦波荷载施加到试样上,另一类是向试样上直接施加模拟地震波型的不规则激振.谢定义,骆亚生,陈存礼,栗润德等研究均采用第一类方法,而张振中,段汝文,王兰民,王峻等人则采用第二种方法.

对于滑体物质及滑带土的研究,其核心是滑体物质及滑带土的强度性质的研究.滑体物质及滑带土的强度特性通常用峰值抗剪强度,残余抗剪强度,滑坡启动强度以及流变研究中的长期抗剪强度等特征强度进行表述.随着土动力学的发展以及对地震滑坡的认识加深,滑体物质及滑带土的动强度研究逐步开展起来.

一般认为,滑坡滑动后其稳定性往往和滑带土残余强度有关,因此关于残余强度的较多.研究表明,滑带土的残余强度与土的应力历史,原始结构无关,因此可用土的重塑试样进行大位移剪切试验求取残余强度

参考文献:

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