巫山望霞危巖破壞機(jī)理研究現(xiàn)狀與趨勢

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院　重慶　400074)

一、引言

危巖崩塌災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)一直都是三峽庫區(qū)管理養(yǎng)護(hù)與基礎(chǔ)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，但至今都沒有得到有效解決。特別是望霞危巖，近十幾年以來有不同的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的不同形式的研究與分析，但都沒有取得有效的解決方法，更沒有構(gòu)建科學(xué)的危巖破壞災(zāi)害防治關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)，使其一直都影響著庫區(qū)的安全與基本建設(shè)。隨著“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”提出，長江沿線經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對巫山望霞危巖構(gòu)建科學(xué)的預(yù)警預(yù)報機(jī)制及災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)，有效減小危巖崩塌對長江航運(yùn)的影響，加快構(gòu)建望霞危巖體的科學(xué)清除方法，減小危巖體對區(qū)域范圍內(nèi)的人民生命財產(chǎn)安全的影響，即時三峽黃金水道減災(zāi)的迫切需要，也是望霞危巖體減災(zāi)的研究方向需求。

二、能量平衡方程

能量平衡方程是研究巫山望霞危巖體破壞的重要理論基礎(chǔ)，從能量轉(zhuǎn)化的角度分析了危巖整體破碎的能量基礎(chǔ)。何曉英等在研究前人的成果和方法的基礎(chǔ)上，通過對比發(fā)現(xiàn)了其中的不同，在此基礎(chǔ)上建立了一套自己的研究方法，即把危巖崩塌破壞視為能量損耗與能量釋放的系統(tǒng)過程[1]。在把危巖體視為理想彈塑性體的前提下，推理總結(jié)出危巖解體的能量判定依據(jù)，即U+Ue>Ud，在此能量判據(jù)中綜合考慮了危巖崩落體釋放出的剪切形變能、危巖體內(nèi)部釋放的彈塑性形變能以及危巖體在崩塌過程中的消耗能[2]。

三、力學(xué)模型與穩(wěn)定系數(shù)

力學(xué)模型與穩(wěn)定系數(shù)是進(jìn)行危巖防治預(yù)警的荷載依據(jù)。從地質(zhì)構(gòu)造、軟硬巖層組合、水動力特性等方面綜合研究了危巖的形成及破壞機(jī)理。通過分析陡崖后退和危巖形成過程，把危巖崩塌分為四個階段，并通過建立不同荷載組合作用下的力學(xué)模型，計算出了危巖穩(wěn)定狀態(tài)[3]。前期通過研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、軟弱相見巖性組合、風(fēng)化作用、降水和地下水、采煤活動等方面，分析了危巖形成所需的外部條件以及對危巖形成的影響因素，經(jīng)過對危巖體發(fā)育過程的研究，分析了危巖地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及危巖發(fā)育模式的演繹過程，總結(jié)出了危巖軟硬互層邊坡發(fā)育地貌過程與破壞模式[4]。

四、實(shí)地勘探調(diào)查研究

對望霞危巖的解體過程進(jìn)行實(shí)地勘察監(jiān)測可以有效地搜集數(shù)據(jù)。通過儀器對危巖的位移解體變形進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，總結(jié)出了危巖體的整體破壞特性。從誘發(fā)危巖的直接因素—持續(xù)強(qiáng)降雨入手，得出由于雨水滲入使泥頁巖軟基強(qiáng)度降低，加大了塑流變形，使得危巖體下部發(fā)生巨大變形，使砂巖層出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，同時水流也加快了危巖體中的節(jié)理和裂隙發(fā)育[5]；加之危巖體上部變形大于下部，水平變形的同時伴隨沉降變形，加大了危巖體的不均勻變形以及相對沉降量，使得危巖體在縱向和橫向裂縫的影響下發(fā)生解體并最終崩塌。在研究了外部因素的同時，結(jié)合望霞危巖特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和臨空的高陡邊坡條件等內(nèi)在因素，得出望霞危巖體的形成和解體過程具有典型的內(nèi)外動力耦合作用特性[6]。

五、巫山望霞危巖破壞災(zāi)害研究趨勢

綜上可見，目前國內(nèi)對望霞危巖的防災(zāi)減災(zāi)理論與預(yù)警預(yù)報中，在能量轉(zhuǎn)化、力學(xué)模型和實(shí)地數(shù)據(jù)勘察方面，研究周期最長，研究也最深入，但在望霞危巖的仿真模擬、危巖破壞的預(yù)警預(yù)報及危巖體的清除技術(shù)方面研究進(jìn)展緩慢，缺乏能實(shí)際解決危巖體危害的工程技術(shù)方法；缺乏對巫山望霞危巖的數(shù)值仿真模擬分析研究，對危巖的破壞過程只是停留在對采集數(shù)據(jù)的分析上，因此需要在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對望霞危巖的破壞力學(xué)特性進(jìn)行仿真模擬；由于危巖破壞的突發(fā)性，國內(nèi)還缺少對危巖破壞有效的預(yù)警預(yù)報技術(shù)，多數(shù)學(xué)者關(guān)注理論分析，而對相應(yīng)的工程實(shí)踐缺乏經(jīng)驗(yàn)。鑒于此，為了適應(yīng)當(dāng)前及以后對望霞危巖防災(zāi)減災(zāi)的需求，須對望霞危巖破壞機(jī)理中的關(guān)鍵問題開展進(jìn)一步的科學(xué)系統(tǒng)的研究，特別硬關(guān)注一下三個方面：

(一)危巖崩塌的數(shù)值仿真模擬實(shí)驗(yàn)

PFC2D/3D是一種離散元軟件，建立的離散元模型力學(xué)行為取決于構(gòu)成這個模型的顆粒單元集合體，單元之間的接觸方式和接觸力不同，整個顆粒集合體的力學(xué)行為則不同，集合體復(fù)雜的非線性力學(xué)行為是由顆粒單元之間簡單的力學(xué)關(guān)系集合而成，因此，在利用該軟件解決問題時不需要定義模型的本構(gòu)關(guān)系，只需要賦予顆粒之間適合的細(xì)觀參數(shù)即可。

(二)危巖體應(yīng)急清理通行技術(shù)

由于對危巖體的清理工程技術(shù)還不夠成熟，一旦危巖體發(fā)生解體崩塌就會產(chǎn)生大量隨時，嚴(yán)重影響周圍設(shè)施和群眾的安全，所以應(yīng)加強(qiáng)危巖清理技術(shù)的研究，加快清理技術(shù)在工程中的應(yīng)用；危巖體路段應(yīng)急通行技術(shù)是危巖體災(zāi)害防治的薄弱環(huán)節(jié)，特別是針對像望霞危巖這中大型危巖體，危巖體破壞后石方量大，影響范圍廣，為此，需針對危巖體周圍的應(yīng)急通行山路，采用模型試驗(yàn)、理論分析等研究手段，進(jìn)行危巖體周圍山體承載力變化特性研究，研發(fā)危巖體清除交通應(yīng)急通行技術(shù)。

(三)危巖崩塌的預(yù)警預(yù)報技術(shù)方法

危巖體的崩塌具有突發(fā)性，高速運(yùn)動的碎石威脅著危巖體區(qū)域內(nèi)的人員、道路、水運(yùn)、基礎(chǔ)設(shè)施等的安全，進(jìn)行危巖體應(yīng)急安全警報研究，消除危巖體暴發(fā)期間的道路交通運(yùn)輸及行人安全隱患，是當(dāng)前三峽庫區(qū)減災(zāi)的重要環(huán)節(jié)之一。

六、結(jié)語

巫山望霞危巖災(zāi)害是三峽庫區(qū)重要地質(zhì)災(zāi)害類型，其防災(zāi)理論與防災(zāi)技術(shù)長期受到國內(nèi)學(xué)者及政府管理部門的高度重視，并予以系統(tǒng)研究。論文詳細(xì)總結(jié)、梳理了巫山望霞危巖災(zāi)害的研究現(xiàn)狀，科學(xué)分析了現(xiàn)有研究存在的薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)此提出了進(jìn)一步實(shí)施巫山望霞危巖防災(zāi)減災(zāi)研究的三個方向。研究成果對推動巫山望霞危巖災(zāi)害研究與防治有積極意義。