賀 凱，陳春利，馮 振，李 濱，潘利賓

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，北京 100081；3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；4.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊，重慶 401120)

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塔柱狀巖體崩塌災(zāi)害研究現(xiàn)狀

賀 凱1,2，陳春利3，馮 振1,2，李 濱1,2，潘利賓4

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，北京 100081；3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；4.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊，重慶 401120)

通過系統(tǒng)梳理國內(nèi)外塔柱狀巖體崩塌的相關(guān)研究資料，對長江經(jīng)濟帶及其周邊地區(qū)塔柱狀巖體形成與穩(wěn)定性影響因素、崩塌失穩(wěn)模式以及損傷理論應(yīng)用3個方面進行總結(jié)論述，并據(jù)此對塔柱狀巖體崩塌災(zāi)害的發(fā)展趨勢與問題熱點進行了探討，為長江經(jīng)濟帶下一階段的地質(zhì)調(diào)查與研究提供理論準(zhǔn)備與參考。

塔柱狀巖體；長江經(jīng)濟帶；崩塌災(zāi)害；損傷；壓裂潰屈

1 塔柱狀巖體崩塌災(zāi)害特征

受構(gòu)造運動以及河流侵蝕影響，我國長江流域歷來是地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，尤其是長江經(jīng)濟帶中上游，即川渝、滇黔、湘鄂等西南部山區(qū)，多呈現(xiàn)高陡的厚層—巨厚層陡崖地貌，在巖體結(jié)構(gòu)面和巖體強度的控制下，加之降水、風(fēng)化等外力作用，發(fā)生過多起重大災(zāi)難性巖質(zhì)崩塌事件(見圖1)，給山區(qū)城鎮(zhèn)人居安全與國家重大工程安全帶來巨大威脅[1-5]。其中大型危巖體在長期自重荷載與多因素耦合作用下，底部巖體應(yīng)力集中壓裂潰屈而引發(fā)危巖整體崩塌失穩(wěn)的災(zāi)害時有發(fā)生。這種崩塌類型多發(fā)于塔柱狀、板狀等具有較大高徑比形態(tài)的灰?guī)r山體中，廣泛分布在長江經(jīng)濟帶及周邊地區(qū)，災(zāi)害突發(fā)性強、影響范圍大、致災(zāi)性高、成災(zāi)機理復(fù)雜。如：2004年8月12日重慶市南川區(qū)金佛山甑子巖發(fā)生特大型危巖崩塌，崩塌體體積達56×104m3，受威脅人口達400余人，目前該地區(qū)仍有兩塊體積均超過100×104m3的高陡危巖體矗于陡崖邊緣(見圖2)，成為下方金佛山水利工程的重大威脅；位于三峽庫區(qū)巫峽左岸的箭穿洞危巖(見圖3)，扼守黃金水道，受庫水位波動影響，底部巖體強度降低，危巖體變形明顯加劇，一旦失穩(wěn)將引發(fā)高度超過30 m的涌浪災(zāi)害，成為長江航道和上下游城鎮(zhèn)的重大安全隱患并造成巨大經(jīng)濟損失[6-7]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大型塔柱狀巖體崩塌災(zāi)害不僅可導(dǎo)致重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，而且易于轉(zhuǎn)化為高速遠(yuǎn)程碎屑流，形成災(zāi)害鏈，成為城鎮(zhèn)化建設(shè)與重要交通通道、水電工程建設(shè)等的巨大威脅。長江經(jīng)濟帶及周邊地區(qū)的塔柱狀巖體崩塌災(zāi)害通常具有以下4種特征：①地層巖性以厚層脆性硬質(zhì)巖層為主，底部巖體長期受壓應(yīng)力作用呈現(xiàn)碎裂狀；②節(jié)理裂隙普遍發(fā)育，陡傾節(jié)理與卸荷裂隙尤為常見；③差異風(fēng)化、巖溶作用等外動力作用較為強烈，巖體結(jié)構(gòu)強度降低；④受采空等人類工程活動影響危巖崩塌災(zāi)害頻發(fā)。這些因素相互耦合作用，使得該類崩塌災(zāi)害破壞機制更加復(fù)雜，突發(fā)性強，早期識別難度大。本文通過系統(tǒng)梳理國內(nèi)外塔柱狀巖體崩塌的相關(guān)資料，從崩塌體形成與關(guān)鍵影響因素、崩塌失穩(wěn)模式及損傷理論應(yīng)用3個方面論述其研究現(xiàn)狀，并據(jù)此對塔柱狀巖體崩塌災(zāi)害研究的發(fā)展趨勢進行探討，為長江經(jīng)濟帶下一階段的地質(zhì)調(diào)查與研究工作提供理論準(zhǔn)備與參考。

圖1 2015年度長江經(jīng)濟帶地質(zhì)災(zāi)害分布圖(據(jù)文獻[4]修編)Fig.1 Distribution of geological disasters in the Yangtze River Economic Zone in 2015

圖2 重慶市南川區(qū)甑子巖崩塌Fig.2 Zengziyan collapse in Nanchuan, Chongqing

圖3 重慶巫峽箭穿洞危巖體Fig.3 Jianchuandong unstable rock mass in Wuxia, Chongqing

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

2.1 塔柱狀崩塌體形成與關(guān)鍵影響因素

塔柱狀是底部壓裂潰屈型崩塌最為常見的巖體形態(tài)，其成因機理與影響因素對研究同類災(zāi)害體具有重要參考價值。在可查證文獻中，涉及塔柱狀巖體的研究可追溯至19世紀(jì)。1875年P(guān)owell[8]在對美國科羅拉多河及其支流流域的探索調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)廣泛分布有燈塔狀、碑狀(light-house rock、island monument rock)等塔柱狀巖體，并從地貌學(xué)角度分析了其形成過程，認(rèn)為這些塔柱狀巖體是由灰?guī)r或砂巖經(jīng)長期水流沖蝕與風(fēng)化作用而形成。Terzaghi[9]圍繞發(fā)生于阿爾卑斯山脈Pulverh?rndl的塔狀灰?guī)r崩塌災(zāi)害開展了分析，認(rèn)為這一案例是由于基底軟弱巖體的漸進式破壞導(dǎo)致上覆塔柱狀灰?guī)r崩塌，約2.38×104m3的崩解體撞擊并刮鏟軟弱頁巖層，最終形成約千萬方的崩滑碎屑流。Poisel等[10-12]對塔柱狀、板狀巖體崩塌災(zāi)害做了較詳細(xì)的論述，認(rèn)為這類災(zāi)害體主要發(fā)育于下伏軟弱層的硬巖地層中，突出特點就是“上硬下軟(hard on soft)”的巖性結(jié)構(gòu)以及節(jié)理切割，下伏軟巖的擠出導(dǎo)致上部硬巖塊體變形是其主要失穩(wěn)原因。Susan等[13]對大型孤立塔柱狀灰?guī)r傾倒崩塌開展了研究，認(rèn)為控制性節(jié)理對該類危巖體的失穩(wěn)起關(guān)鍵作用。Peisser[14]認(rèn)為灰?guī)r陡崖因常發(fā)育3組近垂直節(jié)理且由于灰?guī)r與下伏頁巖的差異風(fēng)化作用，因此易于發(fā)生塔柱狀塊體的傾倒。Glastonbury等[15]對多位學(xué)者關(guān)于崩塌的研究成果進行了歸納，認(rèn)為巖質(zhì)崩塌誘發(fā)因素主要包括地下采空擾動、坡腳軟弱巖層的壓剪作用、深大結(jié)構(gòu)面切割等。

國內(nèi)對塔柱狀巖體的專門研究較少，一般認(rèn)為板狀、墻柱狀等巖體均具有較大高徑比的形態(tài)特征。陳洪凱等[16]采用突變理論和功能原理等研究方法，對板柱狀危巖突發(fā)性破壞機理進行了研究。Liu Q等[17]以貴州施秉云臺山石峰、石塔為例，分析了巖石礦物成分和結(jié)構(gòu)等微觀特性與風(fēng)化作用對塔柱狀巖體形成所起到的控制性作用。胡厚田等[18]、李廣杰等[19]分別從陡傾構(gòu)造的切割和巖體質(zhì)量評價角度研究了這類問題。此外，還有學(xué)者利用運動學(xué)理論以及數(shù)值模擬技術(shù)對這類巖體的破壞模式與穩(wěn)定性進行了研究[20-21]。

綜上可知，目前國內(nèi)外學(xué)者對塔柱狀巖體的研究主要有以下共識：①認(rèn)為節(jié)理裂隙的切割、軟硬巖層的差異風(fēng)化、基底(潛在)軟弱層以及外力作用是致使塔柱狀巖體崩塌失穩(wěn)的主要因素(見圖4)；②失穩(wěn)模式分析仍以常規(guī)的整體性假設(shè)為主，未考慮崩塌體的自身差異性；③主要從地貌、巖性、結(jié)構(gòu)等對災(zāi)害體的成因機理、失穩(wěn)模式、穩(wěn)定性等方面開展研究。但現(xiàn)有研究成果未考慮災(zāi)害體內(nèi)在力學(xué)特性的差異與變化。

圖4 塔柱狀巖體形成與失穩(wěn)影響因素Fig.4 The influence factors of the tower-shaped rock’s formation and destroy

2.2 巖質(zhì)崩塌破壞模式

崩塌破壞模式是對崩塌事件的基本定性，是研究巖質(zhì)崩塌需要解答的基本問題之一。自1875年Baltzer[22]在阿爾卑斯山地區(qū)巖質(zhì)崩滑災(zāi)害研究中將不同災(zāi)害類型分為墜落、滑移和流動3大類之后，其他學(xué)者基于此逐步深入并不斷細(xì)化巖質(zhì)崩塌破壞模式。Heim[23]將巖質(zhì)崩滑分為3類：孤立塊體的自由運動、與層面相關(guān)的崩滑以及與層面無關(guān)的崩滑。Sharpe[24]根據(jù)研究對象的運動、材料、運動速度引入了三維分類系統(tǒng)。Varnes[25-26]在Sharpe[24]的研究基礎(chǔ)上系統(tǒng)提出了滑坡崩塌等災(zāi)害類型和滑動方式的分類與定義，被大多數(shù)學(xué)者所接受，其中將崩塌災(zāi)害分為崩落和傾倒。此后，多位學(xué)者對崩塌破壞模式類型進行了系統(tǒng)修正和補充完善，使之進一步規(guī)范化，標(biāo)志著人們對崩塌災(zāi)害的理論認(rèn)知水平逐步提高[27-32]。Hungr等[33]在2014年對Varnes分類進行了全面的總結(jié)、整理和升級，根據(jù)不同運動模型將之分為6大類，即墜落、傾倒、滑移、擴離、流動和坡體變形(見表1)，并根據(jù)巖土介質(zhì)以及失穩(wěn)模式進一步細(xì)分出12個具體破壞類型。其中，塔柱狀等高陡巖體常見的底部壓裂潰屈崩塌可以看作是巖崩-碎屑流的一種初始失穩(wěn)破壞模式。

表1 巖質(zhì)崩滑模式分類[33]

國內(nèi)對巖質(zhì)崩塌災(zāi)害的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)80年代末。胡厚田[34]以崩塌體初始運動方式和受力狀態(tài)作為主要分類依據(jù)將崩塌分為傾倒式、滑移式、鼓脹式、拉裂式、錯斷式5種基本模式。曠鎮(zhèn)國[35]根據(jù)危巖的失穩(wěn)破壞機制建立力學(xué)模式對崩塌開展研究。黃潤秋[36]從控制條件和失穩(wěn)機理角度對崩塌危巖體進行分類研究。伍法權(quán)等[37]重點圍繞三峽庫區(qū)軟硬互層高邊坡的崩塌破壞提出了有針對性的多種破壞模式。陳洪凱等[38-41]以崩落式危巖研究為主，集中開展危巖崩塌演化機理與防治研究，基于危巖主控結(jié)構(gòu)面抗剪強度、損傷及斷裂機制，揭示了崩塌鏈?zhǔn)窖莼?guī)律，分析了崩塌落石的運動及突變特性。殷躍平等[42-45]、劉傳正[46]、張永雙等[47]對大型崩塌災(zāi)害的機理以及引發(fā)高速遠(yuǎn)程碎屑流的崩塌災(zāi)害做了深入研究。

通過文獻分析可知，國內(nèi)外對巖體崩塌的研究雖然已較為全面，但更多是從地質(zhì)方法入手定性分析，且并無專門針對塔柱狀巖體崩塌破壞模式的系統(tǒng)研究成果。

2.3 巖體損傷力學(xué)研究與應(yīng)用

對塔柱狀巖體崩塌開展力學(xué)解析是深入研究成災(zāi)機理與穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。由于塔柱狀、板狀等巖體均具有較大高徑比的形態(tài)結(jié)構(gòu)，其頂部與底部可呈現(xiàn)出顯著的差異化力學(xué)行為特性，加之巖體材料作為自然地質(zhì)體，其結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素極為復(fù)雜，內(nèi)部存在各種節(jié)理、裂隙和微缺陷，因此損傷力學(xué)理論的發(fā)展為合理考慮巖體材料內(nèi)各種分布缺陷的研究提供了有力手段。

Kachanov[48-49]于20世紀(jì)50年代首先提出損傷的概念并用一個定義為損傷變量的標(biāo)量分析了一維蠕變破壞問題。在Rabotnov[50]進一步引入“損傷因子”的概念后，眾多學(xué)者采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，把損傷因子推廣為一種場變量，初步形成了“連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)”(CDM)這一學(xué)科[51-56]。Dougil[57]最早開展了巖石類材料損傷力學(xué)研究，認(rèn)為對于脆性巖石而言理想脆性行為并不適用，巖石類材料中可能包含許多潛在缺陷點，可以用連續(xù)介質(zhì)理論描述非均質(zhì)固體的穩(wěn)定破裂過程效應(yīng)。隨后Dragou等[58]應(yīng)用損傷概念提出了能反映應(yīng)變軟化的巖石與混凝土的彈性本構(gòu)關(guān)系。Kyoya等[59]、Kawamoto等[60]于1985年將二階損傷張量引入巖體損傷的研究，提出了節(jié)理巖體的損傷模型，最終實現(xiàn)了節(jié)理巖體各向異性損傷的有限元分析。Ashby等[61]在1990年提出了細(xì)觀損傷力學(xué)概念，給出了含初始損傷分布的裂紋成核、發(fā)育以及相互作用的模型，分析了多種脆性巖石受壓下微裂紋損傷的發(fā)展。此后，隨著損傷檢測技術(shù)的進步，損傷理論在巖體工程中的應(yīng)用迅速發(fā)展。Shah等[62]、Nejat等[63]利用聲發(fā)射(AE)技術(shù)研究了巖體的損傷問題；Cerrolaza等[64]將損傷理論結(jié)合邊界元方法應(yīng)用在地下工程巖體開挖中；Mihaly等[65]研究了巖體的動態(tài)損傷。

20世紀(jì)80年代，損傷力學(xué)在巖石力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在國內(nèi)也受到極大關(guān)注。周維垣等[66]、謝和平[67]、李新平等[68]、凌建明等[69]、李寧等[70]主要圍繞不同損傷本構(gòu)模型開展了研究。楊更社等[71]、葛修潤等[72]、朱珍德等[73]利用CT掃描技術(shù)或SEM技術(shù)對巖石損傷開展了定量分析。馮夏庭等[74]、楊圣奇[75]對巖石破裂過程的多場耦合效應(yīng)與流變特性，從孔隙度演化、宏細(xì)觀試驗等方面進行了深入研究。何滿潮[76]介紹了基于聲波測試法的工程地質(zhì)體物性參數(shù)的最新研究進展。趙明階等[77]、尤明慶等[78]、朱杰兵等[79]分別利用聲波測試技術(shù)對巖石損傷開展了相關(guān)研究工作。

可以看出，對于巖體這種具有先存損傷的材料，損傷理論無疑能夠更好地反映巖體的真實屬性。應(yīng)用損傷力學(xué)理論研究巖體問題從20世紀(jì)末才開始起步，研究內(nèi)容主要集中在損傷本構(gòu)模型、加卸載下?lián)p傷演化、凍融循環(huán)下?lián)p傷演化、動載及爆破荷載下?lián)p傷特性、損傷試驗檢測、地下工程中損傷理論應(yīng)用、多場耦合條件下的損傷研究等方向。隨著檢測、計算、模擬等技術(shù)的進步，巖體損傷理論逐步成為國內(nèi)外研究熱點，最初應(yīng)用在采掘工程中，后逐漸拓展到水利水電工程、地下工程，近年來開始有人嘗試將其引入地質(zhì)災(zāi)害研究。損傷力學(xué)理論在巖體領(lǐng)域雖已經(jīng)取得了較為豐富的成果，但由于應(yīng)用方向較窄，研究程度不一，實際應(yīng)用亟需加強，因此仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

3 問題與展望

通過對國內(nèi)外塔柱狀巖體崩塌的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，以長江流域、西南山區(qū)等今后一段時期內(nèi)重點調(diào)查與工作區(qū)的實際情況和亟待解決的實際問題為指引，綜合考慮現(xiàn)有研究成果以及國內(nèi)外研究熱點，認(rèn)為以下4方面問題值得開展深入研究：

①塔柱狀等大型高陡巖體廣泛分布于長江經(jīng)濟帶及周邊地區(qū)，尤其是中上游碳酸鹽巖山區(qū)，受內(nèi)外動力綜合作用，這一地區(qū)大型危巖體的崩塌誘發(fā)因素十分復(fù)雜，關(guān)鍵因素的誘發(fā)機理又會影響到對災(zāi)害體早期識別特征的建立與甄別，而不同的特征因素會對災(zāi)害體致災(zāi)范圍產(chǎn)生直接影響。因此在多因素作用與多場耦合下的災(zāi)害體致災(zāi)影響范圍分析仍有待進一步開展研究。

②巖體是天然的不均勻和易受損材料，巖質(zhì)崩塌破壞實質(zhì)上是損傷演化誘致的突變，即塔柱狀巖體崩塌失穩(wěn)往往是典型的非線性動力學(xué)過程。特別需要指出的是，如何能夠利用現(xiàn)有技術(shù)獲取巖體損傷分析所需參數(shù)，是損傷力學(xué)理論能否合理應(yīng)用于巖體崩塌研究的關(guān)鍵，而如何能夠?qū)⒗碚搶用嫜芯哭D(zhuǎn)化為實際應(yīng)用研究也仍將是需要大力攻關(guān)的重點研究方向。

③塔柱狀巖體常會發(fā)生底部壓裂潰屈型崩塌，傳統(tǒng)地質(zhì)力學(xué)模型目前并不能滿足其成因機理分析需求，利用常規(guī)方法得到的穩(wěn)定性分析結(jié)果與災(zāi)害體實際性狀差別較大，可通過引入損傷力學(xué)理論開展研究。但對于具有較大高徑比的災(zāi)害體，如何進行力學(xué)解析才能不忽略其自身差異性，災(zāi)害體底部荷載應(yīng)力集中區(qū)的巖體損傷劣化過程對災(zāi)害體整體穩(wěn)定性如何產(chǎn)生影響，這些問題均是今后研究中的重點與難點。

④塔柱狀巖體崩塌災(zāi)害突發(fā)性強，破壞范圍大，易形成遠(yuǎn)程碎屑流，災(zāi)害早期識別與監(jiān)測預(yù)警難度大，應(yīng)在考慮崩塌體損傷演化的前提下構(gòu)建適用于塔柱狀巖體崩塌的穩(wěn)定性評價方法，在全面調(diào)查基礎(chǔ)上，通過綜合性計算分析對危巖體穩(wěn)定性進行科學(xué)合理的預(yù)判，以避免或降低突發(fā)災(zāi)害事件帶來的重大損失。

圍繞上述問題與研究方向，應(yīng)立足受崩塌災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的地區(qū)，開展有針對性的、系統(tǒng)的調(diào)查研究工作。從崩塌體形成的地質(zhì)環(huán)境背景出發(fā)，綜合采用試驗測試以及數(shù)值模擬等技術(shù)手段，揭示塔柱狀巖體崩塌失穩(wěn)機制，建立巖體崩塌與活動構(gòu)造以及地表穩(wěn)定性之間的聯(lián)系，探索崩塌災(zāi)害研究的新思路與新方法，為我國尤其是長江經(jīng)濟帶及其周邊地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害減災(zāi)防災(zāi)提供科學(xué)理論依據(jù)與創(chuàng)新技術(shù)支撐。

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A REVIEW ON THE COLLAPSE HAZARDS OF TOWER-SHAPED ROCK

HE Kai1,2, CHEN Chun-li3, FENG Zhen1,2, LI Bin1,2, Pan Li-bin4

(1.Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;2.KeyLaboratoryofNeotectonicandGoehazard,MinistryofLandResources,Beijing100081,China;3.ChinaInstituteforGeo-EnvironmentMonitoring,Beijing100081,China;4.The107GeologicalTeam,BureauofGeologyandMineralResourcesofChongqingCity,Chongqing401120,China)

Through systematically sorting out the relative data of the collapse hazards of tower-shaped rock at home and abroad, we summarized three aspects of the tower-shaped rock (the influence factors of formation and stability, failure mode of collapse and application of damage theory) in Yangtze River Economic Belt and surrounding areas. Then we discussed the trend and hotspot issues of the collapse hazards of tower-shaped rock, offering theoretical preparation and reference for the next stages of the geological survey and research.

tower-shaped rock; the Yangtze River Eeconomic Belt; collapse hazard; damage; collapse triggered by pressured breakdown

1006-6616(2016)03-0714-11

2016-04-13

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(DD20160268-4)；中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項經(jīng)費資助項目(DZLXJK201610)；國家自然科學(xué)基金項目(41302246、41472295)

賀凱(1986-)，男，博士，助理研究員，主要從事地質(zhì)災(zāi)害等方面的研究工作。E-mail：hekai2005@163.com

P642.21

A