巖土工程災變和防災理論主講：陳忠輝土木工程系第一章緒論巖土工程災害學的定義:巖土工程災害學是研究工程建設過程中巖土工程的地質災害問題，它是一個力學過程。它是土建工程地質學與巖土力學的交叉學科。主要任務：研究巖土工程災害的地質條件和發(fā)生機理；預測巖土工程在自然因素和人為活動作用下巖土力學性質的變化和破壞規(guī)律，控制它的發(fā)展和影響范圍，并提出改造環(huán)境、防治巖土災害的方案和措施。形成巖土工程災害的因素自然因素：生物圈的作用力：風化太陽熱能的作用力：風化和凍融大氣圈運動的搬運力：風蝕大氣降水的襲擊力：剝蝕、沖溝地表水圈的作用力：掏蝕、沖刷、岸邊再造地下水的作用力：巖溶、破碎帶的管涌、塌陷巖土的重力：滑坡、崩塌地球引力和板塊運動：地震、地殼變形、火山人為因素人類活動一方面創(chuàng)造世界，另一方面破壞環(huán)境，造成巖土工程災害。開挖斜坡：斜坡失穩(wěn)開采地下固體礦物：地表移動、地應力重分布開采石油、天然氣、地下水：地面沉降、塌落、地震河流水系的改道和破壞：河床變形、邊岸再造、水庫地震灌溉：巖土鹽堿化和濕化土木工程建造：地基失穩(wěn)、地層變形巖土工程災害的分類漸進破壞：地層緩慢沉降、風化、剝蝕危害也是漸進，破壞范圍較大，暫時危害不大，但總體危害也特別大。可防治性好。失穩(wěn)破壞：滑坡、巖爆、崩塌破壞瞬間完成，范圍相對較小，對人類的生產和生命危害極大，可防治性差。研究的方法根據本學科的工程特點，采用現場調查、科學實驗和理論分析相結合的研究方法現場調查包括：工程地質測繪、勘探、和物探，主要收集現場資料。科學實驗：巖土物理力學參數、現場和室內模型實驗、水文實驗，主要評價巖土工程的穩(wěn)定性?，F在實驗包括數值模擬實驗。理論分析：過去理論分析主要基于巖土力學、地質學和土建工程學，目前把非線性科學理論應用于巖土工程災害分析。包括：分形理論、突變理論、耗散結構理論、協同學理論、重整化群理論等，它們主要處理自然界和社會活動過程中復雜現象和規(guī)律。本課程主要內容典型的三種巖土工程災害規(guī)律和防治措施。（1）地層沉陷（2）滑坡（3）巖爆和沖擊地壓非線性科學的主要內容和應用第四章地層沉陷基本概念地層沉陷是指地層中巖體臨空或受力而發(fā)生垂直和水平方向上緩慢或突發(fā)性的變形、破壞和運動。其實則是地層中巖土體的失穩(wěn)破壞。基本特點（1）研究范圍大，采動臨空面及其周圍巖體直至地表；（2）不僅研究應力、應變，更關心巖體及地表產生的大變形和大位移；（3）不僅研究本身巖體的損害，而且研究地層沉陷所波及的地層環(huán)境的破壞。地下采煤引起的地表塌陷原砂土堆壩河道右壩遠景與干枯的河道沉降量理論研究路徑理論研究是把巖體和臨空面抽象為一定的理論模型，根據該理論模型的理論解及實測、實驗求得的參數，對巖體內部及地表的應力和位移進行計算，其流程圖如下：地層沉陷的理論研究示意圖理論研究究的三種種方法唯象學理理論研究究：包括括概率積積分法、、負指數數函數法法、典型型曲線法法。它簡簡便易行行，避開開了巖體體的本構構，對于于層狀結結構計算算誤差較較小。經典力學學理論研研究（反反分析））：利用用黑箱原原理，進進行巖體體采動系系統調制制，老擬擬合采動動巖體與與地表的的移動曲曲線。計計算結果果較差，，很少使使用。力學理論論研究（（正演分分析）：：利用力力學原理理，將巖巖體抽象象為力學學模型，，編制相相應的計計算程序序對采動動巖體與與地表沉沉陷進行行模擬。。地下開采采地層內內部沉陷陷特征礦體采空空后，圍圍巖的原原始應力力平衡狀狀態(tài)被破破壞，應應力開始始重新分分布，使使圍巖產產生變形形、移動動、破壞壞，顯然然破壞的的程度距距離采空空區(qū)的遠遠近有關關。分成成六個區(qū)區(qū)域，上上覆巖層層分為冒冒落帶、、裂隙帶帶和彎曲曲帶，底底板分為為底板導導水裂縫縫帶、保保護帶和和承壓水水導升帶帶。地層沉陷分分區(qū)示意圖圖地表沉陷特特征沉陷盆地是是在工作面面推進過程程中逐漸形形成的，它它比采空區(qū)區(qū)域大得多多。地表沉陷盆盆地的發(fā)生生和發(fā)展地地表表沉陷盆地地區(qū)域劃分分示意圖地表沉陷的的危害地層沉陷對對建筑物的的危害地層沉陷對對水體的危危害地層沉陷對對鐵路和地層沉陷對井巷的危害地層沉陷對山體和露天礦邊坡的危害地層沉陷誘發(fā)礦山動力災害地層沉陷的的預測（概概率積分法法）地下礦體采采出后，巖巖層和地表表將發(fā)生移移動，以統統計的觀點點將整個開開采分解為為無窮多個個無限小的的開采，整整個開采對對巖層和地地表沉陷的的影響相當當于無窮多多個無限小小開采影響響之和。地表下沉地表傾斜變變形地表曲率變變形地表水平移移動地表水平變變形地層沉陷損損害控制（（一）活動基礎：：隨意調整整建筑物原原基礎高度度的一組構構件群，吸吸收采動巖巖體向上傳傳遞非線性性變形，達達到保護建建筑物安全全使用的目目的。活動基礎結結構示意圖圖離層注漿控控制地層沉沉陷離層注漿控控制沉陷就就是利用礦礦體開采后后覆巖層裂裂過程中形形成的離層層空間，借借助高壓注注漿泵從地地面通過鉆鉆孔向離層層空間注入入充填材料料，占據采采出空間向向上傳遞，，支承巖層層、減緩離離層上位巖巖體的進一一步彎曲下下沉，從而而達到減緩緩地層沉陷陷的目的。。其基本工工藝原理圖圖如下：改進開采工工藝或充填填技術大條帶開采采工藝小煤柱開采采大大條帶開開采充填開采對于有條件件的礦山進進行充填開開采，減少少地面沉陷陷第五章滑滑坡滑坡是一種種常見的斜斜坡失穩(wěn)而而產生的巖巖土工程災災害。在礦礦山、交通通、水利和和城市建設設過程中由由于大量開開挖和施工工不當等原原因，破壞壞了山體的的穩(wěn)定，從從而誘發(fā)滑滑坡的發(fā)生生和發(fā)展，，造成災害害性的事故故。基本特征：：滑動的巖土土體具有整整體性，并并保持著斜斜坡原有的的地質結構構特征；滑移的方式式為滑動，，而不是滾滾動或傾覆覆。252m370622南芬露天鐵礦非工作幫的大規(guī)模滑坡（250萬立方米）2019年下半年~2000年上半年滑坡的危害害我國是一個僅80年代一次性死亡人數在200人以上或直接經濟損失在千萬元以上有十余起（如1980年的鹽池河滑坡、1981年雞趴子滑坡、1984年新灘滑坡、1983年灑勒山滑坡，1989年的溪口滑坡）。由滑坡造成水、陸路交通中斷引起的間接損失更無法估計。由人類建設工程引起的滑坡也不少，如云南漫灣水電站左岸纜機平臺斜坡失穩(wěn)，隴海線葡萄園段滑坡迫使鐵路改線，龍羊峽電站虎丘山斜坡變形，成昆線鐵西滑坡?；碌姆诸愵惢碌姆诸愵惐容^繁雜雜，從不同同角度去分分類，例如如按滑坡的的組成物質質、滑動速速度、力學學特征、滑滑體形態(tài)、、滑體規(guī)模模、發(fā)展階階段等進行行分類。我國按力學學條件分類類：牽引式式滑坡、推推動式滑坡坡兩類。牽引式滑坡坡是由于坡坡腳處任意意開挖所引引起，斜坡坡失去平衡衡，靠近坡坡腳部分巖巖體首先開開始向自由由面膨脹、、開裂、擠擠出，然后后依次向上上發(fā)展，最最后整個邊邊坡失穩(wěn)滑滑移。推動式滑坡坡開始發(fā)生生斜坡的上上部，失穩(wěn)穩(wěn)破壞的巖巖體向下滑滑移，并擠擠壓下部巖巖體，造成成斜坡下部部鼓丘和隆隆起。治理的方法法不一樣：：牽引式滑滑坡通過增增加它的抗抗滑力，而而推動式滑滑坡通過卸卸荷方法來來減少的下下滑力?；碌陌l(fā)育育過程蠕動變形階階段由于開挖和和外界因素素的影響，，首先在斜斜坡內部產產生微小的的變形和移移動，然后后逐漸發(fā)展展，直至坡坡面出現斷斷續(xù)的張拉拉裂縫。隨著張拉裂裂縫的出現現，滲水作作用加強，，變形進一一步發(fā)展，，后緣張拉拉，裂縫加加寬，開始始出現較小小的錯距，，兩側剪切切裂縫相繼繼出現。坡坡腳部分巖巖體被壓裂裂致碎，并并有潮濕滲滲水，此時時滑動面初初步形成，，但尚未斜坡變形進一步發(fā)展，后緣裂縫不斷加寬，錯距不斷增大，兩側羽毛狀剪切裂縫貫通并撕開，斜坡前緣巖體擠碎并鼓出，出現鼓張裂縫，坡腳附近滲水渾濁，滑動面已經形成，失穩(wěn)巖體開始整體向下滑動?；瑒悠茐碾A階段滑體在整體體下滑時，，滑坡后緣緣迅速下陷陷，滑坡壁壁越露越高高，滑體分分裂成數塊塊?；麦w體上的建筑筑物嚴重變變形以至倒倒塌毀壞。。漸趨穩(wěn)定階階段滑動逐漸停停止后，形形成特殊的的滑坡地形形，在巖性性、結構構構造和水文文地質方面面相繼產生生變化，例例如斜坡巖巖體發(fā)生整整體性破壞壞、巖體變變得松散破破碎，透水水性增強，，含水量增增高，地層層產狀發(fā)生生變化。滑坡的預測測、預報滑坡是一個個典型的非非線性系統統的失穩(wěn)，，非線性系系統失穩(wěn)前前都要展示示大量的異異常信息———失穩(wěn)前前兆。斜坡滑動類類型Heok根根據滑動面面的差異把把巖石邊坡坡的破壞分分為四種類類型：圓弧破壞、、平面破壞壞、楔體破破壞和傾覆覆破壞，前三種破破壞性質屬屬于滑動破破壞，最后后一種屬于于崩塌破壞壞。大量的的理論研究究和野外勘勘察表明，，大多數巖巖石邊坡的的破壞均為為滑動破壞壞。(a)(b)(c)(d)巖石邊坡的的滑動類型型(a)平平面破壞；；(b)圓圓弧破壞壞；(c)楔體破破壞；(d)傾覆覆破壞邊坡穩(wěn)定性性分析方法法巖石邊坡穩(wěn)穩(wěn)定性分析析目前有三三種方法：：（1）解析方法，，最常用是塊體極極限平衡法，它通通過塊體在假定滑滑動面上抗滑力和和滑動力之間的平平衡關系來判斷邊邊坡的穩(wěn)定性。（2）數值方法，，通過計算巖石邊邊坡中的應力分布布，從而確定邊坡坡體的不穩(wěn)定區(qū)域域。（3）概率法，把把巖石邊坡的一些些參數視為一個隨隨機變量場，通過過建立隨機變量的的分布函數來確定定邊坡的穩(wěn)定性。。平面滑動穩(wěn)定分析析邊坡的穩(wěn)定性用穩(wěn)穩(wěn)定性系數來表示，它定義為為塊體的抗滑力與與下滑力之比。因因此單平面滑動時時邊坡的穩(wěn)定性系系數為：假設兩塊體之間存存在一對作用力和和，大小相等方向向相反。作用的方方向傾角為。通過塊體Ⅰ的平平衡可以求得作用用力的大小和方向向。塊體Ⅰ受到滑滑動面以下巖體對對它的作用力，單平面滑動雙雙平面滑動HLhG12ⅠⅡG2G1FⅡFⅠABCDCR1圓弧面滑動當邊坡的巖性較軟軟或結構面與邊坡坡面傾向相反時，，邊坡都沿某一個個圓弧面滑動，而而不是平面滑動。。絕大多數土體邊邊坡也是圓弧面滑滑動。圓弧面滑動動的邊坡穩(wěn)定性系系數定義為抗滑力力矩與滑動力矩之之比。圓弧面滑動穩(wěn)定性性Bishop計計算法NSSiSi+1Ni+1NiGox楔體滑動楔形體滑動是常見見的一種邊坡破壞壞形式。因為楔形形體是一個空間塊塊體，因此其穩(wěn)定定性計算是一個比比較復雜的問題。。楔形體滑動模型及及其穩(wěn)定性計算ADCBHBDAC面A面CGNN1N212上述計算的缺陷有關幾種邊坡滑動動模式一般都只考考慮滑動塊體重力力的作用，而實際際上研究的邊坡大大多承受靜水壓力力、地震力及建筑筑物的作用力等外外加荷載。在實際際評價邊坡穩(wěn)定性性時都要考慮這些些外加荷載的作用用。防治措施大致分為為減滑工程和抗滑滑工程，減滑工程程在于改變滑坡的的地形、土質、地地下水等狀態(tài)?？箍够こ淘谟诶糜每够瑯嬛飦淼值謸趸伦冃位蚧瑒樱@類主要制制止小規(guī)模的滑坡坡。防治工程減滑工程抗滑工程擋土墻、抗滑樁、、錨固工程、豎井井樁削坡減重地表水排除工程地下水排除工程排氣工程河道構筑物地表水溝防滲工程水平鉆孔集水井泄水隧道立體排水工程第六章巖爆爆和沖擊地壓基本定義巖爆是地下工程中中的一種特殊現象象，一般定義為在在應力集中作用下下，脆性煤巖體內內積聚的彈性應變變能在外界的擾動動觸發(fā)下突然釋放放，致使煤巖向自自由空間產生位移移的動力現象。在在煤炭系統巖爆習習慣上稱為沖擊地地壓。它是煤炭、、冶金、水電及鐵鐵道等地下工程中中重大災害之一。。危害自1738年英國國某錫礦首次發(fā)生生巖爆以來，在世世界范圍內已有20多個國家發(fā)生生過巖爆現象，據據煤炭系統不完全全統計，到2019年底，我國已已有35對礦井累累計發(fā)生2000余次巖爆事故，，造成數以百計的的人員傷亡，巷道道破壞達20多萬萬米。1、采礦開挖引起起的礦山壓力災害害液壓支架立柱缸體體爆裂、鼓肚、彎彎曲、損壞。安全閥開啟老虎臺礦巖爆的機理和產生生的原因各類巖爆的最終表表現形式都十分相相似，但由于應力力環(huán)境、采動影響響、巖體力學性質質及擾動特征的復復雜性，造成巖爆爆產生的成因及機機理尚不十分明確確。目前的研究多集中中在巖爆發(fā)生的準準則方面，相繼形形成了強度理論、、能量理論、失穩(wěn)穩(wěn)理論、沖擊傾向向理論等，巖爆發(fā)發(fā)生以后巖塊的動動力行為，完全按按照運動學的方程程來分析。強度理論強度理論認為在開開掘或采動過程中中，在采場和巷道道周圍形成應力集集中，當應力達到到巖石強度時，脆脆性巖石就突然破破壞形成巖爆。近代的強度理論引引入系統的觀點，，以巖體-圍巖系系統作為研究對象象，認為巖體的承承載能力應該是巖巖體和圍巖系統的的綜合強度，當巖巖體承受的應力大大于或等于巖體-圍巖系統強度時時，就發(fā)生巖爆。。巖爆發(fā)生的強度度準則強度理論在判別巖巖爆時，具有簡單單、直觀、容易應應用的特點，但它它對巖爆的動力學學特征描述不夠，，而且不能反映巖巖爆的時間特征。?，F場資料表明：：許多地下工程巖巖體承受的應力超超過它強度時，雖雖然已進入了軟化化階段，但多數并并未發(fā)生巖爆現象象。這從側面說明明了強度理論的局局限性。能量理論能量理論從能量轉轉化的角度來分析析巖爆的成因，該該理論認為巖體-圍巖系統在力學學平衡狀態(tài)下破壞壞所釋放的能量大大于所消耗的能量量時，即形成巖爆爆。考慮了巖爆能能量動態(tài)過程，巖巖爆的能量準則可可表示為：能量理論只說明了了巖體-圍巖系統統在力學平衡狀態(tài)態(tài)時，釋放的能量量大于消耗的能量量，巖爆就發(fā)生，，但沒有闡明平衡衡狀態(tài)的力學性質質和破壞條件，特特別是圍巖釋放能能量的條件，因此此巖爆的能量理論論缺乏必要條件。。沖擊傾向理論一般容易發(fā)生巖爆爆的巖體具有同樣樣的物理力學特征征，這種產生沖擊擊破壞的能力稱為為沖擊傾向，它是是巖爆產生的必要要條件。當巖體介介質的沖擊傾向度度大于規(guī)定的極限限值時，就可能發(fā)發(fā)生巖爆。這些沖沖擊傾向的指標包包括：彈性變形指指數、有效沖擊能能指數、極限剛度度比、破壞速度指指數等。式中K為沖擊傾向向性指標，K*為沖擊傾向性極限限值，用一組沖擊擊傾向指標來評價價巖體發(fā)生巖爆的的危險性具有實際際意義，但巖爆的的發(fā)生與周圍環(huán)境境密切相關，實驗驗室測定的沖擊傾傾向指標難于全面面代表各種地質因因素條件下巖爆特特征。變形失穩(wěn)理論失穩(wěn)理論是近年來來才被應用于巖爆爆研究。它從數學學上的穩(wěn)定性理論論出發(fā)，研究系統統穩(wěn)定準則。該理理論認為巖爆發(fā)生生前是一個準靜態(tài)態(tài)過程，而巖爆是是一個平衡狀態(tài)失失穩(wěn)轉化為另一個個平衡狀態(tài)的動力力失穩(wěn)過程。當巖巖體處于非穩(wěn)定的的平衡狀態(tài)時，遇遇到外界有微小的的擾動，巖體就可可能發(fā)生失穩(wěn)，從從而在瞬間釋放大大量能量，這些能能量促使巖體從靜靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，于于是發(fā)生急劇、猛猛烈的破壞。巖爆爆發(fā)生的判據表達達式為：巖爆烈度分級巖爆級別巖爆釋放的能量（J）巖爆的烈度(級)造成的損害程度微爆<10<1巖體的表面或深部局部破壞弱巖爆1~2拋出少量的巖塊，有聲響和地震效應，設備不受破壞中等巖爆2~3.5拋出大量的帶粉塵巖塊，形成氣浪，造成巷道支護破壞強烈?guī)r爆3.5~5造成幾十米巷道破壞災害性巖爆>5整個采區(qū)或整個水平范圍內受破壞10~102102~104104~107>107巖爆預測方法———聲發(fā)射巖石在壓力作用用下發(fā)生變形和和斷裂破壞，巖巖石內部微裂紋紋的擴展和摩擦擦都能引起彈性性能的突然釋放放并以應力波向向外傳播，這種種現象稱為巖石石的聲發(fā)射。它它在地下采礦和和地震工程中也也稱為地音。顯顯然聲發(fā)射的強強弱和時空分布布反映了巖體的的破裂進程。在預測評估技術術方面，不斷成成熟的模式識別別技術和改進的的聲測方法使得得低應力和高應應力巖石之間聲聲發(fā)射的差異能能被精確地測量量出來，并用來來進行巖石應力力集中區(qū)和巖爆爆先兆的評估，，進而預測預報報巖爆的發(fā)生。。預測實例美國愛達荷州北北部的Coeurd’Alene地區(qū)是是生產鉛、鋅、、銀等有色金屬屬的重要礦區(qū)。。該礦區(qū)正常情情況下聲發(fā)射率率一般在30次次/日以下，但但在巖爆發(fā)生前前兩小時左右，，聲發(fā)射活動突突然激增，其峰峰值強度可達正正常值的數十倍倍，隨后迅速下下降，再經過1~2小時就發(fā)發(fā)生巖爆。圖顯顯示三個月內內在同一個礦內內所發(fā)生的四次次巖爆的聲發(fā)射射記錄，由于成成功地預測了巖巖爆發(fā)生時間和和地點，因而這這四次巖爆均未未造成任何人員員傷亡。鉆屑法鉆屑法是在巖體體內鉆孔，同時時測量巖粉量、、聲響、鉆孔沖沖擊、鉆孔阻力力和巖粉粒度，，來判斷巖體內內應力集中程度度，鑒別發(fā)生巖巖爆的傾向和位位置。一般在鉆鉆孔時產生類似似巖爆的沖擊效效應，這也是鉆鉆屑得以鑒定巖巖爆危險程度的的物理基礎，這這種效應也可稱稱為鉆孔沖擊。。鉆屑法一般應應用于煤礦開采采中。一般以鉆屑量和和正常排粉量之之比作為衡量沖沖擊傾向指標，，它稱為鉆粉率率指數。它的表表達式為：式中為鉆粉率指數，，Vb為鉆出的的巖粉量，Vz為正常排粉量量，地球物理檢測法法某些淺源地震機機制和巖爆相似似，因此可以利利用檢測地震的的一些地球物理理方法，如地質質層析X線成像像法及電磁輻射射法，檢測巖爆爆。地質層析X線成像法在巖巖爆和采礦誘發(fā)發(fā)巖爆研究中有有三方面的應用用。（1）礦區(qū)區(qū)巖體的主動成成像能提供大區(qū)區(qū)域巖體的特性性；（2）通過過連續(xù)成像可提提供對巖體性質質的監(jiān)控；（3）以往巖體層層析成像提供例例如微震傳感器