关于红层灾变基础研究的若干思考.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()周翠英,刘镇,薛翊国,等 关于红层灾变基础研究的若干思考 工程地质学报,():,():关于红层灾变基础研究的若干思考周翠英刘镇薛翊国李彦荣范宣梅陈卫忠孙萍(中山大学土木工程学院,广州 ,中国)(中山大学广东省重大基础设施安全工程技术研究中心,广州 ,中国)(中国地质大学(北京)工程技术学院,北京 ,中国)(太原理工大学矿业工程学院,太原 ,中国)(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 ,中国)(中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉 ,中国)(中国地质科学院地质力学研究所,北京 ,中国)摘要红层是一种分布广泛,性质特殊的易灾地层组合,其灾变基础科
2、学问题已成为工程地质学科领域迫切需要解决的前沿课题之一。我国红层分布区工程规模巨大,灾变问题突出,主要表现为地质灾害、工程病害、生态损害 大灾变类型,使得红层地区经济社会可持续发展面临着前所未有的灾变危害与风险,严重威胁着一系列国家重大战略的实施。传统红层灾变理论和防控技术难以适应复杂条件下人地失调带来的重大挑战,亟待突破。本文旨在通过对国内外研究现状分析、对基础性科学问题的深入思考与系统梳理,阐明中国红层灾变研究概况,分析红层灾变基础研究的国际学术前沿问题,提出红层灾变基础研究亟待解决的 个关键科学问题,阐述了主要研究思路与内容及方案。这些思考寄期于支持破解红层灾变地质基因、成因机理、韧性协
3、调防控等难题,以保障红层地区国家重大战略的高效实施,保障人居安全、生态文明建设和社会经济可持续发展,使得我国红层灾变研究占领国际前沿高地。关键词红层灾变;地质基因与界面;红层地质灾害;红层工程病害;红层生态损害;韧性协调防控中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目(资助号:,)(,)第一(通讯)作者简介:周翠英(),女,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土工程的教学与研究工作 :(,)(,)(,(),)(,)(,)(,)(,),;引言红层是岩石圈表层分布最广、厚度最大的沉积地层之一,是与人类生产生活、工程建造、资源开采等密切相关的标志性地层。我国陆地红层面积
4、约 (,),主要以中新生代陆相沉积的红色碎屑岩层及其风化物为主,包括砾岩、砂岩、泥岩及其风化物等(陈曦,;,),其分布之广,厚度之大,沉积之典型,地貌之完整,世界罕见。红层灾变是指在内外动力和工程营力作用下,产生的各种灾害现象,包括:地质灾害,工程病害和生态损害等。我国约 的红层集中分布在西北高原、西南山地和东南盆地(图 ),而这些区域正是“一带一路”倡议等国家重大战略布局的核心区域(图 )。其中:西北高原红层以埋藏型为主,主要发育大规模的地质灾害,严重制约着“一带一路”倡议、“新时代西部大开发新格局”、“黄河流域生态保护和高质量发展”等国家重大战略的实施;西南山地红层以半裸半埋藏型为主,主要
5、发育大密集的工程病害,严重危及着“长江经济带”、“西部陆海新通道”和西南城市群建设的安全;东南盆地红层以裸露型为主,主要发育大范围的生态损害,严重制约着“粤港澳大湾区”战略实施和东南地区生态环境保护。红层作为一个特殊地质体,不仅记录着中新生 工程地质学报 图 红层分布示意图(改自 ()(中国地图修改自国家测绘地理信息局标准地图服务网站,审图号:()号,自然资源部监制)()(,:(),)图 一带一路、长江经济带、粤港澳大湾区等国家重大战略区域与红层分布的关系示意图(中国地图修改自国家测绘地理信息局标准地图服务网站,审图号:()号,自然资源部监制)(注:包括不同战略区域重合部分),(,:(),)(
6、:)代以来全球自然环境和气候变化,而且已成为重大灾变孕育体、重大工程承载体和生态环境附着体,导致红层地区经济社会可持续发展面临着前所未有的灾害危害与灾变风险,进而使得红层研究的关注度达到了前所未有的高度,为红层灾变规律的深刻认知、成因机理的全面阐释和安全风险的高效防控等重大前沿科学问题的突破带来全新的机遇。近年来,日、美、澳、加、法、德、英、意等国对红层相关研究加大投入,成果亦有赶超我国之势(潘艺等,)。因此,面向国家重大战略实施的需求,围绕红层地质灾害、工程病害与生态损害防控的瓶颈,针对红层灾变地质基因不清、地质灾害 工程病害 生态损害成因机制不明、韧性防控不足等问题,重点在红层灾变规律、机
7、理的基础前沿中取得理论突破,构建系统的红层灾变机理与防控理论与技术方法体系,迫在眉睫。()周翠英等:关于红层灾变基础研究的若干思考 中国红层灾变概况西北高原、西南山地、东南盆地等红层主要分布区正是国家重大战略布局的核心区域,已成为全球工程建设规模最大且最集中的热点地区,也是我国地质灾害 工程病害最集中和生态环境最脆弱的区域之一。而坐落于红层之中的高坝大库、长大隧道、大跨结构、超高建筑等重大工程正遭遇着前所未有的地质灾害与工程灾变风险。区内重大地质灾害高度集中:滑坡、沉陷、泥石流等地质灾害数量和损失图 红层地区重大灾害高度集中(中国地图修改自国家测绘地理信息局标准地图服务网站,审图号:()号,自
8、然资源部监制)(,:(),)占全国的 以上(图 ),群集突出;重大工程病害高度集中:据不完全统计,红层分布区交通、水利、市政等重大工程占全国的 ,地基失稳、围岩变形、边坡破坏等重大工程病害密集发生,灾情危重;重大生态损害高度集中:水土流失、荒漠化、植被退化等面积占红层地区的 以上,发展迅速。因此,红层灾变防控的基础研究是上述国家重大战略实施的重要科技保障,需求迫切,刻不容缓。西北高原红层灾变概况西北高原埋藏型红层主要发育大规模的地质灾害,严重制约着国家重大战略的实施。西北高原红层约 ,以埋藏型巨厚层泥岩或粉砂岩为主,埋深从黄河上游青海的几米到中游陕西的数百米不等,一般上覆黄土、粉土或细砂,形成
9、了典型的黄土 红层“二元结构”,盖层厚重。而西北地区发育了世界上引人注目和最宏伟的陆内造山带,也是构造变动影响最为强烈的区域之一,其深大构造形成了丰富的巨宏观界面(彭建兵等,;,;唐然等,),将红层在深部切割成众多块体,其内部节理裂隙等结构面十分发育。同时,深挖高填、穿越切割等重大工程活动对红层产生强烈扰动,恶劣的气候条件加剧了红层劣化,加之西北地区地下水位动态变化显著,在厚重黄土盖层垂直节理作用之下,地下水在红层泥岩中富集,经过巨宏观界面上的水 岩(土)互馈,导致红层深部进一步劣化,灾变极易产生。而该区域红层灾变一旦启动就容易形成深层次的重大地质灾害,同时激活大量巨型古滑坡,形成大型隐伏滑坡
10、群。近年来这些古滑坡和隐伏滑坡群随着突发构造运动或人类营力作用,进一步加剧了水 岩(土)构造的互馈,导致深部地层应力状态失衡,持续产生复活与运动,不断形成大规模地质灾害。而在埋藏型红层主生地质灾害的同时,深层大规模灾变孕育发生推动了深部与浅部动水条件关联影响,激发浅层的 工程地质学报 水 岩(土)工程互馈,伴生工程病害;进一步地,浅层灾变孕育发生也推动浅部与表部动水条件相互作用,使得表部水土气生作用增强,激发表层的水岩(土)生态互馈,派生生态损害。这些红层灾变严重危害所在地区城镇与人居安全,严重影响西气东输、西电东送、兰新高铁、京新高速等重大基础设施建造与运维,严重制约国家重大战略的实施。例如
11、:年 月 日,通车仅 年多的兰新高铁某大型泥岩山体滑坡复活,迫使火车停运,至今无法使用;甘肃磐安巨型滑坡群长约 ,宽约 ,体积超过 ,首次由地震诱发的滑坡死伤约 万余人,近年来多次复活,严重威胁着陇海铁路等交通和城镇安全(图 );年以来青海果洛特大滑坡群多次滑动,人员死伤严重,严重破坏了当地交通,直接威胁人民生命财产安全等;年 月 日兰新高铁九家湾东山发生山体滑坡,造成高铁桥墩移位、上部结构发生大变形及道路塌方等重大危害。因此,系统开展西北高原埋藏型红层重大地质灾害机理及其对策,迫在眉睫。图 西北高原红层大规模滑坡群,严重威胁基础设施安全 西南山地红层灾变概况西南山地半裸型红层主要发育大密集的
12、工程病害,严重危及着“长江经济带”、“西部陆海新通道”和西南城市群建设的安全。西南山地红层约 ,以半裸型泥岩与砂岩互层为主,部分裸露在山谷,部分埋藏在山岭,多见近水平地层,且盖层浅,容易被扰动和揭穿;一旦红层软弱岩体被揭露,极易发生递进式破坏。同时,西南地区位于第一阶梯和第二阶梯的交界处,地形高差悬殊,块体分割显著;地质构造活动频繁,岩层变形变位明显,局部块体破碎效应突出。加之,持续高强的重大工程扰动,常将埋藏型红层揭穿并暴露于浅表,同时形成了大量的宏细观界面(何满潮等,;,;,;,),加剧了红层岩体的破碎和失稳。此外,西南地区降雨充沛但空间分布极不均匀,经过宏细观界面上的水 岩(土)互馈,导
13、致红层浅部软化,形成了密集的软弱夹层和空隙通道。近年来这些软弱夹层和空隙通道随着强烈工程活动的扰动,进一步加剧了水 岩(土)工程的互馈,导致其强度迅速降低,浅层地层应力状态失衡,常常发生崩塌滑移、溜塌掉块、大变形、涌水突泥与起鼓沉陷等现象,频繁酿成密集的工程病害,工程建造与运维难度超乎想象。而在半裸型红层主生工程病害的同时,红层浅层大密集灾变孕育发生推动工程局部与其地层周围更大范围、更深层次动水条件变化,激发深层的水 岩(土)工程互馈,伴生了地质灾害;进一步地,浅层灾变孕育发生也推动浅部与表部动水条件变化,激发表层的水 岩(土)生态互馈,派生生态损害。这些红层灾变严重危害所在地区重大工程安全,
14、严重危及着“长江经济带”、“西部陆海新通道”和成渝城市群、滇中城市群、黔中城市群等建设的安全。例如:云南大瑞铁路大柱山隧道和秀岭隧道穿越红层山岭,自 年动工,在高地应力、高地震烈度、高地温的恶劣环境中,施工过程中多次发生大变形、岩爆、大型坍方和突泥涌水,支护结构变形数十次,两隧道直至 年和 年才分别挖通,设计上列车通过时长仅需 和 的隧道,却花费了 年和 年才挖通,大柱山隧道也因此被称为“世界上最难掘进的隧道”;又如:成渝高铁内江北站左右两侧,自 年通车后出现红层路基持续上拱,最大位移量达到 余毫米,使得设计时速 的高铁在此路段最低时速被迫降至 ,严重威胁着该路段的运营安全。年不得不采取板桩形
15、式加以处理;年,成都市高新东区第二绕城高速公路的雷打石段,路堑边坡大规模失稳,主干道起拱开裂,最大上拱变形范围超过 ,起拱高度可达 ,周边交通中断,影响严重(图 )。因此,加强半裸型红层重大工程病害机理和对策的研究,减低病害风险,是当务之急。()周翠英等:关于红层灾变基础研究的若干思考图 西南山地红层大密集的重大工程病害严重威胁生命线工程与城市群安全 东南盆地红层灾变概况东南盆地裸露型红层主要发育大范围的生态损害(图 ),严重制约着粤港澳大湾区战略实施和东南地区生态环境保护。东南盆地红层约 ,以裸露型砂岩、泥岩为主。主要有厚层软弱岩体结构、硬质岩体夹软弱岩体结构和软硬互层岩体结构 类,易受人类
16、工程活动和气候变化影响。而东南地区正是我国经济社会体量最大的区域。人口、大中城市、重大工程高度集中,人类活动异常剧烈,导致生态损害广泛发生。同时,该地区属于热带 亚热带季风气候,是我国光、热和水资源最丰富的地区之一,受海洋环境影响大,降水充沛,旱季雨季区别明显,水动力作用强烈,导致红层浅表崩塌、滑坡、泥石流等灾害发育的同时(,;潘艺等,;,),水土流失问题也极为突出。数据显示:东南地区成为我国水土流失量最大的区域,又以红层荒漠化最为显著和特殊。而东南盆地频繁的酸雨、强风暴潮等灾害性天气与剧烈的人类活动叠加,使红层风化更为快速、严重,形成了丰富的细微观界面,将红层在表部剥蚀成众多颗粒。加之,东南
17、地区降雨时间分布极不均匀,干湿循环交替频繁,经过细微观界面上的水 岩(土)互馈,导致红层表部退化,形成了极薄的细粒岩层和土壤盖层。近年来这些细粒岩层和土壤盖层随着全球气候变化波动,进一步通过水 岩(土)生态的互馈,导致黏结逐渐失效,常常发生崩解和流失,快速形成大范围生态损害。而在裸露型红层主生生态损害的同时,红层表层大范围灾变孕育发生推动表部与浅部动水条件相互作用,激发浅层的水 岩(土)工程互馈,伴生工程病害;进一步地,浅层灾变孕育发生也推动浅部与深部动水条件相互作用,激发深层的水 岩(土)构造互馈,派生地质灾害。这些红层灾变严重危害所在地区生态安全,严重影响着粤港澳大湾区战略实施和东南地区生
18、态环境保护。例如:世纪 年代以来,广东南雄盆地红层区荒漠化发展迅速,荒漠化占该区红层的比重达到 ,中度 重度荒漠化区达 ,除农田、水域、村庄和道路之外,以上的红层丘岗区都产生不同程度的荒漠化;湖南郴州、江西南康、福建南平、广西资源、浙江蓬都等红层荒漠化亦十分严重。因此,从正反两个方面总结经验和教训,加强裸露型红层重大生态损害机理研究,探索生态修复方法,保障土地资源的可持续合理使用,刻不容缓。根据上述分析,西北高原以埋藏型红层为主,其盖层厚重二元结构因构造切割形成深层巨宏观界面,进而主生巨型滑坡及隐伏滑坡群等;西南山地以半裸型红层为主,其近水平的砂泥岩互层因扰动揭穿形成浅层宏细观界面,进而主生路
19、基变形、隧道塌方、边坡失稳等;东南盆地以裸露型红层为主,其巨厚层软岩或软硬互层因环境剥蚀形成表部细微观界面,进而主生水土流失、植被退化、荒漠化等。因此,红层大规模地质灾害群发、大密集工程病害频发、大范围生态损害多发的核心均聚焦在其多尺度多层次界面上,这主要源自于红层长期建造与改造 工程地质学报 图 东南盆地红层大范围生态损害现象,严重威胁生态安全 ,过程中构造切割的深部劣化、工程揭穿的浅部软化与气候剥蚀的表部退化,从而形成了红层地质灾害、工程病害与生态损害的三害共生特点。这些丰富发育的界面叠加复杂地质条件(灾变的天然物质基础)、频繁水文变化(灾变的绝佳衰减条件)以及强烈人类活动(灾变的极强诱发
20、作用)等多因素共同作用,直接导致了红层的重灾,区域特征十分显著。鉴于上述,尽早开展红层灾变防控基础研究,尽快突破红层防灾减灾技术瓶颈,是红层地区人地协调、长久宜居、生态文明、美丽中国的基础,也是国家重大战略高效实施的重要科技保障。聚焦国际前沿,引领学科发展剧烈的人类活动给红层地区带来了前所未有的灾变效应问题,国际上并无研究先例。传统的红层灾变理论和技术遇到了巨大的瓶颈,亟需创新红层灾变防控理论,这也是未来 年地质工程科学研究的国际前沿领域之一。红层地区所遭遇的前所未有的大规模地质灾害、大密集工程病害与大范围生态损害,已远远超出了我们目前的认识水平,使我们面临的科学挑战史无前例。其主要原因突出表
21、现在以下 个方面:()红层地质演化与灾变基因关系不明。红层孕灾、致灾及其物质 力学基础等问题,目前仍主要集中在工程范围内节理裂隙以及富水构造分布规律研究上,且没有将其融入到地质环境演化的时空分异大系统与地质基因中加以全方位的综合研究,亟待弄清在红层时空分异大背景下灾变的地质基因及其控制规律;()红层岩土特质与灾变行为联系不清。以往重点强调外部环境、荷载作用下红层易损性,未考虑软岩本身的自持能力及其对外界的响应,限制了对红层灾变特有的岩土本底属性研究,使得红层灾变行为阐释疑问难解,亟待从底层岩土特质出发构建灾变行为描述的理论体系;()红层灾变机理与演化过程关联机制认识不足。红层灾害研究主要集中在
22、定量模拟和定性解释上,灾变过程难以形成对机理的深层次全面反映,使得严密的灾害理论模型难以与实际复杂的演化过程完全匹配,亟待阐明红层灾变全过程的机理;()红层灾变防控理论与减灾技术瓶颈亟待突破。红层灾害防控研究长期以大扰动被动加固控制原理为主,难以充分考虑红层地质体与防治结构体互馈和生态自修复能力,虽然防控安全系数有时可达百倍以上,但仍未达到良好的减灾防灾效果,亟待从完整红层 工程互馈角度使灾变防控理论与减灾技术充分融合,创建红层灾变防控理论与减灾技术,引领学科发展。随着红层地区国家战略的全面实施,红层灾变成因与防控研究的重要性和迫切性突显,越来越引起国际社会的关注,但其中一些亟待解决的关键前沿
23、科学问题还处在探索阶段。红层灾变的地质基因由哪些要素组成,怎样蕴存红层灾害和灾变?红层岩土体强水敏性、强灵敏性、强软化性等特点导致其易劣性、易损性、易滑性。红层地区易灾且重灾,且呈现出多样性、共通性与特殊性等特征。一方面,红层中滑坡、大变形、崩塌、沉陷等灾变类型繁多,另一方面红层灾变的共性特征 跨尺度水岩界面过程亦十分突出;再者,其灾变蕴存又与其他地层存在着显著区别,例如水动力致灾、近水平地层易滑、递进式破坏等。这些红层灾变的多样性、共通性与特殊性究其根本还是取决于其化学元素、氧化物、矿物类型、岩组、结构面等本底组构的地质致灾基因控制,而灾变外界环境条件主要是水理性控制。这些本底组构与外界条件
24、基本要素是否就是红层灾变的地质基因呢?地质基因又是怎样在与环境的互馈中产生变异从而蕴存红层灾害和灾变国内外尚无这方面的研究先例,个别零星的单一方面的研究尚无明确结论,均处于萌芽探索阶段,使我们无法准确揭示红层灾变核心,也就无法清晰找到红层灾变根源,无法建立红层灾变高效防控体系。因此,只有从地质演化角度,系统开展红层灾变的本底组构属性与外界环境条件核心要素及其关联研究,才可能完整获取红层灾变的地质基因,揭示其地质基因蕴存的灾变规律,破解红层岩土特质与灾变行为联系不 ()周翠英等:关于红层灾变基础研究的若干思考清的难题,实现红层灾变理论的基础性突破。红层中的水 土 气 生如何通过界面相互作用?进而
25、怎样影响红层灾变的发生?红层经过构造切割、工程揭穿、气候剥蚀等形成了巨观、宏观、细观、微观多尺度界面。这些界面在长期的建造改造过程中,因其红层独特沉积环境和后期改造影响而具有高水敏性,在红层内部产生以跨尺度水 岩(土)互馈为核心的复杂界面效应。同时,红层内部界面上的水 土又与外界大气、生物相互作用,在界面上水 土 气 生协同互馈,促进界面灾变效应发生,从而孕育灾变。那么,红层中的水土 气 生多相如何通过界面相互作用,进而又怎样影响红层灾变的发生?这一问题的答案显然已经无法用传统岩土本构公理及其相关假说给出,远远超出了现有红层水 岩(土)作用分析框架,超越了目前红层孕灾理论见解,使我们无法完整明
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