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边坡失稳地球物理特征及其应用研究

张玉池  
【摘要】: 边坡失稳(滑坡)是自然灾害的一个主要类型,已成为研究的热点。目前,地球物理方法主要是用于探测边坡失稳的滑动面或结构面。本论文以新的边坡失稳地球物理模型为基础,研究边坡失稳地球物理场特征以及应用,使该方法不仅能探测边坡失稳的滑动面或结构面,而且还能评价边坡的稳定性,对边坡失稳进行预测预报。这一研究具有科学指导减灾防灾的理论和实际意义。 通过消化吸收前人关于边坡工程地质特性的研究成果,系统研究了边坡主要物理性质及其主要影响因素。在分析前人有关边坡失稳的地球物理模型的研究基础上,探讨了边坡从稳定→蠕变→失稳的演化过程,进而提出了新的边坡失稳的地球物理模型。 以电阻率为参数,以边坡对电阻率影响规律为基础,利用边界积分方程法对土类、土-岩类、岩石类边坡失稳地球物理模型的视电阻率进行了系统数值计算,并系统研究了三类边坡失稳的电阻率响应特征,揭示了边坡从稳定→失稳演化过程的电阻率变化规律,从而实现了边坡失稳的电阻率响应特征的提取。这些特征信息的获得为利用电法勘探方法(如高密度电法等)探测边坡失稳的滑动面或结构面位置以及预测边坡失稳提供了依据,同时为边坡失稳进行实时观测,预报边坡失稳提供了理论支撑。 论文以横波速度为参数,以波动方程为基础,推导了瑞利面波频散曲线的快速标量传递算法的计算公式。快速标量传递算法的基本思路是将矩阵运算转化为标量运算。从而大大的提高了瑞利面波频散曲线的计算速度。利用这一快速算法进行模拟计算,研究了边坡中软弱层速度、厚度以及上层和下层速度对瑞利面波基阶模频散曲线的影响,为研究边坡失稳的瑞利面波频散特性奠定了基础。 系统计算了土类、岩-土类、岩石类边坡失稳的地球物理模型瑞利面波基阶模的相速度、波数,系统研究了三类边坡失稳的瑞利面波基阶模频散特征,总结了边坡从稳定→失稳演化过程的瑞利面波基阶模频散特征变化规律,从而可以提取边坡失稳的瑞利面波基阶模相速度、波数、频散曲线等特征标志,使瑞利面波法不仅能用于探测边坡失稳的滑动面或结构面,而且还能评价边坡的稳定性,对边坡失稳进行综合预测预报。 通过理论分析与数值计算,分析了管波的影响因素,探讨了砂岩、灰岩、泥灰岩、粘土的管波响应特征,并通过钻孔中的模拟试验,总结了砂岩、灰岩、泥灰岩、粘土的管波特征,提取了软弱夹层的管波特征信息。据此,首次提出了用管波探测边坡失稳的软弱夹层的新方法。 通过单一方法和综合方法的实际应用,取得了较好地质效果,验证了理论的正确性和方法的有效性,并取得了明显的经济效益和社会效益。


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