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彭建兵:黄土高原,灾害“追凶”三十年

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东南西北人 发表于 2019-11-30 15:01:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
我来黄土高原已整整四十年。初知黄土高原是20 世纪60 年代,少年时代的我读的第一部长篇小说是柳青的《创业史》,从那里我第一次得知我们泱泱大国还有一片黄色的土地,后来慢慢知悉那还是我们祖先发源之地,有十三朝古都西安,有共和国摇篮延安……,渐渐对那块土地就有了一份向往和憧憬。于是,大学毕业时,我就从江城武汉来到了黄土古城西安,一待就是四十年。从此,我的青春岁月,我的中年和老年,我的家庭与事业,就与这块黄土地紧密地联系在一起。

地球表面或出露不同地质时代的坚硬基岩,或覆盖着晚新生代以来堆积的未成岩的松散层,后者与人类息息相关,因为人类主要生存其上。黄土高原上广覆的巨厚黄土层就是一种典型的晚新生代风成堆积层,其土性松软,易受环境变化影响发生破裂滑移大变形,形成大规模的滑坡灾害。据不完全统计,黄土高原上的滑坡有近十万之众,严重威胁着黄土地上的城镇、重大工程和人居安全。是什么样的“凶手” 在撕扯着黄土高原上厚厚的黄土体? 并且还使这些黄土体大规模地滑移和被搬运? 30 年来,我一直在追踪和寻找着其“真凶”,探究着黄土堆积层滑移大变形规律与动力学机制。


早在1988 年,我曾协助我国工程地质学奠基人之一的刘国昌教授完成他的国家基金项目“西安市环境地质研究”,这个项目既涉及西安市区的地裂缝,又涉及西安郊外的黄土滑坡,从此也就开启了我长达30 年的黄土滑坡“追凶” 之旅。因此,在本书(《黄土高原滑坡灾害》,彭建兵等著. 北京:科学出版社,2019. 2)出版之际,我特别要感恩刘国昌教授,他不仅开创了原西安地质学院现长安大学的地质工程博士点学科,为我们这些后来者创建了一个难得的发展平台,而且还把我带进了一条充满智慧和创新的黄土灾害研究之路。

30 年来,我和团队一直植根在黄土高原上,先后承担了大量的黄土滑坡研究项目。其中的1989 ~2001 年,断续承担的是企业和地方政府委托的项目,那13 年的野外调查与勘探工作虽然都是点上和局部的,却使我们不断与黄土、与黄土滑坡相识相知。1992 ~1994 年,我们受西北水电设计院委托,对黄河积石峡水库10 个大型滑坡开展了系统的研究,那三年在积石峡的摸爬滚打和对那十大滑坡的精细探究,为后来的滑坡研究奠定了坚实的野外观察和理论思考的基础。2002 年我们团队在激烈的竞争中,有幸获得了交通部重大科技项目“探测湿陷性黄土暗穴技术研究”。数百万个黄土洞穴把黄土高原支离得满目疮痍,为查明其分布规律,我们纵横穿越黄土高原4 万余千米,不仅使我们对黄土和黄土高原有了面上和全局的认知,而且还对那随处可见的黄土滑坡有了深刻的印记。之后,便开始了对黄土滑坡的系统研究。

我们的黄土滑坡研究高潮始于2011 年,当年我们第二个国家重点基金项目“人类活动的黄土滑坡响应机理与灾害预警”获批,拉开了追寻黄土滑坡“真凶” 的主序幕;2013 年,注定是我们黄土滑坡“追凶” 之旅的关键之年,当年全国21 个研究团队竞争国家973 计划项目中的安全与灾害领域一个资助指标,很幸运我们获得了唯一的资助,得以联合国内多家单位的科学家全面地开展“黄土重大灾害及灾害链的发生、演化机制与防控理论” 的系统研究;2017 年又在激烈的竞争中喜获国家自然科学基金重大项目资助,再度联合起国内一批科学家系统攻关“黄土重大工程灾变机理与防控”。其间,中国地质调查局还先后多次资助我们团队开展黄土滑坡现场调查、室内大型物理模拟试验和典型滑坡防控示范研究,使我们的研究得以落地生根,并不断服务于国家重大需求。


一个研究者最幸运的事是围绕一个重大科学问题,从不同途径获得众多项目持续开展系统的研究。正是由于上述重大项目的持续资助,我们才得以年年穿行在黄土高原的塬面、梁顶、峁头和沟畔,丈量着黄土高原上的大部分土地。黄土高原如此生动鲜活,给了我们一个辽阔的精神世界和一个奇妙的地质世界,诱惑并驱使我们持续专注着这块浑厚、广漠和神奇的土地,年年行走在高原苍茫之路上,去解读和破解黄土滑坡的地质密码,追踪着黄土滑坡的孕育、形成和演化的蛛丝马迹,寻找着黄土滑坡的“元凶”、“主凶” 和“帮凶” ……

一个人的研究思路往往是一脉相承的,我一直认为地球动力系统相互作用是地质灾害的本底原因和源动力。因此,在黄土滑坡的“追凶” 过程中,我们始终遵循着一个连贯的研究思路,即从区域构造研究入手,揭示黄土滑坡的分区高发机制;从地表过程研究入手,揭示黄土滑坡的空间就位机制;从边坡地质结构研究入手,揭示黄土滑坡的原型控制机制;从黄土特殊土性研究入手,揭示黄土滑坡的内在灾变机制;从水动力研究入手,揭示黄土滑坡的启动与运动机制;从人类地质营力研究入手,揭示黄土滑坡的工程促发机制。同时我们深知,地质世界是一方整体性的织锦,里面交会着各种错综复杂的势力,因此我们还特别关注各种动力之间的巧妙协同作用,力图揭示出各种源动力跨尺度耦合成灾的内在机制。


黄土滑坡千千万,随处可见,它们在高原上是杂乱散布还是有选择性地分布? 其空间分布受什么因素控制? 为解此谜,我们辗转于黄土高原的陇西、陇东、陕北、吕梁和汾渭各地,实地调查了数百个黄土滑坡,同时依据上万个在影像图上可识别的滑坡,编制了黄土高原滑坡分布图。由此我们发现,六盘山断裂带以西的陇西地区有四个滑坡高发带,它们均沿北西向展布的区域断裂带和地震活动带分布,青藏高原隆升东挤的水平构造应力驱动着该区的新生代泥岩和黄土层沿着已有断裂带破裂滑移,形成黄土滑坡分带高发的格局;陇东、陕北和吕梁地区,黄土滑坡主要发育在黄土塬边、梁侧、峁头和沟畔,鄂尔多斯块体第四纪以来持续阶段性隆升的垂直构造应力驱动着这三个区域的黄土区抬升、剥蚀和沿着地貌边界带滑移,形成三个滑坡高发区;汾渭盆地黄土滑坡主要成带分布在盆内台塬与洼地相间的地貌分界带上,这是盆地区域拉张应力驱动黄土沿着这些地貌过渡带撕裂滑移的结果。由此我们确认,区域构造应力是黄土高原滑坡分区分带群发的主要驱动力,它是黄土滑坡的“第一元凶”。

▲黄土高原滑坡分区


自然界非常小心地守卫着她的地质秘密,你不得不动用全部的智慧和借助大量的勘探手段把那些埋藏在地质体内部的秘密袒露在人们面前,以无可争辩的事实诠释其本质。为了揭露黄土边坡立体地质结构,我们像研究地裂缝一样,通过立体勘探,把一些典型黄土边坡翻了个“底朝天”。


黄土边坡土体看似均匀,实际上普遍发育着断层、构造节理、垂直节理、卸荷裂隙和软弱层面等奇妙而又复杂的结构面。前四类常构成边坡土体滑移的分离面,后者常构成边坡土体滑移的底滑面。这些结构面主要由构造应力、卸荷应力和湿陷变形应力作用所形成,它们在滑坡的孕育阶段构成坡体的分割面,在滑坡启动阶段构成坡体裂解面,在滑坡运动阶段放大了滑体的解体和溃散,不同结构面组合成的不同类型结构体控制着黄土滑坡的原型和规模。构造应力既造就了结构面,又不断地改造和松动着结构面,甚至扩展结构面,持续地肢解着边坡的完整性。由此我们确认,边坡构造应力是单体滑坡形成的主要驱动力,它是黄土滑坡的“第二元凶”。

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▲兰州老狼沟边坡结构体剖面

物质世界的那种精微细致和错综复杂的组织状态,总使人们怀有敬畏之心。黄土是一种很特殊的土,它具有极强的水敏性、强烈的湿陷性、高强的流变性,这些都取决于黄土微观上的特殊架空结构和细观上的疏松多孔、多裂隙结构。我们一直在思考,是什么作用改变黄土结构及其组织状态,从而产生系列灾变?


通过大量的土力学试验我们发现,首先是组成黄土黏粒的矿物主要为高岭石、蒙脱石和伊利石等水敏性矿物,增湿使得黄土中可溶盐溶解,颗粒间水膜增厚,黏粒膨胀,从而弱化土颗粒间的连接,损伤破坏黄土的结构;其次,组成黄土主要粒度成分的粉粒多呈板状或杆状,它们之间的搭接关系以架空结构为主,增湿和荷载的作用一方面使得颗粒发生旋转,同时也引起粒子破碎,孔隙坍塌,土的结构屈服应力和强度显著降低;此外,水和荷载的作用将逐渐改变黄土中的原生结构,并形成新的次生结构。黄土结构性发生改变后,既减损了其强度,同时在工程扰动荷载或土体的自重作用下又将“重新启动” 土体的固结作用,导致变形量增大,宏观表现为湿陷性和流变性,有利于崩塌滑坡的发生。因此,黄土的易灾特性是黄土土体灾变的内在原因,它是黄土滑坡的“第三元凶”。
▲ 黄土结构及灾变

水致滑坡的机制与过程相当复杂,因此只见树木,不见森林是我们常犯的认知错误。2003 年我们在野外进行黄土洞穴调查时,曾多次在大雨时节看到雨水进入黄土后又从坡体中间或坡脚处的洞穴中急急地流出,并常常诱致滑坡发生。这是一个什么样的过程? 其工作机制是什么? 在长达十年的跨度里,我们一直困死在一些无关紧要的细节上而未解其谜。科学探索是深入未知之境的旅行,每一进展都有它的出人意料之处,但又有它的必然性。


2013 年在陕西泾阳黄土南塬,我们依托国家基金重点项目在现场实施了大量的勘探、观测和原型试验,一些重要的事实和先前的猜想灵感般地跳进了我们的心灵中,终于揭开了动水驱动滑坡形成的谜底,发现它们大致经历了如下五个阶段: 首先,表水渗入黄土浅表部,增大黄土的水敏性,降低其土体强度,诱发深度一般不超过3m 的浅表崩塌和溜滑灾害;然后,水沿着微、细、宏观优势通道进入黄土深部后,在一定深度形成厚度20 ~30cm 的高饱和含水层,成为坡体中的软化层带,为诱发深度20 ~30m 的深层滑动提供了底滑带;其后,水沿结构面渗透既冲蚀扩展了结构面,又松动了结构面,还对坡体形成静、动水压力,派生出巨大的侧向压力,增大了边坡向下滑移的力量;再后,水在软化带和易滑层中聚集产生超孔隙水压力,使其强度变得很小,产生静态液化而启动滑坡;最后,那些没来得及散去的地下水在滑体底面聚集产生超孔隙水压力,使滑体下垫层剪动液化,托着滑坡“飘” 在空中远行,链生转化为具有高速、远程、溃散和铺撒等特征的黄土泥流。据此,我们建立了动水渗透作用下的黄土滑坡响应动力学模式,确定动水渗透作用是黄土滑坡的“主凶”。

▲黄土滑坡双液化模型

人类活动现今已成为一种诱发灾害的重要地质营力,这在黄土地区尤为显著。由于黄土微细观结构疏松,宏观结构面发育,土体强度低,因此人类工程扰动更易打破它们的平衡,触发它们变形失稳。我们研究发现,黄土地区许多灾难性的滑坡是由人类工程堆载或开挖卸载所引起的。我们通过现场观测和模型试验发现,工程扰动应力扩展和松动了黄土边坡结构面,不断地改变着边坡的应力状态、流场状态和完整状态,使黄土边坡稳定性显著下降和不断变形破坏,促发黄土滑坡突然发生。通过大量的原状土样和扰动土样的应力路径三轴试验,发现反复加载作用下坡体中下部土体的体缩量和剪应变增加,若坡体中有含水量较高的饱水带,孔隙水压力增加势必激活软化层液化致滑;通过大型物理模型和离心模型试验,发现开挖卸荷引起黄土边坡变形破坏可分为均衡应变、应变局部化和破坏三个阶段,具有明显的分区特征和滞后性特征。据此我们建立了工程扰动应力作用下的黄土滑坡响应系列,确定工程扰动应力是黄土滑坡的“帮凶”。

自然界尤其是地质界,其现象之繁多,结构之复杂,以及结构中各组成部分之间的协作之巧妙,常使人有入迷宫之感。因此,地质科学研究应当是寻求普遍性,从纷繁驳杂的现象中找出简单易懂的共同原理来解释复杂多变的地质现象。


黄土滑坡类型和模式复杂多样,但我们可把它们概括为层带软化、静态液化、压覆推剪和支撑溃决四种基本模式;区域构造应力、边坡构造应力和土体易灾特性是黄土滑坡的三大“元凶”,它们孕育和形成了黄土滑坡的原型,是黄土滑坡发生的初始条件;动水渗透应力是黄土滑坡的“主凶”,它们驱动了黄土滑坡的启动和运动,工程扰动应力是黄土滑坡的“帮凶”,它们助发了灾难性黄土滑坡的频发,这两条是黄土滑坡发生的随机过程。四种应力的跨尺度耦合协同作用是黄土大规模滑移成灾的主要驱动力,由此我们提出了构造应力驱动、边坡结构控制、动水液化启动和工程应力促发的黄土滑坡多因耦合成因理论

地质灾害过程虽然充满了不确定因素,是难以预报和难以控制的,但于我们而言,它又极富吸引力和挑战性。灾害研究是降低人类安全风险、增加幸福感的事,更是国家经济工程建设安全保障之急需,我们一直在寻找超前识别“凶源”、提前预警“犯罪” 和有效控制“凶犯” 的技术途径。


我们基于上述黄土滑坡成因理论和初始条件可知、随机过程可测的思路,以甘肃黑方台和陕西泾阳南塬两个滑坡高发区为示范试验基地,构建了天-空-地一体化的黄土滑坡隐患早期识别技术体系,基于高分光学遥感的黄土滑坡隐患普查,将多种InSAR 技术有机结合,在黑方台、泾阳南塬识别出数十处滑坡隐患;然后借助高精度无人机摄影测量的详查,圈定出高风险区段,为当地政府提供了滑坡高风险区域预测;进而研发了现场监测数据的自动采集、远程无线传输、实时分析处理的黄土滑坡实时监测预警系统,并四次提前数小时成功预警滑坡的发生,避免了重大人员伤亡,从而在黄土滑坡区域风险预测和临灾预警方面取得一些突破。

▲ 黑方台党川4号滑坡变形曲线与预警过程

黄土滑坡的治理与预报预警一样“劳神费力”,但关乎国家和人民的安危。黄土高原是中国人的精神高原,延安是中国共产党的精神家园,宝塔山是中国人民的历史灯塔。但在过去相当一段时间内,延安市区不断遭受着黄土滑坡灾害的侵扰,宝塔山不断地被崩塌滑坡蚕食而渐渐缩小,严重威胁着圣地延安和巍巍宝塔的安全。


针对这一重大灾害风险难题,我们基于前述成因理论,通过大型物理模拟试验,再现了滑坡与抗滑结构体系的相互作用过程和抗滑结构设计的合理性,提出了黄土滑坡治理的微型桩设计原则以及合理的计算方法、锚索抗滑桩对黄土滑坡的抗力参数和设计方法、格构梁的设计标准及计算方法等,并成功应用这些技术治理了延安宝塔山等多个滑坡,保障了历史灯塔的安全,并形成了黄土滑坡防治工程示范。针对延安城区灾害高风险,建立了黄土山城滑坡风险防控体系,指导了延安及其他城镇的建设规划与防灾减灾。我们怀着浓浓的家国情怀和深深的责任感,秉承科研报国之初心,不断地攻克着黄土滑坡防控技术难题,在黄土高原防灾减灾道路上留下自己的足迹和贡献。

▲延安宝塔山地质灾害治理工程分区图

黄土高原的博大精深让我痴迷了四十年,每次步入黄土高原都如同追逐一个神秘的梦境,脚下踩着的黄土仿佛有种神奇的魔力,与我们有着深深的内心呼应,每每让我们涌出一种莫名的激动。黄土高原上的一片片大塬、一条条土梁、一个个圆峁、一道道沟谷都是语言,都在诉说着黄土滑坡的故事。黄土滑坡的复杂多样、成因多解和灾难多重颇为神秘,一直使我们长久着迷,我们对追寻黄土滑坡“真凶” 充满激情,对遏制黄土滑坡“犯罪” 充满渴望,这就是我们30 年“追凶” 不止的原动力。

灾害“追凶” 30 年,我由青年变成了老年,这30 年是我一生中最美好、最出成果的时期,但拿得出手的东西,却都是50 多岁以后做出的,以前的岁月都是踩着黄土积累、积累、再积累。这是因为揭示复杂的地质灾害奥秘,绝对需要长久的坚持才能把零碎的想法整合成完整的理论,而那些想法通常又是转瞬即逝的。


黄土灾害“追凶”、“防凶” 与“治凶” 之旅永无止境,目前我们正在以国家自然科学基金重大项目为依托,聚焦黄土高原平山造城、治沟造地与固沟保塬等重大工程,攻关黄土重大工程灾变效应的基础科学问题,探寻黄土高原工程灾变防控科学模式和人地协调机制。几年后,我们将把黄土工程灾变的专著奉献给大家,请大家批评斧正。

地质科学研究需要优质的研究基地、宽松的研究环境和志同道合的研究团队。深感幸运的是,这些优越条件我们都拥有了。因此在本书付梓之际,我们首先要感恩这块土地,欣慰于我们生活在最具中华文化积淀的土壤板块之中,它是工程地质与灾害地质理论创新的沃土;我们在这里坚持了四十年,深受黄土高原厚重积淀的文化影响,高原意识、高原精神、高原灵魂和高原气质慢慢渗入我们骨子里,润入我们心灵中,使我们的涵养、胸襟和格局不断得以升华。


我们还要感恩这个时代,我在黄土高原的四十年,正好伴随着祖国改革开放四十年的脚步一路走来,四十年的改革开放,国家充满活力,我们个人充满激情;四十年经济高速发展,我们有了源源不断的经费资助;四十年社会稳定安宁,我们才得以心无旁骛,潜心治学。我们还要感恩我们的团队,中国工程地质界这个大团队的众多前辈和朋友给予了我们诸多的支持帮助;长安大学这个大团队为我们提供了良好的研究平台和宽松的治学环境;我们研究团队里的那些志同道合、充满激情、勇于创新的同伴和博士生、硕士生,与我一起攻关过极富挑战的诸多灾害理论问题,共同破解过众多减灾技术难题,度过了多少个艰苦辛劳且精彩纷呈的日子,那些日子是我一生中最幸福的时光。一批人托起一个人,没有他们的支持和帮助,我只能望“原” 兴叹,无法集成系统成果。在前言中我已对各方面的支持表达过谢忱,这里还要再次感谢30 年来支持和托起过我们的所有人! 感谢始终甘居幕后默默支持我们工作的各位家人!

彭建兵
2018 年12 月于西安大雁塔下


本文摘编自《黄土高原滑坡灾害》(彭建兵等著. 北京:科学出版社,2019. 2)一书“后记”,标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-060604-4
责任编辑:韩 鹏 张井飞 陈姣姣
本书以我国黄土高原地区黄土滑坡灾害为研究对象,基于作者多年在黄土地区的科研工作和工程实践,系统地对黄土滑坡灾害的特征、成因机制、灾害预警及防治措施开展了研究。主要内容包括:系统地概括了黄土滑坡的地质背景及研究历史和现状;编制了详细的黄土高原滑坡分布图,总结了黄土滑坡的基本特征和分布规律,并由此提出了8 个滑坡易发区带及其宏观孕灾机制;从黄土的微观结构、结构性和水敏性出发,揭示了黄土介质的土性特征及灾变力学行为机理;基于野外调查勘探,总结了黄土边坡地质结构类型及特征,提出了黄土滑坡结构面控滑模式及机制;系统研究了黄土边坡水文地质结构模型,揭示了优势渗透下地表水转化为地下水的机制,以及黄土边坡水土相互作用过程及诱滑机理;通过大量的工程实例,室内试验和数值模拟,揭示了工程活动中力-土相互作用机制及促滑机理;利用现代INSAR 技术,提出了基于空天地一体化的滑坡超前判识方法;另外,还通过黄土滑坡的物理模型试验、现场监测及工程防治实例的研究,介绍了黄土滑坡监测预警及防治的最新技术和方法。

【相关阅读】彭建兵:我28年的地裂缝研究之旅
汾渭盆地地裂缝灾害
(新世纪工程地质学丛书)彭建兵等著. 北京:科学出版社,2017.1ISBN 978-7-03-051676-3定价:498.00元 《汾渭盆地地裂缝灾害》论述了汾渭盆地地裂缝形成的地质背景;通过大量野外调查,系统总结了汾渭盆地地裂缝在拉张盆地区群发、沿活动断裂带集中、顺地貌变异带展布、在地面沉降区出露、在黄土湿陷区散布的发育分布规律;通过各种勘探和监测手段,发现了汾渭盆地地裂缝走向分段、平面分支、垂向分异、剖面分带的立体结构特征,揭示了其垂直位错为主、水平拉裂较小、水平扭动甚微的运动规律以及周期性开裂、分段活动性差异和人类营力增强的活动规律;通过模型试验、数值模拟和理论分析,揭示了地裂缝的区域群发机制、盆地同生机制、断裂共生机制和水动力再生机制,提出了构造控缝、应力导缝、抽水扩缝和浸水开缝的地裂缝成因理论;揭示了工程建(构)筑物在地裂缝活动下的致灾规律,提出了控制采水、合理避让、适应变形、局部加固的减灾技术;研究了高铁与地裂缝相交以及地铁与地裂缝小角度相交时的变形破坏特征及致灾机理,提出了高铁及地铁工程的地裂缝减灾技术体系。

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xmgao9996  在2019-12-1 21:07  送朵鲜花  并说:我非常钦佩你的敬业和你对科学技术的探索精神,送朵鲜花鼓励一下!
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jangy1974 发表于 2019-12-1 11:51:56 | 显示全部楼层
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龙兴关外 发表于 2019-12-1 14:30:09 | 显示全部楼层
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xmgao9996 发表于 2019-12-1 21:01:38 | 显示全部楼层
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djun 发表于 7 天前 来自手机 | 显示全部楼层
精神可嘉,致敬!
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sdf916 发表于 7 天前 | 显示全部楼层
向几十年沉浸研究的学者致敬!
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zspkd 发表于 7 天前 | 显示全部楼层
老大,能否形成完整的文档,以供拜读?这里都不能完全显示,至少没有图片,不知原因。
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