《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《生态文明视角下内河通航水域崩塌滑坡灾害防治关键技术 》

1 项目名称: 生态文明视角下内河通航水域崩塌滑坡灾害防治关键技术

2 完成单位: 枣庄学院、 三峡大学、 重庆大学、 西南大学、 重庆地质矿产研究院

3 主要完成人: 陈洪凯、 彭辉、 阴可、 汪时机、 王桂林、 陈立川、 王满堂、 王圣娟、 谢庆明、田东方、 梁丹、 焦朋朋、 张景昱、 沈潺潺、 彭建中、 刘彬、 梁学战

　　(一)项目背景

　　我国是世界上内河通航大国,其中长江干支流通航里程63555.08km,占全国内河通航里程的52%。兴建三峡水库,有340个公用码头泊位、80个集镇码头、182个码头停靠点和众多企业专用码头被淹没,并复建24个货运港区、20个客运港区。现已探明,三峡水库通航水域受到982处崩塌滑坡灾害威胁。立项初,内河通航水域地质灾害防治存在四个主要问题:一是崩塌滑坡灾害精准识别难度大;二是特大型崩塌堆积滑坡灾害治理技术先进性不够,且未考虑土体集约型治理问题;

　　三是崩塌灾害应急预警技术瓶颈未取得实质性突破;四是裸露岩石边坡、崩塌堆积下垫面及河库消落带等地质创面生态修复世界难题未取得有效突破。本项目聚焦三峡水库通航水域河谷岩石高陡边坡和最易成灾的土质岸坡与类土质岸坡,在国家自然科学基金等项目资助下,历时20年(2000—2019年),对内河通航水域崩塌滑坡减灾理论与技术进行了持续、深入、系统研究,形成具有较高理论水平和重大工程实用价值的“生态文明视角下内河通航水域崩塌滑坡灾害防治关键技术冶成果,推动了人与自然和谐共生、绿色发展、推动美丽三峡建设的新时代地质灾害防治变革性创新。

　　(二)技术概况

　　该成果针对三峡水库通航水域高陡岩石边坡和最易成灾的土质岸坡与类土质岸坡,从地貌演化角度分析危岩形成、崩塌落石运动及在岸坡地带堆积形成特大型滑坡、土质岸坡及类土质岸坡在库水位升降作用下变形破坏机制,遵循人与自然和谐共生、绿色发展、推动美丽三峡建设的生态文明思想,构建了崩塌滑坡灾害物理演进理论体系,创新了崩塌滑坡减灾新技术研发流程,实现了生态文明视角下内河通航水域崩塌滑坡灾害靶向治理。研究内容包括:崩塌滑坡灾害物理演进理论与灾害识别、土地集约型库岸滑坡治理新技术、崩塌灾害应急预警、崩塌滑坡地质创面生态修复。

　　(三)适用范围

　　该成果是新时代内河通航水域崩塌滑坡减灾理论与技术的变革性创新,在峡谷型水库及山区河流通航水域地质减灾领域具有世界共性特征和突出先进性,可广泛应用于滨河、滨库及滨海城区岸坡地质灾害理论研究和技术研发,提升我国地质灾害生态化防治水平和世界形象。

　　(1)从人与自然和谐共生角度,避免大挖大填,适应复杂地质环境条件及水动力条件,研发了等腰梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩、桩-墙复合抗滑结构、同步排水造地型护岸结构、滑坡微创治理、深埋爆炸清淤等系列新技术,提出了抗滑桩腐蚀耐久性寿命预测和优化设计方法、梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩双土拱理论等新技术应用方法,抗滑能力比传统方法提高40%以上。解决了内河通航水域特大型滑坡土地集约型治理技术难题。

　　(2)为了美丽中国建设中引领内河通航水域崩塌滑坡灾害治理创新驱动,构建了崩塌滑坡灾害物理演进理论,包括危岩断裂破坏模型、危岩激振解体机制、浸泡软化拉剪破坏和渗流驱动压剪破坏的库岸滑坡复活与新生机制、考虑浪蚀龛土体临界高度的岸坡再造宽度预测修正卡丘金法等。解决了内河通航水域崩塌滑坡灾害识别难题,并支撑了减灾新技术研发及其工程应用理论需求。

　　(3)突破崩塌灾害预警技术瓶颈,研发了危岩滑坡体应力采集传感器、钻孔应力传感器、崩塌灾害预警仪等新技术,构建了崩塌灾害应急预警技术系统,预警准确率不低于90%。实现了崩塌灾害应急预警。

　　(4)遵循内河通航水域崩塌滑坡地质创面绿色发展的生态文明建设重大需求,研发了高陡岩质边坡植被种植方法、松木桩-石笼网组合植生挡土墙等新技术。解决了崩塌滑坡地质创面生态修复世界难题。

　　针对立项初我国内河通航水域地质灾害防治存在的四个主要问题进行研究,其总体思路为:

　　首先,构建崩塌滑坡灾害物理演进理论,解决内河通航水域崩塌滑坡灾害识别科学难题,支撑减灾新技术研发理论需求;其次,依据崩塌滑坡灾害物理演进理论,即内河通航水域岩石高陡边坡危岩形成、破坏及崩落解体运动、在岸坡地带形成特大型崩塌堆积体滑坡及其复活与新生,从分阶段控制崩塌滑坡灾害物理演进过程角度,聚焦崩塌灾害应急预警、特大型库岸滑坡土地集约型治理、崩塌滑坡灾害地质创面生态修复等系列关键技术,研发新技术,构建新原理,据此进行成果示范应用。采用模型试验、数值模拟、理论分析、技术研发等研究手段,实施本项目研究,解决了四个关键技术,简述如下:

　　(一)解决的关键技术之一:内河通航水域崩塌滑坡灾害识别方法

　　(1)崩塌灾害宏观识别方法。从地貌演化角度,发现三峡库区通航水域危岩链式崩塌规律,给出了危岩链式崩塌演化模式的力学描述。

　　(2)危岩破坏模式识别方法。将作用在危岩体的所有荷载凝聚到主控结构面,构建了危岩断裂力学模型,包括M模型、子模型和滓模型,得到了联合断裂应力强度因子Ke及主控结构面端部扩展方向计算式,据此构建了危岩座滑破坏和座倾破坏力学机制。

　　(3)特大型崩塌灾害激发机制。找到了非地震条件下特大型崩塌灾害爆发的动力机制,即危岩破坏激振作用。揭示了激振信号的时频特征及相关细节信息特征;构建了危岩聚集体激振解体力学模型,激振作用下危岩稳定性降低幅度可及14%。

　　(4)土质岸坡破坏物理演进特性。通过对长江三峡巫峡神女溪青石村土质岸坡相似模型试验,揭示了库水位升降期间(145~175m)岸坡内孔隙水压力和岸坡地貌物理演进规律,与实情基本相符。

　　(5)类土质岸坡破坏物理演进特性。揭示了类土质岸坡地貌物理演进规律,岸坡内孔隙水压力存在典型波动特征,从类土质岩体浸水后空隙边壁坍塌引发的孔隙水波动给出科学解释。

　　(6)老滑坡复活和新滑坡产生识别方法。提出了类土质岩体抗剪强度参数等效分析法,构建了土质岸坡浸泡-渗流联合驱动破坏模型、类土质岸坡蓄水浸泡拉剪破坏模型和泄水渗流驱动压剪破坏模型,破解了难题。

　　(7)岸坡再造宽度预测方法。通过考虑浪蚀龛及其后部土体临界高度,建立了预测库岸再造宽度的修正卡丘金法,该方法预测的库岸再造宽度比实情约大10%,比经典卡丘金法预测精度提高了20%。

　　(二)解决的关键技术之二:内河通航水域特大型崩塌堆积体滑坡土地集约型治理技术及其应用理论

　　(1)治理新技术研发。研发了等腰梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩、桩-墙复合抗滑结构、同步排水造地型护岸结构、滑坡微创治理、深埋爆炸清淤等系列新技术。

　　(2)治理新技术应用理论。运用结构力学方法构建了所研发新技术的结构计算方法。针对库岸滑坡抗滑桩处于库水位周期性浸泡腐蚀服役环境,通过模型试验分析了抗滑桩腐蚀耐久性问题,揭示了酸-应力耦合作用下悬臂抗滑桩和预应力锚索抗滑桩腐蚀性能变化规律;构建了抗滑桩耐久性寿命预测公式;建立了抗滑桩耐久性设计方法。将抗滑桩断面设计成梯形,桩与桩之间易于形成双土拱,提出了双土拱理论计算方法。将预应力锚索布置在结构受拉区的梯形断面顶部区域,其锚固端位于桩底上部20~30cm范围内,避免了锚索位于崩塌堆积体滑坡混杂堆积体内极易出现的锚索不易锚固、受力不均和环境腐蚀等技术难题。

　　(三)解决的关键技术之三:崩塌灾害应急预警技术与专用设备

　　(1)崩塌灾害应急预警信号。构建了基于断裂力学的危岩断裂稳定性分析方法、危岩断裂稳定系数函数,突破了危岩变形指标及空天地监测指标与危岩稳定性无关的技术障碍。

　　(2)危岩应力采集方法。研发了危岩应力采集传感器、钻孔应力传感器、压电型钻孔应力传感器等新技术新设备,应力采集间隔时间不长于0.05s。

　　(3)崩塌灾害应急预警系统。研发了基于危岩应力的崩塌灾害预警仪。将危岩应采集传感器、崩塌灾害预警仪通过有线连接,构建了崩塌灾害应急预警系统。

　　(四)解决的关键技术之四:裸露岩石边坡、崩塌堆积下垫面及河库消落带等地质创面生态修复技术

　　(1)裸露岩石区乔木免灌种植基盘技术:研发了高陡岩质边坡植被种植方法和石漠化地区乔木种植装置及制备种植方法等新技术。

　　(2)消落带乔木种植技术:研发了松木桩-石笼网组合植生挡土墙、水库消落带植被恢复方法等新技术。

　　(3)地质灾害治理结构景观重建技术:依据本项目申请人陈洪凯教授提出的《地质灾害防治景观保护与重建理论》(清华大学出版社,2015年),对边坡防护结构及库岸滑坡抗滑桩进行景观型处理,建造景观型格构、景观型抗滑桩、景观型锚杆等。

本成果总体科学技术水平比较情况见表 1。

　　研究成果已在三峡库区重庆、湖北境内通航水域崩塌滑坡灾害治理中示范应用,并推广应用在云南、四川、广东、内蒙古等省份。工程应用中,采用了桩-墙符合抗滑支挡结构、造地型护岸结构、抗滑桩耐久性、竖向预应力锚索抗滑桩、消落带植被重建技术、深埋爆炸清淤技术等新技术新方法,成功实施了石柱县移民生态工业园区河道治理工程、嘉陵江井口段防洪护岸综合整治工程、湖北省鄂北南水北调工程、珠江大藤峡水利枢纽岸坡治理工程、云阳长江航道岸坡人和寨危岩及泥溪镇及鱼泉镇滑坡治理工程、万州港清泉路滑坡治理工程、巫山港宁江岛土地集约型护岸工程等40余个示范工程,代表性应用工程如图1和图2所示。

　　本项目的经济效益主要体现在减灾对港口码头基础设施、水运交通营运安全和居民生命财产保障、滨江路建设营运安全等方面,采用水利定额法和设计方案比较法进行经济效益统计,由采用本成果后减少工程勘察费用、节约土石方开挖和转运费、节约抗滑支挡工程混凝土材料及砖石圬工材料费、工程质量检测费等方面统计确定,直接经济效益7.19亿元,其中近三年(2017—2019年)为2.2658亿元。该项目总投资1471万元,投入产出比约为1:49。成果科学给出了内河通航水域崩塌滑坡灾害识别理论,解决了通航水域崩塌滑坡灾害识别难题、崩塌灾害应急预警技术瓶颈、特大型滑坡土地集约型治理、崩塌滑坡地质创面生态修复等关键技术,成果应用保障了约7.5万居民生命财产安全,保障了巫山、秭归、巴东、奉节、云阳、万州、开州等27个港口码头的营运安全,保障了长江三峡水库段、宜昌段、枝江段及相关支流通航河段2000多公里通航河道水运交通安全,为提升内河通航水域地质灾害生态化防治水平、推动美丽中国建设提供了重要理论依据和技术支撑。