某變形體特征及形成機(jī)理研究

苗佳，張洪，陳娟

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某變形體特征及形成機(jī)理研究

苗佳，張洪，陳娟

（四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八三大隊(duì)，四川達(dá)州 635000）

變形體位于貴州省銅仁市涼水井鎮(zhèn)，斜坡屬于典型的軟弱基座型緩傾坡內(nèi)斜坡。基于斜坡工程地質(zhì)條件及斜坡基本特征，定性分析了斜坡整體變形破壞模式。通過(guò)Geostudio2007數(shù)值模擬軟件，研究斜坡整體變形破壞特征及模式，結(jié)果表明：暴雨與天然狀態(tài)下，因下部泥頁(yè)巖的塑性變形導(dǎo)致上部灰?guī)r拉裂，斜坡整體失穩(wěn)模式為塑流—拉裂；暴雨?duì)顟B(tài)下，水對(duì)下部泥頁(yè)巖的軟化作用和裂隙充水靜水壓力及動(dòng)水壓力，加快了巖體破壞，推進(jìn)斜坡破壞進(jìn)程。

變形體；形成機(jī)理；研究；涼水井鎮(zhèn)

該變形體位于黔東銅仁市涼水井鎮(zhèn)北側(cè)后山，斜坡存在產(chǎn)生整體失穩(wěn)及崩塌的可能性，對(duì)其下方公路及民房具有極大威脅。研究區(qū)斜坡屬于典型的軟弱基座型緩傾坡內(nèi)斜坡，這屬于西部山區(qū)較為常見的一種斜坡類型（張倬元等，1994；黃潤(rùn)秋等，2005；黃潤(rùn)秋，2007）。研究該變形體的特征及形成機(jī)理，可為變形體的進(jìn)一步形成、穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)、失穩(wěn)破壞之后影響區(qū)范圍的預(yù)估及防治措施的制定提供理論分析基礎(chǔ)，也可為相同類型變形體發(fā)育條件、預(yù)警識(shí)別及變形體的形成過(guò)程研究提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件概述

1.1 自然地理

研究區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)性思潤(rùn)氣候區(qū)[6]，年平均氣溫17.3℃，雨量充沛，年平均降雨量1 148.46mm，最豐年降水量1 672.9mm（1967年）。1998年7月22日，最大日降水量為237mm。

圖1 危巖體位置示意圖

1.2 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)出露地層有第四系堆積體（Q4）、二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）、志留系下統(tǒng)秀山組（S1x）和奧陶系下統(tǒng)桐梓組（O1t）[7-8]。第四系（Q4）主要為殘坡積碎石土，粘土夾碎石土等，為松散巖組，廣泛分布在變形體下方斜坡和溝谷中。二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）主要為灰色、灰黑色、灰黃色石灰?guī)r夾燧石團(tuán)塊，底部為粘土巖，局部夾0.8m厚煤層；灰?guī)r屬硬質(zhì)巖組，產(chǎn)狀20°~60°∠9°~25°。志留系下統(tǒng)秀山組（S1x）主要為黃色、黃綠色泥巖，局部夾黃灰色中厚層狀粉砂巖及粉砂質(zhì)頁(yè)巖；巖質(zhì)軟，強(qiáng)烈風(fēng)化，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀30°～40°∠16°～30°。奧陶系下統(tǒng)桐梓組上部為淺灰色中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r及含灰質(zhì)白云巖，下部為灰色薄層狀生物碎屑灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖，分布在研究區(qū)南東和北西邊緣。

研究區(qū)位于思南壓扭性斷裂帶，斷裂帶走向北東，斜貫測(cè)區(qū)東西。發(fā)育有大致平行的兩條斷裂，傾向北西，傾角45°~76°，破碎帶寬30~100m，受構(gòu)造影響，破碎帶附近巖體較破碎，地形較緩（約 30°）。區(qū)內(nèi)地下水類型主要有：松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水[9]。其中以基巖裂隙水為主，次之為碳酸鹽巖巖溶水，松散巖類孔隙水在區(qū)內(nèi)零星分布，主要分布在崩坡積物及第四系粘土中。

該區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，基本地震加速度值0.05g。

2 斜坡基本特征

2.1 坡體結(jié)構(gòu)特征

斜坡巖性相對(duì)較單一，從上到下主要由兩部分組成，上部為二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）灰?guī)r，下部為志留系下統(tǒng)秀山組（S1x）泥頁(yè)巖，巖層緩傾坡內(nèi)，為典型的軟弱基座型逆向坡。上部灰?guī)r弱風(fēng)化呈灰色、灰黑色，呈整體塊狀結(jié)構(gòu)，屬硬質(zhì)巖組，產(chǎn)狀為35°∠9°~25°，厚度150m左右；下部泥頁(yè)巖呈強(qiáng)風(fēng)化黃綠、黃灰、藍(lán)灰色，局部夾薄至中厚層狀粉砂巖，富水性弱，屬軟質(zhì)巖組，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎呈碎裂-散體結(jié)構(gòu)，地層產(chǎn)狀為30°∠16°～30°，厚度大于150m；地表零星分布有第四系殘坡積粘土和崩坡積碎石土，厚度一般小于8m。斜坡為典型的軟弱基座型緩傾坡內(nèi)斜坡，上部灰?guī)r為硬質(zhì)巖形成陡崖，坡度一般大于70°；下部以泥頁(yè)巖為主，巖質(zhì)軟，形成緩坡，坡度一般小于30°。

表1 裂縫特征表

陡崖下方地形較復(fù)雜，植被較為發(fā)育, 發(fā)育若干條小沖溝。局部崩塌地帶有大量碎石堆積，主要為粒徑5~25cm的棱角狀碎石，含有數(shù)塊巨大崩落塊石，塊徑為1~10m。斜坡巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除層面外，巖體中優(yōu)勢(shì)發(fā)育三組結(jié)構(gòu)面，分別為：①陡傾結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀：EW/S∠70°；②與臨空面近平行的結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀：50°∠81°；③與層面近平行的結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀：20°∠20°。三組結(jié)構(gòu)面相互組合，切割巖體，可作為巖體破壞的邊界，陡崖部位發(fā)育大量崩塌后的凹巖腔。

2.2 斜坡變形破壞特征該斜坡已有的變形破壞類型可分為裂縫、崩塌及危巖體。

1）裂縫，斜坡山頂裂縫較為發(fā)育，主要為一組與斜坡走向近平行的寬大裂縫，這些裂縫可形成巖體大規(guī)模變形破壞的后緣邊界。裂縫特征見表1。

2）崩塌，崩塌主要發(fā)生在陡崖部位，陡崖以下斜坡部位常有滾石，在斜坡上有大量崩塌碎石堆積體，同時(shí)陡崖部位可見許多新鮮凹巖腔，由三組結(jié)構(gòu)面切割而成，三組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為50°/直立、EW∠70°、70°∠20°，大量凹巖腔促使陡崖巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化，造成變形體失穩(wěn)破壞。

3）危巖體，受裂縫及結(jié)構(gòu)面控制，該斜坡山頂部位發(fā)育三處明顯的危巖體，分別編號(hào)為WY1、WY2、WY3，如圖1所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

3 斜坡整體變形破壞模式定性分析

斜坡上部為硬質(zhì)巖（棲霞組石灰?guī)r），下部為較厚軟巖（泥質(zhì)頁(yè)巖為主），巖層緩傾坡內(nèi)，總體表現(xiàn)為具有巨厚層狀軟弱基座緩傾坡內(nèi)斜坡。下部泥頁(yè)巖受重力作用，發(fā)生壓縮塑性變形，同時(shí)差異風(fēng)化作用在泥巖部位形成凹巖腔或造成泥巖風(fēng)化深度增大，導(dǎo)致坡頂產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成與臨空面方向近平行的拉裂縫，斜坡整體變形破壞模式表現(xiàn)為塑流—拉裂[10-11]。塑流—拉裂式變形進(jìn)一步可能發(fā)展為滑坡或崩塌：坡頂寬大裂縫發(fā)展到一定深度時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑流—拉裂—剪斷式滑坡；同時(shí)受斜坡變形影響，坡肩部位存在拉應(yīng)力集中，加之灰?guī)r中沿卸荷裂隙溶蝕發(fā)育，沿陡傾外裂隙產(chǎn)生拉裂，會(huì)在崖頂部位形成危巖體，進(jìn)而發(fā)展成為崩塌，斜坡存在有三處具有一定規(guī)模的危巖體。

4 斜坡整體變形破壞模式數(shù)值模擬研究

4.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)該斜坡形態(tài)特征和物質(zhì)組成，同時(shí)考慮其結(jié)構(gòu)特征和邊界特征，該斜坡的地質(zhì)環(huán)境及其工程條件較為復(fù)雜。綜合考慮斜坡巖性組合、坡體結(jié)構(gòu)特征等斜坡實(shí)際工程地質(zhì)條件，假定斜坡巖土體應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，巖土體的破壞服從摩爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則，建立了如圖2所示的計(jì)算模型[12-13]。模型中，上部灰?guī)r風(fēng)化較弱，只考慮卸荷對(duì)其影響，分為弱卸荷帶與新鮮巖體；下部泥頁(yè)巖風(fēng)化嚴(yán)重，結(jié)合工程巖組特性推測(cè)，劃分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化三個(gè)帶[14-15]。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

數(shù)值模擬采用Geostudio2007二維有限元軟件，有限元單元的劃分以正方形單元為主，共劃分了2 128個(gè)單元，2 192個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算工況采用兩種：天然狀況和暴雨工況，暴雨工況主要考慮軟巖飽水狀態(tài)對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)折減。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-94），并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查成果，斜坡巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。應(yīng)力分布特征圖單位為KPa，位移分布特征圖單位為m。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 天然狀態(tài)下應(yīng)力及變形特征

1）最大主應(yīng)力分布主要受重力場(chǎng)的影響，在斜坡內(nèi)基本上均勻分布，但在下部泥頁(yè)巖強(qiáng)弱風(fēng)化帶接觸部位以及淺表層出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但并無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 天然狀態(tài)下最大主應(yīng)力分布特征

圖4 天然狀態(tài)下最小主應(yīng)力分布特征

圖5 天然狀態(tài)總位移分布特征

2）如圖4所示，最小主應(yīng)力在巖體中較為均勻分布，沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。但在上部灰?guī)r中出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力分布，在左上角出現(xiàn)比較大的拉應(yīng)力主要是受到模型邊界條件的影響，在這里不予分析。其余部分拉應(yīng)力主要是受上硬下軟坡體結(jié)構(gòu)控制，下部泥頁(yè)巖受到上部灰?guī)r重力的作用，產(chǎn)生一定的壓縮塑性變形，從而在上部灰?guī)r中產(chǎn)生拉應(yīng)力。

3）為分析斜坡的變形趨勢(shì)，圖5給出了總位移分布特征，僅反映變形趨勢(shì)。天然狀態(tài)下泥頁(yè)巖強(qiáng)風(fēng)化帶和全風(fēng)化帶與上部灰?guī)r接觸部位變形趨勢(shì)明顯，X方向最大變形發(fā)生在該接觸部位；Y方向最大變形發(fā)生在陡崖頂部；下部軟巖淺表層X方向趨勢(shì)位移量大，上部灰?guī)r崖頂Y方向趨勢(shì)位移量大，這種變形趨勢(shì)正好和坡體內(nèi)拉應(yīng)力分布特征相符。

綜上所述，天然狀態(tài)下，上部灰?guī)r大范圍出現(xiàn)拉應(yīng)力，但未出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，除去模型邊界條件的影響量值小于1 000KPa，拉應(yīng)力的存在可能造成上部灰?guī)r沿陡傾卸荷裂隙產(chǎn)生拉裂；下部泥頁(yè)巖有產(chǎn)生壓縮塑性擠出的變形趨勢(shì)；綜合坡體內(nèi)應(yīng)力部分和變形趨勢(shì)特征，由于下部泥頁(yè)巖質(zhì)軟，容易產(chǎn)生壓縮塑性變形，且趨勢(shì)變形量大，使得上部灰?guī)r中產(chǎn)生拉應(yīng)力，這與定性分析的塑流—拉裂模式相符合。

圖6 暴雨?duì)顟B(tài)最大主應(yīng)力分布特征

圖7 暴雨?duì)顟B(tài)下最小主應(yīng)力分布特征

圖8 暴雨?duì)顟B(tài)下X方向位于分布特征

4.2.2 暴雨?duì)顟B(tài)下應(yīng)力及變形特征

1）最大主應(yīng)力較天然狀態(tài)有所增高，受重力控制在斜坡內(nèi)基本上均勻分布，但在下部泥頁(yè)巖弱風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化交接處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，且比天然狀態(tài)下集中范圍更大，仍未出現(xiàn)拉應(yīng)力，如圖6所示。

2）如圖7所示，最小主應(yīng)力較天然狀態(tài)下無(wú)大的應(yīng)力重分布跡象，沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。拉應(yīng)力分布情況與天然狀態(tài)下基本相同，只是量值和分布范圍有所增大。產(chǎn)生拉應(yīng)力也因下部軟巖受重力作用，發(fā)生壓縮塑性變形，在上部灰?guī)r中產(chǎn)生拉應(yīng)力。

3）如圖8、9、10所示，暴雨?duì)顟B(tài)下淺表層出現(xiàn)明顯變形，下部軟巖因遇水軟化，降低了其強(qiáng)度同時(shí)所受上部荷載加大使得變形更加明顯。X方向最大位移量出現(xiàn)在上下軟硬巖層接觸帶部位淺表層，最大值為0.512 8m，已經(jīng)發(fā)生了塑性擠出；Y方向最大位移量出現(xiàn)在崖頂部位，最大值可達(dá)0.766 8m；總體位移表現(xiàn)為崖頂位移量最大，下部泥頁(yè)巖淺表層產(chǎn)生最大塑性變形，使得上部灰?guī)r下挫形成拉裂縫。

4）暴雨?duì)顟B(tài)下斜坡塑性破壞區(qū)（圖11）主要分布在泥頁(yè)巖淺表層中，也是因受到上部灰?guī)r重力作用產(chǎn)生壓縮塑性變形，甚至塑性擠出。

綜上所述，在暴雨?duì)顟B(tài)下上部灰?guī)r中出現(xiàn)拉應(yīng)力，量值較天然狀態(tài)有所增加，分布范圍也有所加大，拉應(yīng)力的存在將會(huì)在巖體中形成沿陡傾卸荷裂隙的拉裂縫；下部泥頁(yè)巖壓縮塑性變形為主，泥頁(yè)巖受雨水的軟化作用，在重力作用下更易發(fā)生塑性變形，加之差異分化，下部泥頁(yè)巖中形成凹腔或沉降量增加，使得上部灰?guī)r沿與坡面近平行的節(jié)理變形，形成拉裂縫，與坡頂裂縫錯(cuò)坎特征相吻合[16-17]。

4.2.3 天然狀態(tài)與暴雨?duì)顟B(tài)結(jié)果對(duì)比

比較天然狀態(tài)下與暴雨?duì)顟B(tài)下坡體內(nèi)的應(yīng)力分布及變形特征可知，總體上應(yīng)力分布及變形特征相似，但暴雨?duì)顟B(tài)下上部灰?guī)r中產(chǎn)生拉應(yīng)力更大，受到雨水的浸泡軟化下部泥頁(yè)巖產(chǎn)生更加明顯的變形。裂縫成因及斜坡失穩(wěn)破壞模式兩種工況下是相同的，都因下部泥頁(yè)巖的塑性變形致使上部灰?guī)r拉裂，呈塑流—拉裂型，但暴雨下考慮水對(duì)下部泥頁(yè)巖的軟化作用和裂縫充水靜水壓力及動(dòng)水壓力，加快了巖體破壞，推進(jìn)斜坡破壞進(jìn)程。

圖9 暴雨?duì)顟B(tài)下Y方向位于分布特征

圖10 暴雨?duì)顟B(tài)下總位移分布特征

圖11 暴雨?duì)顟B(tài)下塑性區(qū)分布特征

5 結(jié)論

基于該斜坡工程地質(zhì)條件、斜坡基本特征，定性分析了斜坡整體變形破壞模式，遵循地質(zhì)過(guò)程機(jī)制分析-量化評(píng)價(jià)原理，采用二維有限元方法，分析了斜坡變形破壞特征及形成機(jī)理，獲得如下認(rèn)識(shí)：

1）該斜坡上部灰?guī)r為硬質(zhì)巖，下部泥頁(yè)巖為軟質(zhì)巖，屬軟弱基座型緩傾坡內(nèi)斜坡。斜坡已有變形破壞類型主要有裂縫、崩塌及危巖體。

2）除緩傾坡內(nèi)層面外，坡體中發(fā)育有三組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，分別為：①陡傾結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀：EW∠70°；②與臨空面近平行的結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀：50°∠81°；③與層面近平行的結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀：20°∠20°。三組結(jié)構(gòu)面相互組合切割巖體，為斜坡失穩(wěn)提供良好條件。

3）斜坡下部泥頁(yè)巖受重力作用，發(fā)生壓縮塑性變形，同時(shí)差異風(fēng)化作用在泥巖部位形成凹巖腔或造成泥巖風(fēng)化深度增大，導(dǎo)致坡頂產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成與臨空面方向近平行的拉裂縫，斜坡整體變形破壞模式表現(xiàn)為塑流—拉裂。

4）數(shù)值模擬結(jié)果表明：①總體上，天然狀態(tài)下與暴雨?duì)顟B(tài)下坡體內(nèi)的應(yīng)力分布及變形特征相似。②兩種工況下，均因下部泥頁(yè)巖的塑性變形致使上部灰?guī)r拉裂，裂縫成因及斜坡整體失穩(wěn)破模式為：塑流—拉裂型。③暴雨?duì)顟B(tài)下，水對(duì)下部泥頁(yè)巖的軟化作用和裂隙充水靜水壓力及動(dòng)水壓力，加快了巖體破壞，推進(jìn)斜坡破壞進(jìn)程。

[1] 王春山，周洪福，聶德興．茨哈峽水電站3#變形體特征及穩(wěn)定性分析[J]．人民黃河，2015，37（8）：129-132．

[2] 廖秋林，何曉東，張玉東，等．拉西瓦左壩肩大型古變形體形成形成及其穩(wěn)定性分析[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006，（5）：13-16，25．

[3] 吳龍科，任光明，鄭秀紅，等．西北某壩肩變形體成因機(jī)制的離散元數(shù)值模擬[J]．山地學(xué)報(bào)，2015，33（1）：81-87．

[4] 陳濤，陳江濤．重慶忠縣吊鐘壩滑坡Ⅰ-2變形體啟動(dòng)機(jī)制探討[J]．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2015，26（2）：18-22，56．

[5] 楊曉杰，韓巧云，陳相相，等．龍開口水電站右岸大型變形巖體穩(wěn)定性分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，32（增1）：2920-2925．

[6] 中國(guó)地理叢書委員會(huì)．貴州省地理[M]．北京：地質(zhì)出版社，1984．

[7] 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)局．貴州省巖石地層[M]．武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1997．

[8] 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)局．貴州省區(qū)域地質(zhì)志[M]．北京：地質(zhì)出版社，1987．

[9] 韓至均，金占省主編．貴州省水文地質(zhì)志[M]．北京：地震出版社，1996．

[10] 黃潤(rùn)秋．20 世紀(jì)以來(lái)中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2007，26(3)：433—454．

[11] 張倬元，王士天，王蘭生，等．工程地質(zhì)分析原理[M]．北京：地質(zhì)出版社，2008．

[12] 張文居，趙其華，等．拉西瓦水電站壩區(qū)ⅡB-ⅡJ變形體變形破裂機(jī)制的地質(zhì)力學(xué)模擬研究[J]．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14（4）：86-89．

[13] 王根龍，伍法權(quán)，祁生文，等．塑流—拉裂式崩塌機(jī)制及評(píng)價(jià)方法[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（增1）：286--3—2869．

[14] 伍保祥，沈軍輝，沈中超，等．四川省華鎣市趙子秀山變形體的成因機(jī)制研究[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，（3）：23—27．

[15] 蘭志勇，趙建軍，翟崇，等．軟弱基座型斜坡變形破壞機(jī)制模擬研究[J]．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，22（3）：421—427．

[16] 潭儒蛟，楊旭朝，胡瑞林．反傾巖體邊坡變形機(jī)制與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究綜述[J]．巖土力學(xué)，2009，30（增2）：479—484，523

[17] 柴賀軍，肖文．具有軟弱基座逆向邊坡變形及破壞過(guò)程研究[J]．地球科學(xué)進(jìn)展，2009，19（增1）：288—291

Characteristics and Genetic Mechanism for a Deformable Body

MIAO Jia ZHANG Hong CHEN Juan

(No. 283 Geological Party, Sichuan Bureau of Uranium Geology, Dazhou, Sichuan 635000)

A deformable body at Liangshuijing, Tongren, Guizhou is a typical slope deformable body. The slope is a weak base type flat slope. A slope deformation failure mode based on engineering geological conditions of the slope and by numerical simulation with Geostudio2007 is established. The study indicates thatheavy rain and natural conditions, the slope as a whole has a plastic flow-cracking mode due to plastic deformation of shale in the lower and pull crack of limestone in the upper. The slope deformation and failure speed under heavy rain condition.

deformable body; genetic mechanism; study; Liangshuijing, Tongren

P642

A

1006-0995（2017）02-0292-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.02.028

2017-03-21

苗佳（1984—），男，吉林四平人，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害與巖土工程方面的研究