危岩崩塌是三峡地区主要地质灾害之一,对人民群众生命财产和长江河道航行安全构成严重威胁。三峡深切河谷在地质构造和地形地貌的控制下,碳酸岩与泥岩、页岩组成的软硬互层结构出露地表。由于软弱岩体抗风化能力弱,容易向临空面塑性流动和不均匀沉降,在降水和地下水的作用下软弱基座强度降低强烈,易引发上部灰岩失稳。本文以长江三峡巫峡岸坡望霞危岩为研究对象,基于地貌学、地质学、断裂力学、损伤力学、能量原理、离散元、集对等方法,深入研究了三峡巫峡层状灰岩河谷危岩形成机制,变形破坏机理,以及崩塌后效行为与危险性评价,属于地理学、应用力学与航道岸坡防灾减灾交叉的边缘科学问题。本文取得的创新性成果主要包括以下几点:(1)通过对长江三峡巫峡河谷重庆段地质灾害集中区域实地调查,将灾害科学划分为破碎岩体崩滑、崩积-残坡积滑坡与软弱基座危岩崩塌三类,结合灾害实例分析了巫峡崩、滑地质灾害的主要特征、发生机理和破坏方式;从河谷边坡演化的地质-力学动态角度,阐明了三峡地区层状岩溶地貌崩滑灾害孕育发展过程与河谷边坡自下而上分别显现表生改造、时效变形和失稳破坏的边坡垂直分带性特征;总结了危岩崩塌、滑坡、泥石流和岩溶塌陷地质灾害链的形成机理。(2)建立了长江三峡碳酸盐岩结构分类与力学特征体系,分析了该地区常见表生构造层理、岩层面、褶皱和溶蚀断层表生构造对层状岩质边坡改造作用;将三峡典型层状岩质边坡分为近水平层状岩质边坡、顺层层状岩质边坡、反倾层状岩质边坡三大类,结合层面、软弱夹层、软弱结构面等岩体结构的组合关系,通过边坡发育过程塑流-拉裂、蠕滑-拉裂、滑移-拉裂、滑移-弯曲、弯曲-拉裂、滑移-压致拉裂六大类力学机制分析,明确了边坡最终失稳的破坏模式。(3)以长江三峡巫峡望霞危岩为研究对象,利用X光粉晶衍射试验、扫描电镜和偏光显微镜手段分析发现,软弱基座矿物成分石英含量较高,占60%以上,粘土矿物主要为蒙脱石和伊蒙混层,约为11.2%,层状硅酸盐矿物绿泥石、云母、蒙脱石等抗剪强度低,容易产生滑动,易沿主控结构面方向形成潜在破坏面;使用RMT-150C岩石力学试验系统进行不同围压下炭质页岩三轴压缩试验,通过一元线性回归绘制了三轴试验强度曲线和莫尔圆包络线,获取了炭质页岩强度参数,建立了不同围压下屈服强度、峰值强度和残余强度线性关系。(4)建立了巫峡望霞W1座倾破坏危岩和W2座滑破坏危岩地质模型与力学模型;基于断裂力学和损伤力学理论基础,建立了望霞W1危岩系统能量转化状态函数与危岩解体能量释放和能量耗散体系的计算方法。建立了望霞危岩W2危岩体主控结构面锁固段两种介质材料的本构模型,基于能量原理构建了危岩破坏尖点突变模型,求解获得了危岩破坏瞬间弹冲加速度与弹冲速度计算公式,二维颗粒流PFC2D软件对望霞W2危岩数值模拟结果表明,望霞危岩W2危岩体破坏瞬间危岩体顶部和底部较大的速度差异可使危岩体呈后倾座滑破坏,与实情相符。(5)建立了危岩崩塌后效落石运动轨迹方程,系统分析了坡形、坡度、坡高、下垫面状况和落石岩性、质量、形状七个因素对落石运动轨迹和致灾范围大小的影响。基于层次分析法和集对分析法,建立了危岩崩塌危险性评价模型,对望霞危岩崩塌计算结果表明,落石最远运动1180 m后最终停积在边坡上,距长江航道687 m,不直接对长江航道造成影响。