白鶴坪邊坡穩(wěn)定性分析1

顧 全 周正華 李永義 史學(xué)磊 高橋千明

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白鶴坪邊坡穩(wěn)定性分析1

顧 全1）周正華1）李永義1）史學(xué)磊2）高橋千明3）

1）南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，南京 210009 2）中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051 3）太平洋咨詢公司，東京，日本

邊坡監(jiān)測(cè)可為掌握邊坡變形特征和規(guī)律提供依據(jù)，指導(dǎo)在邊坡發(fā)生嚴(yán)重變形時(shí)的應(yīng)急處理。白鶴坪邊坡是三峽庫(kù)區(qū)的典型邊坡，依據(jù)邊坡的變形特征定性地認(rèn)為該邊坡為潛在的推移式滑坡。1998年調(diào)查發(fā)現(xiàn)白鶴邊坡存在一定的滑移，為了對(duì)其實(shí)施監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)警，減輕因其滑動(dòng)而引起的地質(zhì)災(zāi)害，在該邊坡上建立了由10個(gè)GPS觀測(cè)點(diǎn)組成的邊坡位移觀測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)邊坡的變形。本文以2014年5月至2016年4月近兩年的白鶴坪邊坡變形觀測(cè)系統(tǒng)所獲得的位移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)邊坡的位移變形進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合數(shù)值模擬分析了邊坡的水平向相對(duì)位移。分析表明，在邊坡由緩變陡處變形顯著增加，邊坡現(xiàn)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，其變形主要受降雨影響，每年汛期時(shí)（5—10月）邊坡變形量偏高。其次為庫(kù)水作用影響，江水對(duì)坡腳沖蝕，使邊坡前緣局部產(chǎn)生了小規(guī)模崩滑現(xiàn)象。

位移監(jiān)測(cè) GPS 滑坡 變形特征 數(shù)值模擬

引言

我國(guó)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育且較嚴(yán)重，主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉陷等6類（王哲等，2006）。2015年全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害8224起，共造成229人死亡、58人失蹤、138人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失24.9億元。其中滑坡比重最多，達(dá)到68.29%（來(lái)源于國(guó)土資源部全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)（2015））。隨著西部大開(kāi)發(fā)建設(shè)，高速公路、高速鐵路、水電工程等大規(guī)模工程活動(dòng)的開(kāi)展，滑坡的危害及造成的損失在逐年增加（鄭穎人等，2010；佘詩(shī)剛等，2014）。因此，滑坡的防治是一項(xiàng)十分艱巨的工作（李世海等，2006）。

基于高危邊坡變形監(jiān)測(cè)的預(yù)警、預(yù)報(bào)可作為減緩地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要措施，正越來(lái)越為人們所重視（李長(zhǎng)江等，2011）。為減少滑坡災(zāi)害帶來(lái)的嚴(yán)重危害，科學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是關(guān)鍵（馮春等，2011）。1985年6月12日，湖北省秭歸縣發(fā)生了新灘大型滑坡，由于該滑坡的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)滑坡進(jìn)行了提前預(yù)警，使滑坡災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡降低到最低程度（胡其裕等，1986；陸業(yè)海，1985）；1991年6月9日，湖北省株歸縣雞鳴寺發(fā)生了滑坡，由于滑坡預(yù)報(bào)及時(shí)準(zhǔn)確，當(dāng)?shù)馗骷?jí)政府決策果斷，措施得力，從而使險(xiǎn)區(qū)居民1126人全部安全轉(zhuǎn)移（王發(fā)讀，1992；呂貴芳，1994）；1995年1月27日下午，鐵道部科學(xué)研究院西北分院對(duì)甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黃茨滑坡半年來(lái)獲得的大量調(diào)查、監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了數(shù)次分析計(jì)算，對(duì)該滑坡災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間作出成功預(yù)報(bào)，避免了滑坡和公路間60余戶居民的人員傷亡（王恭先，1997；毛廣湘，2007）。這些監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的成功實(shí)例為探索研究滑坡災(zāi)害預(yù)警積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。然而，我國(guó)現(xiàn)有滑坡預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)未能全部覆蓋，仍有大量的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在已有的預(yù)警點(diǎn)之外（唐亞明等，2012）。例如，2009年8月6日，位于四川省雅安市漢源境內(nèi)省道306新線猴子巖段山體發(fā)生大面積滑移，由于缺乏相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段，沒(méi)有做好相關(guān)的預(yù)防以及準(zhǔn)備工作，導(dǎo)致大渡河堵塞，形成罕見(jiàn)的堰塞湖，造成上游147戶農(nóng)家、1774畝農(nóng)田被淹沒(méi)，以及嚴(yán)重的人員傷亡（黃潤(rùn)秋等，2009；李長(zhǎng)江等，2011）。綜上所述，建立有效的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可以預(yù)警災(zāi)害事故的發(fā)生時(shí)間，防止或減少人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失（蔣興超，2010）。

白鶴坪邊坡是三峽庫(kù)區(qū)的典型邊坡，依據(jù)邊坡的變形特征可定性地認(rèn)為該邊坡為潛在的推移式滑坡。1998年調(diào)查發(fā)現(xiàn)白鶴邊坡存在一定的滑移，為了對(duì)其實(shí)施監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)警，減輕因其滑動(dòng)而引起的地質(zhì)災(zāi)害，在該邊坡上建立了由10個(gè)GPS觀測(cè)點(diǎn)組成的邊坡位移觀測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)其變形。自2007年白鶴邊坡變形觀測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，積累了一些邊坡位移觀測(cè)數(shù)據(jù)，為開(kāi)展邊坡變形及其因素分析提供了寶貴資料。本文基于白鶴坪邊坡的地表水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合降雨及庫(kù)水位信息，分析其變形特征及其主要影響因素，為邊坡的防治工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 白鶴坪邊坡概況

白鶴坪邊坡位于巫山縣建坪鄉(xiāng)跳石村2組（31.06°N，109.96°E），為長(zhǎng)江右岸斜坡。邊坡前緣和后緣高程分別為115m和540m，相對(duì)高差為425m，平均坡度27°，推測(cè)主滑動(dòng)方向?yàn)?40°（正北方向?yàn)?°，逆時(shí)針變化），邊坡變形區(qū)域約為8.55×105m2，體積約為2.138×107m3，為巨型推移式土質(zhì)邊坡（圖1）。

邊坡體由崩坡積物構(gòu)成，邊坡中部至后緣平臺(tái)地表松散物質(zhì)以白鶴坪后緣陡崖崩塌產(chǎn)生的塊石為主，土體含量小于10%，其中塊石成分多為塊徑0.1—5cm的灰-深色灰?guī)r塊體；邊坡中部及前緣處的松散物質(zhì)主要為碎（塊）石土，碎（塊）石成分以灰-灰綠色的灰?guī)r和砂巖為主，常見(jiàn)塊徑5—10cm，局部見(jiàn)塊徑1—4m的弧石，土的成分主要為黃褐色粉質(zhì)粘土，一般呈硬塑狀，遇水易軟化。

推測(cè)滑面為松散堆積物與下伏基巖接觸帶，即基覆界面，從邊坡剖面形態(tài)（圖2）可以看出，滑面沿主滑方向的剖面形態(tài)呈凸形；滑床為志留系地層，邊坡中下部滑床為志留系下統(tǒng)羅惹坪組（S1lr）薄層粉砂質(zhì)泥巖夾薄層粉砂巖及少量薄層細(xì)砂巖；邊坡中上部滑床由志留系下統(tǒng)紗帽組（S1s）紫紅色夾灰綠色粉砂質(zhì)泥巖和薄層巖屑石英砂巖等組成。

綜上可知，該邊坡為“土-巖”二元結(jié)構(gòu)，推測(cè)滑帶為基覆界面。邊坡所在的地形坡度較陡、臨空面較大、邊坡體松散層遇水易軟化等因素使該邊坡易于變形，存在潛在滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

2 變形監(jiān)測(cè)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，白鶴坪邊坡體于1998年9月開(kāi)始出現(xiàn)變形，變形的宏觀表現(xiàn)為邊坡中上部少部分民房出現(xiàn)拉張裂縫，長(zhǎng)近3m，寬1—3cm。2006年在三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部的主持下，將白鶴坪崩邊體納入了三峽庫(kù)區(qū)巫山縣三期地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)預(yù)警工程，建立了由10個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中位于該邊坡后緣東南側(cè)基巖場(chǎng)地上的GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)（WS02-11）為基準(zhǔn)點(diǎn)，其余9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布于邊坡體上，且WS02-04、WS02-01、WS02-02、WS02-06形成1條主縱監(jiān)測(cè)剖面I-I＇（圖1）。

圖1 白鶴坪邊坡平面圖及形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

圖2 白鶴坪邊坡工程地質(zhì)剖面圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)備為天寶Trimble4600型單頻GPS接收機(jī)（圖3），其體積小、操作簡(jiǎn)便、精度高、成本低、穩(wěn)定耐用，水平定位精度可達(dá)到±10mm＋1ppm，垂直精度可達(dá)到±20mm＋1ppm。

圖3 GPS監(jiān)測(cè)裝置

3 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

自2007年開(kāi)展邊坡變形監(jiān)測(cè)以來(lái)，剖面I-I＇上4個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)（WS02-04、WS02-01、WS02-02、WS02-06）積累了一些寶貴的觀測(cè)數(shù)據(jù)。據(jù)2007年1月—2016年4月最終累計(jì)變形量顯示，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)邊坡累計(jì)位移分別為361.3mm、502.9mm、560.3mm和320.8mm，本文以2014年5月—2016年4月期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了邊坡總體變形趨勢(shì)，結(jié)果表明，近年來(lái)邊坡總體呈蠕滑變形趨勢(shì)。

由剖面I-I＇的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)位移（圖4）可知：近兩年，WS02-04、WS02-01、WS02-02和WS02-06的水平向累計(jì)位移分別為87.3mm、95.9mm、106.3mm、80.3mm。邊坡前緣處監(jiān)測(cè)點(diǎn)WS02-06的水平向累計(jì)位移最小；靠近后緣的WS02-04、WS02-01、WS02-02水平向累計(jì)位移較大，呈現(xiàn)明顯的推移式滑坡的變形運(yùn)動(dòng)特征。邊坡近后緣處，特別是監(jiān)測(cè)點(diǎn)WS02-02處，由于地形由緩變陡，加之受周圍的房屋荷載作用以及巖土體較厚等因素影響，邊坡變形最大。

圖4 白鶴坪邊坡GPS監(jiān)測(cè)水平向位移曲線

4 邊坡變形影響因素分析

諸多研究表明，降雨和水庫(kù)水位的變化是水庫(kù)發(fā)生滑坡的主要誘發(fā)因素（Riemer，1995；鄧建輝等，2003；李曉等，2004；李英等，2008）。白鶴坪邊坡作為前緣涉水邊坡，亦會(huì)受到這兩種因素的影響。

4.1 降雨對(duì)邊坡變形的影響

基于每年雨季的變形觀測(cè)及下雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到了如表1、圖5所示的結(jié)果，由此可以看出，邊坡體各個(gè)部位在每年5—10月雨季位移量較大，約占每年總位移量的70%以上，其中觀測(cè)點(diǎn)WS02-04在2015年5月—2016年4月的汛期期間水平位移量達(dá)年度總位移量的近95%，且邊坡各個(gè)部位變形具有同步性。因此，邊坡地表位移與降雨量成正相關(guān)關(guān)系，降雨量越大，邊坡變形越大，反之邊坡變形則較小。

表1 白鶴坪邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形比率與降雨比率關(guān)系

圖5 白鶴坪邊坡GPS監(jiān)測(cè)水平向位移與降雨關(guān)系曲線

邊坡的變形與降雨有著直接的關(guān)系：首先，邊坡的含水量由于雨季降雨量的暴增使得邊坡土體的重度驟增，增加了下滑的可能性；其次，降雨使得巖土的力學(xué)參數(shù)，如內(nèi)摩擦角和粘聚力等降低，使得邊坡的抗滑性降低；最后，巖土體中地下水位的抬升，使得孔隙水壓力增加（張友誼等，2007；張玉等，2013），巖土體的有效應(yīng)力減小，使得邊坡的抗滑力減小，邊坡更易失穩(wěn)。由此，降雨作用使得邊坡的下滑力增大，抗滑力減小，邊坡的變形隨之增大，這就不難理解為何白鶴坪邊坡在雨季變形量比非雨季大。

4.2 庫(kù)水位對(duì)邊坡變形的影響

圖6為白鶴坪邊坡剖面I-I＇上各測(cè)點(diǎn)地表水平方向的變形量與庫(kù)水位的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在庫(kù)區(qū)水位寬幅波動(dòng)的條件下，邊坡體在剖面I-I＇各地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)均呈近直線變化態(tài)勢(shì)，隨庫(kù)水位變化無(wú)明顯的波動(dòng)，尤其位于邊坡體下部的WS02-06號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其位移與庫(kù)水的上升以及下降無(wú)明顯的變化關(guān)系，說(shuō)明邊坡變形與庫(kù)水位波動(dòng)的相關(guān)性較差。但由于邊坡前緣長(zhǎng)期浸泡于長(zhǎng)江水中，江水對(duì)坡腳的沖蝕對(duì)邊坡前緣的變形有一定的影響。

綜上所述，降雨是引起白鶴坪邊坡變形的主要影響因素，庫(kù)水位波動(dòng)是次要因素。

圖6 白鶴坪邊坡GPS監(jiān)測(cè)水平向位移與庫(kù)水位關(guān)系曲線

5 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

由前文分析可知，引起白鶴坪邊坡變形的主要影響因素是降雨量，而降雨量與地下水存在補(bǔ)給關(guān)系，降雨使地下水水位抬升，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定。為了深入分析汛期白鶴坪邊坡的穩(wěn)定性，本文將根據(jù)汛期期間鉆探所獲得的鉆孔資料及地下水位，建立二維邊坡分析模型，并結(jié)合白鶴坪邊坡地表水平向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析邊坡的水平向相對(duì)位移。

5.1 數(shù)值分析模型

根據(jù)白鶴坪邊坡巖土分布特征，將白鶴坪邊坡簡(jiǎn)化為由堆積體、潛在滑帶與基巖3部分組成，如圖7所示。以有限差分法軟件Flac3d為分析平臺(tái)，采用四邊形單元對(duì)白鶴坪邊坡進(jìn)行網(wǎng)格剖分，建立了二維邊坡分析模型（見(jiàn)圖7），分析模型邊界條件為：底部為固定邊界，兩側(cè)邊界水平向位移為0。鑒于潛在滑帶較薄，故將其設(shè)置為無(wú)厚度的接觸面。在基于Flac3d的數(shù)值模擬中，邊坡體采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣、室內(nèi)試驗(yàn)所確定的巖土參數(shù)列于表2。

圖7 白鶴坪邊坡計(jì)算模型

表2 白鶴坪邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)取值表

5.2 模擬結(jié)果分析

考慮到雨季邊坡水位抬升，潛在滑帶處于飽水狀態(tài)，本文基于邊坡體二維分析模型，分析了潛在滑帶在飽水狀態(tài)下的邊坡變形。為了刻畫(huà)邊坡體相對(duì)變形程度，以邊坡體水平向最大位移為參考值，計(jì)算得到了邊坡體各觀測(cè)點(diǎn)水平向位移與參考值的比值，并據(jù)此繪制了相應(yīng)的云圖，如圖8所示。圖中所示結(jié)果表明，邊坡的水平向累計(jì)位移最大的區(qū)域位于邊坡的近后緣部位和中部較陡的斜坡段，具體表現(xiàn)為：①近坡體后緣部位地形較為平坦，變形相對(duì)較小，在坡體由緩變陡處水平向位移急劇陡增；②中部斜坡段由于地形較陡，地下水水位較高，變形亦較大；③坡體近庫(kù)水段相對(duì)變形較小。上述變形特征與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果在測(cè)點(diǎn)WS02-02處位移最大相吻合。

圖8 邊坡水平向相對(duì)位移分布特征

圖9為邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。從中可以看出，剪應(yīng)變?cè)隽孔兓狙鼗步缑?，即潛在滑帶分布。結(jié)合圖8可以看出，坡體近后緣處及中部坡度由緩變陡處剪應(yīng)變?cè)隽孔兓畲蟆?/p>

圖9 邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

邊坡坡的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)是工程地質(zhì)中的一項(xiàng)重要工作（黃雅虹等，2017），本文以強(qiáng)度折減法作為理論依據(jù)，用Flac3d的內(nèi)嵌編程語(yǔ)言計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果為1.65，大于1.0，結(jié)合剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知邊坡的潛在滑動(dòng)面未形成貫通破壞區(qū)，該邊坡在潛在滑帶飽水狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，數(shù)值模擬結(jié)果揭示的坡體變形規(guī)律與監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合，總體上由坡體前緣至后緣，變形呈逐漸增大的趨勢(shì)，但在邊坡中由緩變陡處變形陡增。此外，數(shù)值分析結(jié)果表明，白鶴坪邊坡現(xiàn)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在久雨和暴雨條件下仍需關(guān)注邊坡的變形狀態(tài)，并在邊坡兩處變形較大的部位做好防護(hù)措施。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于白鶴坪邊坡近兩年地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)邊坡變形及其影響因素進(jìn)行了分析，并結(jié)合邊坡地形地貌、巖土分布特征建立了二維分析模型，模擬了地下水對(duì)坡體變形的影響，獲得了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）綜合近兩年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，白鶴坪邊坡為潛在的推移式滑坡；邊坡中后部變形相對(duì)較大，在降雨等誘發(fā)條件下，可能發(fā)生局部滑移，此處應(yīng)是今后該邊坡治理的重點(diǎn)區(qū)域。

（2）久雨和暴雨是誘發(fā)邊坡變形破壞的最直接因素，大氣降水一部分直接滲入松散堆積體或沿裂隙滲入巖體，使邊坡體和滑動(dòng)帶巖土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力降低，因此在汛期需謹(jǐn)防邊坡滑坡災(zāi)難的發(fā)生。

（3）坡體前緣由于受流水的侵蝕、沖刷作用以及庫(kù)區(qū)水位漲落影響，坡腳軟弱結(jié)構(gòu)面臨空導(dǎo)致坡體前緣的抗滑物質(zhì)易被水流沖刷帶走，從而加劇斜坡的變形，使坡體局部失穩(wěn)。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果較為相符，邊坡由緩變陡處變形顯著增加，提示在邊坡治理時(shí)應(yīng)注重邊坡由緩變陡處的防范；穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果表明，白鶴坪邊坡現(xiàn)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

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Stability Analysis of Baiheping Slope

Gu Quan1), Zhou Zhenghua1), Li Yongyi1), Shi Xuelei2)and Chiaki Takahashi3)

1) College of Transportation Science & Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China 2) Center for Hydrogeology and Environmental Geology, Baoding 071051, Hebei, China 3) Pacific Consultants Co. Ltd, Tokyo, Japan

The slope monitoring is useful in providing the basic information for the slope deformation characteristics and regularity of the slope. It can help us to deal with emergencies under the condition of severe deformation of the slope. Baiheping slope is a typical one in the Three Gorges Reservoir area. The slope is considered to be a potential traction type based on deformation characteristics of the slope. There was a certain slip along Baiheping slope by the survey in 1998. In order to predict and prevent the potential geological disasters caused by sliding, a slope displacement monitoring system composed of 10 GPS observation sites was set up to monitor the deformation of the slope. Based on the displacement data from the Baiheping slope deformation monitoring system from May 2014 to April 2016, we analyzed the horizontal relative displacement of the slope combined with numerical simulation. Our results show that the slope deformation is significantly increased in the part where sharp dip tend to be gently and the slope is in a stable state. The slope deformation is mainly affected by rainfall. The slope has a relatively high slope deformation in annual flood season (May to October). Moreover, due to river erosion on the slope, a small scale landslide appears in the front of the slope under the action of reservoir water.

Displacement monitoring; GPS; Landslide; Deformation characteristics; Numerical simulation

10.11899/zzfy20170309

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41374049），國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51308291）

2017-05-31

顧全，男，生于1989年。碩士研究生。主要從事邊坡穩(wěn)定性研究。E-mail：guquan2012@sina.com

周正華，男，生于1962年。研究員，博導(dǎo)。研究領(lǐng)域：防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程。E-mail：bjsmoc@163.com