覆盖型岩溶区水气相互驱动盖层变形演化及塌陷机理研究

发布时间：2020-11-19 22:48

　　 我国南方可溶岩山区河谷深切,雨水充沛,地下水循环快,补排周期短,导致岩溶化程度高,裂隙~管道型、管道型岩溶较普遍,水动力场复杂多变,成为岩溶塌陷高发区,这对区域线性工程、城市地下工程建设影响极大,在工程施工过程中它威胁着施工安全,引起了人们的恐慌。在岩溶塌陷易发或高发区,塌陷的原因复杂,盖层地质结构多变,水气压力具有突变性。在水与气的相互驱动下,盖层的变形演化过程极为复杂。研究水气相互驱动触发岩溶塌陷的过程和机理具有重要意义。因此,本文以地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室人才培养课题“抽水触发岩溶塌陷过程与机理的模型试验研究,课题编号SKLGP2014Z014”及国家自然科学青年基金“双层介质地下水位升降与气流相互驱动及其支持毛细水再分布,编号41502244”的研究为依托,仍以水动力条件触发岩溶塌陷为研究对象,将物理模型试验和数值计算、元胞自动机模型等引入本研究中,着重研究了自然界中几种典型的盖层结构在水气相互驱动下的塌陷机理。完成的研究工作及取得的研究进展如下:(1)基于岩溶塌陷区的盖层地质条件的总结分析,结合盖层与地下水的关系,构建了几种典型的盖层地质结构模型,分别为单层透水型、单层阻水型、双层上阻下透型以及双层上透下阻型盖层。(2)单层透水型盖层的塌陷,主要为降雨或地下水位变化产生的潜蚀作用而形成;单层阻水型盖层的变形演化过程,主要受到地下水位升降导致下伏相对封闭的空间中气压突变的控制;对于双层上透下阻型盖层,其主控因素则为上述两种类型塌陷的组合,先气压渐变或突变,随后出现的潜蚀致塌;但对于双层上阻下透型盖层而言,盖层的变形演化行为十分复杂,地下水位下降后,下层强透水层中的潜蚀作用、因水位变化而致的水位以上的包气带中负压吸蚀作用、底部发育的溶蚀空间中的负压吸蚀作用三者同时存在。因此,对上述两类阻水型盖层在水-气相互驱动下的盖层变形演化行为和机理的研究是本文的重点。(3)基于极限平衡理论,普氏理论等给出了单层阻水型盖层地下水位下降时的稳定性系数和盖层安全厚度的数学表达式。利用渗流力学、空气动力学等理论,对上阻下透型盖层中的真空压强、包气带进气量、排水时间的控制方程进行了推导,并分析了负压吸蚀作用下的潜蚀效应,提出了临界水头高度的计算公式。(4)利用实验室自行研制的抽水触发岩溶塌陷试验仪,在室内分别开展了单层阻水型盖层在地下水位升降下产生水气驱动致塌过程试验,通过监测封闭空间内气压的渐变和突变规律,从而分析此类盖层的变形演化特征和内在机理。试验过程中再现了真空吸蚀致塌和正压气爆的现象。在此基础上,应用数值模拟试验计算了典型水位下降过程对盖层稳定性的影响,从而验证物理模拟试验结果的可靠性。(5)开展了水气相互驱动双层上阻下透型盖层变形演化及塌陷过程试验,通过对双层上阻下透型盖层地下水位下降试验中包气带内负压和溶洞内的负压的监测,深入研究了水气相互驱动下盖层变形演化特征,揭示了其变形演化机理。利用包气带真空值、排水时间等控制方程对物理模拟试验结果进行验证。此外,利用数值模拟方法对地下水位下降对此类盖层变形的典型工况进行计算分析,验证物理模型试验的可靠性。(5)首次引入元胞自动机技术运用于单层透水型盖层塌陷的研究中,采用面向对象的方法构建元胞空间,建立CA-Collapse模型,对一定潜蚀作用下的此类岩溶塌陷模拟过程进行了初步的探讨,为岩溶塌陷的预测预报研究提供了新的思路,具有一定的理论意义。
【学位单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P642.25
【部分图文】：

成都理工大学博士学位论文文献、资料收集与整理岩溶塌陷研究现状科学问题：水气相互驱动下的盖层变形演化及塌陷机理覆盖型岩溶区水气相互驱动盖层变形演化及塌陷机理研究地 质结 构模 型构建盖 层 结 构 特 征盖 层 与 地 下 水 的 关 系盖层下伏溶洞发育特征岩 溶 塌 陷 模 式岩溶塌陷盖层地质结构模型种类构建依据单层透水型 单层阻水型 双层上阻下透型双层上透下阻型塌陷临顶盖盖真包排临地地

图 2-6 广州各岩溶矿区岩溶率随深度变化曲线（据广东省地质局）图 2-7 桂林市区地表和地下溶洞分布随高程变化曲线（据广西水文队）向上开口的岩溶洞隙，是接受塌陷物质的门户和窗口，没有具备开口的岩洞隙，上覆盖层一般不会塌陷。大量的数据表明，岩溶洞隙与塌陷在垂向上有好的对应关系，大的溶洞往往导致规模大的塌陷坑，小的岩溶洞隙形成较小规的塌陷，条状、线状溶蚀洞隙将导致线状的地表塌陷。此外，从区域上讲，岩化程度越高的区域其塌陷规模和数量都较大。我国南方 10 省的塌陷统计数据明，逾 66%的岩溶塌陷发生在岩溶发育强烈，岩溶化程度高的地区，而岩溶弱育区的塌陷个数少，约占总数的 3.7%（康彦仁，1992）。对岩溶区盖层下伏岩溶发育特征的概化，即可大致掌握其地下岩溶化空间发育形态特征。按岩溶化横向和垂向的空间分布特征大致可归纳为 4 种类型，别为单层溶洞型、横向多层溶隙型、竖向单一溶隙型、均布空隙型和网状溶隙型40

成都理工大学博士学位论文水体补给等条件下导致溶洞地下水位上升后，由于盖层的相对封闭性，溶洞地下水位上方的气体被压缩而无法及时与外界大气连通时，洞内气压大于外界大气压强，所产生的正压将对盖层作用垂直向上的致塌力，当大于盖层的抗塌力时，出现塌陷（图 3-2c）。
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本文编号：2890547