长江经济带岩溶塌陷分布、成因及其对工程建设的影响

[研究目的]岩溶塌陷是长江经济带主要环境地质问题之一,开展长江经济带岩溶塌陷分布、成因及其对工程建设的影响研究,对长江经济带立体综合交通走廊建设和新型城镇化建设地质环境安全保障具有重要意义。[研究方法]本文系统梳理了长江经济带岩溶塌陷研究成果,从岩溶环境特征、岩溶塌陷的成因类型和机制、发育及分布规律、对工程建设的影响及防控措施几个方面进行论述。[研究结果]研究结果表明,长江经济带岩溶塌陷易发区面积约25.4万km^(2),有记录的岩溶塌陷灾害2146处,矿山疏干排水、抽水、工程施工等是这一地区岩溶塌陷的主要诱发因素。长江经济带岩溶塌陷具有以下发育分布规律:一是具有区域性和地带性的分布特征;二是发育地层一般为均匀状纯碳酸盐岩,沿断裂破碎带、褶皱轴部裂隙发育带、可溶岩与非可溶岩接触地带等岩溶洞隙密集发育带分布;三是多发生在岩溶地下水强径流带、河流两岸等地下水位变化幅度大、水动力条件易发生急剧变化的地段;四是多发生在人类工程活动强烈的地区,塌陷的规模取决于人类活动的性质和强度。为了降低岩溶塌陷对工程建设和安全运营影响,本文同时提出了相关建议和对策。[结论]长江经济带岩溶塌陷分布广、危害大,高易发区内线性工程、重要城市群等规划建设应对这一环境地质问题引起重视,该研究成果可为长江经济带国土空间规划、地质灾害防治提供基础支撑和理论依据。

广西来宾市良江镇吉利村岩溶塌陷成因机制分析

2010年6月,一场极端暴雨事件过后,广西来宾市良江镇吉利村发生大规模岩溶塌陷,一个月内陆续产生了17处塌陷坑,其中3个塌陷坑逐渐扩大发展,最终形成一长约170m,深约38m的大塌陷坑,被称为"广西第一塌"。此次塌陷事件影响面积约1 500m^2,导致70户298人搬离家园。为了弄清吉利村岩溶塌陷的成因机制,在塌陷发生地区开展了地面调查、三维激光扫描、地球物理勘探、水文地质工程地质钻探、岩溶塌陷动力条件监测、降雨量监测等多项工作。分析结果表明:吉利岩溶塌陷为自然塌陷,是多种不良因素共同作用的结果,这些因素包括特殊的"水-土-岩"组合和极端暴雨,其中极端暴雨引起的地下水气压力的急剧变化是其主要动力因素;特殊的地质条件,决定了该区岩溶塌陷发生的特殊性,分析其形成过程,认为主要受气爆效应、水击效应和渗流潜蚀效应的综合作用。

线性工程岩溶塌陷危险性评价研究

近年来,越来越多的高等级公路、铁路、石油管线等线性工程穿越岩溶发育区,岩溶塌陷已成为这些线性工程建设面临的主要隐患之一。目前,线性工程项目前期都会进行全线地质灾害危险性评价工作,但大部分是定性的,也没有专门针对岩溶塌陷的评价,因此本文从岩溶塌陷的影响因素出发,结合线性工程的各个阶段,从点、线、面三个层次提出线性工程岩溶塌陷危险性评价的方法和指标,并列举了实例,为今后穿越岩溶区的线性工程提供借鉴。面上和线上评价充分利用GIS技术和层次分析法进行。前者适合于地质资料不详细的可行性研究阶段,评价区为线路两侧1km的区域,评价因子有岩溶发育程度、地质构造发育程度、地貌类型、岩溶塌陷、地下河、垂直型岩溶形态、岩溶泉和开采井分布。后者适合于地质资料较详细的初步设计阶段,评价区为线路两侧15m的范围,以基岩岩性、线岩溶率、土层厚度、土层性质、地下水位和地下水位与基岩面的关系作为评价因子。点上评价适合于重点地段,采用岩溶塌陷动力条件与土层抗塌性能相结合的综合分析方法,以反映地下水动力特征的临界坡降、临界速度和临界水位这3个指标作为评价因子。

极端气候与岩溶塌陷

近年来,极端气候事件特别是极端干旱和强降雨事件呈现不断增多增强的趋势,已成为岩溶区诱发大型岩溶塌陷的重要因素。通过对典型极端气候事件诱发岩溶塌陷的分析,岩溶塌陷动力条件对极端气候响应迅速,极端气候导致地表径流灌入式补给岩溶含水层,使下伏地下河系统径流速度、水气压力发生急剧变化,进而导致溶洞及充填物发生突发性失稳破坏,产生水击(气爆)、地震等效应,最后导致溶洞顶板发生大规模垮塌、地面塌陷产生。

公路工程岩溶环境一、二级区划

本文从岩溶地区公路工程建设的需要出发,开展公路工程岩溶环境区划工作,以便在岩溶地区的公路规划与设计过程中能够充分考虑岩溶地质环境、自然环境以及可能遭受的岩溶环境地质等问题的影响,弥补现行公路自然区划的不足,进而更好地为公路工程规划、选线、设计、施工和养护提供服务。一级区划以对公路工程所处岩溶环境具有控制作用的气候和大地构造因素为主要依据,将我国公路工程岩溶环境划分为华南热带亚热带季风气候湿润-半湿润岩溶环境区、华北温带季风气候亚干旱岩溶环境区、东北中-寒温带季风气候亚干旱-亚湿润岩溶环境区、西北中温带大陆气候干旱岩溶环境区和青藏高原高寒带山地气候干旱岩溶环境区5个区,二级区划在一级区划的基础上以地形地貌、可溶岩分布以及岩溶环境地质问题为依据划分为秦岭-大巴山中山山地区、广西盆地峰林平原区等26个区。

GIS在高速公路岩溶路基病害研究中的应用——以水任-南宁高速公路为例

随着人口的增长、经济的发展,一些新高速公路的建设不可避免地经过岩溶发育地区,水任-南宁高速公路No.4合同段大约有10km穿过岩溶极为发育的岩溶谷地,下伏著名的地苏地下河系,对路基的稳定性造成巨大威胁。本文以该路段为例,从多源空间数据的管理、数据可视化、动态分段、数据查询、空间分析和专题地图制作等方面介绍GIS在高速公路岩溶路基病害研究中的应用。

岩溶地面塌陷监测技术与方法

重点阐述地质雷达和岩溶管道裂隙中的水(气)压力传感器自动监测两种监测技术的原理及在岩溶塌陷监测中的应用,对光导纤维监测技术的原理及其在岩溶塌陷监测、预报的应用前景进行了展望。同时分析、说明了三种塌陷监测方法的优缺点和适用条件:地质雷达监测费用昂贵,适用于短距离、小范围监测;光纤监测法适用于各种线状工程监测;岩溶管道裂隙中的水(气)压力传感器自动监测法则适用于由地下水触发的塌陷的监测。

岩溶水作用下填石路基稳定性模型试验研究

以广西水南高速为工程依托点,通过大型岩溶塌陷物理模型试验室,针对岩溶区填石路基中不同岩溶形态的处置方式,模拟研究岩溶水对填石路基的稳定性问题。试验中,重点研究了四种结构:填石级配型、(片石+级配碎石+土工布+填石)型、反滤层型、(土+填石)型,它们分别对应岩溶水对填石路基侵蚀问题及填石路基的稳定性问题,漏斗、落水洞的处理及土工布防止细粒土流失引起路基变形问题,溶洞填充物的流失问题,岩溶水对粘土路基潜蚀问题及石牙地基的处理。试验结果表明,地下水位变化的瞬时速度对填石路基的稳定性具有重要意义,不同的处置方法在抵抗地下水冲刷方面有显著区别。

重庆中梁山地区隧道工程影响下岩溶塌陷形成演化模式及防治对策

重庆市中梁山是重庆市东西向交通通道的天然屏障,严重阻碍城区经济发展,隧道可快速穿越褶皱山区,但隧道工程施工常常诱发严重的岩溶塌陷、地下含水层破坏、地表水疏干等地质灾害,威胁隧道安全施工与当地生态地质环境。越岭隧道施工对区域地下水位疏干的不同阶段,其诱发岩溶塌陷的主控因素发生改变,据此,可将岩溶塌陷发生过程分为两个阶段、两种类型:疏干初期突涌型岩溶塌陷和疏干后期降雨型岩溶塌陷。其中,疏干初期突涌型岩溶塌陷的主控因素为真空吸蚀效应;疏干后期降雨型岩溶塌陷的主控因素为岩溶管道裂隙内水气压力突变。

基于灰色Verhulst模型的岩溶塌陷定量预报预测方法

在总结分析现有岩溶塌陷预报预测方法的基础上,从灰色系统理论出发,选取带有时间因子的地下水动力条件因素为已知信息,应用灰色Verhulst模型对桂林柘木村岩溶塌陷的发生时间进行了预报预测验证。验证结果显示,预测时间和实际塌陷时间基本吻合。柘木村3月份岩溶塌陷的预测时间为2000年3月17日,实际塌陷时间为2000年3月20日,预测值比实际值提前3天,准确率为90%;8月份岩溶塌陷的预测时间为2000年8月14日,实际塌陷时间为2000年8月14日,准确率为100%。另外,作者对预报产生误差的可能原因进行了分析,以便能改进模型,进一步提高预测精度。

岩溶(土洞)塌陷TDR监测试验研究

结合土洞的分布和形成演化的特点,采用具有分布式特点的同轴电缆时域反射(TDR)技术开展岩溶土洞监测研究。通过室内同轴电缆的抗拉、胶结同轴电缆的抗折等试验,以及在建高速公路上铺设方法的对比,得到以下结论:TDR用于野外岩溶土洞发育区的监测是可行的,但要求同轴电缆的拉断荷载低于200N,水泥砂浆的配比在1∶3～1∶4之间,且梁式胶结同轴电缆铺设方法较好。

覆盖型岩溶平原区岩溶塌陷脆弱性和开发岩溶地下水安全性评价——以广西黎塘镇为例

黎塘研究区塌陷脆弱性较高,为科学地开发该区的岩溶地下水,以满足工农业生产、生活需要,本文针对黎塘镇塌陷的主控触发因素为岩溶地下水动态变化这一特点,采用现场实时监测岩溶地下水动态变化特征和室内塌陷模拟试验相结合的方法,将监测结果与当地塌陷的临界条件进行对比来确定开发岩溶地下水的安全性。结果表明,在当前开采条件下,塌陷脆弱性分区与稳定分区并非完全重合:部分高脆弱和较高脆弱区,在目前开采条件下仍处于稳定状态,部分低脆弱区则处于危险状态,并为研究区十多年来塌陷的发育、分布特征所支持印证。据此认为,在塌陷脆弱性较高的地区未必就需要绝对禁止对岩溶地下水的开发,地下水的开发应以不增加当地塌陷的频率、加剧当地岩溶塌陷的危害为前提。

广州市典型岩溶塌陷区岩溶发育及影响因素

通过对广州市内的夏茅、金沙洲和大坦沙3个典型重大岩溶塌陷区进行调查,结合现场情况和地质背景资料,采用统计分析和对比分析等方法,深入探讨3个地区的岩溶塌陷基本特征、岩溶发育情况以及影响岩溶发育的主控因素。结果表明:1)金沙洲塌陷区的直接经济损失最高,大坦沙塌陷区受影响人数最多,而夏茅塌陷区受影响程度则相对较小;2)覆盖型灰岩是引起3处塌陷的主要物质基础,各地岩溶在纵向上的规律及溶洞的发育各具特点,其中夏茅塌陷区岩溶发育程度为强发育,其余两地为中等―强发育;3)3个地区地质断裂普遍发育,断裂构造控制着岩溶发育的方向,断裂切割使岩石破碎,增加地下水与可溶岩的接触面积,同时地下水的作用是岩溶发育的主导因素,影响着岩溶发育的规模和大小,在水动力条件较好的地段,岩溶相对发育。

岩溶矿床疏干区地下水位恢复对岩溶塌陷作用机制的研究——以湖南宁乡大成桥为例

截止2016年底,大成桥疏干区在地下水位恢复过程中共发生了17起岩溶塌陷,文章结合地下水动态监测、水文地质钻探成果以及现场调查资料等,研究地下水恢复特征及其对岩溶塌陷的作用机制,为研究区塌陷的预警防治提供科学依据。结果表明:研究区岩溶塌陷集中在河流两岸阶地和麻枣冲沟中;岩溶塌陷发生顺序为先补给区后径流区,与地下水恢复动态过程密切相关;区内地下水恢复过程可分为4个阶段,不同阶段岩溶塌陷机理可分为渗流潜蚀-气爆效应,负压吸蚀效应,软化增荷-挤压-吸蚀效应和软化-崩解效应等4种力学效应组合,不同力学效应作用下的致塌模式有所不同。其中地下水位在基岩面附近4~5 m范围波动更容易引发岩溶塌陷。目前补给区地下水位标高63.95~71.8m,高于基岩面5~6m;径流区为42.8~57.7m,位于基岩面以下4~17m,因此须密切观测研究区地下水位变化。

广佛肇地区岩溶塌陷易发性分析

广州、佛山和肇庆市(广佛肇地区)作为经济发达地区,岩溶塌陷时有发生,给当地人民群众和经济发展带来较大威胁。依托区域地质调查成果,根据岩溶地质条件情况,选择岩溶塌陷分布特征、岩溶发育条件、覆盖层特征、地质构造、水文地质条件和土地利用类型6个因素,系统研究各个因素对岩溶塌陷形成的作用和各个因素之间的权重关系。在此基础上,运用地理信息系统技术和多元统计方法(层次分析法),建立岩溶塌陷发育的多因素判别模型,进而对广佛肇地区划分出高、中等和低易发区域,并根据岩溶塌陷易发区划,编制广佛肇地区重大基础设施岩溶塌陷易发区划应用图集,统计出重大基础设施所在易发区范围。

岩溶区线性工程影响下的地下水监测及数值模拟研究——以广州市金沙洲为例

以广州市金沙洲地区的水文地质条件及地下水位监测结果为基础,应用地下水数值模拟FEFLOW软件建立了金沙洲地区的地下水系统的数值计算模拟模型。模拟结果表明:(1)高铁金沙洲隧道施工降水是引起金沙洲地下水流场变化的主要原因,高铁隧道施工大量抽排地下水时,地下水位变化形成以抽水点为中心的降落漏斗;(2)随着抽水量的加大,形成水位下降漏斗及地下水强径流排泄带,加速地下水对泥沙的搬运动力,增大对岩土体结构的冲刷作用,使与岩溶管道连通的土洞及覆盖层稳定性受到破坏,从而导致地面塌陷的发生;(3)随着地下水水位的下降,金沙洲一带的软弱淤泥土容易出现排水固结沉降和失托沉降,从而产生地面沉降灾害。

黏土抗渗强度试验研究——以桂林铁山工业园工程场地红黏土为例

土的渗透变形是很多地质灾害及岩土工程事故的主要原因之一,但目前黏土的渗透破坏临界条件研究较少。从微观角度分析了黏土在外界驱动水压作用下的渗透破坏过程,以抗渗强度作为黏土渗透破坏临界条件参数。为获取此参数,设计了模拟外界驱动水压作用下,黏土渗透破坏过程的抗渗强度试验装置及方法。选取广西桂林红黏土层底部原状样,测试了32组不同厚度试样,并得出各试样抗渗强度。依据试验结果,分析了抗渗强度受渗透方式和尺寸效应的影响,并采用Arc Gis软件统计分析试样抗渗强度的差异性。最终选择15组实际渗透厚度2.5 cm试样的试验结果平均值40.8 k Pa,为工程场地黏土抗渗强度值。通过比较抗渗强度值与钻孔实际监测渗透水压,评价工程场地内黏土渗透破坏形成土洞塌陷的可能性。评价结果表明,目前工程场地内黏土渗透驱动水压低于抗渗强度,不具备形成土洞的条件。经实地勘察,评价结果符合现场实际情况。

《Monitoring and Early Warning Technologies on Karst Lands》一书将出版发行

近日,中国地质调查局岩溶地质研究所蒋小珍研究员团队编著的《Monitoring and Early Warning Technologies on Karst Lands:Surface Collapse and Groundwater Contamination》由德国Springer公司作为“Advances in Karst Science”系列丛书将正式出版发行。

基于AHP和GIS技术的湖南怀化地区岩溶塌陷易发性评价

湖南省怀化市为新兴区域交通枢纽城市,在近年来的大量工程活动影响下,城区发生多起岩溶塌陷灾害,对当地人民群众生命财产安全和城市发展造成较大威胁。依托岩溶塌陷专项地质调查成果,选择岩溶发育程度、到断层的距离、土层结构、土层厚度、岩溶水位波动幅度、岩溶水位与基岩面关系、地下水开采强度、岩溶塌陷密度8个因素作为评价因子,运用层次分析法建立岩溶塌陷易发性多因素判别模型,并系统研究各因素对岩溶塌陷形成的影响作用,确定各因素权重赋值。在此基础上,运用地理信息系统(GIS)技术,对怀化地区进行岩溶塌陷易发性评价,结果显示:怀化地区岩溶塌陷高、中易发区面积分别为107.48km^(2)、157.13km^(2),分别占易发区总面积的34.7%、50.7%;区内穿越岩溶塌陷高易发区、中易发区的各类交通线路长度分别为16.4km、88.9km,占穿越易发区总线路长度的12.9%和69.9%,受岩溶塌陷地质灾害威胁较大。

湖南怀化盆地岩溶发育特征与分布规律

怀化盆地位于沅麻盆地和雪峰山冲断带2个构造单元接触带上,区内地质构造条件复杂,岩溶强烈发育。文章以区内碳酸盐岩为研究对象,通过资料收集、野外调查、钻探以及测试等工作手段分析空间上的地层、岩性组合特征,从岩溶形态、地层与岩性、构造条件、侵蚀基准面、地貌与水动力条件、可溶岩与非可溶岩接触带六个方面,系统总结怀化盆地岩溶发育特征。结果发现:研究区以覆盖型岩溶区为主,区内各类岩溶形态发育;区内自高向低存在三个溶蚀最发育段,其标高分别为500~600 m、210~270 m以及190~210 m,分别受历史侵蚀基准面、泸阳-怀化-中方谷地局部侵蚀基准面与舞水河侵蚀基准面控制;区内各地层钻孔遇洞率一般为57.1%~61.5%,最高为87.5%;谷地内各地层岩溶发育强度依次为厚层灰岩>白云岩>红层灰砾岩>薄层灰岩,但受地貌、水动力条件影响,溶蚀构造峰脊洼区的白云岩岩溶发育明显较谷地内更为强烈;舞水河沿岸、断层带附近、可溶岩与非可溶岩接触带以及山前冲洪积区等地下水交替循环强烈的地带,岩溶发育相对更为剧烈;区内岩溶强发育区主要分布于泸阳-城东新区、白沙-菜门溪一带。