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。

基于AHP和ArcGIS技术的岩溶塌陷风险评价——以遵义永乐镇为例

对遵义永乐镇岩溶塌陷区域风险因素进行了识别和确定,选取岩溶条件、覆盖层条件、构造条件、地下水条件等4个准则层,共13个风险因子来建立层次结构模型。结合当地水文地质背景,运用层次分析法(AHP)计算出风险因子权重;确定各区域岩溶塌陷风险等级,借助ArcGIS技术对研究区进行岩溶塌陷风险评价。结果表明:塌陷极危险区呈北北西向、不规则条带状位于研究区中部;塌陷危险区和次危险区依次位于极危险区的两侧;最外侧的为次稳定区;最南边及东边局地为稳定区。该结果与近年来发生岩溶塌陷的地理位置和塌陷危害程度相吻合。

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。

湖南郴州地区岩溶塌陷分布规律及其影响因素浅析

通过地质环境调查,分析湖南郴州地区岩溶塌陷分布规律及其影响因素,结果表明:(1)1980-1983年为岩溶塌陷盛发期,平均8.5个·年^(-1);2012-2020年塌陷发生频率增加,平均5.88个/年;岩溶塌陷主要发生在3-7月份雨季;(2)低丘冲沟中发生塌陷54个,占塌陷总数的55.67%;岩溶平原中发生塌陷40个,占41.24%。97个岩溶塌陷主要发生在石炭系壶天群及泥盆系中统棋梓桥组下段地层;塌陷区域多为断裂构造带及褶皱轴部;(3)冲洪积成因土层共发生岩溶塌陷58个,占塌陷总数的59.79%,而残坡积成因土层发生塌陷39个,占40.21%。粉质黏土层发生塌陷数量多于黏土层,而粉质黏土与卵石土,粉质黏土、淤泥质黏土和砂土等组合土层分布面积较小,发生数量偏少。单层结构土体发生岩溶塌陷63个,占总数的64.94%;双层结构与多层结构土体发生塌陷数量占比35.06%。土层厚度小于10 m的区域发生岩溶塌陷48个,占总数的49.48%;土层厚度为10~15 m的区域发生塌陷49个,占总数的50.52%;(4)本地区浅部岩溶强发育,覆盖层薄且力学性能较弱,满足发生岩溶塌陷的基本条件;城市供水和采矿开采地下水是岩溶塌陷的主要触发因素。

湖南宁乡大成桥岩溶地下水对暴雨响应特征及多元回归预测模型

通过降雨、水位监测等方法,研究湖南宁乡大成桥岩溶地下水位动态及对暴雨的响应过程,探讨地下水内在联系特征并建立回归预测模型。结果表明:雨季地下水位对降雨响应程度高,水位变幅大,而枯季则相反;在暴雨条件下,接受快速管道流补给的地下水位动态响应为陡升—陡降,水位变幅在13.6~42.8 m;接受裂隙、孔隙水补给的地下水位动态表现为缓升—缓降,年变幅为1.1 m;雨季地下水位对暴雨响应的滞后时间为1.2~4 h,较相同条件下的水位响应滞后时间缩短了1/2~2/3,水位变幅增大1.7~4.7倍;枯季地下水位对暴雨响应的滞后时间为4.2~13.2 h,水位响应滞后时间延长了3~8 h,水位变幅缩减了5~11倍;包气带厚度和含水饱和度对水位动态起着决定作用,包气带厚度与水位响应滞后时间负相关,含水饱和度与水位变幅正相关;通过相关性分析、拟合优度检验、显著性检验和残差分析等,确定最优回归预测模型,模型检验结果与实际水位动态过程吻合度较高。

珠三角地区岩溶分布特征及发育规律

在综合分析区域构造、地层岩性与岩溶发育关系的基础上,结合钻探资料,系统总结出珠三角地区的岩溶分布特征和发育规律。结果表明:珠三角地区的岩溶分布可分为3个条带,形成发育分为3个阶段,分别受地质构造、古水文网和地下水控制。岩溶横向发育规律受地质构造和岩石化学性质综合控制,岩石化学性质为内在因素,起决定性作用,地质构造为地下水提供通道,起主导作用;区内强岩溶发育带集中分布在石炭系的壶天组和石磴子组中,国土空间规划布局和工程建设选址应重点评价。岩溶纵向发育分为4层,最深可达标高400 m以下,其中标高-35^-80 m为岩溶极强发育带,地下空间开发利用应尽量避让,而标高-35 m以上和-100 m以下岩溶发育较弱,在适当采取工程措施后,较适宜开发利用。

水泥搅拌法改良桂林红黏土力学性质试验研究

桂林地区分布的由碳酸盐系出露区的石灰岩经过红土化作用而成的高塑限的红黏土,孔隙比较大、含水量高,而其结构性强且存在上硬下软的成层分布特征,上部红黏土为坚硬-硬塑状态,承载力高,下部红黏土为软塑、流塑状态,为地基软弱下卧层,需进行处理。采用水泥搅拌法对桂林软弱红黏土无侧限抗压强度、抗剪强度、抗拉强度与水泥掺入比、龄期的关系等主要力学性质进行室内试验研究,得出外掺剂对无侧限抗压强度的影响以及无侧限抗压强度、抗拉强度与抗剪强度的关系。结果表明:运用水泥搅拌法对桂林地区软弱红黏土层主要力学性能的无侧限抗压强度与水泥掺入比、龄期之间以及含外掺剂和无外掺剂水泥红黏土无侧限抗压强度之间存在较好的相关性;黏聚力、抗拉强度随水泥掺入比、龄期增大而增大;无侧限抗压强度、抗拉强度与黏聚力存在相关性。

我国红层岩溶与红层岩溶塌陷刍议

中国岩溶地区面积广阔,岩溶地貌和现象类型多样。其中我国南方地区红层中出现的岩溶现象较为特殊:可溶岩类型复杂,成岩作用差,溶蚀机理多样,还易风化崩解。近年来红层岩溶塌陷多有发生,成为一个不可回避的问题。文章对我国红层岩溶与红层岩溶塌陷研究现状进行了系统梳理。红层岩溶主要存在于以可溶物质胶结的或含碳酸盐岩砾石的红色沉积岩为主的地区。红层岩溶的特点可以概括为:(1)可溶岩类型复杂,溶蚀机理多样;(2)成岩作用差,力学强度低,易风化崩解;(3)与地质构造密切相关。红层岩溶地区不但会出现覆盖型岩溶区的土层塌陷,而且由于其特殊的岩溶作用还可能出现基岩塌陷。根据红层岩溶地区地质结构,其塌陷模式可概化为红层上覆松散层塌陷、红层溶洞顶板垮塌以及红层整体垮塌三类。今后有必要从红层溶蚀特点和红层岩溶塌陷模式出发,开展红层溶蚀对岩溶塌陷作用机理的专项研究,为红层地区岩溶塌陷地质灾害的风险评估和防治处理提供科学依据和技术支撑。

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。

地面与孔中地质雷达方法联作在覆盖型岩溶塌陷隐患识别中的应用

利用地面雷达探测技术,结合工程地质钻探以及孔中雷达测井技术,形成地面与孔中互补的立体探测,识别出岩溶塌陷的早期隐患。研究表明,地面雷达探测可以定位浅地表的土洞、土层扰动区以及溶洞,可指导地质钻探工程布置和孔中取样位置选定,并能提供孕灾过程持续监测;工程地质钻探可以准确查明地层结构性状和验证地面雷达探测异常;孔中雷达探测可以弥补地面雷达探测深度浅和工程地质钻孔数量有限的不足,更大范围地提供深层地质信息。地面雷达与孔中雷达组合探测并结合覆盖型岩溶塌陷孕灾过程的研究,可在灾害隐患识别方面为土地规划利用和地质灾害防治等提供有力技术和理论支持。

桂林市喀斯特危岩体发育特征及稳定性分析

危岩体是由多组的结构面组合而形成,在地表风化作用、卸荷作用、重力、地震、降雨等诱发因素作用下处于不稳定、欠稳定或极限平衡状态的岩体。通过对桂林市15座山的326块危岩体发育情况进行实地调查、测绘,得到了几组重要数据,根据危岩体的结构特征和状态特征,将桂林市的危岩体类型分为临空型、倾倒型、贴坡型、孤石型4种基本类型,以白岩山3号危岩体为对象采用极限平衡法对该危岩体稳定性进行了定量验算,综合分析评价了桂林市危岩体的发育特征及稳定性。

钻孔雷达反射成像在岩溶发育场地探测中的应用

我国岩溶区分布广泛,且复杂的岩溶现象对建筑安全、地基稳定以及场地勘察有较大影响。钻孔雷达作为一种井中地球物理方法,可以利用地下介质的物性差异查明岩溶发育的情况,弥补常规勘察手段在探测岩溶发育场地中存在的不足。依据钻孔雷达单孔反射信号的同相轴特征、反射波首波走时和反射波的衰减等特征,可判断钻孔周边未揭露溶洞和裂隙的分布,确定钻探揭露溶洞的水平方向直径以及岩石完整性,从而达到查明各种岩溶形态的规模、空间密度及其分布规律的目的,为工民建各项工程建设的设计和施工提供准确详尽的地质资料,确保工程的稳定性。

初始含水率对活性MgO碳化红黏土特性的影响

针对红黏土不良物理力学特性造成的工程问题,采用活性MgO结合CO_(2)碳化加固技术对其进行改良。通过一系列土工试验探究不同初始含水率和碳化时间对试样物理力学特性的影响;结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)试验,揭示活性MgO碳化固化红黏土的微观结构变化。结果表明:改良后红黏土的质量和体积明显增加,显著改善了红黏土高含水量的不良特征,同时有效吸收CO_(2)气体(18%~42%);活性MgO碳化固化红黏土的强度能够在较短时间内得到提升,但强度的提升幅度受到初始含水率和碳化时间的影响,且无侧限抗压强度与CO_(2)吸收率保持良好的一致性。通过微观结构分析发现,碳酸镁石、球碳镁石和水菱镁石等水合碳酸镁产物是碳化固化红黏土物理特性变化及强度提升的主要原因。活性MgO碳化固化红黏土具有较好的优势,能够有效改善红黏土的物理力学性能。

有机质污染下红黏土物理力学特性变化规律分析

桂林地区分布的红黏土,具有高液塑限、高含水率和较高承载力等特点。通过有机质影响红黏土的作用机理进行分析,采用室内试验的手段和单因子的试验方法,改变有机质的掺量和含水率,来研究有机质红黏土的物理力学性质指标的变化规律。结果表明:随着有机质含量的增加,试样的液限、塑限、塑性指数呈现出一定的增长规律。随着有机质含量的增加,在一定范围内,试样的抗剪强度不断减少而压缩性不断的增加。随着含水率的增加,试样的抗剪强度不断减少而压缩性不断的增加。

红粘土地区有机质水泥土试验研究

水泥搅拌法因其良好的经济效应,被广泛地应用在地基处理方面。但由于人类的活动造成了大面积土地含有有机质,影响了水泥土桩的强度,对桂林某工地化粪池附近的桩体进行检测,因为该原因造成承载力不足就是很好的证明。通过室内试验,初步探讨了养护时间和养护环境对有机质水泥土强度的影响。试验研究表明:有机质水泥土强度会随着龄期而增长,前期增长速度快,而后期增长幅度则会减慢;有机质含量会影响压缩系数的大小;自然养护条件下有机质水泥土的抗剪强度和抗压强度比湿养和水养条件下的要高;试验中使用的外加剂可增加有机质水泥土的强度。

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。

重庆市龙泉村—庆丰山村岩溶塌陷分布规律与成因机制

文章以地质环境与隧道建设活动为基础,总结出重庆市沙坪坝区龙泉村—庆丰山村岩溶塌陷分布规律及发育特征:(1)岩溶塌陷集中分布于槽谷与横向冲沟交汇地带、槽谷中地势低洼地带以及地表溪沟附近;(2)岩溶塌陷形成演化呈现从地势低洼处往高处扩展、从隧道疏干区核心部位往边缘外围逐渐扩展的特征。研究区岩溶塌陷受隧道施工疏干排水及降雨影响控制,为隧道施工疏干后期降雨型岩溶塌陷。研究区岩溶塌陷的形成演化可分为三个阶段,其中前两个阶段为塌陷高峰期。不同阶段诱发岩溶塌陷的主控因素不同:第一、第三阶段主控因素为渗流潜蚀、增荷软化效应;第二阶段主控因素为渗流潜蚀及岩溶管道水气压力突变效应。

土洞型岩溶塌陷发育过程气体示踪试验研究——以广州金沙洲为例

运用气体示踪进行土洞型岩溶塌陷监测预警是一种比较新的技术方法,其原理是通过气体在不同形状、规模的土体孔隙、裂缝和土洞中的运移规律研究,分析气体特征值与土体变形破坏的关系,进而间接判断土洞的发育情况,实现岩溶塌陷监测预警。本文以广州市金沙洲岩溶塌陷区为例,通过室内物理模型试验再现了土洞发育、形成到地面塌陷的全过程。运用气体示踪技术,按照土洞形成、土洞发育、土洞堵塞、土洞扩大和土洞塌陷五个过程,研究气体浓度、气体聚集时间等参数指标与土洞不同发育阶段的关系。结果表明:(1)土洞型岩溶塌陷发育程度与示踪气体浓度存在对应关系,气体浓度升高反映了土体变形破坏的进一步发育;(2)土体变形破坏程度与示踪气体浓度总体呈正相关关系,距离地面塌陷点越近浓度越高;(3)土体变形破坏程度与示踪气体浓度达到峰值浓度时间存在对应关系,距离地面塌陷点越近,气体浓度达到峰值的时间越快。根据以上试验结果,运用气体示踪技术进行土洞型岩溶塌陷监测预警是可行的,后期应探索预警阈值并进行野外现场实际验证。

基于FLAC3D不同降雨速率下土洞致塌规律研究

针对桂林市临桂区岩溶塌陷易发区域,采用FLAC3D模拟不同降雨速率下的强降雨入渗过程,探究不同直径土洞在强降雨作用下的致塌规律,结果表明:(1)强降雨条件下,不同直径土洞最大位移均出现在洞顶部。降雨速率相同,洞顶竖向位移增长速率随土洞直径的增加呈整体加快的特点;加快降雨速率,竖向位移增长明显,竖向位移与土洞大小呈正相关。(2)相同降雨速率下,土洞直径增大会引起土洞底部剪切破坏区域进一步扩展。上覆土层在强降雨初期主要受到潜蚀作用,加快降雨速率,土洞底部水位剧烈波动对上覆土体产生的水击气爆成为主导作用,剪切破坏速率加快,洞趾剪切应变明显增加,当土洞直径达到3 m时,水位波动愈加剧烈,加速上覆土层破坏。(3)降雨速率的变化对土洞塑性区拓展范围具有不同程度的影响,较大直径的土洞在加快降雨速率时塑性区拓展范围明显扩大,即土洞大小、降雨速率对上覆土层稳定性具有较大的影响。研究结果为定量研究强降雨与上覆土层塌陷的关系提供了依据,对有效、合理地预警岩溶塌陷具有一定的意义。