Modified Method for Estimating Organic Carbon Density in Discontinuous Karst Soil Using Ground-Penetrating Radar and Geostatistics

The conventional method which assumes the soil distribution is continuous was unsuitable for estimating soil organic carbon density(SOCD) in Karst areas because of its discontinuous soil distribution. The accurate estimation of SOCD in Karst areas is essential for carbon sequestration assessment in China. In this study, a modified method,which considers the vertical proportion of soil area in the profile when calculating the SOCD, was developed to estimate the SOCD in a typical Karst peak-cluster depression area in southwest China. In the modified method, ground-penetrating radar(GPR) technology was used to detect the distribution and thickness of soil. The accuracy of the method was confirmed through comparison with the data obtained using a validation method, in which the soil thickness was measured by excavation. In comparison with the conventional method and average-soil-depth method,the SOCD estimated using the GPR method showed the minimum relative error with respect to that obtained using the validation method. At a regional scale, the average SOCDs at depths of 0-20 cm and 0-100 cm, which were interpolated by ordinary kriging,were 1.49(ranging from 0.03-5.65) and 2.26(0.09-11.60) kgm-2based on GPR method in our study area(covering 393.6 hm2), respectively. Therefore, the modified method can be applied on the accurate estimation of SOCD in discontinuous soil areas such as Karst regions.

基于LBM-DEM细观数值模拟的水力诱导覆盖型岩溶地面塌陷发育过程分析

文章以水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷为背景,基于离散元方法和格子Boltzmann方法,采用Bouzidi插值反弹边界格式和动量交换法,建立一种可以从细观角度模拟覆盖型岩溶塌陷的二维格子Boltzmann方法—离散元方法流固耦合模型。在此基础上对承压水下降引起的覆盖型岩溶塌陷数值模拟开展了探索性研究。模拟结果表明:承压水位下降工况中地下水主要对隔水层岩溶开口处的颗粒产生影响,对土洞周围土体产生向下的作用力;土体颗粒的剥落容易造成土颗粒原位置和上方位置处水压的陡降,从而造成较强的水力坡降,使得地下水对内部颗粒作用力陡增,容易引起上方颗粒在地下水作用力和重力作用下失稳,导致从土体颗粒失稳至土层塌陷逐渐加速。研究成果对进一步从细观尺度进行水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷的发育过程与特征研究具有理论及实际意义。

2019年湖南攸县7·15大型岩溶地面塌陷的发育分布规律及形成机理

2019年7月15日,湖南株洲市攸县樟井村发生大规模岩溶地面塌陷,严重威胁当地人民群众的生命和财产安全。为查明7·15大型岩溶地面塌陷的形成机理,通过地球物理勘探、水文地质工程地质钻探、地下水监测、水化学分析等多种手段对岩溶地面塌陷区开展了详细的调查研究,分析了该岩溶地面塌陷的发育规律及致灾因素。结果表明:7·15大型岩溶地面塌陷是由降雨主导,在地表覆盖层软化减强、岩溶气爆和渗流潜蚀效应等多种不良因素共同作用诱发的自然塌陷;地面塌陷位于断层、褶皱等构造密集发育的可溶性碳酸盐岩区域,区内岩溶强烈,广泛发育的溶洞、落水洞、泉、地下暗河等岩溶形迹为地面塌陷的形成提供了条件;7·15大型岩溶地面塌陷的形成演化可分为降雨诱发的地表覆盖层土体软化减强和封盖增荷、降雨导致地下水水位上升引发的岩溶气爆、地下水渗流潜蚀加速顶板垮塌形成土洞、土洞扩大及顶板失稳4个阶段。该研究结果可为类似地质条件地区的岩溶地面塌陷预测预报与防治提供科学依据。

湖南省界牌岭矿区矿坑充水途径研究

湖南省界牌岭矿区在深部多金属矿探采结合施工时,出现了矿坑涌水量大和西南部塔下村余家组发生了大量岩溶地面塌陷等问题。尽管以往开展过矿区水文地质勘查工作,但对水文地质条件尤其是威胁矿山安全生产及对周边地质环境造成破坏的矿坑潜在充水水源和充水通道了解得不够清楚。文章系统整理分析了矿区前期各阶段水文地质资料,结合地面调查、物探、钻探、抽水试验等常规方法,对界牌岭矿区水文地质条件进行了研究,并重点分析了矿坑充水途径。结果显示:(1)研究区西南部新发现NE向断层F_(303)。(2)矿坑主要充水途径有2条:①矿区西部F_(201)至F_(32)段隔水层测水组缺失,壶天群、梓门桥组与石蹬子组直接接触,同时受F_(201)、F_(303)、F_(32)的影响,构成矿坑最主要的充水途径;②矿区西北部沿花岗斑岩岩体与围岩接触带富水性较好,围岩接触带构成矿坑充水途径;主要充水水源为西部壶天群地下水和田尾溪水。建议在F_(1)的西侧梓门桥组、壶天群范围内利用下部隔水层测水组对梓门桥组、壶天群内的充水途径进行帷幕注浆,阻隔矿区与河水、壶天群的地下水水力联系。研究结果可为矿山下一步防治水工作的实施提供参考依据。

岩溶地面塌陷成因及演化规律分析

为系统厘清岩溶地面塌陷成因及演化机制,笔者详细了解了岩溶地面塌陷的研究现状及发展趋势,总结了近年来国内外学者对岩溶地面塌陷成因及机制的研究成果,并对此进行了整理及分析。研究发现,岩溶地面塌陷有3个必要基础条件:(1)必须有发育的岩溶,地层存在可溶性岩石,特别是碳酸盐类岩石,在含有CO_(2)的流水溶蚀的影响下,加以沉积作用产生洞隙,形成发育的岩溶;(2)上覆较薄的松散岩土层,越薄的松散土层越容易发生塌陷,反之则越不易发生;(3)最重要的是地下水动力条件,在上述两个条件基础上,还需要有地下丰富的水流活动,对地层结构进行潜蚀及剥蚀。岩溶地面塌陷成因及演化机制因不同诱因、不同地质结构条件而有差别。该研究可为岩溶地区的工程建设和地质灾害防治提供理论依据和技术支撑。

塔北地区多期走滑断裂地球物理响应特征及精细识别

通过对野外地质露头考察、无人机扫描、探地雷达探测、岩心观察、成像测井资料综合分析,建立塔北地区走滑断裂地质模式。根据塔北地区不同地层特点,分析多期走滑断裂与不同时期地层组合关系。针对不同的地层岩相背景下的走滑断裂特征,分析对应的地球物理响应特征,为小断距、小位移的走滑断裂识别提供依据。结果表明:加里东中晚期,在挤压应力作用下区域走滑断裂形成,发育X型共轭断裂和单剪切断裂,其中NNE向走滑断裂为左旋,NNW向走滑断裂为右旋;由于挤压应力差异分布,沿主干断裂方向寒武系膏盐岩滑脱面形成线性压扭隆起和平移错断的特点,结合膏盐岩层强地震反射特征,主干断裂可识别性强;中上奥陶统走滑断裂走向与古地貌趋势具有一致性;由于北部表层岩溶暴露期长,研究区形成大量的残丘、暗河、古水系,破坏了浅层断裂特征,而南部斜坡区暴露时间短,岩溶缝洞体主要沿断裂发育,断控岩溶缝洞体与基岩波阻抗存在较大差异,增强了断裂的可识别特征;海西期NNW方向、喜山期NNE方向发育单剪切走滑断裂,主要沿加里东中期断裂继承性发育,碎屑岩地层不整合面断距特征明显,平面上表现为雁列特征,剖面可见负花状构造。

基于HSP⁃GPR法的隧道三维超前地质预报技术及应用

隧道施工中,岩溶致灾构造容易引发岩溶涌突水、坍方、地表塌陷等地质灾害,严重威胁隧道施工安全。因此,进行超前地质预报对确保岩溶区域隧道施工安全至关重要。从岩溶隧道施工地质灾害、致灾构造及致灾模式为出发点,基于地震波法与电法联合探测技术进行岩溶隧道超前预报研究,并将其应用于某新建铁路隧道。研究结果表明,地震反射法(HSP)与电磁波反射法(GPR)可互为补充,相互验证。地震联合反演在电阻率反演的帮助下能有效还原溶洞的大致形态与位置,同时低速界面内部波速形态更加均匀。对HSP探测结果中存在异常的里程范围,GPR法可用于进一步确定异常的规模和性质。通过对比验证和综合分析地下介质中多种物探参数(速度、介电/电阻率)的差异性,可获取隧道前方不良地质体的详细规模和可靠性质,从而识别和预测岩溶致灾构造和致灾模式。基于HSP-GPR联合探测技术的岩溶隧道超前预报研究为制定防治措施和建立监测系统提供了重要的支持和指导,可为类似岩溶隧道工程提供参考。

基于探地雷达属性分析的隧道内溶洞三维可视化研究

针对探地雷达法隧道内溶洞探测过程中存在位置标定模糊和形状确定困难等问题,提出了一种新的三维可视化方法。首先利用F-K偏移成像技术处理每条测线上的探地雷达数据,并根据坐标信息合成三维数据体,增强不同测线间的横向联系。然后通过属性分析提高探地雷达视图效果和有效反射数据的对比度,进而利用K-Means聚类方法提取溶洞反射数据的可视化振幅阈值参数。最后利用三维属性体和等值面提取技术实现隧道溶洞探地雷达三维可视化。模型试验和现场案例分析结果验证了本文方法的有效性,应用结果表明最大谱振幅属性不仅能够提高探地雷达视图效果,还能增强探地雷达数据体中有效反射数据的区分度,是本文方法较佳的输入属性。研究成果在一定程度上解决了探地雷达传统三维可视化方法振幅阈值设置时过度依赖解译人员经验问题,该方法适用于沉积岩层等层状介质解释。

某高铁隧道岩溶水文地质特征及施工病害分析

研究目的:贵南高铁朝阳隧道穿过区域性的水利背斜构造,可溶岩分布于背斜两翼,洞身位于岩溶水水平循环带。隧道施工过程中,可溶岩段发生较大规模的涌水涌泥现象,并伴随出现泉水漏失、地面塌陷等环境地质问题。隧道掘进的风险评估、岩溶水及泥砂的引排工程设计、环境保护设计,都需要在分析涌水涌泥、泉水漏失及地面塌陷的相关性的基础上进行岩溶水文地质条件综合评价。研究结论:(1)隧道内的涌水涌泥均发生于岩溶水主通道附近,涌水涌泥规模与降雨量密切相关;(2)隧道施工排水完全截断了隧道进口端立新水库和出口端鱼胆水库的补给水源,造成水库干涸;(3)隧道施工排水部分截断了进口端鱼村大泉补给水源,造成泉水减流;(4)岩溶地面塌陷发生于隧道涌水水源补给区(洞丢村)岩溶谷地内,洞身开挖排水降低地下水位导致地面塌陷集中产生;(5)本研究成果对岩溶发育区隧道工程勘察具有指导意义。

下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法研究

为探究下伏空洞桥梁群桩桩端岩层的承载机制和破坏模式,进行了单桩及不同桩数群桩的室内模型试验研究,得到了不同桩数群桩桩端岩层的极限承载力和破坏模式。根据下伏空洞桥梁群桩桩端岩层破坏模式的特点将破坏面分为两个部分,结合极限分析法提出了下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法,理论计算值与室内试验值吻合良好,验证了计算方法的合理性。同时分析了桩端岩层极限承载力随桩数增加的变化规律,可为岩溶区桥梁桩基工程建设提供参考。试验及理论计算结果表明:(1)下伏空洞群桩桩端岩层发生整体冲切破坏时,破坏体整体可视为与单桩破坏体等效的大型墩基;(2)当桩间距较小时,群桩桩端岩层极限承载力随外围基桩外包络线长度增大而增加,当外包络线长度相同时,内部基桩布置方式对群桩桩端岩层极限承载力无影响;(3)群桩效应系数随桩间距的增大而增加,临界桩间距为5d~6d(d为桩径)。

基于微动和探地雷达的城市轨道交通岩溶探测研究

贵阳属于典型的喀斯特地貌,受城市地形条件和电磁干扰,导致深层的岩溶区域探测手段受限,使轨道交通建设面临透水等严重风险。针对贵阳地铁3号线面临的复杂岩溶环境的问题,提出了微动与探地雷达(GPR)相结合的岩溶综合物探方法。在道路表面采用微动法实现40 m以内的大探深检测,通过改变台阵形式、调整检波器间距、避开管线位置等方法避开地表面管线干扰,实现岩溶状态的大范围判断。在隧道开挖掌子面采用100 MHz屏蔽GPR天线进行复核探测,实现岩溶区域的精确定位。在贵阳轨道交通3号线开展了微动与GPR融合的岩溶排查实验,并通过超前水平钻探对判断的岩溶区域进行了取芯验证。实验结果表明,岩溶区域与围岩密实区域波速差异较大,微动方法可以有效实现大探深范围内的岩溶探测,适合城市道路内部岩溶区大探深判断;电磁波在岩溶区域存在强反射、低频特征,在GPR图谱中特征明显,微动与GPR联合可实现岩溶区域的精确定位。超前水平钻探开挖结果验证了所提方法的正确性,避免城市轨道的透水事故。微动和GPR联合的探测方法为城市轨道交通建设大探深病害探测提供了可靠的无损检测方法,保证市政施工的安全性。

地下水位线倾斜的地面塌陷演化过程试验研究

为探究地下水位线倾斜情况下岩溶地面塌陷的演化过程,设计一种模拟地下水位倾斜致塌的试验装置。首先,以砂土为试验材料,考虑地下水位线倾斜角度及岩溶水位高度变化等因素,开展室内物理模型试验。其次,通过监测试验过程中孔隙水压力、竖向土压力、地表沉降量及岩溶通道渗流总量等数据,测绘塌陷体的空间形态,分析地面塌陷的演化过程。试验结果表明:距离岩溶通道孔口越近,土中的孔隙水压力降幅及水力梯度越大,加速了孔口附近土体的变形和破坏。岩溶水位下降会在土体内部形成降落漏斗,引起地下水渗流量的非线性增长。以临界土洞为界,岩溶地面塌陷可分为内部塌陷和地表塌陷2个阶段。随着地下水位线倾角的增大,岩溶通道的渗流强度减弱,土体内部偏压特征逐渐显著,且偏压条件会增强对土拱效应的削弱作用。塌陷体中心线向高水位侧的偏斜角度与地下水位线倾角呈正相关,其空间形态由漏斗状转为牛角状。最后,参考渗水条件下深埋隧道松动土压力的计算方法,对渗流作用下岩溶土洞顶部松动土压力进行求解,所得结果与实际试验数值较为吻合,具有一定的合理性和参考意义。

基于层次分析法的地面区域治理目的层位优化选择

鉴于两淮煤田太原组地层灰岩多达10~13层,地面区域治理的目的层位具有不惟一性,以潘二煤矿西四采区18413工作面为例,对目的层位的优化选择问题进行研究。突水系数要求是目的层位优化选择的前提,决定了目的层位的选择范围,以C_(3)^(6)灰岩为目的层位,经计算得出其突水系数小于临界值,因此,推断C_(3)^(6)~C_(3)^(12)灰岩为潜在的目的层位。水动力条件、含水层水力联系、导水构造、灰岩间距、灰岩厚度、地层可注性等影响因素是目的层位优化选择的关键指标,而单因素分析确定的目的层位之间具有不相容性,难以实现目的层位的优化选择,因此,采用层次分析法进行目的层位的优化选择。以地面区域治理目的层位的优化选择为目标层,水动力条件、含水层水力联系、导水构造、灰岩间距、灰岩厚度、地层可注性为准则层,太原组C_(3)^(6)、C_(3)^(7)、C_(3)^(8)、C_(3)^(9)、C_(3)^(10)、C_(3)^(11)、C_(3)^(12)灰岩为方案层,建立层次分析模型;构造目标层与准则层、准则层与方案层的判断矩阵,并计算准则层各指标的权重及方案层各方案的单因素分值,经检验一致性比例CR值均小于0.10,判断矩阵一致性较好,满足一致性检验;通过层次总排序计算得到各方案的总分值分别为0.177、0.169、0.170、0.214、0.103、0.114、0.053,其中C_(3)^(9)灰岩总分值最大,表明地面区域治理最优目的层位为C_(3)^(9)灰岩。将层次分析法应用于地面区域治理目的层位优化选择的研究,将定性问题转化为定量问题,实现了目的层位的多因素定量化优化选择,为目的层位的优化选择提供了新方法。

基于扎根理论的溶洞处理方案影响因素分析

对岩溶区桩基施工过程中溶洞处理存在的阻碍进行深入分析,在提高方案决策的可靠性,降低处理方案的实施风险方面有着重要的意义。基于扎根理论研究方法对相关文献及访谈记录进行编码,得出溶洞处理方案成本因素、溶洞处理施工工况因素、现场管理因素和施工人员因素4个主范畴及17个副范畴,构建出溶洞处理方案选择影响因素关系模型,最后从溶洞处理经济性和方案适应性2个方面提出针对性建议,为溶洞处理方案决策及实施提供理论依据。

京广铁路浅覆盖型岩溶路基注浆整治策略

京广铁路广州段路基近几年多次出现岩溶塌陷,严重影响铁路安全运营,部分段落亟须进行注浆加固。为避免盲目注浆,制定了浅覆盖型岩溶注浆整治策略。首先收集铁路路基沿线附近钻孔资料,划分岩溶塌陷风险段,采用多源频率域地震波法对岩溶发育中、高风险段进行探查。然后结合物探成果和地层特征,制定注浆方案。最后选取部分注浆段落物探复测,评价注浆效果。结果表明,多源频率域地震波法能够较好地适用于既有线铁路勘察,优化了注浆方案在有效控制成本的基础上,达到了预期注浆加固效果。

武汉纸坊-庙山老黏土区岩溶地面塌陷形成演化与监测

为查明武汉纸坊-庙山一带老黏土区岩溶地面塌陷成灾机理,并选取合适方法手段进行监测预警,有效减轻岩溶地面塌陷造成的危害,通过岩溶专项调查,查明了区内可溶岩分布及其地质结构,分析了岩溶地面塌陷形成演化过程及不同塌陷阶段监测方法的选取,调查分析结果表明:该区多为单层结构老黏土分布区,根据盖层黏性土、软弱土、非可溶岩(红层)的上下组合关系,将可溶岩分布区地质结构划分为3类((1)、(2)、(3))。不同的地质结构根据土体物理力学特征差异,其发生岩溶地面塌陷的形成演化机理不同:(1)类结构主要发生土洞型塌陷,(2)类结构主要发生泥流+土洞复合型塌陷,(3)类结构由于红层的阻隔,黏性土土洞无法形成,一般不会产生塌陷。结合塌陷的演化过程,土洞的形成演化阶段,重点是采用光纤等技术监测土洞的形成扩展情况,同时也要对地下水位、水气压力等诱发因子进行监测;土洞顶板变形塌陷阶段,因临塌前地表往往会产生少量沉降变形,主要采用精密水准测量或GPS监测等技术监测地表形变。

隧道超前地质预报溶洞探地雷达数据时频分析

为研究隧道超前地质预报中溶洞的探地雷达的数据特征,可从时间剖面、三瞬属性(瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率)以及时频联合分布等方面进行特征分析。利用电磁波时域有限差分法进行数值模拟,得出溶洞在探地雷达时间剖面中呈现出双曲线特征,溶洞的填充情况不同,反射波振幅的幅值和方向不同。探地雷达数据的瞬时属性中,瞬时振幅可凸显出溶洞的反射,瞬时相位可作为溶洞填充情况的判断依据,瞬时频率可作为溶洞的辅助判别标志。时频联合分布中,电磁波能量集中于溶洞顶的反射波位置,无填充溶洞的电磁波能量呈现出多个块状的分布区域,并出现拖尾现象,充水溶洞的电磁波能量集中分布在一个区域。通过对溶洞的实测数据进行分析,进一步验证了溶洞探地雷达数据时频域特征的有效性。

综合物探方法在路基岩溶探测中的应用

工程物探是进行工程勘察的重要方法,具有无损性、高效性、低成本等优点,在路基岩溶勘察中被得到广泛应用。为了查明某高速公路岩溶的发育分布情况以及对路基的影响程度,保证工程质量,确保施工安全,该文结合前期场地工程地质勘察资料与实际条件,使用探地雷达、高密度电阻率法,辅以地质调查法进行路基岩溶探测,并取得较好的探测效果。

水库岩溶渗漏勘察技术要点与方法研究

库区岩溶渗漏勘察是水库防渗处理的关键,文中结合多种勘察技术手段,准确分析库区地下水的迁移、补给、排泄,以及库区岩溶介质发育情况、岩溶渗漏方式和途径,并对渗漏情况进行评价。实践中,揭示无防渗帷幕的坝基渗漏严重,渗漏量达252.77 m^(3)/d,山脊渗漏量总计达607.67 m^(3)/d,其中,可溶岩渗漏量达556.2 m^(3)/d,占山脊渗漏总量的92.1%,而非可溶岩渗漏量均很小。由此可见,库区渗漏影响最大的是岩溶渗漏,应采取针对性措施进行防治和加固。