早期黄土洞穴识别理论与技术发展现状

黄土洞穴是黄土高原地区一种特殊但又普遍存在的地质灾害。黄土洞穴由于其空间特征复杂、发育位置隐蔽、影响因子繁多等因素,导致目前对其早期识别面临众多挑战。利用文献综述的方法,首先简要介绍了黄土洞穴的类型、发育特征和形成机理;然后,从传统人工现场调查、小流域洞穴快速识别及地下暗穴地球物理探测等方面对现有黄土洞穴早期识别方法进行总结,并对各种方法的优缺点和应用效果进行评述,指出黄土洞穴早期识别当前面临识别难度大、识别精度低、识别方法分散等诸多挑战。研究认为,三维测量建模内窥镜在识别洞穴内部构造、空间形态方面具有广阔前景;加强黄土物性规律基础研究和开发高效的解译软件、算法是提高现有地球物理探测精度和实现黄土洞穴精准建模的关键环节;建立“天-空-地表-地下”一体化的黄土洞穴早期识别体系是未来实现流域黄土洞穴快速精细化识别的最佳选择。研究成果可为今后黄土洞穴早期识别及黄土洞穴潜蚀引发的地质灾害的监测预警提供参考。

黄土高原地区黄土洞穴的分类及发育规律

黄土高原地区广泛发育的黄土洞穴既是一种典型的水土流失现象,又是一种新的地质灾害。黄土洞穴具有多种类别,其分布的地域规律具有由黄土高原的西北向东南发育密度呈递减趋势;陇西地区黄土洞穴最发育,陇东地区较发育,陕北局部地区较发育。黄土洞穴在深度上具有表、浅、中、深、超深5个层次;其空间发育明显受地层厚度、土性、地质构造、微地形地貌、水文地质及气候条件等因素所控制。

黄土洞穴的环境灾害效应

黄土洞穴本身是一种地质灾害,对黄土地区的运输、管道、拦蓄水工程、厂房、民居等各类工业与民用建筑构成不同程度威胁;还可促发其它地质灾害的发生和发展,恶化黄土高原地区的生态环境和地质环境。文章根据野外和室内研究所积累的资料,对黄土洞穴的地质灾害效应以及环境变化效应进行了初步研究。其研究成果不仅为黄土洞穴工程灾害的防治提供科学依据,而且还可进一步了解黄土地区水土流失的发育规律及其第四纪以来的地质环境变化状况。

黄土洞穴危害及其形成演化机制

指出黄土地质灾害的发生主要与地表水的集中入渗有关,而黄土洞穴则往往是地表水在黄土地层中通过各种黄土节理、裂隙集中入渗最为直观的体现。通过野外调查,查明了黄土洞穴对公路工程的危害,并将其对公路工程的破坏归纳为以径流冲蚀作用为主的破坏类型、以渗流潜蚀作用为主的破坏类型、以湿陷潜蚀作用为主的破坏类型、复合作用破坏类型;对每种类型的破坏机理及其各自特点分别进行了概括,认为公路工程对原始地形地貌、汇水条件、土质条件和地层条件的改变是其发生洞穴破坏的根本原因;以黄土洞穴对公路工程的破坏机理为启迪,对黄土洞穴的发展演化机制进行了深入讨论。其成果不仅可深入揭示黄土洞穴的成因,而且对集中渗流作用下黄土地质体稳定性的研究亦具有重要的借鉴意义。

黄土洞穴潜蚀地貌及其利弊综合分析

黄土洞穴潜蚀地貌在黄土高原地区十分发育。对黄土洞穴的基本类型进行了介绍;调查发现区域上黄土洞穴发育密度由西北向东南呈递减趋势;指出黄土洞穴在不同深度的发育类型和发育程度有很大差别,具有明显的层次性;对黄土洞穴的利弊进行了综合分析,认为黄土洞穴具有双重作用:一方面黄土洞穴本身是一种特殊的地质灾害,不但直接造成严重的水土流失,而且对公路、铁路、油气输送管道、民居等工业与民用建筑等均可造成严重危害,另一方面它也是黄土高原地下潜水藏一种重要的补给与排泄途径。

晋西黄土洞穴成因研究

在野外调查、室内实验基础上,对晋西黄土洞穴的成因进行了分析,研究表明:晋西黄土洞穴的形成是多种内外因素综合作用的结果,主要因素包括黄土的土性、微观结构、节理裂隙、地层结构厚度、水文气候、地形地貌等,其中黄土土性和微观结构是黄土洞穴形成的内因,节理裂隙和地层分布状况为洞穴发育提供了空间和物质基础,水成为黄土洞穴形成的源动力,地形地貌则控制着黄土洞穴的分布。

大型天然黄土洞穴系统现场冲刷试验

通过现场冲刷试验,结合勘探、调查及室内含泥率测定等手段对大型天然黄土洞穴系统的三维空间展布特征、水文特性及侵蚀特征进行了研究。结果表明:黄土洞穴系统侵蚀过程具有明显的期次性;洞穴过水流量过程曲线可分为增加阶段、相对稳定阶段和减小阶段3个特征流量段,其中在第一阶段普遍存在"滞流效应",第二阶段具有小幅波动的特性,并发现洞穴内的总渗流损失量随设计注水流量的增大而有所增加;根据含泥率随时间变化曲线,分析了不同流量过程段含泥率的变化特点,通过不同工况的累积侵蚀量对比发现洞穴的侵蚀速率与流量显著正相关。从机理上对产生上述过程、现象及结果的原因进行了合理解释,为黄土潜蚀机理及潜蚀速率的研究提供了可靠的现场试验数据。

黄土洞穴对公路危害的地质模式及致灾机理

作为黄土地区一种重要的不良地质现象,黄土洞穴对各种工程都造成了不同程度的危害,其中以对公路的危害最为突出。黄土洞穴对公路路基、边坡、桥梁、隧道和排水设施都有不同程度的危害,而且这些危害在型式、主要危害的部位及危害的严重程度等方面都有一定规律。为了从根本上认识黄土洞穴对公路的危害的规律和机理,指导公路黄土洞穴稳定性评价和防治,本文在对陕西省和甘肃省公路黄土暗穴调查的基础上,根据黄土洞穴对公路工程不同部位的破坏特征总结出黄土洞穴对公路路基、边坡、桥梁、隧道和排水设施危害的地质模式和致灾机理。

模糊评判法在公路黄土洞穴发育程度分区中的应用

阐述了影响黄土洞穴形成的黄土湿陷性、崩解性、地质构造、节理裂隙、微地形地貌和水文及气候条件等工程地质特性和地质因素;在公路沿线地区,公路工程质量及人类活动也是黄土洞穴形成的影响因素。洞穴发育程度分区预测和评价极具复杂性、随机性和模糊性,为此,在对各影响因素分析的基础上,借助模糊综合评判法,对黄土区公路沿线洞穴发育程度分区进行了研究。与实际情况对比分析表明,预测评价结果合理可靠,可作为黄土区已建公路洞穴灾害的防治依据。

黄土洞穴侵蚀速率的现场试验研究

文章通过对三组人工和天然黄土洞穴进行了现场侵蚀速率试验,对比分析降水量对黄土斜坡洞穴侵蚀速率的影响,同时分析在相同时间段里进入洞穴的水量与该时间段内的侵蚀速率的变化关系。试验结果表明:人工黄土洞穴侵蚀速率随着水流量的增大而增大,而对于天然洞穴则相反;在相同时间段里,黄土天然洞穴的侵蚀速率随进入洞穴水量速度的增加反而减小,且黄土洞穴的侵蚀速率较水流量具有滞后现象。

黄土高原黄土洞穴系统的水文特性研究

通过对黄土高原丘陵沟壑区典型小流域洞穴系统应用烟幕弹进行调查和实际观测揭示了黄土洞穴系统水流的水文特性：产流初始时间、水流峰值特性、水流历时，以及黄土洞穴系统的不稳定对洞穴水流不文特性的影响等。洞穴水流流量与降雨特性没有显著的相关关系。洞穴水流流量对试验区域产流量的贡献为４２．９％～５２．５％，稍高于其面积所占比例。黄土地区的深层洞穴的形成主要与灾害性暴雨有关。

三极电测深法在黄土洞穴探测中的应用

在黄土洞穴探测中经常用到的是电法勘察,其中常用的是对称四极电测深法,这种方法要求施工场地较大,有足够大的布极空间。本次施工地区位于高速路桥底,施工场地受限。针对上述情况,本文主要介绍了三级电测深法在黄土洞穴探测中的应用,并对这种方法的原理、工作方法、资料处理和资料解释进行分析。最后通过实例得出三极电测深法在黄土洞穴探测中能取得较好的效果。

晋西公路黄土洞穴的危害及三维数值分析研究

黄土洞穴是晋西黄土高原发育的一种特殊地质灾害。文章在晋西黄土区调查基础上得出,黄土洞穴对公路的危害主要包括对路基路面的破坏、对路堤路堑边坡的破坏及对排水设施的破坏。文章运用三维有限元法分析黄土洞穴在自重环境下对公路路基路面的危害情况及洞穴周围剪应力的变化,得出基于洞穴位置与洞径大小双变量情况下的洞顶临界埋深求解方法,为公路洞穴的有效防治措施提供依据。

晋西黄土洞穴发育特征研究

黄土洞穴是晋西黄土高原地区发育的一种特殊微地貌景观和地质灾害。在野外调查基础上,详细总结了晋西黄土洞穴的分布情况及发育特征,研究表明:晋西黄土洞穴发育密度沿万荣-隰县-离石-兴县一线由南向北呈递增趋势,而发育深度受地层构造、岩性及其厚度、地形等多因素的综合控制;黄土构造节理的产状与黄土洞穴的产状基本一致,对洞穴形成影响显著;黄土洞穴内部构造特征多样化,反映了黄土洞穴不同时期的演化特征。

黄土洞穴发育条件下滑坡土体性质及其稳定性分析

黄土洞穴作为黄土高原区独特的地形地貌,其发生与滑坡特征密切相关,洞穴的发育和演化又受到土性、地层结构等因素影响。本文通过野外调查,在黄土洞穴群诱发的黄土滑坡上选择典型剖面进行室内外实验,分析了黄土洞穴发育条件下滑坡土体的物理力学性质,运用数值模拟探究了黄土洞穴对边坡稳定性影响。研究结果表明:1)北郭村滑坡洞穴区域土体的容重、抗剪强度大于非黄土洞穴区域,孔隙率小于非黄土洞穴区域;滑带土容重最大,孔隙率最小,抗剪强度最低。滑坡发生不久,滑坡体土为扰动土,各项土体参数尚不稳定;洞穴区域土体沉积时间久,土体性质稳定;滑带土各项土体参数与前两者相差较大。2)研究区饱和导水率为0.2mm/min-1.3mm/min,滑坡后缘(洞穴区域)土体渗透系数小于滑坡体土(非洞穴区域)的渗透系数,孔隙率是影响入渗的主要因素;在滑坡后缘,黄土洞穴的渗透系数小于农田,有机质是影响入渗的主要因素。3)北郭村滑坡自然状态下稳定系数为0.7936,属于不稳定状态;洞穴状态下稳定系数0.7291,洞穴的存在降低了边坡的稳定性。

黑方台典型黄土洞穴形成的影响因素

黑方台自1968年以来共发生滑坡200余次,已发生的黄土滑坡中,多数滑坡后缘发育有黄土洞穴。黄土洞穴不仅使地表水快速入渗,同时也影响黄土斜坡的稳定性。通过现场调查与室内试验,并结合多期影像对比等方法对黄土洞穴发育特征、类型和形成机理进行研究。结果表明:黄土洞穴主要分为冲蚀型、潜蚀型和湿陷型且沿台塬边缘分布;黄土洞穴的发育主要受到灌溉水、裂缝和黄土崩解性影响。灌溉水沿裂缝等优势通道下渗可在局部形成小型洞穴,裂缝部位含水率明显较大。党川3#滑坡裂缝沿滑坡边缘分布,裂缝走向与黄土洞穴长轴方向基本一致。该研究可为黄土洞穴发育与滑坡防治提供指导建议。

定西于家山黄土洞穴的分布特征与侵蚀临界研究

黄土洞穴与滑坡、沟蚀等侵蚀过程联系紧密并加剧了黄土高原的水土流失程度,但目前黄土洞穴发育的分布特征与侵蚀临界暂未明晰。利用无人机获得了研究区高分辨率影像与数字表面模型,基于影像标识了黄土洞穴并统计了其土地利用类型与洞穴直径,利用标识点在数字表面模型上提取了黄土洞穴的坡度、坡向、曲率和汇水面积等地形数据并分析了黄土洞穴的分布特征。结果表明,黄土洞穴直径大多<4 m。黄土洞穴在耕地上发育较少,多发育于牧草地区域流水汇聚的凹形坡,且在阴坡更为发育。同时,黄土洞穴坡度正切值范围集中于0.4~1.0,汇水面积一般不超过3000 m2。依托统计的坡度正切值与汇水面积数据绘制了黄土洞穴的侵蚀临界图并对比了黄土洞穴与浅沟、切沟的侵蚀临界。黄土洞穴的侵蚀临界边界分别为SA0.150=0.368与SA0.135=7.580,分布较广且覆盖了浅沟与切沟的侵蚀临界。浅沟、切沟的演化与黄土洞穴的发育有关,黄土洞穴通过连通与坍塌促进了浅沟、切沟的发育、转换与扩展,并因此加剧了黄土高原的水土流失。研究量化了黄土洞穴发育的分布特征,建立了黄土洞穴与浅沟、切沟的联系并深化了对黄土洞穴侵蚀过程的认识。

黄土滑坡与黄土洞穴的相关性及其相互作用机理

在分析黄土滑坡和黄土洞穴的区域分布、微地形地貌分布、形成时间相关性的基础上,发现滑坡体上洞穴发育密度和发育程度明显增大;进一步分析滑坡对黄土洞穴的影响,认为滑坡体上节理裂隙的强烈发育为洞穴的形成提供了物质搬运空间、堆积空间以及渗流通道.滑坡改变了地面的坡形、坡度以及水力条件,使得滑坡的后缘、侧壁以及前缘等地段容易形成黄土洞穴.黄土洞穴对黄土滑坡的主要影响是可以加速冲沟发育、加剧坡体局部破坏、改变坡体的渗流条件,从而诱发滑坡发生以及古滑坡复活.

油田站场建构筑物基础下伏黄土洞穴地基稳定性数值分析

黄土暗穴常常影响油田站场的选址或对站场建构筑物安全构成威胁。为探究不同因素对黄土洞穴地基稳定性的影响,将洞穴概化为理想椭球状,利用ABAQUS程序建立油田站场典型建构筑物基础下伏黄土洞穴三维模型进行了大量的数值模拟分析。结果表明:当洞穴埋深越小、尺寸越大、与基础距离越近、高跨比越小,洞穴地基的稳定性越低,地基承载力越小,基础沉降越大;下伏洞穴地基极限承载力、洞穴安全埋深以及洞穴与基础的安全距离可通过基础沉降和地基土塑性区分布来确定。

滑坡体上黄土洞穴的发育特征及其成因机制

采用野外调查和室内分析相结合的方法,以定西常家河滑坡区为研究区,在分析黄土滑坡和黄土洞穴区域分布特征的基础上,研究了黄土滑坡和黄土洞穴的地形地貌分布特征以及滑坡体上黄土洞穴的发育特征。研究结果表明,黄土滑坡和黄土洞穴在分布特征上具有一定的相关性,滑坡体上黄土洞穴发育密度明显增大、发育程度增高。研究了滑坡体上黄土洞穴的成因机制,认为黄土滑坡对黄土洞穴发育的影响主要是通过影响黄土土性、节理裂隙、水力条件以及微地形地貌来实现的。研究成果不仅有助于对黄土洞穴成因、发育特征的认识,而且对黄土滑坡的防治具有重要意义。