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。

岩溶区土洞对自由场地震动放大效应的影响

岩溶区土洞的发育改变了自由场的地震工程地质条件,从而影响了地表地震动力响应结果。为探讨岩溶区土洞对地震动场地效应的影响,设计并构建典型岩溶区土洞自由场地,利用有限差分法开展了不同地震动输入条件下的含土洞场地的地震反应分析。通过与自由场地震反应分析结果对比可知:(1)土洞的存在阻碍了地震波的传播,从而使得地表中心点峰值加速度显著减小,随着输入地震动峰值增大,土洞的影响范围增大,土洞附近地表峰值加速度呈现出先增大后减小,最后逐渐趋向于自由场;(2)土洞的存在使场地的竖向位移增大,且随输入加速度峰值增大而增大、对水平向峰值位移影响较小;(3)加速度放大系数总体呈现出先增大后减小的趋势,随输入加速度峰值增大而减小;(4)土洞的存在使得反应谱的短周期幅值减小,这种减小幅度受输入地震动峰值的影响不明显。

川东向阳岩溶隧道水化学特征及成因机制研究

研究目的:涌突水是岩溶富水隧道的主要工程灾害,其研究具有重要现实意义。本文以向阳隧道为例,基于向阳隧道共计采集7个地表水样本和35个地下水样本开展水化学分析,研究西南岩溶山地深长隧道涌突水成因机制,为该线路岩溶隧道涌突水防治提供科学依据。研究结论:(1)隧址区水体的水化学类型主要以HCO_(3)—Ca为主,水质偏弱碱性,矿化度较低,地表水和地下水的化学性质相近,水力联系紧密;(2)水化学成分主要受硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化溶解以及阳离子交换作用的影响;(3)地下水和地表水中Ca^(2+)、Mg^(2+)主要来源于岩溶地层中方解石和白云石矿物的溶解、碎屑砂岩中的长石矿物风化;(4)Na^(+)来源于大气降水以及硅酸盐矿物的风化;(5)碳酸盐矿物在岩石风化溶解中占据主导地位;(6)本文相关研究成果可为岩溶地区隧道线路设计提供参考。

不同地质雷达设备在铁路工程隐伏岩溶探测中的应用与对比

隐伏岩溶因其隐蔽性强和发育无规律性等特点,给岩溶地区的铁路建设和运营带来极大的安全隐患,寻求高效精准的探测方法是隐伏岩溶勘察的重难点。利用岩溶与其周围岩体之间的物性差异,物探方法对隐伏岩溶有较好的探测效果。地质雷达法因其高效、无损、低成本等优点,近年来被广泛应用于铁路、公路和城市等地下隐伏岩溶的探测工作。本文以在建贵南高速铁路为背景,应用两种地质雷达设备对某岩质边坡隐伏岩溶进行探测,详细对比了两种不同地质雷达仪器的探测成果,并将探测成果进行了开挖验证。结果表明:两种地质雷达设备在隐伏岩溶地质体勘察中均能得到较好的探测效果。研究成果可为类似隐伏岩溶探测工作的设备选择提供参考。

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。

岩溶地区地基处理及基础设计

阐述了岩溶地区地基基础常用的处理方法。在溶(土)洞强烈发育且岩溶上覆盖饱和砂层地区,桩基使用受限时,可采用整体性较好的箱形基础设计方案,以减小地基土附加应力和基础沉降。介绍袖阀管注浆在工程中的应用,根据溶(土)洞分布深度、洞高和平面位置,仅对部分溶(土)洞通过钻孔探测溶(土)洞边界,采用注浆封堵处理,以节省工程造价。在上部结构荷载较大区域,采用满布注浆孔注浆加固地基,以提高地基承载力;计算对比了地基加固前后的基础沉降。最后采用钻芯法对处理后地基进行了取样检测,介绍了注浆处理后的检测方案,保障处理后的地基达到工程效果。结果表明,加固效果良好。

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。

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。

RTKLOV模型评价趵突泉泉域岩溶水脆弱性

针对不同模型对岩溶地下水脆弱性评价的适应性差的问题,以北方岩溶地区的典型代表济南趵突泉泉域为例,在分析岩溶区水文地质条件的基础上,结合地理信息系统技术,选取降雨入渗系数R、地形坡度T、岩溶网络K、土地利用类型L、上覆岩层厚度O和岩溶水流速V指标构建RTKLOV模型,用于评价岩溶水脆弱性,将评价结果与相关模型进行对比分析。结果表明:RTKLOV模型对岩溶水脆弱性评价适用性好,趵突泉泉城岩溶水脆弱性很低、低、中等、高、很高的面积占比分别为16.1%、14.7%、28.5%、25.4%、15.3%,与研究区实际情况相符;脆弱性指数I d与水样中硝酸盐含量的Pearson相关系数为0.898,相关性好,评价结果准确、可信。

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。

路基荷载下倾斜椭圆形空洞的稳定性评价及因素影响分析

为了防止严重威胁公路安全的采空区发生二次活化导致道路灾害,采用应力叠加法,将基于Boussinesq方程计算所得路基荷载下的附加应力场与初始应力场叠加,得到洞周任意一点的应力状态;利用Mohr-Coulomb强度准则得到空洞稳定性,通过与已有研究结果对比,验证稳定性评价的可靠性;利用二分法计算椭圆形空洞保持稳定时所能承受的最大路基荷载,并探讨路基荷载宽度比、路基荷载偏心距比、椭圆形空洞长短轴比和椭圆倾角等因素对椭圆形空洞稳定性的影响。结果表明:当椭圆形空洞长轴沿水平方向时,椭圆形空洞长短轴比和路基荷载的增大对椭圆形空洞造成应力集中效应叠加,使得最大路基荷载随长短轴比的增大而减小;当椭圆形空洞长轴沿竖直方向时,初始应力场与附加应力场引起的水平方向的应力集中效应互相削弱,含椭圆形空洞地基能承受更大的路基荷载。

岩溶区钻孔桩泥浆漏失引起土体变形机制与破坏模式试验研究

岩溶区桩孔常常钻穿溶洞诱发泥浆漏失,引起孔壁失稳、地面塌陷、设备陷落,阻碍施工顺利进行。掌握钻孔因泥浆漏失而塌陷机制对优化、确定桩孔的施工工艺非常重要。该文采用室内模型试验,研究岩溶区覆盖层为上部黏土、下部砂土条件下桩孔钻穿溶洞、泥浆漏失引起土体变形机制与破坏模式,为岩溶区桩基施工方案决策提供试验依据。结果表明:桩孔钻穿溶洞顶板引起上部黏土、下部砂土覆盖层塌陷的力学原理是桩孔钻穿溶洞顶板后,泥浆快速下窜导致孔壁应力失去平衡,砂土因单粒结构而率先移动、充填桩孔,进而引起的上层黏土失稳下沉。当砂土顶面与水平面形成的夹角约等于内摩擦角时,砂土滑动停止;砂土滑动停止后,上层黏土下沉持续而形成土拱;土拱形成以后,地面趋于稳定;钻孔泥浆下窜诱发地面沉降的历程分为快速下沉、缓慢下沉、稳定3个阶段,整个过程历时约1 min,地面形成下沉盆。工程中,建议对溶洞顶板上部砂土采用注浆法加固,防止桩孔钻穿溶洞顶板引起地面塌陷,确保设备人员安全、施工顺利。

不同超前地质预报方法在岩溶隧道中的综合应用

该研究以当阳至远安铁路毛家坡隧道和槐树店隧道为对象,开展了地震波法和地质雷达法的综合应用工作。结果表明,对于毛家坡隧道,地震波法和地质雷达法的溶洞位置预报精度分别为87.18%和92.31%;对于槐树店隧道,两种方法的溶洞位置预报精度则分别为92.00%和90.32%,且地质雷达法对溶洞规模的预报精度达到了91.43%。因此,相比于单一的物探法,综合应用地震波法和地质雷达法可提高对不良地质体位置和规模的预报精度。

基于小波能谱分析的岩溶区探地雷达目标识别

目前常用的根据记录波形的频率、振幅等特征进行岩溶区探地雷达目标识别的方式具有一定的局限性,为此提出了利用小波能量谱特征进行识别的新方法.通过对岩溶区典型样本进行分析,构造雷达信号各频率成分在各尺度上的能量特征向量,得到样本模型的能量谱,将待识别目标体的能量谱特征与之比对,数据分析和实际验证表明,小波特征能量谱具有直观地显示目标信号不同特征的优点,能有效地对岩溶区探地雷达剖面目标体进行识别.

地质雷达在探测南方岩溶地区堤坝隐患中的应用

通过对广东、湖南等省５个溶岩地区堤坝隐患地质雷达探测及其影像特征研究，指出：在我国南方岩溶地区堤坝隐患探测中，地质雷达可以解决坝体白蚁巢、溶洞、土洞隐患探测；坝体岩性界面划分；坝体断裂探测；水库坝体浸润线和库底防渗土工膜完整性检测等问题。

复杂岩溶场地下的高层建筑地基处理

岩溶地区上高层建筑的基础设计是建筑工程中地基处理的难点。岩溶地基存在土洞溶洞多,岩面起伏大、地下水不可预见等特点,使得岩溶地基高层建筑基础设计具有极大的挑战性。对一个卵石土岩溶地基高层建筑进行基础设计,通过现场土的载荷板试验、夯扩桩复合地基载荷试验、冲孔桩复合地基载荷试验等现场原位试验,获得了丰富可靠的资料,根据试验结果和场地覆盖层厚度、岩溶发育情况进行科学的计算分析,最后采用筏板下多桩型复合地基处理方案,该方案既能满足承载力及沉降的要求,又同时考虑了溶洞坍塌及沉降不均的风险,且更为经济。将计算沉降与实际观测结果进行了比较,说明了地基处理方案的合理性,为高层建筑复杂岩溶地基处理提供了较好的借鉴。

基于权重反分析的岩溶地面塌陷危险性评价方法研究

为能快速、准确地对覆盖型岩溶发育区进行地面塌陷危险性评价,提出了基于权重反分析的岩溶地面塌陷危险性评价方法。该方法在确定岩溶地面塌陷主要影响因素的基础上,收集整理了唐山地区100个典型工程实例,进而采用权重反分析方法,求得了岩溶地面塌陷各主要影响因素的权重,并建立了岩溶地面塌陷危险性综合评价的评分表。权重反分析结果表明,选取的5个主要因素的权重分别为:岩溶发育程度0.338、第四系底部隔水层隔水能力0.255、覆盖层厚度0.186、基岩水水位埋深0.174、距断裂距离0.047,采用新建立的评分表对100个工程实例的评价结果显示,其评价的正确率达到99%,证明该表具有良好的可行性与有效性。此外,该评分表具有评价因子易于获取、评价过程简单易懂等特点,可准确、快捷地对与唐山岩溶发育区相似区域的岩溶地面塌陷危险性给出评价,因而值得推广和应用。

地下水连通介质结构分析——以寨底地下河系统实验基地示踪试验为例

对寨底地下河系统北部区域进行示踪试验,确认了北部区域的地下水分水岭边界。进一步对示踪试验数据进行详细分析,推测得到从投放点G06到排泄点G16、G20之间的地下水连通介质结构,其中G06～G16段以管道介质为主并发育一条支道和一个以上溶潭,G16～G20段含水介质则以裂隙为主。最后依据投放量、最大检测浓度等建立相对浓度系数概念,并用于分析比较G06至G16、G16至G20两段不同含水介质条件下的地下水流的径流集中程度。