Minimum safe thickness of rock plug in karst tunnel according to upper bound theorem

High pressure and water-bearing caverns ahead of a karst tunnel face tend to cause geological disasters, such as water and mud bursts. So, the determination of safe thickness of the reserved rock plug is a key technical problem to be solved for karst tunnel construction. Based on the Hoek-Brown nonlinear failure criterion, the minimum safe thickness of rock plug was investigated in the light of the limit analysis theory. On the basis of the proposed failure mode, the expression of the minimum thickness for rock plug was obtained by means of upper bound theorem in combination with variational principle. The calculation results show the influence of each parameter on safe thickness and reveal the damage range of rock plug. The proposed method is verified by comparing the results with those of the drain cavern of Maluqing Tunnel. The research shows that with the increase of compressive strength and tensile strength as well as constant A of Hoek-Brown criterion, the safe thickness decreases, whereas with the increase of cavern pressure, tunnel diameter, and constant B from Hoek-Brown criterion, the safe thickness increases. Besides, the tensile strength, or constants A and B affect the shear failure angle of rock plug structure, but other parameters do not. In conclusion, the proposed method can predict the minimum safe thickness of rock plug, and is useful for water burst study and prevention measures of tunnels constructed in high-risk karst regions.

Energy analysis of rock plug thickness in karst tunnels based on non-associated flow rule and nonlinear failure criterion

The geological hazards, such as water inrush and mud outburst, are easily induced by the high water pressure caverns ahead of a karst tunnel face. Therefore, it is a pivotal issue to determine the reserved thickness of rock plug during the construction of tunnels. The limit analysis principle is employed to analyze the safe thickness from the point of energy dissipation, and the nonlinear and non-associated characteristics of geotechnical materials are both considered. On the basis of a plane failure pattern of rock plug, the expressions of detaching curve and rock plug thickness are derived. The effect of each parameter on the safe thickness of rock plug is discussed in detail, which interprets the corresponding failure scope of rock plug. The obtained results indicate that the thickness of rock plug is highly influenced by the nonlinear dilatancy coefficient and the nonlinear coefficient. The proposed method is validated by a comparison of the calculated results with those of the engineering project of the "526 karst cavern" of Yunwushan tunnel. This proposed method can provide reference basis for the design and excavation of karst tunnels in the future.

Fluid–solid coupling analysis of rock pillar stability for concealed karst cave ahead of a roadway based on catastrophic theory

In order to study the mechanism of water inrush from a concealed, confined karst cave, we established a fluid–solid coupling model of water inrush from a concealed karst cave ahead of a roadway and a strength reduction method in a rock pillar for preventing water inrush based on catastrophic theory. Fluid–solid coupling effects and safety margins in a rock pillar were studied. Analysis shows that rock pillar instability, exerted by disturbance stress and seepage stress, is the process of rock pillar catastrophic destabilization induced by nonlinear extension of plastic zones in the rock pillar. Seepage flow emerges in the rock pillar for preventing water inrush, accompanied by mechanical instability of the rock pillar. Taking the accident of a confined karst cave water-inrush of Qiyi Mine as an example, by studying the safety factor of the rock pillar and the relationship between karst cave water pressure and thickness of the rock pillar,it is proposed that rock pillar thickness with a safety factor equal to 1.5 is regarded as the calculated safety thickness of the rock pillar, which should be equal to the sum of the blasthole depth, blasting disturbance depth and the calculated safety thickness of the rock pillar. The cause of the karst water inrush at Qiyi Mine is that the rock pillar was so small that it did not possess a safety margin. Combining fluid–solid coupling theory, catastrophic theory and strength reduction method to study the nonlinear mechanical response of complicated rock engineering, new avenues for quantitative analysis of rock engineering stability evaluation should be forthcoming.

塔里木盆地北部奥陶系海相碳酸盐岩断溶体油藏成因类型及特征再认识

前人提出的“断溶体”油藏概念,现已成为海相碳酸盐岩油气藏勘探开发的新目标、新类型。但断溶体油藏与传统的风化壳型喀斯特油藏有显著差别,断溶体储集体类型、结构特点也存在差异。研究断溶体溶蚀作用和构造破裂作用的差异性,将断溶体划分为过溶蚀残留型、破碎+强溶蚀型和强破碎+弱溶蚀型3种类型。研究表明不同成因类型的断溶体油藏,其溶蚀程度、缝洞规模、累产油量、地层能量和缝洞间连通性差异明显。过溶蚀残留型油藏的分布受风化壳不整合面及断裂带的纵向溶蚀作用控制。破碎+强溶蚀型及强破碎+弱溶蚀型油藏的形成和分布与不整合面的发育和构造位置关系不大,主要受溶蚀断裂带“破碎+溶蚀程度”控制,在溶蚀断裂带核部发育规模较大的洞穴,向两侧逐步发育裂缝-孔洞型、裂缝型储层。

Eco-economic control mode and benefit analysis of rock desertification region in Huajiang Karst Valley of Guizhou Province

It is difficult to afforest in rock desertification region and is the key area for eco-environment treatment. To speed up the comprehensive treatment of rock desertification, several anti-rock desertification modes implemented in Dingtan region, located on the right bank of Huajiang Grand Valley in Beipanjiang Town, are introduced as examples. This paper first analyzes the natural and environmental conditions, the development of rock desertification in the Dingtan region, then the detail of the treatment modes, such as “Chinese wingleaf pricklyash – pig breeding – marsh gas” (Mode One), “amomum villosum – pig breeding – marsh gas” mode (Mode Two), “traditional grain and economic crop (corn, peanut) – amomum villosum or Chinese wingleaf pricklyash” (Mode Three), etc. The eco-economic effects, potential and shortcomings of the above mentioned modes are analyzed and compared. It is proved that Mode One and Mode Two are of good economic effect, but Mode Three of better ecological effect. Solutions to the shortcomings of the modes are also put forward.

塔里木盆地麦盖提斜坡罗探1井奥陶系断控岩溶新类型油气藏勘探突破及意义

塔里木盆地麦盖提斜坡罗探1井在奥陶系碳酸盐岩获得勘探新突破,是麦盖提斜坡奥陶系断控岩溶新类型油气藏的首次勘探突破,标志着斜坡区发现一个重要的战略接替领域。结合区域钻井、测井、地震等资料,开展罗探1等井分析化验资料的综合分析,对麦盖提斜坡奥陶系碳酸盐岩的成藏条件进行再认识。麦盖提斜坡奥陶系碳酸盐岩断控岩溶储层的形成主要与走滑断裂活动相关,是麦盖提斜坡三类主要成储模式之一;麦盖提斜坡目前已发现油气均来自寒武系玉尔吐斯组烃源岩,基底古构造控制了下寒武统的沉积和烃源岩的分布;斜坡区存在加里东期、海西期—印支期和喜马拉雅期3期油气充注成藏过程,烃源岩、古构造演化及通源断裂控制油气复式聚集成藏,断裂活动期次、断穿层系决定了油气富集层系与油气藏性质。麦盖提斜坡奥陶系走滑断裂十分发育,延伸距离累计可达1000km以上,控制了断控岩溶储层和油气藏的分布,平面上具有明显的分区特征,资源规模大、可部署性强,展示出巨大的勘探潜力,是塔西南地区规模油气勘探发现和战略接替的重要现实领域。

覆盖型岩溶区高速铁路综合选线研究

南玉高铁沿线覆盖型岩溶和膨胀岩(土)广泛发育,岩溶发育程度强烈,膨胀岩(土)多呈弱—中等膨胀性,给高速铁路勘察设计、施工运营全生命周期均带来较大风险和挑战。通过分析沿线地形地貌、特殊的岩溶地质特征和工程环境特点,提出针对性的勘察方法和选线原则,前期选线贯彻“短距通过,傍山绕避”原则,针对确实无法绕避的岩溶强烈发育区,提出“双向跨越”思路,安全、经济地跨越深溶槽,以期为覆盖型岩溶区高速铁路勘察设计及工程建设提供借鉴。

基于离散-连续耦合的岩溶隧道防突岩体安全厚度预测

为有效预防岩溶隧道施工中的突涌水灾害,首先,调研近年来国内岩溶隧道突涌水典型案例,总结隧道突涌水形成机理及其影响因素;其次,建立离散-连续耦合模型并采用多元回归理论的方法,明确防突岩体破坏的判定准则,划分岩溶隧道防突岩体破坏模式并提出裂缝发育规律;然后,基于对防突岩体最小安全厚度造成影响的各因素,针对溶洞位于隧道上方、下方及侧方3种情况分别建立防突岩体最小安全厚度预测计算式;最后,依托德庆隧道工程进行验证。结果表明:防突岩体破坏模式主要有弯折破坏、整体剪切破坏和复合破坏3种,可基于裂隙发展速度将其破坏过程分为初始阶段、快速发育阶段、平缓发育阶段3个阶段;各因素按影响显著程度由大到小依次为溶腔内水压、围岩黏结参数、溶腔跨度、溶腔高跨比和隧道埋深;计算得到德庆隧道3处施工段的防突岩体最小安全厚度分别为2.964,5.263和0.961 m,突涌水评估结果准确。防突岩体最小安全厚度预测计算式可用于预测并评估岩溶隧道突涌水风险。

西南喀斯特地区不同岩面形态下岩面径流特征

[目的]研究自然降雨条件下不同岩面形态岩石的降雨产流特征,为深入了解喀斯特坡地降雨侵蚀规律提供科学依据。[方法]选取研究区内光滑、裂隙、溶穴和溶盘4种典型岩面形态的岩石为研究对象,采用野外径流小区原位观测的方法,对降雨后各种岩面形态下岩石产生的岩面径流进行监测。[结果](1) 4种岩面形态中,岩面径流系数表现为光滑(0.74)>溶盘(0.57)>溶穴(0.35)>裂隙(0.19),光滑岩面平均径流系数显著高于其他类型的岩面,径流系数分别为裂隙、溶盘和溶穴的3.89,2.11,1.30倍。(2)随着降雨等级的增大,不同岩面径流系数均呈增加趋势,在大雨及以上降雨事件下,4种岩面形态的径流系数存在显著差异。(3)降雨量是影响不同岩面径流深的主要降雨因子,导致岩面产流的降雨量临界值大小表现为裂隙(1.8 mm)>光滑(1.5 mm)>溶盘(1.1 mm)>溶穴(1.0 mm)。[结论]岩面形态和降雨量是影响岩面径流的主要因素;在裸岩广泛分布的喀斯特地区,岩面径流是坡面径流的重要组成,在水土流失防治中要考虑岩面径流的影响。

基于定向声波扫描的钻孔围岩隐伏溶洞表征与分析方法

复杂地质环境下采用简化的几何体代替真实形态的隐伏溶洞进行数值分析,往往难以反映真实的工程特性,自然形成的溶洞形态在几何方面无明显规律性,导致溶洞形态特征的定量化表征问题一直未被很好的解决,为此,针对复杂地质环境下钻孔围岩隐伏溶洞轮廓的几何形态特征定量化研究中缺少系统性研究问题,提出了基于定向声波扫描的钻孔围岩隐伏溶洞表征与分析方法。首先,在利用钻孔定向声波扫描技术获取基础数据的基础上,构建同一钻孔中不同隐伏溶洞的轮廓坐标化准则。随后,在钻孔围岩隐伏溶洞定量表征方面,分别提出了隐伏溶洞水平方向结构表征方法与垂直方向结构表征方法,实现了隐伏溶洞的全方位定量化表征;在钻孔围岩隐伏溶洞统计分析方面,提出了水平全方位占比指数、远离占比指数和深度占比指数,能够从钻孔角度来统计分析钻孔不同深度、周围不同位置的隐伏溶洞情况。最后,结合实际工程案例进行了综合分析,并与其他方法进行了对比验证,证明了提出的方法能够为岩溶地区地质工程中工程勘察和数值模拟提供更多的定量化数据,是溶洞地区的开发与资源利用技术中的一种全新定量化分析方法,具有广阔的应用前景。

穿越溶洞桥梁桩基嵌岩深度计算方法研究

为准确计算岩溶区桥梁桩基嵌岩深度,依托莆炎高速公路岩溶区桥梁桩基工程,分别考虑桩基竖向极限承载力、桩身稳定性和桥梁全寿命周期内溶洞溶蚀量,提出3种穿越溶洞桥梁桩基嵌岩深度计算方法,并验证3种方法的可靠性。选取34根代表性桩基对比嵌岩深度设计值与所提方法计算值,并选取1根试桩对比规范值与所提方法计算值。结果表明:34根代表性桩基中,1根桩基的嵌岩深度设计值小于考虑全寿命周期内溶洞溶蚀量的嵌岩深度计算值,占比2.9%;10根桩基的嵌岩深度设计值同时满足竖向极限承载力、桩身稳定性和桥梁全寿命周期内溶洞溶蚀量要求,且安全储备合理,占比29.5%;23根桩基存在安全储备较高问题,占比67.6%,其中14.7%的桩基嵌岩深度设计安全储备高达5倍。各规范关于桩基嵌岩深度的取值差异较大,为确保桥梁桩基承载安全,同时降低施工难度和成本,建议设计穿越溶洞桥梁桩基的合理嵌岩深度时,充分考虑桥梁全寿命周期内溶洞溶蚀量。

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类:剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论:突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。

基于岩溶三维地质模型的桩基承载力特性研究

本文依托中铁十九局集团有限公司岑大公路YTHJ4标桥梁桩基项目,通过Civil 3D软件建立了三维地质模型;并介绍了桩基作用下溶洞两种不同的破坏模式;然后采用基于FLAC 3D数值分析软件的单因子变量法分析了不同溶洞顶板厚度、顶板跨度、洞高、溶洞中心偏离桩轴线距离等对嵌岩桩承载力特性(极限承载力、极限侧摩阻力、桩土相对滑移距离等)的影响。研究结果表明:溶洞顶板是影响桩基极限承载力的主要因素;溶洞极限状态下的破坏模式强烈依赖于溶洞顶板厚度、顶板跨度和岩体力学性质;当溶洞顶板厚度达到三倍的桩径时,桩侧摩阻力可完全发挥;溶洞顶板跨度和偏心距离对桩基承载力特性的影响存在一个稳定点。这些研究结论为岩溶地区的嵌岩桩设计提供了一定的参考依据,进一步丰富了岩溶地区桩基设计理念。

含水溶洞对采煤工作面覆岩移动的影响规律

含水溶洞的存在使得煤层覆岩移动规律具有特殊性。为了研究含水溶洞对煤层覆岩移动的影响,以贵州松南煤矿作为工程背景,利用FLAC 3D进行数值模拟研究,对比分析溶洞有无含水作用下煤层覆岩移动规律。研究发现:随着采煤工作面的推进,含水溶洞围岩裂隙和煤层顶板裂隙不断扩展,当工作面推进至与溶洞水平距离小于10 m时,溶洞围岩裂隙和顶板裂隙贯通,形成导水裂隙;含水溶洞煤层开采情况下,溶洞围岩变形下沉量相较于无水情况增加了37.24%,随着推进距离的增加,溶洞靠近采空区侧底角出现明显的下沉现象,溶洞右帮出现向内挤压现象,溶洞围岩和煤层顶板应力集中区和破坏区逐渐贯通;相比于无水情况,覆岩运移在含水条件下得到加强,其中最大曲率增大了0.88 mm/m^(2)、最大水平变形增大了1.81 mm/m。建议该矿采煤工作面与溶洞水平距离需大于10 m。

青藏高原不同高程喀斯特地貌类型和发育特征

青藏高原地区喀斯特地貌发育较为普遍.通过查阅文献资料和系统性的研究总结,明确了不同高程下喀斯特地貌类型、发育特征均存在明显的差异.极高海拔地区(≥5000 m)喀斯特地貌可分为隆起构造山原、内陆湖盆地、内陆湖洼、内陆山原、高山冰川深谷、山原基岩型,风化剥蚀作用较强,形成较多的残留峰丛、石柱、洼地等;高海拔区(3500~5000 m)喀斯特地貌可分为喀斯特高山深谷型、喀斯特中高山湖泊、高山冰川深谷、隆起构造山原、内陆湖盆地、内陆湖洼型,构造-溶蚀作用强,主要发育大型宏观的峰林、峰丛洼地、溶洞、漏斗等;中海拔区(1000~3500 m)喀斯特地貌可以分为喀斯特高山深谷型、喀斯特中高山湖泊、山原蚀余峰丘、山原峰丘湖泊、内陆湖洼、喀斯特海岸型,构造-侵蚀作用较强,风化剥蚀相对较弱,喀斯特形态得以基本保存,主要发育微小型峰丛洼地、溶孔、溶痕和溶隙等.

喀斯特石漠化区不同植被恢复下土壤颗粒分形特征

【目的】研究喀斯特石漠化地区的土壤颗粒分布和分形特征,为石漠化地区水土保持和土壤评价提供科学依据。【方法】在贵州师范大学喀斯特野外观测研究站,选取石漠化治理区中火龙果(Hylocereus undulatus)、玉米(Zea mays)、核桃(Juglans regia)、柚木(Tectona grandis)和种植于坡上和坡谷的花椒(Zanthoxylum bungeanum)等6种植被作为研究对象,分析了雨、旱两季的土壤粒径分布,并基于单重和多重分形理论计算了土壤颗粒分形参数。【结果】(1)研究区土壤粒径集中在1.5~300μm,质地较细以粉粒为主,黏粒含量最少,粒径分布呈非均匀性;(2)植被和季节对单重体积分形维数D_(v)均存在显著影响(P<0.05),决定系数R^(2)表明D_(v)与黏粒关系最为密切。旱季D_(v)的均值(2.56)较雨季(2.64)相比有所下降,细粒物质流失程度在不同植被之间存在显著差异(P<0.05);(3)各样地土壤粒径分布以体积分数占比较大的颗粒为主,广义维数谱D_(q)的递减程度在指数q<0时要大于q>0时,稀疏区土壤颗粒对环境因子的影响更敏感;(4)D_(v)与黏粒和粉粒呈极显著正相关,与砂粒呈极显著负相关。容量维数D_(0)、信息熵维数D_(1)、D_(1)/D_(0)、关联维数D_(2)和土壤颗粒的相关性与D_(v)相反。土壤有机碳/全氮(SOC/TN)与粉粒呈显著正相关,而与砂粒呈显著负相关,这说明粉粒组分在发挥固碳功能方面发挥主导作用。【结论】土壤分形维数能够作为喀斯特石漠化区土壤物理结构改善效果的指标,为石漠化水土保持和土壤评价提供科学理论支持。

基于形成机理的石漠化敏感性评价:以贵州省黔西县为例

在遥感解译和野外调查基础上,通过分析石漠化的成因与形成机理,找出影响石漠化敏感性的主要自然因素,选取年降雨量、坡度、岩性组合、土壤质地和植被覆盖度5个指标,在GIS的支持下,采用改进的层次分析法,开展了黔西县石漠化敏感性评价。结果表明:黔西县石漠化仍然处于较为敏感状态,中度、高度和极敏感区域的面积合计为1176.39 km^(2),占46.97%,发生石漠化可能性依然存在;中度、高度和极敏感区主要分布于洪水—仁和、定新—重新、五里—沙井和钟山—铁石—素朴等区域,与石漠化土地的分布区域一致;绝大部分石漠化高度敏感区和极敏感区分布在三叠系碳酸盐岩地层中,嘉陵江组是敏感性最高的地层单元;通过综合研究石漠化各相关因素的作用机理和内在联系及继承关系来比较各相关因素的重要性,可以替代专家调查表方法,来降低层次分析法的随意性和主观性。

岩溶区域内地下连续墙施工中问题探讨

地下连续墙等基坑支护施工时会遇到各种各样的复杂地层,岩溶即其中之一。岩溶地质条件对于地下连续墙施工极为不利。基于实际施工经验,对成槽施工前溶洞勘察、成槽过程中岩溶问题处理进行详细讨论。讨论内容包括:溶洞中存在漂石、斜岩情况的处理以及溶洞导致的塌方和路面下沉等问题的处理,并基于实际经验给出部分岩溶区域地下连续墙施工建议。