湖北武汉岩溶塌陷成因机理与致塌模式

岩溶塌陷是制约岩溶地区社会经济发展的主要地质环境问题之一。武汉市岩溶地质条件十分复杂,隐伏岩溶区分布范围较广,在自然和人为两方面诱发因素作用下,近年来发生了多起岩溶塌陷。本文在全面梳理武汉市已发生的岩溶塌陷基础上,从可溶岩岩溶发育程度、地下水水位与基岩面关系、第四系厚度和结构特征三个方面,概化了区内岩溶塌陷区的八类地质模式;结合塌陷产生过程和主控机理,将武汉市岩溶塌陷初步概括为九种致塌模式。     

论岩溶塌陷形成的致塌模式

岩溶塌陷是塌陷体受到的致塌力超过抗塌力而产生的,各种致塌力可以形成多种力学效应,构成不同的致塌模式。因此,塌陷的形成应该是多机制的。据对全国800多个塌陷点的研究,有重力致塌式、潜蚀致塌式、冲爆致塌式、真空吸蚀致塌式、振动致塌式、荷载致塌式、溶蚀致塌式、根蚀致塌式等八种基本的致塌模式。     

广清高速公路改扩建工程施工期间岩溶塌陷的灾变模式

广清高速公路改扩建工程有33km的线路位于岩溶发育区,在该区域施工时曾出现多次岩溶塌陷。岩溶塌陷的形成是由于塌陷体受到的致塌力超过抗塌力,各种致塌力可以形成多种力学效应,因而构成了不同的致塌模式。本文通过对广清高速公路沿线的气候、地形地貌、地质构造、水文地质等条件的分析,探讨了广清高速公路改扩建工程施工期间沿线发生的岩溶塌陷的致灾机制与模式,指出降雨、施工方法和工艺是岩溶塌陷产生的主要外在诱发因素,详细分析了施工过程中岩溶塌陷的主要灾变模式,包括潜蚀致塌模式、振动致塌模式和荷载致塌模式,并提出预防和处理这些塌陷模式的方法,分析结果可为岩溶地区的塌陷预防和处理提供参考。     

武汉市岩溶塌陷的演化机理研究

基于武汉市易发生的29处岩溶塌陷,从岩溶、覆盖层和地下水3方面分析了岩溶塌陷的内部结构;通过现场监测和数值模拟,分析了降雨、钻探和桩基施工的输入作用,并探讨了武汉市岩溶塌陷的演化机理。结果表明:（1）“上黏下砂”的盖层结构、浅部岩溶发育、孔隙水与岩溶水具良好水力联系是塌陷形成的基础条件;（2）自然环境下开口岩溶上方土洞扩展存在水力潜蚀和应力集中破坏两个演化阶段;（3）钻探和桩基施工联通孔隙水和岩溶水的瞬间,孔壁周边松散砂土快速进入临界水力梯度而破坏。桩基施工在覆盖层内的振动荷载和超孔隙水压力,易造成覆盖层整体破坏。在岩溶区施工产生的冲击作用可使岩溶水和孔隙水形成不同步波动,两者存在高水头差,致使覆盖层内砂层在压力差作用下破坏。     

武汉市江夏区大桥新区红旗村黏土盖层岩溶塌陷致塌模式分析

武汉市江夏区大桥新区红旗村文化大道附近发生岩溶塌陷,其上覆盖层为黏土。文章针对该类型岩溶塌陷,结合岩溶发育特征、土体物理力学性质、水文地质条件和人类工程活动等影响因素,对致塌模式进行了综合分析,得出在溶沟底部分布有软塑至流塑状的力学性质较差的红黏土,溶沟底部发育的溶蚀裂隙与下部的溶洞或通道相联通;流塑状红黏土流失至下部岩溶通道中,形成土洞;钻探施工、楼房载荷、振动作用加速黏土体的软化、崩解和溶蚀作用,进而加速土洞向上发展。此外,地基开挖减少上覆黏土厚度,降低了土体抗剪强度,最终在上覆土体自身重力和附加荷载作用下发生塌陷。根据土体受力情况,得出塌陷力学模型,并利用数据进行验证,其验证结果与实际相符合,并结合致塌模式和力学分析提出应增强土体抗塌性能、增加建筑物地基稳定性和减缓岩溶系统水动力因素变化的防治措施。      

河床透-阻型岩溶塌陷形成机理

岩溶塌陷具有突发性,隐蔽性等特点,往往会造成重大灾害。为了预测岩溶塌陷的模式及可能性,以某地区河床塌陷为研究对象,对区域内河床透-阻型盖层岩溶塌陷的形成机理进行分析;并基于潜蚀—失托-重力致塌理论,建立土洞力学模型,对岩溶水位下降时土洞的抗塌系数进行初步评价;进一步采用FLAC^3D数值模拟对计算结果进行验证。研究结果表明该地区河床塌陷为地下水潜蚀作用下形成的土洞塌陷,土洞稳定性与土洞高度、土体物理力学性质、水动力条件变化等因素相关。也表明河床岩溶塌陷往往在附近地下抽排水初期以及土洞形成初期就会发生,一般先于两岸阶地的地面塌陷,可作为大范围岩溶塌陷发生的前兆。     

歌乐山岩溶地面塌陷发育特征

歌乐山为高位岩溶地带,加之近年来人类工程活动加剧,岩溶地面塌陷发生频繁。中梁山山脉沙坪坝行政区段基本覆盖传统意义上歌乐山地区,文章以此为研究范围,搜集以往调查、勘察资料并加以系统分析,旨在研究、总结歌乐山地区岩溶地面塌陷发育特征。研究结果表明,区内岩溶地面塌陷数量呈现逐年递增的趋势,但季节分布不均匀,其空间上主要分布在岩溶较发育、地下水位变动较大、地层岩性碳酸钙含量较高、土层厚度3～8 m的地带;塌陷发育过程分为早期、中期、晚期三个阶段,以潜蚀作用为主导因素。      

岩溶塌陷渗压效应致塌机理研究--以山东省枣庄市岩溶塌陷为例

山东省枣庄市是北方岩溶塌陷的主要发育区之一，该区岩溶塌陷主要分布在十里泉水源地及丁庄一东王庄水源地地下水降落漏斗中心范围内，在发生时间上具有明显的阶段性。第1阶段岩溶塌陷主要原因为抽排地下水引起的“真空吸蚀作用”及“失托加荷作用”；第2阶段塌陷主要原因是降雨入渗诱发产生的渗压效应。渗压效应是由于降水(或地表积水)入渗补给岩溶地下水时，对覆盖层岩土体产生的综合效应，包括静水增荷效应、垂直渗透效应，吸水软化效应以及负压封闭效应。从形成的力学机制上分析，该区第2阶段岩溶塌陷属于降雨入渗-静水增荷-吸水软化型，致塌的力学机制为渗压效应致塌力学机制。     

遵义金塘谷地岩溶塌陷形成机理初步探讨

本文通过对遵义金塘谷地岩溶塌陷特征及塌陷区工程勘察资料的综合分析,在阐述了致塌的内外因素及形成条件后,着重探讨了浮托力、自重力、卸荷张力、冲刷力及冲击力在塌陷中所起的作用,并以此提出了防治措施。     

江夏法泗岩溶塌陷区冲孔桩施工引发岩溶塌陷的成因机理

依托武汉市岩溶地面塌陷区监测系统,开展江夏法泗冲孔桩施工过程裂隙岩溶含水层的水位、水压力和影响半径等关键参数的动态监测,研究施工过程岩溶含水层水压力的动态响应,探讨其诱发覆盖层突然塌陷的成因机理,结果表明:在第四系孔隙承压水含水层施工时,对该含水层的影响较大,但水位变幅相对较为平缓;在碳酸盐岩裂隙岩溶水含水层施工时,由于含水介质的不均一性,未揭穿岩溶通道时,对岩溶水的影响较小;当揭穿岩溶通道时,岩溶水水位可能产生突增,此时,诱发岩溶地面塌陷的风险加大.     

枣庄市十里泉岩溶塌陷机理分析

枣庄市十里泉地区为全国岩溶塌陷地质灾害的主要发生地区.已有文献资料表明,该地区岩溶塌陷是地下水潜蚀、真空吸蚀、重力及荷载等多方面综合作用的结果.本文在此基础上,通过野外地质调查、现场采样和室内试验等手段进行研究,结果表明：枣庄十里泉地区岩溶塌陷发生的机理主要是真空吸蚀,潜蚀作用、重力和荷载因素是次要原因.     

武汉地区浅层岩溶发育特征与岩溶塌陷灾害防治

运用综合分析和数学统计的方法,较为深入地研究了武汉地区浅层岩溶的发育特征。武汉地区存在6个走向 NWW-SEE、各自相对独立的碳酸盐岩条带。根据上覆盖层工程地质性能的差异,划分出5种岩溶地质结构类型。武汉地区浅层岩溶主要类型有溶隙、落水洞及小型溶洞等,钻孔遇洞率46.0%~50.1%,线岩溶率5.93%~6.00%。浅层岩溶带中,1/3的溶洞洞高小于0.6 m,50%小于1.0 m,90%小于3.0 m。1/3的溶洞顶板在基岩面以下2.5 m 以内,50%在4.5 m 以内,90%在12.5 m 以内。溶洞充填物主要是黏土,含有灰岩碎块石。全充填溶洞占70.8%,未充填溶洞约占1/5,半充填溶洞不到8%。全充填溶洞顶板在基岩面以下平均埋深5.13 m,半充填5.71 m,无充填7.69 m,且具有全充填和半充填溶洞埋深较小、无充填溶洞埋深较大的特点,反映出溶洞充填方式是自上而下充填,充填物主要来源于上部覆盖层。武汉地区浅层岩溶为上部“垂直渗流岩溶带”地下水垂直渗流作用下的产物。根据岩溶发育程度的差异,基岩面以下浅部碳酸盐岩在垂直方向上可分为上部强岩溶和下部弱岩溶两个带;岩溶塌陷灾害平面上可划分出高、中、低3个危险性区,各区防治原则不同。高危险区是岩溶塌陷灾害防治的重点,防治的基本原则是阻止上覆粉细砂的流失;中等危险区的防治原则是保护中部老黏土层或红层的完整性;低危险区应注意远城区土洞存在的可能性。各危险区治理应以岩溶地质结构为基础,在防治原则指导下制定相应的防治措施。此外,工程建设中应合理选择和利用弱岩溶带。     

基于层次分析法的城市岩溶塌陷危险性评价——以武汉市南部为例

文章依据武汉市岩溶塌陷形成机理及影响因素,选取岩溶发育程度、土层厚度、覆盖层结构、岩溶水水位波动幅度、抽水井影响、工程施工强度等6个评价因子,构建研究区岩溶塌陷危险性层次分析评价模型,对武汉市南部可溶岩分布区183个岩溶塌陷危险性评价单元进行岩溶塌陷危险性综合指数计算,绘制出了研究区岩溶塌陷危险性等级分区图。结果表明,高危险区有3个,主要集中在研究区西北侧青菱乡毛坦港、长征村-光霞村一带;中危险区有92个,主要为第四系中更新统黏土覆盖型岩溶区;低危险区有88个,包括部分覆盖型岩溶区以及所有埋藏型岩溶区。      

岩溶地下工程施工抽水诱发黏土层地面塌陷机理及临界条件探讨

岩溶地下工程施工抽水容易诱发地面塌陷工程事故,目前关于此问题的研究,主要针对砂性土层,较少涉及黏土层,但大量的抽水致塌事例发生在黏土层。本文分析施工抽水对界面上黏土性质、地下水动力条件的影响,并划分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个影响区。依据“土-水”耦合作用,在Ⅰ、Ⅱ区建立非饱和黏土地面塌陷崩解作用模式及其判据,在Ⅲ区建立饱和黏土地面塌陷潜蚀作用模式及其判据。为了应用于施工抽水实践,推导出潜水非完整孔和承压水非完整孔抽水诱发地面塌陷的临界抽水流量表达式,并计算出南宁地铁工程场地地面塌陷的临界抽水量为17.97 m3?d-1。在场地内进行的现场抽水验证性试验的结果表明此临界抽水量具有一定的工程应用性及参考借鉴意义。      

线性工程岩溶塌陷危险性评价研究

近年来,越来越多的高等级公路、铁路、石油管线等线性工程穿越岩溶发育区,岩溶塌陷已成为这些线性工程建设面临的主要隐患之一。目前,线性工程项目前期都会进行全线地质灾害危险性评价工作,但大部分是定性的,也没有专门针对岩溶塌陷的评价,因此本文从岩溶塌陷的影响因素出发,结合线性工程的各个阶段,从点、线、面三个层次提出线性工程岩溶塌陷危险性评价的方法和指标,并列举了实例,为今后穿越岩溶区的线性工程提供借鉴。面上和线上评价充分利用GIS技术和层次分析法进行。前者适合于地质资料不详细的可行性研究阶段,评价区为线路两侧1km的区域,评价因子有岩溶发育程度、地质构造发育程度、地貌类型、岩溶塌陷、地下河、垂直型岩溶形态、岩溶泉和开采井分布。后者适合于地质资料较详细的初步设计阶段,评价区为线路两侧15m的范围,以基岩岩性、线岩溶率、土层厚度、土层性质、地下水位和地下水位与基岩面的关系作为评价因子。点上评价适合于重点地段,采用岩溶塌陷动力条件与土层抗塌性能相结合的综合分析方法,以反映地下水动力特征的临界坡降、临界速度和临界水位这3个指标作为评价因子。      

湖南省涟源市岩溶地面塌陷特征分析

涟源市属中低山-丘陵地形,区内碳酸盐岩分布面积广,岩溶发育。由于受采煤活动影响,诱发地面岩溶塌陷48处,造成重大经济损失。岩溶塌陷多分布于岩溶采煤区,发生原因主要是矿坑突水、抽排地下水,使地下水位大幅变动,上覆岩土体失去浮托而产生塌陷。     

隐伏岩溶区岩溶塌陷易发程度评价--以泰安为例

岩溶塌陷的形成与隐伏岩溶区特定的地质环境条件密切相关。不同地区或同一地区不同地段，地质结构、水文地质条件的差异对松散盖层中土洞的形成时间、规模、形态等均起着明显的主导作用。因此，充分研究塌陷的形成条件是客观评价其易发性的基础。文章通过对泰安市主要隐伏灰岩富水区地质结构、盖层岩性组成、性状及岩溶发育程度的分析研究，以地质背景条件中的相对不变因素为依据，采用综合指数法对本区隐伏岩溶区岩溶塌陷易发程度进行了预测评价。旨在探索适宜的评价方法，以期为岩溶塌陷防治提供决策依据。     

云南南伞盆地岩溶塌陷机制初探

通过对南伞盆地的主要地质灾害现象———岩溶塌陷的调查研究,分析了该岩溶塌陷的控制条件、影响因素及岩溶塌陷机制。将岩溶塌陷发展演化过程划为三个阶段,分析了岩溶塌陷的发展演化趋势,并结合人工影响因素对岩溶塌陷灾害进行了初步评价。     

Mechanism and mechanical model of karst collapse in an over-pumping area

Through geological investigation of karst collapses at Zaozhuang City, China, it was found that the mechanism of karst collapse in areas of excess water extraction is characterized by a seepage effect and that the seepage-pressure effect is the initial factor that induces karst collapse. The causation mechanisms for karst collapse can be divided into two phases: the inter-collapse phase and the surface-collapse phase. Therefore, based on the limit-equilibrium theory, this paper has established mechanical models for the surface-collapse phase and determined values for the stability of the arch formed by the soil hole in an inter-collapse phase. In addition, an evaluation of a karst collapses at Zaozhuang City, China, was completed using mechanical models. The results show that the mechanical models agree with the theory of karst collapse at Zaozhuang City. Thus, it is proved that the karst collapse models can be used for the evaluation of karst collapse in areas that are over-pumped.