数值模拟在岩溶塌陷预警系统建设中的应用 ——以临沂市城区岩溶塌陷为例

岩溶塌陷是近年来频发的主要地质灾害类型之一,其发生、发展主要受岩溶水不合理开采所致,水位是影响岩溶塌陷的重要因素.文章以临沂市城区岩溶塌陷为例,探讨在建立完善的监测网络基础上,通过水文地质模型模拟城区一带的岩溶塌陷区水位的变化趋势,预测分析可行的地下水开采方案,建立起完整的岩溶塌陷动力预警系统,为减少或避免岩溶塌陷的发生提供了科学依据,也为同类地质灾害的监测、预警、预防提供了借鉴模式.     

基于地下水模型的岩溶塌陷风险性评价方法在临沂市城区的应用

岩溶塌陷是山东省临沂市区最重要的地质灾害类型,一旦发生,会带来较大的经济和财产损失,因此对岩溶塌陷的风险评价十分必要。风险评价包括现状评价和预测评价,主要分3个步骤来完成：危险性评价,易损性评价和期望损失评价。利用地下水流模型确定调采方案下的相关评价因子,预测了岩溶塌陷的风险性。通过比较发现,经过地下水调采后,原岩溶塌陷高风险区范围大为缩小。地下水流数值模型和风险评价方法结合,可以确定合理的岩溶水规划开采方案,对于指导和防治岩溶塌陷具有重要意义。     

山东临沂市城区岩溶塌陷易损性和期望损失评价

岩溶塌陷是山东省临沂市区内最重要的地质灾害类型,由于研究区人口和工矿企业分布集中,社会结构和基础条件多样,岩溶塌陷一旦发生,可能带来的经济和财产损失较严重,本文尝试采用易损性和期望损失评价确定可能遭受岩溶塌陷灾害的各类承载体空间分布与破坏损失率,依据预测塌陷可能造成的破坏损失程度,确定岩溶塌陷的风险分区,以期通过对风险级别较高的地区适时发布岩溶塌陷预警信息,并采取科学的防治方法和应急处理措施,达到降低岩溶塌陷风险和危害的目的,为科学开展岩溶塌陷预警和防治提供参考依据,为国内岩溶塌陷防治工作提供借鉴。     

岩溶区线性工程影响下的地下水监测及数值模拟研究——以广州市金沙洲为例

以广州市金沙洲地区的水文地质条件及地下水位监测结果为基础,应用地下水数值模拟FEFLOW 软件建立了金沙洲地区的地下水系统的数值计算模拟模型。模拟结果表明:（1） 高铁金沙洲隧道施工降水是引起金沙洲地下水流场变化的主要原因,高铁隧道施工大量抽排地下水时,地下水位变化形成以抽水点为中心的降落漏斗;（2） 随着抽水量的加大,形成水位下降漏斗及地下水强径流排泄带,加速地下水对泥沙的搬运动力,增大对岩土体结构的冲刷作用,使与岩溶管道连通的土洞及覆盖层稳定性受到破坏,从而导致地面塌陷的发生;（3） 随着地下水水位的下降,金沙洲一带的软弱淤泥土容易出现排水固结沉降和失托沉降,从而产生地面沉降灾害。      

宁南深层岩溶地下水系统三维数值模拟

宁南“南北古脊梁”岩溶裂隙水系统的储水空间以岩溶裂隙为主,岩溶水的空间分布明显受南北向大型断裂构造控制。根据水动力场和水化学场特征,划分了3个相对独立的岩溶水子系统。通过三维数值模拟计算,确定了马渠—洪河岩溶水子系统天然资源量和可开采资源量,为本区的地下水合理开发利用提供了科学依据。     

从研究岩溶地下水角度分析评价岩溶塌陷的危险性--以南宁坛洛塌陷为例

南宁市是广西岩溶地面塌陷危害十分严重的城市之一。2012年6月2日突发的岩溶地面塌陷主要集中分布在坛洛镇南西方向,形成塌陷坑19个,地裂缝17条,威胁62户共232人,潜在经济损失约870万元。坛洛塌陷多形成于松散盖层厚度小于15 m,地下水位埋深小于20 m,地下岩溶强发育的区段。碳酸盐岩岩溶发育、松散盖层厚度较小和水动力条件（降水、地表水和地下水）复杂为岩溶塌陷产生的必要条件,尤以地下水的作用对岩溶塌陷的形成起至关重要的作用。通过对坛洛地下水动态观测与岩溶塌陷的调查研究确定地下水强径流带,分析评价岩溶地面塌陷的危险性,为岩溶地区的岩溶塌陷危险性勘察、评价工作提供一定指导意义。     

岩溶塌陷预测评价系统及其应用——以唐山岩溶塌陷为例

由于岩溶塌陷的影响因素较多,传统的方法难以对各种影响因素进行量化综合评价,为此,作者以ＧＩＳ为工具,在ＰＣ机上开发研制出了岩溶塌陷预测评价系统,并将之应用于唐山岩溶塌陷评价中。结果表明,该预测评价系统具有较强的综合分析和处理能力,塌陷评判正确率较高,具有广泛的适用性      

宁南深层岩溶地下水系统三维数值模拟

宁南"南北古脊梁"岩溶裂隙水系统的储水空间以岩溶裂隙为主,岩溶水的空间分布明显受南北向大型断裂构造控制。根据水动力场和水化学场特征,划分了 3个相对独立的岩溶水子系统。通过三维数值模拟计算,确定了马渠-洪河岩溶水子系统天然资源量和可开采资源量,为本区的地下水合理开发利用提供了科学依据。     

覆盖型岩溶平原区岩溶塌陷脆弱性和开发岩溶地下水安全性评价——以广西黎塘镇为例

黎塘研究区塌陷脆弱性较高,为科学地开发该区的岩溶地下水,以满足工农业生产、生活需要,本文针对黎塘镇塌陷的主控触发因素为岩溶地下水动态变化这一特点,采用现场实时监测岩溶地下水动态变化特征和室内塌陷模拟试验相结合的方法,将监测结果与当地塌陷的临界条件进行对比来确定开发岩溶地下水的安全性.结果表明,在当前开采条件下,塌陷脆弱性分区与稳定分区并非完全重合:部分高脆弱和较高脆弱区,在目前开采条件下仍处于稳定状态,部分低脆弱区则处于危险状态,并为研究区十多年来塌陷的发育、分布特征所支持印证.据此认为,在塌陷脆弱性较高的地区未必就需要绝对禁止对岩溶地下水的开发,地下水的开发应以不增加当地塌陷的频率、加剧当地岩溶塌陷的危害为前提.     

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

基于FLAC3D的岩溶土洞演化及数值模拟分析

以栖霞市中桥地区岩溶塌陷为研究对象,结合野外钻探、岩矿试验的地质、工程地质资料,采用FLAC3 D软件对"粉质粘土+透水土层+粉质粘土+灰岩"型岩溶塌陷模式进行模拟,通过对地下水位下降过程模拟、土洞开口大小及临界致塌水位降幅的确定,最终得出覆盖层25 m情景下,临界土洞最大安全高度为3.5 m,水位降幅1.20 m。岩溶区土洞的演化及数值模拟分析对于岩溶塌陷预报预警有着重要的理论意义,为保障人民财产安全提供依据。     

城区复杂环境岩溶地面塌陷灾害成因与致灾规律研究——以贵港市北环新村岩溶地面塌陷灾害为例

岩溶地面塌陷是岩溶发育地区常见的地质灾害类型。岩溶塌陷对基础设施和人民生命财产安全构成极大威胁。文章以贵港市北环新村岩溶地面塌陷灾害为例,采用地质分析与颗粒流离散元数值模拟相结合的方法,研究岩溶塌陷成因与致灾规律。结果表明：本次塌陷是由多类因素共同导致,主要包括地质环境、地下水位波动与管道渗漏及工程建设活动等;白云岩、灰岩差异性风化所形成的粉砂质土极易诱发土洞与岩溶塌陷灾害;塌陷灾害可分为土洞形成阶段、土洞发展阶段和土洞塌陷阶段,其土洞规模、形状及影响存在显著差别;土洞形成发展过程中,地表沉降量从塌陷中心向四周逐渐减小,存在明显的沉降敏感区,塌坑边缘的竖向临空面存在拉应力作用,极易再次诱发塌陷。研究成果可为岩溶地面塌陷灾害防控与预警提供一定的理论参考。     

岩溶塌陷预测评价系统及其应用——以唐山岩溶塌陷为例

由于岩溶塌陷的影响因素较多,传统的方法难以对各种影响因素进行量化综合评价,为此,作者以ＧＩＳ为工具,在ＰＣ机上开发研制出了岩溶塌陷预测评价系统,并将之应用于唐山岩溶塌陷评价中。结果表明,该预测评价系统具有较强的综合分析和处理能力,塌陷评判正确率较高,具有广泛的适用性     

论岩溶地下水位对岩溶塌陷形成的控制作用——以山东枣庄市岩溶地面塌陷区为例

枣庄市是山东省岩溶地面塌陷的主要发育地区之一,岩溶地面塌陷灾害连年发生,给当地的生产、生活造成巨大经济损失,已成为该地区经济发展的制约因素。本文对该地区的地质条件、塌陷现状及岩溶地面塌陷的分布规律进行了分析归纳,从中得出枣庄岩溶地面塌陷容易发生在:在第四系厚度为5～10m的地段,时间为每年4～9月份,地势低洼处。本文从压力差的角度,在简要分析岩溶管道的发育程度、盖层条件的基础上,分析了地下水位在枣庄地面岩溶塌陷的控制作用,并以此为依据简要提出了几个防治建议。     

城市地下水赋存环境分析与数值模拟——以长春城区为例

以长春城区为例,分析了城市地下水赋存环境的演变,概化出该区的水文地质概念模型。将土地利用类型和供水管道渗漏对地下水补给的影响纳入城市地下水数值模拟中,经过模型识别,实测水位与计算水位的绝对误差<0.5 m,井点数占观测井总数的85%,经检验满足国家标准(GB/T14497-93)要求。结果表明,模型细化后,水位拟合精度有所提高。     

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。     

复杂岩溶矿区疏干条件下的地下水数值模拟——以福建省马坑铁矿为例

由于岩溶含水介质的空间不连续性及空间异性,复杂岩溶矿区含水介质的概化及涌水量预测一直都是地下水数值模拟的难点。本文以马坑铁矿为例,对复杂岩溶矿区疏干条件下的介质概化进行了研究,以此构建了地下水流数值模拟模型,并利用地下水位动态及涌水量资料对模型进行识别和验证,然后分别对矿区未来+100m、0m开采水平的矿坑涌水量进行了预测,结果表明:+100m、0m开采水平的矿坑涌水量分别为36900m3/d、38250m3/d,可见目前矿区疏干仍面临较大压力,应尽快采取多种措施以降低地下水位,保证采矿安全。      

地理信息系统(GIS)技术在地质灾害信息管理系统中的应用——以桂林市岩溶塌陷信息系统为例

地理信息系统（ＧＩＳ）作为当前计算机应用的一个重要分支日益引起人们的重视,其强大的空间数据分析处理和显示功能也日渐为人们所认识。本文以桂林市岩溶塌陷信息系统为例,详细介绍了地理信息系统（ＧＩＳ）技术在地质灾害信息管理系统中的应用。系统涉及桂林市建国以来２００余次塌陷事件、数千个塌陷坑的详细资料记录,内容包括:塌陷时间、地点、规模、原因、基岩岩性、土层性质、地下水特征、人类抽水活动、人类工程活动、受灾损失以及相关照片、图件等。同时,还录入了有关桂林市岩溶塌陷的基础地质图件。本系统具有强大的图文检索、查询、统计分析及专题图制作功能,可方便快捷地为有关部门制定发展规划、抢险救灾以及塌陷研究提供所需的图件、数据等资料,也为今后建立全国岩溶塌陷信息系统打下良好的基础。      

一种复合型岩溶地面塌陷的形成机理——以武汉市烽火村塌陷为例

以武汉市烽火村岩溶地面塌陷为例,在对大量地质资料统计分析的基础上,将岩溶地面塌陷坑的发育形态与其形成机理相结合,借助室内大型物理模型试验研究和FLAC^3D数值模拟研究结果,从分析砂层中扰动带和土洞发育及其破坏方式入手,通过对单一扰动带和土洞发育形态的分类,以及扰动带和土洞之间相互干扰和联合的分析,综合提出了一种复合型岩溶地面塌陷的形成机理。岩溶地面塌陷分为小型塌陷和大型塌陷两大类,小型塌陷是单个扰动带和土洞发育的结果,大型塌陷是多个扰动带和土洞共同发育、相继失稳的结果。     

岩溶矿床疏干区地下水位恢复对岩溶塌陷作用机制的研究——以湖南宁乡大成桥为例

截止2016年底,大成桥疏干区在地下水位恢复过程中共发生了17起岩溶塌陷,文章结合地下水动态监测、水文地质钻探成果以及现场调查资料等,研究地下水恢复特征及其对岩溶塌陷的作用机制,为研究区塌陷的预警防治提供科学依据。结果表明:研究区岩溶塌陷集中在河流两岸阶地和麻枣冲沟中;岩溶塌陷发生顺序为先补给区后径流区,与地下水恢复动态过程密切相关;区内地下水恢复过程可分为4个阶段,不同阶段岩溶塌陷机理可分为渗流潜蚀-气爆效应,负压吸蚀效应,软化增荷-挤压-吸蚀效应和软化-崩解效应等4种力学效应组合,不同力学效应作用下的致塌模式有所不同。其中地下水位在基岩面附近4~5 m范围波动更容易引发岩溶塌陷。目前补给区地下水位标高63.95~71.8 m,高于基岩面5~6 m;径流区为42.8~57.7 m,位于基岩面以下4~17 m,因此须密切观测研究区地下水位变化。