我國南方可溶巖山區(qū)河谷深切,雨水充沛,地下水循環(huán)快,補(bǔ)排周期短,導(dǎo)致巖溶化程度高,裂隙~管道型、管道型巖溶較普遍,水動力場復(fù)雜多變,成為巖溶塌陷高發(fā)區(qū),這對區(qū)域線性工程、城市地下工程建設(shè)影響極大,在工程施工過程中它威脅著施工安全,引起了人們的恐慌。在巖溶塌陷易發(fā)或高發(fā)區(qū),塌陷的原因復(fù)雜,蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)多變,水氣壓力具有突變性。在水與氣的相互驅(qū)動下,蓋層的變形演化過程極為復(fù)雜。研究水氣相互驅(qū)動觸發(fā)巖溶塌陷的過程和機(jī)理具有重要意義。因此,本文以地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人才培養(yǎng)課題“抽水觸發(fā)巖溶塌陷過程與機(jī)理的模型試驗(yàn)研究,課題編號SKLGP2014Z014”及國家自然科學(xué)青年基金“雙層介質(zhì)地下水位升降與氣流相互驅(qū)動及其支持毛細(xì)水再分布,編號41502244”的研究為依托,仍以水動力條件觸發(fā)巖溶塌陷為研究對象,將物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算、元胞自動機(jī)模型等引入本研究中,著重研究了自然界中幾種典型的蓋層結(jié)構(gòu)在水氣相互驅(qū)動下的塌陷機(jī)理。完成的研究工作及取得的研究進(jìn)展如下:(1)基于巖溶塌陷區(qū)的蓋層地質(zhì)條件的總結(jié)分析,結(jié)合蓋層與地下水的關(guān)系,構(gòu)建了幾種典型的蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型,分別為單層透水型、單層阻水型、雙層上阻下透型以及雙層上透下阻型蓋層。(2)單層透水型蓋層的塌陷,主要為降雨或地下水位變化產(chǎn)生的潛蝕作用而形成;單層阻水型蓋層的變形演化過程,主要受到地下水位升降導(dǎo)致下伏相對封閉的空間中氣壓突變的控制;對于雙層上透下阻型蓋層,其主控因素則為上述兩種類型塌陷的組合,先氣壓漸變或突變,隨后出現(xiàn)的潛蝕致塌;但對于雙層上阻下透型蓋層而言,蓋層的變形演化行為十分復(fù)雜,地下水位下降后,下層強(qiáng)透水層中的潛蝕作用、因水位變化而致的水位以上的包氣帶中負(fù)壓吸蝕作用、底部發(fā)育的溶蝕空間中的負(fù)壓吸蝕作用三者同時存在。因此,對上述兩類阻水型蓋層在水-氣相互驅(qū)動下的蓋層變形演化行為和機(jī)理的研究是本文的重點(diǎn)。(3)基于極限平衡理論,普氏理論等給出了單層阻水型蓋層地下水位下降時的穩(wěn)定性系數(shù)和蓋層安全厚度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。利用滲流力學(xué)、空氣動力學(xué)等理論,對上阻下透型蓋層中的真空壓強(qiáng)、包氣帶進(jìn)氣量、排水時間的控制方程進(jìn)行了推導(dǎo),并分析了負(fù)壓吸蝕作用下的潛蝕效應(yīng),提出了臨界水頭高度的計(jì)算公式。(4)利用實(shí)驗(yàn)室自行研制的抽水觸發(fā)巖溶塌陷試驗(yàn)儀,在室內(nèi)分別開展了單層阻水型蓋層在地下水位升降下產(chǎn)生水氣驅(qū)動致塌過程試驗(yàn),通過監(jiān)測封閉空間內(nèi)氣壓的漸變和突變規(guī)律,從而分析此類蓋層的變形演化特征和內(nèi)在機(jī)理。試驗(yàn)過程中再現(xiàn)了真空吸蝕致塌和正壓氣爆的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用數(shù)值模擬試驗(yàn)計(jì)算了典型水位下降過程對蓋層穩(wěn)定性的影響,從而驗(yàn)證物理模擬試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。(5)開展了水氣相互驅(qū)動雙層上阻下透型蓋層變形演化及塌陷過程試驗(yàn),通過對雙層上阻下透型蓋層地下水位下降試驗(yàn)中包氣帶內(nèi)負(fù)壓和溶洞內(nèi)的負(fù)壓的監(jiān)測,深入研究了水氣相互驅(qū)動下蓋層變形演化特征,揭示了其變形演化機(jī)理。利用包氣帶真空值、排水時間等控制方程對物理模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。此外,利用數(shù)值模擬方法對地下水位下降對此類蓋層變形的典型工況進(jìn)行計(jì)算分析,驗(yàn)證物理模型試驗(yàn)的可靠性。(5)首次引入元胞自動機(jī)技術(shù)運(yùn)用于單層透水型蓋層塌陷的研究中,采用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)建元胞空間,建立CA-Collapse模型,對一定潛蝕作用下的此類巖溶塌陷模擬過程進(jìn)行了初步的探討,為巖溶塌陷的預(yù)測預(yù)報研究提供了新的思路,具有一定的理論意義。
【學(xué)位單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P642.25
【部分圖文】：

成都理工大學(xué)博士學(xué)位論文文獻(xiàn)、資料收集與整理巖溶塌陷研究現(xiàn)狀科學(xué)問題：水氣相互驅(qū)動下的蓋層變形演化及塌陷機(jī)理覆蓋型巖溶區(qū)水氣相互驅(qū)動蓋層變形演化及塌陷機(jī)理研究地 質(zhì)結(jié) 構(gòu)模 型構(gòu)建蓋 層 結(jié) 構(gòu) 特 征蓋 層 與 地 下 水 的 關(guān) 系蓋層下伏溶洞發(fā)育特征巖 溶 塌 陷 模 式巖溶塌陷蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型種類構(gòu)建依據(jù)單層透水型 單層阻水型 雙層上阻下透型雙層上透下阻型塌陷臨頂蓋蓋真包排臨地地

圖 2-6 廣州各巖溶礦區(qū)巖溶率隨深度變化曲線（據(jù)廣東省地質(zhì)局）圖 2-7 桂林市區(qū)地表和地下溶洞分布隨高程變化曲線（據(jù)廣西水文隊(duì)）向上開口的巖溶洞隙，是接受塌陷物質(zhì)的門戶和窗口，沒有具備開口的巖洞隙，上覆蓋層一般不會塌陷。大量的數(shù)據(jù)表明，巖溶洞隙與塌陷在垂向上有好的對應(yīng)關(guān)系，大的溶洞往往導(dǎo)致規(guī)模大的塌陷坑，小的巖溶洞隙形成較小規(guī)的塌陷，條狀、線狀溶蝕洞隙將導(dǎo)致線狀的地表塌陷。此外，從區(qū)域上講，巖化程度越高的區(qū)域其塌陷規(guī)模和數(shù)量都較大。我國南方 10 省的塌陷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)明，逾 66%的巖溶塌陷發(fā)生在巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，巖溶化程度高的地區(qū)，而巖溶弱育區(qū)的塌陷個數(shù)少，約占總數(shù)的 3.7%（康彥仁，1992）。對巖溶區(qū)蓋層下伏巖溶發(fā)育特征的概化，即可大致掌握其地下巖溶化空間發(fā)育形態(tài)特征。按巖溶化橫向和垂向的空間分布特征大致可歸納為 4 種類型，別為單層溶洞型、橫向多層溶隙型、豎向單一溶隙型、均布空隙型和網(wǎng)狀溶隙型40

成都理工大學(xué)博士學(xué)位論文水體補(bǔ)給等條件下導(dǎo)致溶洞地下水位上升后，由于蓋層的相對封閉性，溶洞地下水位上方的氣體被壓縮而無法及時與外界大氣連通時，洞內(nèi)氣壓大于外界大氣壓強(qiáng)，所產(chǎn)生的正壓將對蓋層作用垂直向上的致塌力，當(dāng)大于蓋層的抗塌力時，出現(xiàn)塌陷（圖 3-2c）。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2890547