浅谈岩溶塌陷的影响因素与模型研究

浅谈岩溶塌陷的影响因素与模型研究

赵博超1,朱 蓓2,王弘元2,赖柄霖3

【摘 要】文章分析了国内外岩溶塌陷形成机理的研究现状,指出岩溶塌陷机制的多样性以及成因的复杂性;介绍了岩溶塌陷的三个基本条件,以及分析了岩溶发育、地下水位降低、地下水补给、岩土性状、地质构造、人类活动等重要因素对岩溶塌陷的影响机理;介绍了岩溶塌陷的相关数学模型研究的理论和方法,以及相关物理模型现阶段进展。展望岩溶塌陷的进一步研究方向,应着眼于结合多领域综合分析,完善定量研究体系和模型试验的功能。如今岩溶地区地下资源开采日益增多,通过对岩溶塌陷的形成机理和预测技术的基础性研究,深度了解岩溶塌陷的特征规律,既是社会发展需求,也具有推进相关领域学术研究的意义。 【期刊名称】中国岩溶 【年(卷),期】2015(000)005 【总页数】7

【关键词】岩溶;塌陷;形成机制;影响因素;数学模型;模型试验 【

文

献

来

源

】

https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_carsologica-

sinica_thesis/0201252313812.html

0 引 言

近几十年来,随着经济的快速发展、工农业生产和人民生活用水量的增加,地下水抽取与坑道排水越来越频繁,从而使岩溶塌陷日益增多。作为我国六大地质灾害之一,岩溶塌陷一直受到国内外相关学者的高度重视。但由于岩溶塌陷的发生具有突发性、隐蔽性、多因素性、不确定性、模糊性,无论其产生的背景条件、机理还是孕育发展的过程都存在着一定的争议,缺乏统一的、系统的、权威的理论

[1]。基于此,本文梳理了国内外对于岩溶塌陷认识的发展,总结了促使其发生的影响因素,介绍了目前通过数值模拟和物理试验所取得的对岩溶塌陷进一步认识的成果,以期为岩溶塌陷的研究提供参考。

1 岩溶塌陷形成机制研究

1.1 岩溶塌陷的形成

岩溶塌陷的形成机制极其复杂,重力、水动力、气动力、振动力等都是导致塌陷的力,即使是同一个塌陷,也可能是多成因的。徐卫国等[2]对岩溶地区(矿区)由于采矿排水、矿井突水、水资源开发等引起的岩溶塌陷提出“真空吸蚀论”;田级生等[3]倾向于渗透潜蚀作用;代群力[4]的“共振论”认为对于具弹性介质的盖层,当地下水或气压波动与盖层固有频率一致时,将会出现共振现象,引发塌陷,对于松散岩土的盖层,地下水或气压的波动,可以通过松散土粒间空隙内压力大小的变化对盖层产生破坏,其特例即岩溶塌陷的“液化论”。这些理论多是针对某一类诱发因素或现象,难以全面地对岩溶塌陷机理做出合理解释,存在一定的争议。何宇彬等[5]提出潜蚀、吸蚀、气爆,重力作用、地震作用等不足以视为塌陷的机理,真正引起塌陷的机理是水流的水动力条件变化;陈国亮等[6]提出当地下水位变动时产生的压强差效应是导致塌陷的主要成因机理,压强差效应既有压强差的作用,又有由此而产生的潜蚀和气蚀作用,而并非单一的真空负压或潜蚀(管涌);左平怡[7]将形成塌陷的力概括为垂向力与侧向力、塌力和抗塌力,提出塌陷实质上是塌力和抗塌力综合作用的结果,不同力在塌陷形成阶段中所起的作用也不同。康彦仁[8]总结提出了8种基本的岩溶致塌模式,即重力致塌式、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,即利用多种机制致塌模式研究各种条件下致塌力的作用效果。李前银[9]分

析了“潜蚀论”和“真空吸蚀论”的理论基础和实验数据,认为研究岩溶塌陷,不能离开覆盖土层的物理力学性质,土层物理力学性质不一,变形破坏方式也不一样。岩溶塌陷的形成发生是多种作用的共同结果,同时提出了“溯源潜蚀”和“土体流变”的观点。Arthur N PALMER等[10]指出天坑大部分空间体积的形成都是地下河大规模搬运崩塌堆积物的结果。强烈变化的大流量是搬运崩塌堆积的最佳条件,而暗河通道的改道和扩大又进一步加强了塌陷作用。

按岩溶塌陷成因机制分析,其产生的根本原因是盖层的部分土体受力失稳破坏,塌陷体受到的致塌力超过抗塌力,各种致塌力形成多种力学效应,构成不同的塌陷模式。所以岩溶塌陷的形成是多机制的,单一成因论只能解释某些特定条件下所形成的岩溶塌陷[11]。岩溶地质环境的平衡条件就是岩溶塌陷形成的基本条件,主要有一定发育程度的岩溶、岩溶上方一定厚度的岩土体和岩溶地下水系统三个方面[12]。 1.2 岩溶发育

国内外学者都对岩溶的空间分布及发育特征规律做了研究[13]。岩溶塌陷的最基本条件便是岩溶发育,也是影响塌陷产生的最重要因素。何宇彬(1962年)、卢耀如(1965年)等人最早对我国广西凤凰山等南部地区岩溶发育规律做了研究;任美锷(1979年)后又对岩溶地貌类型的地带性规律进行了精辟论述,提出深部岩溶的成因类型[14];沈继方(1987年)引入了现代沉积学的理论针对清江流域的岩溶发育做了系统的研究,探讨了岩溶地质条件的演变和发育期[15];杨立铮等[16](1985年)又对地下河处的岩溶发育规律做了典型研究。 1.3 岩溶的覆盖层

岩溶的覆盖层是岩溶塌陷的重要物质体。岩溶上方的土体厚度受众多因素的影