（地质工程专业论文）黄土洞穴物理潜蚀机理试验研究.pdf

摘要 作为一种特殊的地质灾害，黄土洞穴对人类居住环境、工程活动危害十分巨大。它 不但直接造成严重的水土流失，而且可加剧甚至于诱发地裂缝、泥石流、滑坡等灾害的 发生与发展，最直观地表现在洞穴侵蚀造成的严重水土流失以及黄土洞穴对公路、铁路、 油气输送管道、民居等工业与民用建筑等诸多方面的危害。因此对黄土洞穴物理潜蚀机 理进行试验研究，具有重大的理论和实践意义。 本文首先就目前国内外容易混淆的关于潜蚀及其相关概念进行了必要的辨析和澄 清，通过对潜蚀、管涌、渗透压密、流土、突涌、流砂、地下冲蚀、洞穴侵蚀等各种潜 蚀作用相关概念内涵和外延的严格界定，初步建立了清晰的各种潜蚀作用概念模型。在 此基础上以管涌、渗透压密、流土、突涌等典型的潜蚀作用为主要对象，通过理论推导， 对各种作用的激发条件及其影响因素进行了初步研究，对各种潜蚀作用的特征进行了全 面总结，通过物理模拟和数值模拟，揭示了黄土地层突涌破坏的特征、流网形态及影响 因素。针对黄土洞穴侵蚀速率开展了相关试验研究，将黄土洞穴侵蚀过程概化为快速侵 蚀阶段、速率骤减阶段、慢速均匀侵蚀阶段及重力侵蚀阶段等四个特征阶段；定量揭示 了初始干密度、初始含水率等因素与黄土洞穴侵蚀速率的关系；揭示了初始过水断面形 态对黄土洞穴侵蚀特征的影响；发现黄土洞穴迅速侵蚀过程是以洞内跌水这种侵蚀方式 为主的这一事实；首次明确了洞底侧蚀的特征及发生条件，指出洞底侧蚀侵蚀速率虽小， 但就长远来看，意义重大；提出了黄土洞穴侵蚀基准面的概念；揭示了黄土洞穴侵蚀的 “自适应趋稳特征 和“相对均衡状态”及其影响因素，指出洞穴的自适应趋稳特征是 阶段性的和暂时性的，侵蚀是长期的和绝对的，而均衡状也是暂时的和相对的。 关键词：潜蚀、黄土洞穴、突涌、流网、侵蚀速率 a b s t r a c t a sas p e c i a l g e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，l o e s s c a v eo nt h eh u m a nl i v i n ge n v i r o n m e n t , e n g i n e e r i n ga c t i v i t i e sa g a i n s th u g e i ti sn o to n l yad i r e c tr e s u l to fs e r i o u ss o i le r o s i o n ，a n dc a n e x a c e r b a t eo re v e ni n d u c ec r a c k s ，m u df l o w s ，l a n d s l i d e sa n do t h e rd i s a s t e r sa n d d e v e l o p m e n t , t h em o s td i r e c tr e s u l to fs u r f a c ee r o s i o ni sas e r i o u ss o i le r o s i o nc a v ea n dl o e s sc a v eo nt h e r o a d ，r a i l ，o i la n dg a st r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e s ，h o u s e sa n do t h e ri n d u s t r i a la n dc i v i lb u i l d i n g s ， a n dm a n yo ft h ee v i l t h e r e f o r e ，t h ep o t e n t i a le r o s i o no ft h el o e s sc a v e p h y s i c a lm e c h a n i s mo f e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，i so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ef i r s ta th o m ea n da b r o a da n de a s i l yc o n f u s e da b o u tt h ee r o s i o na n dr e l a t e d c o n c e p t sa r en e c e s s a r yt oc l a r i f y , t h r o u g ha n a l y s i ss u b e r o s i o n ，p i p i n g ，s e e p a g ec o m p r e s s i o n ， f l o w i n gs o i l ，s o i l - b u r s t ，f l o w i n gs a n d ，u n d e r g r o u n ds c o u r , t u n n e le r o s i o n ，e t c v a r i o u sc a v e e r o s i o na n df u n c t i o no ft h er e l a t e dc o n c e p tc o n n o t a t i o na n dd e n o t a t i o n ，e s t a b l i s has t r i c t d e f i n i t i o no fe r o s i o na n dr o l eo fc l e a rc o n c e p tm o d e l o nt h eb a s i so ft h ep i p i n gi ns e c r e t ， o s m o t i cp r e s s u r e ，f l o w , e t c ，t h et y p i c a lr o l ea st h em a i no b j e c te r o s i o n ，t h r o u g ht h et h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n ，t h er o l eo fv a r i o u sc o n d i t i o n sa n df a c t o r ss t i m u l a t ep r e l i m i n a r ys t u d yw a sc a r r i e d o u to nt h ec r e e pe f f e c t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p r e h e n s i v es u m m a r y , t h r o u g ht h e p h y s i c a ls i m u l a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dr e v e a l st h ef o r m a t i o no fl o e s s ，d i s c u s s e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o r p h o l o g ya n di n f l u e n c i n gf a c t o r s i nl o e s se r o s i o nr a t ei nt h er e l a t e d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，l o e s se r o s i o np r o c e s si sr e d u c e dr a t e ，r a p i de r o s i o ns t a g es t a g e ，s l o w u n i f o r me r o s i o ns t a g ea n df o u rc h a r a c t e r i s t i c so f g r a v i t ye r o s i o ns t a g e ；q u a n t i t a t i v er e v e a l st h e i n i t i a ld r yd e n s i t y , t h ei n i t i a lf a c t o r ss u c ha sl o e s sa n dw a t e re r o s i o nr a t e ；r e v e a l st h ei n i t i a l w a t e re r o s i o no fl o e s sp r o f i l ef e a t u r e ，f o u n di nl o e s se r o d e dr a p i d l yd u r i n gt h ee r o s i o no ft h e h o l et o p l u n g e t h ef a c tt h a t w a y , t h ef i r s t c l e a rt h eh o l eb o t t o ms i d eo fc a v i t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n d i t i o n s ，a n dp o i n t e do u tt h eh o l es m a l le r o d e de r o s i o nr a t e ，b u ti nt h e l o n gr u n ，i so fg r e a ts i g n i f i c a n c e ，p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fl o e s se r o d e dd a t u m ，r e v e a l st h e l o e s se r o d e d ”a d a p t i v es t a b i l i s e df e a t u r e s ”a n d ”r e l a t i v ee q u i l i b r i u m ”a n di t s i n f l u e n c i n g f a c t o r s ，p o i n t so u tt h a tt h ea d a p t i v es t a b i l i s e dc a v ec h a r a c t e r i s t i c si st i m e l ya n dt e m p o r a r y , e r o s i o ni sl o n ga n da b s o l u t e ，a n di st e m p o r a r ya n dr e l a t i v e k e yw o r d s ：s u b - e r o s i o n ；l o e s sc a v e ；s o i l b u r s t ；d r i f tn e t ；e r o s i o nr a t e 长安大学硕士学位论文 1 1 国内外研究历史回顾 第一章绪论 潜蚀( s u b e r o s i o n ，s u b g r o u n de r o s i o n ，u n d e r g r o u n de r o s i o n ) 泛指在地表以下地下水 的作用下使地层发生的各种形式的侵蚀，主要包括物理潜蚀( p h y s i c a ls u b e r o s i o n ， p h y s i c a ls u b g r o u n de r o s i o n ) 和化学潜蚀( c h e m i c a ls u b e r o s i o n ) 两种主要类型。在地质 学领域，早在1 8 8 6 年v o nr i c h t h o f e n 研究黄土地貌时就曾注意到黄土地层中的潜蚀现象。 1 8 8 8 年c u s s e n 发现在新西兰怀卡托河盆中的冲积层中存在大量竖向漏斗状洞穴，并推断 这些洞穴是由地下水通过地下土层时所形成的，地下水通过这些冲积土层时，先在地下 形成孔洞，进而发展成地下河，从而实现对地下松散物质的侵蚀搬运。同时，他推断含 有碳酸的水在经过地下松散堆积物时也可能对其具有一定的溶解作用。1 8 9 5 年印度曾有 人在实验室对洞穴潜蚀这一现象进行过一些研究( b l i g h1 9 1 0 ；c l i b b o m1 9 0 2 ) ，随后 h a w o r t h ( 1 8 9 7 ) 、j o h n s o n ( 1 9 0 1 ) 在研究堪萨斯州西部自然地理时也曾提到潜蚀作用 的影响；1 9 1 4 年c o l l i e r 曾报道过东俄勒冈州潜蚀洞穴，同年h u n t i n g t o n 在研究美国旱地 气候时也提到该地区的潜蚀洞穴，1 9 1 7 年g r e g o r y 在研究美国印第安纳瓦霍地质时对该 区的潜蚀洞穴也有提及。此后，许多地质学、地貌学、气候学、地理学、水土保持等领 域的诸多学者在进行研究工作的过程中，有意无意地对世界各地的潜蚀现象都有所提 及。虽然在1 9 6 3 年以前并没有出现针对潜蚀进行专门研究的较为系统的文献，但至少表 明了在中i 垂l ( c l a p p ，1 9 2 2 ；f u l l e r , 1 9 2 2 ；t h o r p ，1 9 3 6 ) 、澳大利3 1 ! ( d o w n e s ，1 9 4 6 ，1 9 4 9 ，1 9 5 6 ， 1 9 5 9 ) 、玻利维、- 1 1 7 ( d o b r o v o l n y , 1 9 6 2 ) 、哥伦比亚( b u c k h a ma n dc o c k f t e l d ，1 9 5 0 ；c o c k f i e l d a n db u c k h a m ，19 4 6 ) 、夏威夷( k i n g s b u r y , 19 5 2 ) 、伊朗( l e g g e t t ，19 3 9 ；n o td i s c u s s e db u t s h o w ni nap i c t u r eo f m a k r a nc o a s t ) 、新西兰( c u m b e r l a n d , 1 9 4 4 ；g i b b s ，1 9 4 5 ) 、南非( k i n g ， 1 9 5 1 n o td i s c u s s e db u ts h o w ni ns e v e r a lp i c t u r e sf r o mb a s u t o l a n d ) 及美国的亚利桑那州、 加利福尼亚州、蒙大拿州、内华达州、新墨西哥州、北达科他州、俄勒冈州、南达科他 州、怀俄明州等世界各地的国家和地区普遍都有黄土潜蚀洞穴的发生。 1 9 6 3 年b r y a n 首次较为系统地报道了潜蚀现象，认为潜蚀是沿着粉砂质土、弱固结 粉砂岩、泥岩或同类基岩土层或岩层内部的渗流排泄通道而发生的，指出了地下径流侵 蚀对地貌塑造和土壤侵蚀的重要性。尤其是潜蚀现象在干旱地区的土层中广为分布，在 一些地区会造成严重的土壤侵蚀问题。随后p a r k e r 和j e n n e 在1 9 6 7 年、b e l l 在1 9 6 8 年、h e e d e 第一章绪论 在1 9 7 1 年都相继报道了美国干旱地区的潜蚀现象，1 9 8 0 年g i l m a n 和n e w s o n ，1 9 8 1 年 j a a j o n e s 报道了在大不列颠湿润地区的潜蚀现象。1 9 8 2 年一些研究报告报道了在b r y a n 和y a i r 干旱半干旱地区的潜蚀作用。二十世纪六十年代到七十年代之间，关于盆地产流 复杂性的证据越来越多，而这一时期有关地下径流对暴雨水力学特性响应的证据也开始 出现( j t l w h i p k e y l 9 6 5 ，h e w l e t t 和h i b b e r t l 9 6 7 ，k i r k b y 和c h o r l e y l 9 6 7 ，r a g a n l 9 6 8 ，b e t s o n 和m a f i u s l 9 6 9 ，d u n n e 和b l a c k l 9 7 0 ) 。与此同时，在不同气候区不同土壤类型中有关潜 蚀特征的报道也越来越多( ! t l b e r r y l 9 6 4 ，w a r d l 9 6 6 ，j o n e s l 9 7 1 ，h e e d e l 9 7 1 ，t e m p l e 和r a p p l 9 7 2 ，b a i l l i e l 9 7 5 ) ，这些研究引起了关于潜蚀重要性的越来越多的讨论。同时， 地下径流和潜蚀过程及其与潮湿高沼地水力学过程的关系、荒地地貌的关系、与半干旱 地区土壤侵蚀的关系也引起了人们广泛的兴趣( j o n e s ，1 9 7 8 ，1 9 8 1 ，1 9 8 4 ，1 9 8 7 ，1 9 8 8 ， 1 9 9 1 ，1 9 9 4 ，1 9 9 7 ；h u m p h r y s ，1 9 7 8 ；b r y a n ，1 9 7 8 ：w h i p k e y , 1 9 7 8 ：g i l m a n ，1 9 8 0 ；m a s a n n a t ， 19 8 0 ；s t o c k i n g ，19 81 ；b r y a n ，19 8 2 ；t a n a k a ，19 8 2 ；h a r v e y , 19 8 2 ；m c c a i g ，1 9 8 3 ：h i g g i n s ， 1 9 8 4 ，1 9 9 0 ；w i l s o n ，1 9 8 4 ；c r o u c h ，1 9 8 6 ；w o o ，1 9 8 7 ；w a l s h ，1 9 8 8 ；b e n i t o ，1 9 8 8 ；p a r k e r , 1 9 9 0 ；b o u c h e r ，1 9 9 0 ；d u n n e ，1 9 9 0 ；r i c h a r d s o n ，1 9 9 2 ；b i l l a r d ，1 9 9 3 ；g u t i 6 r r e z ，1 9 9 7 ；) ， 其结果引起了首批关于潜蚀水力学意义及地貌学意义方面的研究热潮( 朱同新，1 9 9 2 ， 19 9 7 ；e v a n s ，19 9 9 ；t e m a n ，1 9 9 8 ；h o l d e n ，2 0 0 0 ；g u e r r a ，2 0 0 4 ；v a n w a l l e g h e m ，2 0 0 4 ； f a u l k n e r , 2 0 0 4 ；b o r k , 2 0 0 4 ；v a n w a l l e g h e m , 2 0 0 5 ；f a u l k n e r , 2 0 0 6 ，李喜安、彭建兵、 陈志新，2 0 0 9 ) 。 国内关于地下潜蚀方面的研究多集中于黄土洞穴侵蚀的成因上，其观点主要有机械 侵蚀说、溶蚀说、多因素综合成因说等三种。机械侵蚀的观点认为黄土暗穴的形成是流 水沿黄土劈理下渗或从动物洞穴灌入地下而发生地下机械侵蚀引起的( 罗来兴，1 9 5 6 ) ， 因为陷穴发育的地区总是在沟边、塬畔、黄土裂隙众多的地点( 朱显谟，1 9 5 8 ) ；陷穴 形成的主导因素除因土状堆积物的性质、径流的局部集中外，与地面的波折、地下裂点 及暴雨性质也有关系( 杨怀仁，1 9 5 7 ) ，并把陷穴的形成与沟头的形成联系起来，认为 其与沟蚀作用相似。溶蚀观点认为黄土暗穴是一种碎屑喀斯特，是由于地下水的溶蚀及 胶体土粒被重力水悬浮而流失，加上崩塌作用所成的( 陈传康，1 9 5 6 ) ，并把黄土柱、 黄土墙、黄土塔和陷穴、盲沟等侵蚀形态与喀斯特地区的地形相比，称为“假喀斯特( 或 黄土喀斯特) 9 9 0 多因素成因观点认为陷穴形成过程中既有机械作用，也有化学作用， 它是这两种共同作用的产物。就这两种作用的影响大小比较而言，以机械作用为主，尤 其是保证土粒能被运移的缝隙存在，起了决定性作用( 陈永宗，1 9 5 8 ) 。到了二十世纪 2 长安大学硕士学位论文 八、九十年代，我国的一些学者对黄土洞穴的成因及分类也进行过进一步探讨，取得了 一些较有实际应用价值的重要成果。在此期间较有影响的观点有：王斌科( 1 9 8 8 ) 认为 黄土物质结构疏松，垂直节理发育，遇水容易崩解，这是洞穴形成的内在原因。适宜水 流积聚和排泄的地形，土层的抗冲蚀性差异及土内裂隙的存在是陷穴形成的基本条件， 并将黄土洞穴划分为陷穴、跌穴及其派生残余形态和水涮窝四种类型，基本上仍是机械 侵蚀为主，是机械侵蚀成因观点的深化。王景明( 1 9 9 6 ) 研究认为构造节理控制了相应 地区的黄土喀斯特及潜蚀地貌形态、展布方向和发育程度，是黄土喀斯特和潜蚀地貌的 重要构造基础，发展了多因素成因的观点，并对黄土喀斯特的特征及其演化过程进行了 阐述。另外，孙建 ( 1 9 9 6 ) 也曾在“黄土高原第四纪”中对陷穴与湿陷性问题进行过有益 探讨。彭建兵、李喜安( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 对黄土洞穴的成因进行了较 为系统深入的研究，认为黄土的疏松结构、渗透性、湿陷性和崩解性等特性是黄土洞穴 形成的根本内在因素，黄土地貌、黄土地层厚度、地层结构特征、地质构造条件、水文 地质条件等是形成黄土洞穴重要的外部条件，而水则是对黄土或黄土地层以一定的方式 通过一定的途径进行侵蚀而最终形成黄土洞穴的源动力。在黄土洞穴形成的过程中，水 对洞穴壁上黄土的直接作用主要有冲蚀作用、潜蚀作用、崩解作用等，间接作用主要是 由其所引起的重力崩塌作用以及其它作用。不同种类的黄土洞穴，其成因机理不尽相同。 同一种类的洞穴在其不同的发展演化阶段其侵蚀机理也会有较大差异，甚至对于同一洞 穴的不同部位，其侵蚀机理也常常差异较大。黄土洞穴的形成机理是一个十分复杂的物 理化学过程，其作用对象是疏松多孔的具有特殊结构的强湿陷性、强崩解性和渗透性的 黄土，作用途径是黄土地层中发育的垂直节理、构造节理、卸荷节理、湿陷节理等等强 径流通道或强渗流通道，作用方式主要以水的冲蚀作用和潜蚀作用为主，兼有湿陷作用、 崩解作用、重力作用、风化作用、生物作用等一系列综合因素的影响。他们通过详细观 察，将黄土洞穴的形成演化过程分为以湿陷和潜蚀为主的孕育期、以潜蚀和冲蚀作用为 主的形成期、以冲蚀为主扩大洞径的发展期、以重力坍落和冲蚀为主的破坏期以及趋于 自稳平衡的消亡期等5 个阶段( 李喜安，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 。 在工程地质领域，关于潜蚀的研究最早且以后也大多数是同绕着渗流对堤坝、围堰、 基坑工程的渗透变形和渗透破坏展开的，其中以对管涌的研究最为广泛而深入。1 8 9 8 年， 印度恒河的n a r o r a 大坝因管涌而发生溃决，这次事故首次引起了工程地质界对管涌现象 的普遍关注。早在1 9 0 5 年，b u c k l e y ( 1 9 0 5 ) 认为围堰是否发生管涌破坏只与渗流路径的长 度有关，提出了蠕变系数的概念，并且首先提出了总梯度方法，他将总水头梯度定义为 第一章绪论 每单位长度的水头损失，蠕变系数的倒数就是总水头梯度。b l i g h ( 1 9 1 0 ) 基于大量的管 涌破坏的现场研究，提出了抵抗管涌破坏临界水力梯度的经验公式。并根据地基土的类 型不同，给出了经验值。t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) 基于土体中垂向力的平衡的分析，提出了著名 的公式计算临界水力梯度。他在模型试验中观察到了在渗流作用下表层下部的侵蚀和体 积的隆起两个过程，即首次通过试验模拟了管涌和流土两种现象，指出双层地基弱透水层 下的渗透力超过其上部弱透水层有效重量( 浮容重) 时，就会发生流土，同时提出了用 反滤层保护渗流出口防止管涌侵蚀的原理，给出了第一个反滤层设计的准则。l a n e ( 1 9 3 5 ) 考虑了流线的垂直运动和孔隙介质的各向异性，发展- j b u c k l e y 和b l i g h 的计算模型，分 析了2 0 0 多个构造物，建立了经验公式确定蠕变系数，并给出了经验值。k h o s l a ( 1 9 3 6 ) 提 出了在约束流中各种不同边界条件下临界水力梯度的确定方法。c a s a g r a n d e ( 1 9 3 7 ) 描 述过与渗流有关的内部侵蚀引起的土质岸堤失稳，并且给出了根据流网计算临界水力梯 度的公式。此后c h u g a e v ( 1 9 5 8 ) 、d a v i d e n k o f f ( 1 9 7 0 ) 、k h i l a r ( 1 9 8 5 ) 、s h e r a r d ( 1 9 7 6 ) 、 s e l l m e i j e r ( 1 9 9 1 ) 、吴良骥( 1 9 8 0 ) 、w e i j e r s ( 1 9 9 3 ) 、k o e n d e r s ( 1 9 9 2 ) 、o j h a ( 2 0 0 3 ) 、刘杰( 1 9 9 2 ) 、 沙金煊( 1 9 8 1 ) 、刘忠t , _ ( 2 0 0 1 ) 、陆培炎( 2 0 0 1 ) 、p e t e r ( 1 9 7 4 ) 、s h e r a r d ( 1 9 7 6 ) 、l e o n a r d s ( 1 9 9 1 ) 、i n d r a r a m a ( 1 9 9 6 ) 、曹敦 吕( 1 9 8 5 ，1 9 9 7 ) 、陈建生、李兴文( 2 0 0 0 ) 、林志( 2 0 0 1 ) 、 刘建冈u ( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 、滕凯( 2 0 0 3 ) 等国内外许多学者围绕管涌发生的水力坡度曾展开过 广泛的研究。自从t e r z a g h i ( 1 9 2 2 ) 开展管涌的模型试验以来，包括t e r z a g h i 本人( 1 9 2 5 ， 1 9 4 3 ) 的大批研究者女i b a n t ( 1 9 4 9 ) 、s c h m i d b a u e r ( 1 9 5 0 ) 、m a r s l a n d ( 1 9 5 3 ) 、e h s s ( 1 9 6 0 ) 、 s e n t k o ( 1 9 6 1 ) 、n a k a j i m a ( 1 9 6 8 ) 、k e z d i ( 1 9 7 6 ) 、k a e l i n ( 1 9 7 7 ) 、z y l ( 1 9 7 9 ) 、沙金煊( 1 9 9 1 ) 、 s k e m p t o n 和b r o g a n ( 1 9 9 4 ) 、s k e m p t o n ( 1 9 9 4 ) 、张家发( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) 、殷建华( 1 9 9 8 ) 、 朱伟( 1 9 9 9 ) 、林志( 2 0 0 1 ) 、冷元宝( 2 0 0 1 ) 、陈东平( 2 0 0 1 ) 、易朝路( 2 0 0 2 ) 、李守德( 2 0 0 3 ) 等相继进行了大量的试验和模拟工作。另外，t e r z a g h i l 9 3 1 年曾就m i s s i s s i p p i 盆地由于下 伏沙层的潜蚀造成的地面沉降进行过研究。 除此之外，b r y a n 、p r i c e ( 1 9 8 0 ) 、t s u k a m o t o ( 1 9 8 2 ) 、b a l t e a n u ( 1 9 8 6 ) 曾先后就 滑坡与潜蚀的关系进行过一些研究。地下水排水不畅所产生的高孔隙水压力是发生大块 体侵蚀的一个主要原因，因此一些学者已经注意到洞穴侵蚀与边坡稳定性这二者的有机 联系。当存在地下洞穴系统时，地下渗流可被洞穴系统所截获，洞穴系统也可引导地表 水向坡下排泄，这一过程可以使得孔隙水压力降低从而降低滑坡的危险性。然而，如果 洞穴系统不连续( s i d l e 1 9 8 6 ) 或因为塌陷阻滞而使得洞穴系统内部水流不畅，则往往会迅 速形成巨大的静水压力而导致边坡破坏( t s u k a m o t o ，1 9 8 2 ) 。王家鼎( 2 0 0 2 ) 、t s u k a m o t 4 长安大学硕士学位论文 ( 1 9 8 2 ) 、水山高久( 1 9 9 1 ) 、内田太郎( 2 0 0 2 ) 也曾提及边坡上发育的洞穴侵蚀，认为 其对边坡的稳定性有所影响。彭建兵、李喜安等( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ，2 0 0 9 ) 曾指出黄土洞穴的发生与黄土地区的滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝等地质灾害具有十分 密切的关系。国外一些学者如m e g a h a n ( 1 9 7 7 ) 、r e i d ( 1 9 8 4 ) 、o r e n d a i n ( 1 9 8 6 ) 、h a r d e n ( 1 9 9 2 ) 、m o n t g o m e r y ( 1 9 9 4 ) 、c r o k e ( 2 0 0 1 ) 、l u c e ( 2 0 0 1 ) 、j u n g e r i u s ( 2 0 0 2 ) 、n y s s e n ( 2 0 0 2 ) 在一些文献中也曾对洞穴侵蚀与道路工程的关系进行过讨论。彭建兵、李喜安 首次将黄土洞穴作为黄土高原一种独特的地质灾害灾种，就黄土洞穴的分布规律( 彭建 兵，李喜安，2 0 0 5 ) 、黄土洞穴对公路的危害( 李喜安，彭建兵，苏生瑞，) 、黄土洞穴 稳定性评价( 彭建兵，李喜安，孙萍，陈立伟，邓亚虹，李滨，2 0 0 4 ，2 0 0 6 ，2 0 0 7 ，2 0 0 8 ) 、 黄土暗穴探测技术( 彭建兵、李庆春、陈志新、范文i 李喜安，2 0 0 3 ) 、黄土暗穴预测 预报( 宋彦辉，彭建兵，2 0 0 4 ) 、黄土洞穴黄土地层地表径流下潜模式( 李喜安，彭建 兵，2 0 0 7 ) 等方面也展开过深入研究，到目前为止这些研究是关于黄土洞穴潜蚀较为系 统的成果。 1 2 存在的主要问题 目前，潜蚀工程地质问题已广泛涉及到水利水电工程、土木工程、铁路工程、公路 工程、港口工程、防灾减灾工程、农田水利工程、矿山工程、建筑工程、环保工程等众 多行业领域，随着各类工程建设活动的不断开展，方方面面的潜蚀工程地质问题已经变 得越来越突出，在相当程度上决定和影响着各类工程的设计、建设和维护。但由于潜蚀 工程地质问题本身命题很大，可以说是一项浩大的系统工程，而各行各业关于潜蚀工程 地质问题涉及的领域又比较狭窄，行业之间一方面缺乏理论和经验知识的交流和渗透， 另一方面也由潜蚀作用发生环境的多样性、作用方式的复杂性、发生过程的随机性等原 因，使得潜蚀工程地质研方面的究还十分薄弱，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 各种潜蚀作用过程的概念模型有待建立。正确的分类与命名是科学研究的基 础，在潜蚀工程地质研究过程中所接触到的国内外诸多文献中，涉及到渗透、潜蚀及其 相关的各种作用、过程和现象的许多名词、术语，由于学科上的习惯不同，表达方式不 同，研究目的和所要表达的意思不同以及文化的差异，或者在理解和应用方面逐渐地发 展和演变，使得原本用来描述同一本质现象或过程的名词或术语变得不能统一，更为严 重者用相同的术语来描述本质不同的作用或过程，由于这一现象未能妥善解决，使得有 的文献在运用概念时比较随意，最终难免造成人们的混淆和误解，致使在科研工作、工 5 第一章绪论 程建设甚至教学工作中会发生这样那样的错误。 ( 2 ) 各种潜蚀过程的作用机理有待进一步深化研究，各种现象的激发条件还有待 于进一步深入研究。目前只是关于高渗透压力下管涌、流土的激发条件目前研究程度较 为深入，而对于其他过程的激发条件，尤其是在低渗透压力下的种种过程研究程度则相 对较浅。 ( 3 ) 对潜蚀速率的定量研究还十分欠缺。由于潜蚀作用过程的复杂多样性、突发 性和不稳定性等原因，使得在诸多的相关文献中，关于潜蚀速率的定量研究少之又少。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要围绕潜蚀工程地质目前存在的一些核心问题开展相关研究，涉及的内容主 要有以下几点： ( 1 ) 在对国内外潜蚀作用研究历史进行回顾的基础上，从潜蚀作用的根本发生机 理及其作用特征出发，就目前国内外容易混淆的关于潜蚀及其相关概念进行必要的辨析 和澄清，通过对潜蚀、物理潜蚀、化学潜蚀、化学风化潜蚀、化学溶蚀、渗流潜蚀、非 渗流潜蚀、管涌、渗透压密、接触管涌、接触冲刷、流土、突涌、接触流土、流砂、流 滑、地下冲蚀、洞穴侵蚀等各种潜蚀作用相关概念内涵和外延的严格界定，尝试建立清 晰的各种潜蚀作用概念模型。 ( 2 ) 在建立起的潜蚀作用概念模型基础上，以管涌、渗透压密、流土、突涌等典 型的潜蚀作用为主要对象，通过理论推导，对各种作用的激发条件及其影响因素进行初 步研究，对各种潜蚀作用的特征进行全面总结，通过物理模拟，再现黄土地层突涌破坏 过程，揭示黄土地层突涌破坏的机理及其影响因素，又借助g m s 地下水模拟系统软件对 各种工况下的突涌进行数值模拟，以揭示各种工况下突涌发生时的实际瞬时流网分布形 态。 ( 3 ) 针对黄土洞穴侵蚀速率开展相关试验研究，通过对含泥率过程曲线的分析， 结合试验现象观察及实际洞穴侵蚀情况，再现黄土洞穴侵蚀全过程，并对其侵蚀速率进 行研究，根据试验结果定量揭示初始干密度、初始含水率等因素与黄土洞穴侵蚀速率的 关系。根据试验过程中观察到的现象结合野外调查，对黄土洞穴的侵蚀过程、侵蚀特征 及其影响因素等进行了深入的研究。 6 长安大学硕士学位论文 第二章潜蚀作用相关概念辨析 全球范围内广泛发生的潜蚀( s u b e r o s i o n ，s u b g r o u n de r o s i o n ) 作用，很早就引起了 人们的注意( r i c h t h o f e n ，1 8 8 6 ；c u s s e n ，1 8 8 8 ) ，但由于没有及时形成一门系统的学科， 全世界不同领域的诸多学者曾用形形色色的名词对潜蚀作用及其相关的概念、术语进行 过描述。如：“p i p i n g ”或“s o i lp i p i n g ”( r i c h t h o f e n ，1 8 8 6 ；c u s s e n ，1 8 8 8 ；t e r z a g h i ， 1 9 3 1 ：c a r r o l l ，f l e t c h e r ，1 9 4 8 ，1 9 4 9 ，1 9 5 4 ；b r y a n ，1 9 6 3 ；c h o r l e y ，1 9 7 8 ) ，“s e e p a g e e r o s i o n ”( r i c h t h o f e n ，1 8 7 7 ) ， “s u f f o s s i o n ( p a v l o v ，1 8 9 8 ：j o n e s1 9 8 l ：b u r e n k o v a1 9 9 3 ； p a v l o v 1 8 9 8 ；k r a l1 9 7 5 ；g a l a r o w s k i1 9 7 6 ) ， “n a t u r a lt u n n e l i n g ( f u l l e r ，1 9 2 2 ) ， “s u b - c u t a n e o u se r o s i o n ( g u t h r i e s m i t h ，1 9 2 6 ) ， “g u l l i e s b y - s i n k i n g ”( r u b e y ，1 9 2 8 ) ， “h e a v e ”( t e r z a g h i ，1 9 3 1 ) ，“s i n k - h o l ee r o s i o n ( t h o r p ，1 9 3 6 ；c o c k f i e l d ，b u c k h a m ， 1 9 4 6 ) ， “s q u i r r e l h o l ee r o s i o n ( s h a r p e ，1 9 3 8 ) ， “t u n n e le r o s i o n ”( b e n n e t t ，1 9 3 9 ) ， “r o d e n t l e s sr o d e n te r o s i o n ( b o n d ，1 9 4 1 ) ，“p o t h o l eg u l l y i n g ”( c o l e ，1 9 4 3 ) ， “c o l l a p s e s t r u c t u r e ( h a r d y ，1 9 5 0 ) ，“s o i lc a v e s ”( f u n k h o u s e r ，1 9 5 1 ) ，“p o t h o l ee r o s i o n ”( k i n g s b u r y ， 1 9 5 2 ) ，“n a t u r a lt u n n e l i n g ”( b r y a n ，1 9 6 3 ) ，“m i n i a t u r ek a r s t ( b r y a n ，1 9 6 3 ) ，“p i p e t u n n e l n e t w o r k ”( t e r z a g h i ，p e c k l 9 6 6 ) ，“s a p p i n g ”( c h a r l e s ，1 9 8 4 ) ，“i n t e r n a le r o s i o n ”( k e v i n ， 2 0 0 7 ) 等等，国内的如“渗透变形”、“渗透破坏”、“渗透失稳”、“潜蚀”、“溶蚀”、“洞 穴侵蚀”、“洞穴冲刷”、“暗蚀，“暗沟侵蚀”、“流砂”、“砂沸”、“突涌”、“液化”、“溜 滑”、“接触流土”、“层内侵蚀”等等，由于学科上的习惯不同，表达方式不同，研究目 的和所要表达的意思不同以及不同国家的文化的差异，或者在理解和应用方面逐渐地发 展和演变，使得原本用来描述同一本质现象或过程的名词或术语变得不能统一，更为严 重者用相同的术语来描述本质不同的作用或过程，虽然国内外有些学者曾为了界定这些 概念做过一些努力，但至今仍未能妥善解决，致使有的文献在运用概念时比较随意，常 造成人们的混淆和误解，因此本节首先拟就国内外关于潜蚀及其相关概念进行一些必要 的澄清。 2 1 渗透力及地下径流形式 渗透力的概念提出后，围绕其是否存在曾经在土力学界发生过激烈争议，但目前这 一概念已广泛为人们接受。渗透力又称为渗流力( s e e p a g ef o r c e ) 或动水压力( 动水力， s e e p a g ep r e s s u r e ) ，由于渗流的运动而对土颗粒表面产生的法向力和切向力的合力。以饱 第二章潜蚀作用相关概念辨析 和渗流( s a t u r a t e ds e e p a g ef l o w ) 为例，饱 和渗流中水对土颗粒表面的作用力包括静 水压力( h y d r o s t a t i c ，h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ， 图2 1 中的五) 、超静水压力( e x c e s s h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，h y d r o s t a t i ce x c e s s p r e s s u r e ，m 2 1 中的乃) 和切向力组成( 图 2 1 中的j ) ，前二者沿颗粒表面的法向分 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ 一 - 。- 。_ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ 。- 。_ _ 。_ _ 。一 _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一 ：f 毒i 碰，j ： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 _ - _ - - - 。- 。- - 。_ _ _ _ _ 。- 。_ _ _ _ _ 。一 _ - _ - - _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ - 。_ _ 。一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。_ 。- 一 图2 1 饱和渗流作用在土颗粒上的力( 陈 津民，1 9 9 3 ) 布，后者沿颗粒表面的切向分布。超静水压力是由于饱和渗流的运动而对土颗粒产生的 法向力，切向力则是由于饱和渗流的运动而施加在颗粒表面切线方向上的面力。 渗透力究竟是外力( e x t e r n a lf o r c e ) 还是体积力( b o d yf o r c e ) ，这要看进行受力分 析的对象是什么。体积力是作用在质点上的力，因此，在研究土中的渗流时，只有在把 土颗粒简化成质点，同时把整个土体当做研究对象的前提下，才能把渗透力看作是体积 力。若以单独颗粒为研究对象，则渗透力充其量不过是作用在颗粒表面各点处面力的合 力( 图2 1 ) 。渗透力是土内部渗流水和土骨架之间的相互作用力，渗透力对于整个土体 来说是内力，在受力分析时，以整个土体为研究对象是无法求出内力的，因此，必须把 渗流水和土颗粒分开来研究，才能求出渗透力。作用在单位体积土颗粒上的饱和渗透力 的大小可用下式表示( 陈津民，2 0 0 8 ) ： e ) 1 ，2 _ 2 肌 ( 2 1 ) 式中： j 单位体积土颗粒上的渗透力( 渗流力或动水力) ； f 作用在土颗粒表面的超静水压力的合力； - ，作用在土颗粒表面切向力的合力；