（环境工程专业论文）武广客运专线英德段岩溶塌陷模式及致塌因素的研究.pdf

武广客运专线英德段岩溶塌陷模式 及致塌因素的研究 作者简介：于贺艳，女，1 9 8 1 年1 月生，20 0 3 年从师于许模教授，于2 0 0 6 年1 2 月毕业于成都理工大学环境工程专业。 摘要 本文在对武广铁路客运专线广东段英德境内线路沿线基础地质背景及覆盖 型岩溶塌陷发育条件现场调查基础上，综合归纳了区内岩溶塌陷的四类地质模 式，分析了塌陷过程中应力应变过程及塌陷机理，进而采用三维数值分析方法， 对水位下降致塌过程进行了数值模拟研究，最后，对区内岩溶塌陷的防治对策进 行相应的探讨。研究成果主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 研究区岩溶塌陷的地质概化模式包括：“粉质粘土+ 灰岩”型岩溶塌陷模 式；“粉质粘土+ 卵石土+ 粉质粘土+ 灰岩”型岩溶塌陷模式；“粉质粘土+ 卵石 土+ 灰岩“型岩溶塌陷模式；“卵石土+ 粉质粘土+ 灰岩”型岩溶塌陷模式。 ( 2 ) 研究区岩溶塌陷的致塌机理可以归纳为2 种模型，地下水位波动致塌机制 模型、动荷载致塌模型，在每一种模型中包括了特有的塌陷成因机制。 ( 3 ) 运用三维数值模拟的方法对研究区各种地质模式下的塌陷进行了系统性 研究，探讨了a n s y s 、f l a c 3 d 三维数值模拟应用于岩溶塌陷的模拟技术及方法， 为岩溶塌陷的客观评价及预测开辟了有效途径。 关键词：岩溶塌陷概化模型致塌机理防治数值模拟 作者签字：獭 s t u d yo nt h ek a r s tc o l l a p s em o d ea n dt h e f a c t o r so fc o l l a p s ei ny i n gd e d fs p e c i a l r a i i m ( a yl i n ef o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t f r o mw uh a nt og u a n gz h o u i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：y uh e y a n ，f e m a l e ，w h ow a sb o r no nj a n u a r yo f1 9 8 1 w a su n d e rt h eg u i d a n c eo fx um os i n c e2 0 0 3 h em a j o r si ni n v i o n m e n tg e o l o g i c a l e n g i n e e r i n ga n dw i l lb eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya t d e c e m b e r j u l yo f 2 0 0 6 a b s t r a c t t h i sa r t i c l et a k et h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dh e a v yc o v e rk a r s ts u b s i d e n c e a l o n gt h ec h u r c h y a r dl i n eo fy i n g d eb yt h es p e c i a lr a i l w a yl i n eo fw u g u a n g i t i n d u c et h ek a r s ts u b s i d e n c et of o u rm o d e sa n di t a n a l y s e st h ep r o c e s so fs t r e s s s t m i n a n dt h es u b s i d e n c em e c h a n i s m ，t h e ni tu s et h e3 - dn u m e r i c a l a n a l y s i sf o rt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h er e a s o no fk a r s ts u b s i d e n c e b y t h ed e c l i n eo f u n d e r g r o u n dw a t e rl e v e l u l t i m a t e l y , i tp r o b e si n t ot h ep r e v e n t i o na n dc u r eo ft h e k a r s ts u b s i d e n c e w ec a ng e ts e v e r a lc o n c l u s i o n s ： ( 1 )t h eg e o l o g i cg e n e r a l i z a t i o nm o d eo ft h er e s e a r c hz o n ea b o u tk a r s t s u b s i d e n c e ： p o w d e rc l a y + l i m e s t o n e ”：“p o w d e rc l a y + c a i l l o u t i ss o i l 十p o w d e rc l a y + l i m e s t o n e ”；“p o w d e rc l a y + c a i l l o n t i ss o i l + l i m e s t o n e ”；c a i l l o u t i ss o i l + p o w d e r c l a y + l i m e s t o n e ” ( 2 ) t h ef a i l u r em e c h a n i s mo fk a r s ts u b s i d e n c er e d u c et o2m o d e l o n e i st h ef l u c t u a t i o no fw a t e rt a b l e ，t h eo t h e ri sm o v el o a d ( 3 ) t h e3 - dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ek a r s ts u b s i d e n c ea r eu s e di ns t u d y i n ge a c h g e o l o g i cm o d e ，d i s c u s s i n ga b o u tt h ea p p l i c a t i o no fa n s y sa n df 1 a c 3 di nk a r s t s u b s i d e n c e i to f f e r ss e v e r a la v a i l a b i l i t ya p p r o a c h e sf o ri m p e r s o n a l i t y e s t i m a t i o na n df o r e c a s t i n g k e y w o r d s ：k a r s tc o l l a p s e c o n c e p t i v em o d e l m e c h a n i s mo fk a r s t c o l l a p s e p r e v e n t i o na n dc u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s i g n a t u r e ：y uh e y a n 独创性声明 y 1 0 1 1 9 1 8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：孑璇聿抄签字日期：印g 年f f 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑翌王盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后工作单位 通讯地址： 电话： 学位论文作者签名j 橱眇 签字日期：训口6 年f | 月 一 日 邮编 第l 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据及研究意义 岩溶地面塌陷是一种地质灾害。它是覆盖型岩溶地区开口岩溶形态与上覆土 层( 少许为松软土层) 中的水、气对盖层发生的力学效应在地面形成的坍落现象。 由于岩溶地面塌陷的产生及其迅速发展，其对交通运输、矿山开采、城市建设、 农田水利以及人民生活的危害日益严重。据不完全统计全球已有1 6 个国家存在 严重的的岩溶塌陷问题，我国岩溶塌陷已遍及2 3 个省市自治区，塌陷达8 0 0 处 ( 含段、站、区) 以上，塌陷坑超过3 万个( 图卜1 ) 。 据铁路部门的调查统计，在1 9 8 3 年全路岩溶塌陷才不到2 0 处，到1 9 9 2 年， 已发展到近5 0 0 处。其中最严重的近6 0 处，己造成3 次列车颠覆，中断行车2 0 0 0 多小时以上。比如：山东省泰安市共发生过塌陷近1 0 0 处，直接影响了津浦铁路 的运输，塌陷曾使路轨架空、行车中断，迫使列车长期慢行达半年之久，为治理 该区塌陷，共耗资2 0 0 0 余万元；沈阳大连线瓦房店1 1 0 + 1 4 0 段，于1 9 8 7 年 8 月8 日8 时3 0 分8 月3 1 日，在铁路线k 儿1 + 1 1 0 k 1 1 1 + 1 7 4 间发现岩溶塌 陷1 6 个，沈大线中断行车6 次，封锁线路8 小时1 5 分，行车速度由l o o k m h ， 之后进行勘查治理，历时1 8 个月，花费2 2 0 万元；浙赣线分宣车站，在铁路线 附近发生塌陷5 0 处，翻车1 次，铁路外塌陷3 0 余处，经整治处理正常运行，花 费5 9 0 万元；南昆线的正线长8 6 3 5 k m ( 不含枢纽部分) ，其中可溶岩地段长 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 3 8 7 6 k m ，约占1 2 ，以路基形式通过的地段3 0 0 5 k m 。施工过程中路基因减薄盖 层或揭露溶洞后造成的岩溶塌陷，有记录的达6 3 处之多；贵昆线k 5 3 4 + 0 7 6 浅 堑地段，1 9 7 9 年9 月1 日，雨后地表积水并集中入渗，造成岩溶塌陷，导致货 物列车尾部三节颠覆，且该线k 6 0 6 + 4 7 5 浅堑地段，1 9 7 6 年7 月7 日，大雨后 形成直径8 m 的岩溶塌陷坑，造成贵昆线断道6 l 小时4 0 分，两工人下坑后险些 丧命。 在国外，岩溶塌陷的发育亦较普遍，这类灾害同样也带来了巨大的损失。国 外岩溶塌陷分布主要在美国、法国，南斯拉夫、德国、波兰、捷克、原苏联、南 斯拉夫等，其中以美国的岩溶塌陷居多。 美国岩溶分布，约占总面积的1 5 。以阿拉巴马，佛罗里达，佐治牙，田纳 西，肯塔基等几个州的岩溶塌陷最为严重。美国的北卡罗来那州j a m e s t o w n 地区 有2 个塌陷发生在抽水型降落漏斗区内。阿拉巴马州1 7 0 0 个塌坑，宾夕法尼亚 洲大约有1 0 0 0 个塌陷，都是因抽水而引起。弗罗里达州t a m p a 附近，1 9 6 4 年在 以抽水井为中心，1 6 公里为半径的范围内，发生了6 4 个塌坑。有名的佛罗罩 达州w i n t e rp a r k 巨型塌陷，损失超过4 0 0 万美元。俄罗斯中、东部石膏层地区 的岩溶塌陷也较普遍。在俄罗斯平原内的下列地区，塌陷漏斗较为常见。莫斯科 向斜南翼及西北翼、奥卡一茨那长垣地区、阿拉堤尔垣区”3 等等。 由以上例子可以看出，岩溶塌陷作为一种地质灾害，给社会带来了巨大的损 失，尤其是修建铁路的地区。铁路路基的稳定性与坚固性直接关系到线路的质量、 列车的正常运行及安全，特别是高速列车，运行时更需要有良好的路基基础。为 保证路基状态度的完好，保证线路质量和列车的安全、正常运行，线路应满足下 述要求： ( 1 ) 路基面必须平顺并应有足够的宽度，路基面的上方应形成与铁路限界规 定相符的安全空间，不得侵入铁路建筑限界，以保证列车运行与线路作业安全的 要求； ( 2 ) 路基应具有抵御各种自然因素影响的足够的坚固性和稳定性，坚固性是 指路基本体须有足够的强度，不发生超过允许多沉落；稳定性是指路基边坡和基 底应保持固定的位置，不发生危及正常运行的变形； ( 3 ) 水的活动往往是造成路基病害的重要原因，为保证路基地坚固和稳定， 必须做好路基的排水工作； ( 4 ) 路基地设计、施工与养护应符合经济合理的原则。 2 0 2 0 年前我国将全面建设小康社会。这一时期经济仍将快速发展，人口还将 缓慢增长，城市化的进程加快，人民物质文化生活水平不断提高，人员流动及人 际问的交流更加频繁，运输需求，尤其是旅客运输的需求大幅度增长；社会节奏 第1 章引言 加快，时间价值观念越来越强，旅客运输高速化逐步融入世界潮流。铁路客流的 特点是量大、集中、行程长。基本国情及客流特点决定了我国主要应发展大容量、 环保型、适应性强的公共交通体系。高速铁路就是这样的公共交通体系中的佼佼 者。在我国发展高速铁路是交通运输领域树立和落实科学发展观、优化交通运输 结构的重要手段，是铁路高层次、大幅度扩大运输能力及提升运输质量的重要途 径，是铁路跨越式发展必经之路。 武广客运专线就是在这种国情下我国开始修建的首条高速铁路。根据高速铁 路对路基地要求，有必要针对武广客运专线面临的覆盖型岩溶塌陷问题，特别是 路基地段厚覆盖型岩溶的塌陷、沉陷问题，进行系统研究，建立武广客运专线路 基地段厚覆盖型岩溶塌陷预测与防治的技术，提高我国对覆盖型岩溶区高速铁路 的勘察预测与防治设计水平。 从以上可见，对修建高速铁路的岩溶区塌陷的研究，对于减灾防灾和社会发 展将有着现实的意义；对其模式和防治对策的研究，将充实岩溶塌陷研究理论， 为岩溶塌陷的预测、评价和治理提供有效途径，因而论文研究也将具有理论的意 义。 1 2 国内外研究现状 国内外对岩溶塌陷现象的研究，主要表现在以下几个方面。 121 岩溶塌陷类型划分 根据岩溶塌陷发生的地质条件，可以岩溶塌陷分为基岩塌陷和土层塌陷。 基岩塌陷是溶洞失稳、垮塌的结果，大多数这类塌陷是自然作用下产生，但 也有人为活动，特别是爆破活动所致。此外，发生在水下的基岩塌陷有很强的后 续效应，通常会产生地震、地裂、地表喷水冒砂等现象，甚至会产生大面积地面 塌陷。这是因为溶洞垮塌时会产生水锤效应，使岩溶管道压力急剧上升，并向上 覆土层挤压扩散。 土层塌陷是上覆第四系土层在地下水( 气) 作用下，发生破坏并向下伏岩溶管 道系统运动的结果。目前，我国发育的岩溶塌陷绝大部分都是土层塌陷。在第四 系上部土层为粘性土时，由于具有较好的顶板形成条件，因此，往往要先形成土 洞，地面塌陷是土洞进一步发展的结果。 根据岩溶塌陷的诱发成因，可分为自然塌陷、人为塌陷两大类型，自然塌陷 是指在自然条件下形成的塌陷；人为塌陷则是指在人类活动影响下产生的塌陷。 根据诱发岩溶塌陷的人类活动的特点，人为塌陷又可进一步细分为：抽水塌陷、 矿坑( 隧道) 疏水( 突水) 塌陷、水库蓄水塌陷、铁路公路塌陷、废液塌陷、爆破 塌陷，以及荷载塌陷等。 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 根据塌陷的规模、灾害的经济损失和人员伤亡情况，可以将岩溶塌陷划分为 特大型、大型、中型和小型四个等级。( 表i - 1 ) 表卜1 岩溶塌陷分级一览表“ 分级 依据单位备注 小型中型大型特大型 塌陷坑直径 3 0 平面形态圆形 塌陷坑面积 m 2 i 0 0 0平面形态不规则 规 一次塌陷产生的 规 塌陷坑个数个 11 55 一1 0 i 0 塌陷坑个数 模 塌陷坑密度个1 0 0 0 0 m 2 1 0 塌陷影响面积 i 0 0 0 0包括地裂影响 损 直接经济损失力兀 1 0 0 0 损 失 因灾死亡 人 3 0 122 岩溶塌陷的发育机理 ( 1 ) 变形效应 这是抽水引发塌陷的主要力学效应，在抽水过程中，由于岩溶水位的下降， 第四系土层孔隙水向下渗流补给岩溶水的作用增强，在集中渗流点( 岩溶管道开 口、裂缝) 附近，作用于上覆土层的水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水 力坡度，土体发生渗透变形破坏。 ( 2 ) 真空负压效应 岩溶水位下降速度过快、幅度过大或者岩溶管道系统中地下水的快速流动， 均会在基岩面附近的岩溶管道裂隙系统产生负压，最大负压值与岩溶水位下降幅 度、下降速度、水流速度、以及底部土层性质有关。 ( 3 ) 振动致塌效应 对弹性介质的盖层，当地下水或气压波动与盖层固有频率一致时，将出现共 振现象，这时可产生很大的破坏力。在对桂林附近陷落地震的研究中，一些研究 者曾提到在地下溶洞( 或土洞) 分布区发生地震时，地震波经过上覆软、硬不同性 质界面多次反射，将产生以卓越周期0 1 8 0 2 3 s 的地震波，岩溶区地层的卓越 周期为0 1 5 、0 4 s 问，岩溶区民房多在3 层以下，固有周期0 i 0 3 s ，这三者 接近或相等时，由于共振会造成较高的震患( 1 9 9 8 年，缪钟灵) 0 1 。 ( 4 ) 荷载效应 在土洞发育条件下，地面荷载如过往汽车、列车加载，使土洞顶板跨塌，导 致地面塌陷。 ( 5 ) 浮托力丧失 第l 章引言 当岩溶地下水为承压时，岩溶水位的下降，将减小作用在土体中的浮托力， 使土体更容易下塌、破坏，特别是当溶沟、溶槽和浅层岩溶裂隙发育条件下，充 填在岩溶裂隙中的流塑状粘土在岩溶水位下将时，容易发生流动，从而引起上覆 土层的变形或破坏，产生土洞或塌陷。 ( 6 ) 土体崩解 当岩溶地下水为承压时，反复抽( 排) 岩溶水，会使土洞周围土体发生崩解， 使土洞不断扩展，最后导致塌陷产生。 ( 7 ) 土洞顶板失稳 当有土洞存在时，水库蓄水将使土层饱水增大土洞顶板的重量，使土洞发生 破坏。 ( 8 ) 其它 除上面提到的致塌机理，还有化学作用、水击效应、气爆致塌、酸液效应等。 1 2 3 岩溶塌陷主要影晌因素 岩溶塌陷的影响因素包括四个方面的内容：基岩的岩溶发育特征、第四系土 层特征、地形地貌特征、地下水动力特征以及人类活动特征。 1 2 3 1 岩溶发育程度 下伏基岩岩溶发育是岩溶塌陷形成的必要条件，岩溶越发育的地方越有利于 岩溶塌陷的形成。因此岩溶塌陷往往沿着岩溶发育带分布。 1 2 3 2 第四系土层特征 上覆土层特征对塌陷的产生有着重要的影响，主要包括三方面：土层结构、 土的类型和土层厚度。 ( 1 ) 土层结构 一般分为一元结构、二元结构和多元结构三种类型 一元结构土层一般分布在岩溶峰丛洼地中，岩性主要是坡积残积成因的粘 土、粘土砾石，土层厚度一般较薄。二元结构和多元结构土层一般分布在峰林平 原地区，主要由粘土( 粘土卵砾石) 层、砂卵石层交互组成，土层厚度一般较厚。 相同动力条件下，二元结构和多元结构产生塌陷要比一元结构容易。 ( 2 ) 土的类型 对于细粒土、砂类土、砾类土和巨砾土这四大类土而言，相同条件下，粘土 含量越高，越不利于塌陷的产生，即：细粒土发生塌陷相对较难，砂类土和砾类 土则要容易。 ( 3 ) 土层厚度 从目前研究成果看，土层厚度对塌陷形成的临界条件没有影响，但对形成地 面塌陷坑的时间和塌陷坑的规模有影响。土层越厚，塌陷孕育时间越长，所形成 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 的塌陷坑规模往往越大。 1 2 3 3 地形地貌特征 不同地貌类型、不同的地貌位置对塌陷有明显的影响，一般地，负地形的地 区、峰丛洼地、峰林平原比较容易发生塌陷。 i 2 3 4 水动力条件 ( 1 ) 岩溶水 从岩溶水位与基岩面的关系，将岩溶水的动力条件可以分为三种类型：岩溶 水位一直保持在基岩面以下、岩溶水位一直保持在基岩面以上和岩溶水位在基岩 面上下波动。岩溶水位在基岩面上下波动最容易诱发塌陷，其次是承压波动，无 压波动。土体的破坏主要与岩溶水位下降速度、幅度及土体性质有关，其破坏条 件可用临界水力坡度表示。 ( 2 ) 第四系孔隙水 对于多元结构土层区，往往存在第四系孔隙水含水层，与下伏的岩溶含水层 一起构成双层地下水位。双层水位的存在对塌陷的产生有重要影响，这主要是因 为土层孔隙水对岩溶水的补给作用会因岩溶水位的变化而加剧，从而使相对隔水 层中水力坡度增大，并发生破坏。两个含水层的水力联系越强，越有利于塌陷的 发育。 ( 3 ) 地表水 地表水的存在有利于塌陷的产生，特别是当地表水体附近的下伏基岩岩溶较 发育、岩溶水位长期保持在基岩面以下时，地表水以及大气降雨的长期入渗，可 以形成地面塌陷。此外，降雨等造成的地表水位的抬升，特别是快速抬升，会大 大加速岩溶水的流动，并由此而产生一系列压力效应( 正压、负压、压力快速变 化) ，诱发塌陷的产生。 1 2 3 5 人类活动 从目前国内外岩溶塌陷发育规律看，影响、诱发或触发岩溶塌陷的人类活动 的作用形式有两种，一是改变地下水动力条件，二是改变已有土洞的受力条件， 可能影响岩溶塌陷的人类活动包括： ( 1 ) 使地下水排泄增强 抽吸岩溶水、矿山和隧道疏水突水、基坑降水。 ( 2 ) 增强地下水的补给 地表水库蓄水，灌溉、输水管渠渗水，地面挖方积水。 ( 3 ) 地表荷载 主要发生在土洞发育的地区，当地面工程加荷一汽车、列车行驶、甚至行人 通过时，由于土洞顶板承载力不够，造成地面塌陷。 第1 章引言 ( 4 ) 爆破 当爆破活动位于岩溶地下水排泄带等岩溶比较发育的地区时，由于爆破使充 水溶洞垮塌，在整个岩溶管道系统产生水击效应，造成岩溶地下水压力急剧升降， 触发地面塌陷产生。 1 2 4 岩溶塌陷防治方法 岩溶塌陷防治方法目前已比较成熟，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 搬迁避让 在城市地区，以岩溶塌陷危险性评价结果为基础，通过城市规划，对潜在塌 陷高危险区的土地利用类型进行调整，以低敏感性地类( 如公共绿化带用地、广 场用地等) 代替高敏感性地类( 如商业用地、居住用地等) 。而对于公路、铁路 等交通工程，则采取绕避的方法，避开塌陷地区。 ( 2 ) 减缓岩溶系统水动力因素的变化 科学合理地开采岩溶地下水，是防治岩溶塌陷的有效途径，目前，一般认为 从以下几个方面设计开采方案：不会造成岩溶地下水位快速大幅下降，特别是 从基岩面以上快速降到基岩面以下；不会造成岩溶水位的骤停骤降，特别是地 下水位在基岩面附近上下波动；开采出来的地下水不混浊、无泥沙 ( 3 ) 从增强土体抗塌性能的角度 采用强夯、水泥灌浆等方法，加固第四系土层，提高土层的抗塌性能，达到 防治塌陷的目的。 当第四系土层较薄时，可以挖除土层，然后从下到上回填砾径逐渐变小的块 石，可以防止塌陷的形成，如在南方岩溶区采用的填石路基，对塌陷具有较好的 防治作用。 ( 4 ) 从加强工程设施抗塌性能的角度 采用桩基础、钢筋混凝土盖板、片伐基础等，可以极大提高建筑物的抗塌性 能。此外，对于交通工程，采用桥跨的方式也可以避开塌陷问题。 125 岩溶塌陷信息管理 八十年代，美国曾在有岩溶塌陷问题的几个州相继建立了岩溶塌陷数据库， 大大提高了岩溶塌陷资料的利用率。国内起步较晚，而且主要以m a p i n f o 桌面地 图信息系统为平台开发进行。如：1 9 9 7 年，在桂林市建设规划局资助下，岩溶 塌陷所塌陷组以m a p i n f o 为平台开发了“桂林岩溶塌陷信息管理系统”，建立了 相应的数据库和图库，为桂林岩溶塌陷防治、塌陷抢险、以及城市规模提供了有 利的条件【4 【5 1 。开发过程中，充分利用了当今g i s 技术的最新成果，力图实现为 地质灾害管理、城市规划以及勘察设计研究部门提供快速有效服务的工作目标。 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 1 2 6 岩溶塌陷预测方面 ( i ) 单因素分析法 单因素评估是根据评估区某一个岩溶塌陷影响因素进行评估，当该因素满足 塌陷发育的临界条件时，将所在区划为潜在岩溶塌陷危险区。 ( 2 ) 多因素综合评价方法 综合评价方法是采用地理信息系统技术对岩溶塌陷影响因素进行综合处理 的方法。在建模方法上，可采用层次分析法、数量化理论i i 、模糊综合评判、聚 类分析、判别分析等方法建立评价模型。 国内先后有雷明堂、石建省、王洪涛、茹锦文等运用g i s 的数据管理、分析 处理、和建模技术，对潜在塌陷危险性进行预测评价，取得了良好的效果。国外 虽未见有直接运用g i s 进行岩溶塌陷预测工作，但在其它类型地质灾害的预测方 面则已有更多研究实例“”。这些预测方法均局限于对研究取得潜在塌陷的危险 性分区上，未能满意地解决塌陷时间和空间的预测预报问题。张发旺等用灰色统 计方法对岩溶塌陷的预测进行了研究聃1 。 1 2 7 铁路部门对岩溶塌陷的研究程度 铁路沿线的岩溶塌陷发展很快，对铁路构成严重危害。针对这种现象，铁路 部门进行了大量的工作，在岩溶塌陷的研究方面取得了重大的进展。包括以下几 个方面： 1 2 7 i 岩溶调查方法 岩溶调查方法包括工程地质测绘即地貌调查、地质测量和遥感技术，工程地 质勘探即物探与钻探，还有岩溶水的联通试验与长期观测。 i 2 7 2 岩溶地区的线路方案选择 ( 1 ) 岩溶地区线路应避免在下列地带延伸，不能绕避时，应以最大交角通过： 可溶岩与非可溶岩的接触带； 有利于岩溶发育的褶皱轴和断裂带及其交汇处； 岩溶水富集区及岩溶水排泄带。 ( 2 ) 孤峰平原区，线路应选择在覆盖土较厚、地下水位埋藏较深的地段通过， 并宜避开下列地段： 抽取地下水可能形成的最大下降漏斗范围： 地表水位与地下水位变化幅度较大的地段； 多元土层结构地段。 ( 3 ) 峰林谷地、峰丛洼地及溶丘洼地区，线路宜选择在下列位置： 第1 章引言 线路靠山，并且高程高于岩溶水的最高洪水位； 线路避开垭口中心，选在地质条件较好的一侧通过。 ( 4 ) 位于洼地、谷地和岩溶平原中的线路，宜采用石质路堤的形式。受岩溶 水危害时，宜以桥跨越。 ( 5 ) 越岭线宣在地下分水岭通过，平面位置宜在岩溶负地形之间，高程宜在 垂直渗流带中，无条件时也可在深部缓流带，不宜在水平径流带中。 ( 6 ) 河谷线宜选择在下列位置： 位于岩溶发育较弱的一岸； 位于高阶地上； 位于负地形之间及垂直渗流带中； 以河谷位排泄区的岩溶地段，线路宜位于岩溶安全带中； 由早期河流侧蚀作用造成，现存留在谷坡上的无水溶洞群地带，线路宜 向山里靠。 ( 7 ) 当隧道位于水平流动带及深部缓流带中，宜采用“人”字坡。平行导坑 的设置宣位于隧道迎地下水来向的一侧。 1 2 7 3 岩溶危害的工程处理 ( 1 ) 岩溶水的处理 岩溶水的处理方法为截流、排泄、围堰、堵塞。 ( 2 ) 岩溶洞穴的处理 岩溶洞穴的处理包括跨越、加固、绕避。 ( 3 ) 洞穴堆积物的处理 洞穴堆积物的处理有桩基、浮筏、换填、风干、清爆、压浆、旋喷桩等方 法。 ( 4 ) 地面塌陷的处理 地面塌陷的处理方法包括填作碎石路堤、网格板垫层、带洞路基墙或桩基 栈桥、钻孔充气、恢复水位、强夯法等。 1 2 7 4 岩溶地区隧道涌水量、涌水时间和涌水地段的预测 计算岩溶地区隧道涌水量的主要方法有水文地质比拟法、解析法和简易均衡 法；隧道涌水时间主要根据当地预报的降雨资料预测；集中涌水地段主要发生在 碳酸盐岩与非碳酸盐岩接触带、断裂构造发育带、岩溶发育地段和岩溶区的河床、 沟谷及溶蚀洼地地段。 1 2 7 5 岩溶洞穴稳定性评价 评价岩溶洞穴稳定性必须分析两个因素： ( 1 ) 内在因素：包括洞穴顶板的厚度、跨度及形态，岩层产状，节理、裂 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 隙状况，以及岩石的物理力学指标等。 ( 2 ) 外在因素：包括受载状况( 时间长短、荷载大小、动载或静载) ，岩石 含水量及温度变化影响，以及洞内水流搬运的机械破坏作用等。 1 2 8 英德市对岩溶塌陷的研究程度 目前，广东省针对英德地面塌陷问题制定了一系列的措施，包括以下几个方 面： ( 1 ) 1 9 8 7 1 9 9 0 年，广东省地质科学研究所完成1 ：5 万广州市航空遥感 环境地质图；1 9 9 0 1 9 9 2 年，广东省地质环境监测总站完成了1 ：5 0 万广东 省地质灾害调查报告；1 9 9 1 1 9 9 3 年，广东省地质矿产局水文工程地质一大队 完成了全省1 ：5 0 万环境地质调查，编写了广东省环境地质调查报告；1 9 9 9 年以来，广东省地质矿产局水文工程地质一大队开展了“珠江三角洲”生态地质 环境调查和京九铁路沿线水文工程环境地质调查工作；2 0 0 0 2 0 0 2 年由广东省 地质调查院主持，广东省地质环境监测总站完成了广东省地质灾害遥感综合调 查； ( 2 ) 建立地面沉降监测网，科学制定地下水资源开发利用规划，建立和完 善区域及城市地下水动态和地面沉降监测网络，建立地下水资源优化管理模型， 有效控制地面沉降。 开展了地面塌陷区监测和研究，加强地下水资源管理，做好开发利用规划， 开展长期地下水动态监测。在该区内建设重大工程和重要设施必须对软土沉陷采 取防治措施。 ( 3 ) 建立英德市岩溶塌陷监测预防示范区 英德市区隐伏岩溶发育，岩溶塌陷灾害发生频繁。由于该区是人口密集的城 区，岩溶塌陷灾害潜在的危险性大。因此，建立英德市岩溶塌陷监测预防示范区， 进行地面塌陷危险性分区，科学指导城市建设规划和规范工程建设活动。该示范 区在2 0 1 5 年前完成。 1 3 研究技术路线 ( 】) 在收集前人研究成果的基础上，利用己有的实际资料。研究研究区的地 层岩性、地质构造条件、区域稳定条件、地形地貌条件、水文地质条件、水文气 象条件、岩溶发育程度、岩溶地面塌陷分布情况、人类工程活动情况。 ( 2 ) 研究岩溶塌陷的形成条件，岩溶塌陷发育规律，岩溶塌陷的影响因素及 其作用机理。在总结前人工作的基础上，全面总结岩溶塌陷的形成过程及其影响 因素。对岩溶致塌现象进行科学的抽象，并对其发育的地质条件( 包括岩溶盖层 及岩溶介质) 进行概念化处理，归纳出相应的塌陷类型。 第1 章引言 ( 3 ) 在上述研究基础上，重点探讨几种典型地质和环境条件下，岩溶致塌的 机理和地质力学过程。 ( 4 ) 针对目前已有岩溶塌陷资料，针对岩溶塌陷影响因素中水的作用进行岩 溶塌陷数值模拟研究并探讨岩溶塌陷的防治问题。 本文研究工作的技术路线如图1 2 所示。 1 4 研究内容 本文通过对已有塌陷资料的抽象、归纳和总结：对岩溶塌陷现象进行了系统 研究。研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 覆盖型岩溶区重点段的地质环境条件研究：主要包括岩溶区区域地质背 景、地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件等方面。目的是通过对岩溶 区地质环境条件的研究，查清整个岩溶区的水文地质条件，为建立研究区三维数 值模型、及模型边界条件的概化提供依据。 ( 2 ) 覆盖型岩溶区重点段的塌陷发育的基础条件分析研究：以现有勘察资料 为基础查明代表性地段厚覆盖型岩溶塌陷发育的基础条件，包括已有塌陷、土洞、 溶洞、溶蚀破碎带等的分布、岩土层结构特征、岩溶分布特征、人类活动特征。 根据土层厚度、结构、渗透性，地下水位，溶洞规模等进行地质统计分析，从而 划分出研究区岩溶塌陷的组合模式。 ( 3 ) 覆盖型岩溶区重点段的塌陷致塌因素和致塌机理研究：对研究区各种岩 溶塌陷模式的研究，归纳和总结岩溶致塌过程中的影响因素及触发因素，并通过 对岩溶区塌陷发育的地质条件和力学环境条件的研究，归纳和总结岩溶致塌过程 中的各种力学条件的相互作用和叠加，找出其对应的力学耦合模式，从而确定岩 溶区的岩溶致塌机理。 ( 4 ) 厚覆盖型岩溶区重点段的塌陷数值模拟研究：对研究区各种岩溶塌陷模 式的研究，针对已有的岩溶塌陷进行了数值模拟研究。 ( 5 ) 通过以上研究，对该地区岩溶塌陷进行预测评价，并对可能发生塌陷的 地区提出防治对策。 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 图卜2 研究技术路线图 第2 章研究区地质条件 第2 章研究区地质条件 2 1 自然地理概况 研究区地处英德中部，北至沙口，南到英德县城，西至三峰径石灰铺美 村圩一带，东到望埠一带。地理条件优越，南距广州1 3 8 公里：交通发达，京广 铁路穿境而过；公路网络四通八达：东联1 0 6 国道，西联1 0 7 国道，银英公路、 英坑一级公路，广州、英佛一级公路。区内北江、连江航运发达，上游有白石窑 水利枢纽、下游有飞来峡水利枢纽( 见图2 1 ) 。 圈铡 姻市县所在地 田公社 ： 村庄、荼场、矿厂 囚主要山峰 囫谳 i ：妻| 铁路干线及支线 目主要公路及次要公路 ? 一! ! ! ! 分里 图2 1 亍政区划及交通位置图 21 1 气候 研究区属于亚热带季风气候类型，气候温和，雨量充沛，多年平均气温为 2 0 9 。c 左右。每年5 至9 月为夏季，气温多为2 4 2 9 。c ，极端最高达4 0 1 2 。c ；从1 2 月到翌年2 月为冬季，气温多为1 0 1 2 。c ，偶受强寒潮影响，极 端最低气温为一3 6 。c ，北部山区偶有降雪。 本区多年平均降雨量为1 8 7 7 8 m m ，雨季( 4 月8 月) 降雨量占全年雨量的 7 2 8 0 ，且暴雨强度较大，其中5 、6 月份降雨量占全年的3 7 6 ；旱季( 1 1 月次年1 月) 降雨量占全年的8 左右。因本区地势高低变化悬殊，影响降 雨量不仅在季节上分配不均，而且在各地区的分布也不均匀。四季的主要特点 是：春季阴雨，雨日较多；夏季高温湿热，水气含量大，暴雨集中；秋季常有 雷雨和台风；冬季低温，雨量稀少，北部则有短期严寒霜冻。 年蒸发量为1 6 6 7 2 2 0 7 m m ，潮湿系数1 1 左右，为湿度充足带，年平均相 对湿度为7 8 ，年月变化不大。由于本区处于东北信风带，常年多吹东北风， 夏季有时吹南风或西南风。年平均风速1 7 2 7 m s ，最大可达1 4 1 8 m s 。每 年7 9 月间受台风侵袭。其气象特征见表2 1 。 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 表2 - 1研究区气象特征表 、空、县 英德市 气豹撩 多年平均气温( ) 2 0 9 极端最高气温( )4 0 1 2 极端最低气温( ) 一3 6 最热月月平均气温( ) 2 8 9 ( 7 月) 最冷月月平均气温( )1 1 1 ( 1 月) 多年平均降雨量( m m ) 1 8 7 7 8 年最大降雨量( m m )3 4 5 0 5 月最大降雨量( m m ) 1 1 0 1 3 日最大降雨量( m m ) 2 5 3 ，4 2 1 2 水文 研究区内水系发育( 图2 - 2 ) 。 图2 - 2 研究区水系流域图 本区主要河流有北江，自北入境蜿蜒南流。其主干支流有连江和翁江，分别 于连江口和英德市城附近汇入北江。其主要简况见表2 2 。 第2 章研究区地质条件 表2 - 2 北江简况表 河名北江 发源地北源：湖南省骑田岭。东源：江西信丰爬栏寨至广+ 东省思贤浯 水文站名横石 集水面积( k m 2 ) 3 4 0 1 3 河长( k m ) 4 6 8 多年 流量( m 3 )1 0 7 3 平均 年输砂量( 万吨) 4 7 0 值 含砂量( k g m 3 ) 0 1 3 3 位置中游 河流 流入北部白土墟 在本 流出连江口南流出英德 区的 长( k m )1 0 0 位置 及特水深( m ) 3 6 征 河面宽( m ) 3 0 0 5 0 0 坡降( ) o4 6 2 1 3 土壤与植被 研究区土壤与植被特征如下： 北部及南部花岗岩、碎屑岩山区，广泛分布黄壤及红壤，土层较薄，多为林 区，以杂木阔叶林、杉松针叶林为主，交通便利的地区，植被稀疏。 中南部盆地及河谷平原等低洼地带，已垦为农田，为泥质田、砂质田。 低缓丘陵，高阶地分布砂质土，部分被垦为茶园和旱作。 2 2 区域地质概况 2 2 1 地层岩性 本区地层发育较全，大面积分布第四系冲积、冲洪积、坡洪积、坡残积松散 堆积层。下伏基岩主要为白垩系、侏罗系砂砾岩、砂岩、泥岩、页岩夹炭质页岩、 砂质页岩及煤层；石炭系灰岩、砂页岩，局部含煤铁；泥盆系砂页岩、灰岩；燕 山期花岗岩、花岗闪长岩及前寒武系片岩、板岩、变质砂岩等。地层层序见表 2 3 表2 - 3 地层层序表 系统阶 地方 代号 厚度 主要岩性 备注 地层名称( m ) 全新统 q 4 “ 2 3 0砂质粘土、砾石层 上统 q 3 8 1 5 4 0 砾石、砂质粘土分布在典型研 第四更 中统 q 2 “ 1 3 砂质粘土、粘十、 究区内 系新 砾石层 统 含砾砂土、砂质粘 分布在典型研 中下统 q 1 2 “ 5 1 0究区及北江左 岸望埠一带 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 地方厚度 系统阶 代号主要岩性备注 地层名称 ( m ) 复矿砂岩、砾石砂 分布在典型研究 白垩 上统 南雄群k 2 4 0 0 岩、粉砂岩夹凝灰 区的横石塘盆地 系 质砂岩中部及线路区 零星分布于典 大测水段 c l d c 1 5 0 石英砂岩夹灰岩、型研究区横石 塘 2 0 0 页岩夹劣质煤层 塘盆地及北江 石炭 下统 阶 左岸河谷平原 系石磴子段ct d s 3 8 0 灰岩、生物灰岩夹 4 4 0泥质页岩 岩 1 7 0 生物灰岩、泥质灰 关孟公坳组 c l y m 3 4 0 岩、泥灰岩、砂质页 阶 分布在典型研 7 0 0 灰岩、大理岩、白丢 究区内 上统天子岭组 d 3 t 8 4 0 1 8 0 灰岩、泥质灰岩、白 中统东岗岭组 d 2 d 2 7 0云岩、页岩及砂岩 砾岩、砾石砂岩、分布在典型研 泥盆石英砂岩、粉砂岩究区北部中山 上亚3 0 0 地区、南部丘陵 系 桂群 d i 2 矿 7 8 0 中下统头 地区及北江左 群 岸丘陵地区 下亚2 3 0 砾岩、砾石砂岩、 群 d 【_ 2 昏： 石英砂岩与绢云母 5 6 0 泥质页岩互层 石英砂岩、粉砂岩、 第三层 p z l 。 1 5 0 0长石石英砂岩夹页分布在典型研 岩 究区北部中山 石英砂岩、粉砂岩与 地区 第二层p z l b 6 0 0 泥质绢云母页岩互 层 长石砂岩、“英砂岩 第一层 p zt 8 1 4 0 0及绢云母炭、泥质丽 现由新至老分述如下： 2 2 1 1 第四系全新统( q ) ( 1 ) 人工填筑层( q ，1 ) 粉质粘土为主，褐黄、浅黄色及灰色等杂色，坚硬硬塑状，压实，微含 1 0 1 5 卵砾石及中粗砂，局部夹杂物较多，其石质成份为灰岩、石英岩等。 一般厚0 5 m 不等。 ( 2 ) 冲积、冲洪积层( q 。“、q 。“) 表层多为粉质粘土( 灰岩段部分为粘土) ，部分段夹厚0 1 6 m 的软土( 以软 粘性土为主、次为淤泥质粉质粘土) 、松软土。其下为砂土、圆砾土、卵石土， 中密、饱和。一般厚5 - - 3 0 m 。 ( 3 ) 坡洪积层( q 。“) 主要为灰褐、褐黄、灰黄色粉质粘土、粘土，硬塑。部分宽缓沟槽低洼地段 第2 章研究区地质条件 ( 特别是鱼塘中) 表层为松软土、软土，软塑流塑，一般厚o 4 m ，最厚达l o m 。 局部夹砂土、圆砾土透镜体。 ( 4 ) 坡积、坡残积层( q 。“、q ；“”1 ) 褐黄、灰黄色粉质粘土、粘土，软塑硬塑，含少量砂岩、灰岩、花岗岩质 碎石、角砾，部分具弱中等膨胀性，厚o l o m 。 ( 5 ) 崩坡积层( q 。1 ) 灰褐、灰黄色块石土，中密为主，潮湿饱和，块石约占5 5 ，直径一般2 0 3 0 0 c m ，碎石及角砾约占3 0 ，石质成份与堆积体附近基岩一致，主要为砂岩、 花岗岩等，其余为粉质粘土充填。厚约5 2 0 m 。 2 2 1 2 第四系上更新统白水江组( q ，“) 粉质粘土、粘土为主，局部为卵石土或砂土。褐黄、棕黄、砖红色等，硬塑 状为主，局部夹o 6 m 软土( 软粘性土为主) ，部分粉质粘土、粘土具弱中等 膨胀性，厚度一般大于l o m 。 2 2 1 3 第四系中更新统白沙井组( q ：“) 以粉质粘土、粘土为主，褐黄、灰褐、砖红色等，硬塑状为主，局部软塑， 表层及与灰岩基岩面附近透镜状分布o l o m 的软土及松软土。部分具弱膨胀性。 厚约1 0 2 5 m ，长度一般可达4 5 k m ，宽2 3 k m 。 2 2 1 4 白垩系( k ) 上统南雄群( k 。n n ) ：黄褐色、棕褐色泥岩、页岩，薄层状，泥质结构，岩 质软，遇水易软化、崩解，地表基本为全、强风化层，岩芯呈坚硬土柱状。 2 2 1 6 石炭系( c ) ( 1 ) 下统大塘阶石蹬子段( c 。d s ) 灰色、深灰色灰岩夹炭质灰岩、泥质灰岩，隐晶结构，中厚层为主，节理较 发育。偶夹薄层炭质页岩、泥质灰岩、炭质灰岩。 ( 2 ) 下统岩关阶孟公坳组( c y m ) 砂、页岩、灰岩夹泥灰岩，黄褐、灰、灰黑色，局部炭质页岩可染手。灰岩 为中厚层，节理裂隙较发育，岩体较完整，岩溶一般不发育。砂、页岩分布段， 全强风化层一般厚度超过1 5 m 。 2 2 1 7 泥盆系( d ) ( 1 ) 上统天子岭组( d 3 t ) 浅灰色、灰色灰岩、泥质灰岩，隐晶结构，中厚层为主，夹薄层，含较多方 解石脉，质坚硬，节理较发育。岩溶较发育。夹少量白云岩。部分段泥质灰岩全 风化层厚度大于4 0 m 。 ( 2 ) 中统东岗岭组( d ：d ) 成都理工大学硕士学位论文，2 0 0 6 黄灰色、灰色、紫红色及褐灰色砂岩、页岩、灰岩等，薄中厚层，夹厚层。 砂岩细粒结构为主，泥质钙质胶结；页岩页理发育，质较软。灰岩为浅灰灰色， 隐晶结构，裂隙较发育，岩溶较发育，钻孔中多次发现充填溶洞。偶含白云岩。 岩层差异性风化明显。 2 22 地质构造 研究区位于华南华夏系构造带与南岭纬向构造带