（地质工程专业论文）人工神经网络在岩溶塌陷预测评价中的应用研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文 摘要 岩溶塌陷是岩溶地区常见的一种环境地质灾害，它发生突然，危害性大，因 此其预测评价方法的研究已成为岩溶环境区各项经济建设的基础性工作之一。f 现 有的预测评价方法在实际应用中取得了一定的效果，但由于这些方法中的主观因 素较多，尤其是一些关键参数常常需要人为确定，因此其预测结果的可信程度往 往难以令人满意。作为当前智能科学领域中的研究热点，人工神经网络在许多领 域得到了广泛且富有成果地应用。将人工神经网络方法引入到岩溶塌陷预测评价 领域，可以最大限度地排除人为因素的影响，从而提高预测评价结果的可信程度 及客观性。 首先，在前人的研究基础上，比较系统和全面地总结了岩溶塌陷的形成条件、 发育规律和环境影响因素及其作用机理。同时，简要阐述了人工神经网络的基本 理论。其次，在研究b p 算法及其改进方法的基础上，根据桂林岩溶区的资料， 建立了岩溶塌陷b p 神经网络预测模型并对模型中各因素的作用做出了合理的地 质意义解释。此外，对建模过程中所涉及到的一些具体问题进行了探讨，提出了 相应的处理方法。最后，针对南昆线岩溶塌陷的特点，建立了南昆线岩溶塌陷预 测评价的人工神经网络模型，并对南昆线陆良一昆明段岩溶塌陷情况进行了预测 评价。 研究表明，应用人工神经网络方法进行岩溶塌陷的预测评价是行之有效的。二 【关蜘】岩溶塌陷人工神经网络模型预测评价南昆铁路 西南交通大学研究生学位论文 a b s t r a c t k a r s tc o l l a p s ei sak i n do fe n v i r o n m e n t a lg e e - h a z a r d si nk a r s ta r e a , w h o s op r e d i c t i o na n d e s t i m a t i o nh a sb e e no n eo f f u n d a m e n t a lr e s e a r c hw o r k si ne c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t so f k a r s ta m 1 n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，m a n y m e t h o d si ne x i s t e n c eh a v eb o r nc e r t a i nf r u i t s , b u ti nt h e s em e t h o d ss o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r sm u s tb eo f t e nd e ! t e r m i n e ds u b j e c t i v e l y ，w h i c hu s u a l l ym a k ep r e d i c t i o nr e s u l t 。s r e l i a b i l i t y n o ts a t i s f a c t o r y a st h es t u d yh o t s p o to f c u r r e n t l yi n t e l l e c t i v es c i e n c e ，a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r km e t h o dh a sb e e nw i d e l ya n d s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm a n ys c o p e s a p p l y i n ga r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r km e t h o di n t op r e d i c t i o na n de s t i m a t i o no fk a r s t c o l l a p s ec a l lo b v i a t ei n f l u e n c e so fs u b j e c t i v e f a c t o r st oc a p a c i t y ，a n dr a i s ep r e d i c t i o nr e s u l f sr e l i a b i l i t ya n d o b j e c t i v i t y f i r s t l y 。o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ，t h ek a r s tc o l l a p s e sf o r m a t i o nc o n d i t i o n s ，d i s t r i b u t i o n l a w sa n da f f e c t i n gf a c t o r sw i t ht h e i ra f f e c t i n gm e c h a n i s ma r es y s t e m a t i c a l l ys u m u pi nt h eg e n e r a l a tt h es a m et i m e ，t h ep r i m a r yt h e o r yo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki ss h o r t l ye x p a t i a t e do n s e c o n d l y b a s e do nd a t ao fg u i l i nk a r s ta r e a , t h eb pn e u r a ln e t w o r km o d e lo f p r e d i c t i o no fk a r s tc o l l a p s ei s e s t a b l i s h e d ，a n dg e o l o g i c a lm e a n i n g so fa l lf a c t o r s e f f e c to nk a l s t c o l l a p s e i nt h em o d e la l e p r a g m a t i z e dt o o m o r e o v e r t s o m e s p e c i f i cp r o b l e m s c o n c e r n e di nt h e m o d e l i n gp r o c e s s a r e r e s e a r c h e da n dc o r r e s p o n d i n gr e s o l v e n t sa r ep u t f o r w a r d l a s t l y ，d i r e c t e dt o w a r d sc h a r a c t e r i s t i c so f k a l s t c o l l a p s e i n n a n n i n g - - k u n m i n gr a i l w a y ，t h e n e u r a ln e t w o r km o d e lo fk a r s t c o l l a p s e l s p r e d i c t i o ni sc o n s t r u c t e da n dt h ep r e d i c t i o na n de s t i m a t i o no fk a r s tc o l l a p s ei nl u l i a n g - - 一k u n m i n g s e c t i o no f n a n n i n g - 一k u n m i n g r a i l w a yi sm a d e ! t h e s t u d ys h o w s t h a ta p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a ln e u r a in e t w o r km e t h o di nt h e p r e d i c t i o no fk a r s t c o l l a p s ei sf e a s i b l ea n d e f f e c t i v e k e y w o r d s k a r s t c o l l a p s e a a i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e l p r e d i c t i o na n de s t i m a t i o n n a r m i n g - - k u n m i n gr a i l w a y 西南交通大学硕士学位论文 1 1 绪论 1 1 岩溶塌陷的危害 岩溶塌陷是岩溶环境区常见的一种地质灾害。它是覆益型岩溶地区开1 2 1 岩溶 形态与上覆土层( 少数为松软岩层) 中的水、气对覆盖层发生的力学效应在地面 形成的坍落现象。它的出现，除古岩溶塌陷受控于自然因素外，多数塌陷都受人 类经济、工程活动的影响。人为因素导致的塌陷规模大、发展迅速且危害性强， 因此引起了广泛的关注。据不完全统计，世界上已有1 6 个国家发生过严重的塌 陷问题。我国可溶岩分御面积达3 4 0 力平方公罩，被第四系松散堆积物及少数碎 屑岩覆盖的面积占碳酸盐岩出露面积的7 0 ，是世界上岩溶塌陷发育最广泛的国 家之一。据初步统计【伯i ，截止1 9 9 7 年，我国已有2 2 个省区受到岩溶塌陷的危害， 共发生过岩溶塌陷8 6 5 例以上，塌坑总数超过3 万个。尤其是广西、贵州等省区， 塌陷问题十分突出，已严重影响到经济建设和人民的生命、财产安全。 岩溶塌陷在我国是近3 0 年来发现并引起重视的一个新的岩溶工程地质问题。 我国岩溶塌陷涉及面广，不少领域如交通运输、矿山开采、城市建设、农田水利 以及人民生活等都受到岩溶塌陷不同程度的危害。受害严重的以铁路、矿山为首， 次为农用水利、城市建设、道路与管线路设施及人民生活等。据铁道部门的调查 统计1 4 t ，到1 9 9 2 年，全路岩溶塌陷已发展到近5 0 0 处，已构成严重危害的有5 7 处，塌陷已经造成3 次列车颠覆事故，中断行车累计2 0 0 0 多小时，给铁路运输 造成了巨大损失，其中黄石地区大广支线已断道十多年至今未恢复，皖赣线硬石一 岭车站自1 9 8 9 年1 月至1 9 9 3 年6 月先后发生岩溶塌陷1 2 2 处，多次造成中断行 车，列车长期限速馒行。塌陷造成的直接经济损失及治理费用，一个工点少者几 十万元，多者竟达3 0 0 0 多力，元( 津浦线泰安车站) 。全国尚有3 8 座水库、3 7 个矿山( 典型案例：湖南恩口煤矿) 、2 0 多个城市遭受岩溶塌陷的危害。 此外，岩溶塌陷作为一种特殊的水土流失方式，使岩溶地区本来就十分稀少 的土地进步减少，严重地恶化着岩溶地区人们赖以生存的环境并影n 向了城乡发 展，而且由于塌陷的存在和潜在威胁，岩溶地区的水利资源、地下水资源、矿产 资源以及旅游资源的丌发利用也受到了严重影响。 1 2 岩溶塌陷预测方法的国内外研究现状i m l l 1 1 椰1 1l 【3 3 1 1 3 4 西南交通大学硕士学位论文 岩溶塌陷预测的内容包括塌陷时间、塌陷地点和范围以及塌陷强度和可能造 成的影响。预测方法可分为定性预测和半定量一定量预测，如图1 i 所示。 地 质 条 件 分 析 塌 陷 现 状 分 析 塌陷主要 因素多元 统计分析 经验公式 法、稳定 平衡计算 定性 定 量 坐 定 量 图i i 岩溶塌陷预测程序框图 塌 陷 预 测 1 2 1 定性预测 首先要查明研究区的地质、水文地质条件，特别是要了解地貌组合类型和岩 溶发育规律及覆盖层的岩性结构、厚度等特征，进行岩溶发育程度及地下水动力 条件的分区；其次调查、分析已有塌陷点的塌陷特征、时空分布规律及形成条件 ( 环境及触发因素) ，探讨塌陷的成因，确定产生塌陷的综合判断指标；最后综 合起来，考虑塌陷发展趋势和对环境的影响程度，对研究区进行塌陷评价预测分 区、 j 1 2 2 定量预测 目前国内广泛应用的定量预测方法主要有三种：一种是经验公式法，另一种 是多元统计法，此外还有稳定平衡计算预测法。 ( 1 ) 经验公式法 根据已有塌陷点的形成条件，采用经验判断或简单的图解( 如散点图、关系 曲线等) 判断，确定被测目标与某些塌陷因素之i 剐关系的公式。广东地矿局曾根 据儿口矿区b 1 9 孔群抽水试验时所产生的塌陷，提出了根据水位降深预测塌陷扩 展半径的公式： 西南交通大学硕士学位论文 ! 三彳馥s ( 1 1 ) 或l i = x + ( a , s - x ) 矿l k 2 ( 1 2 ) h i ( 1 2 ) 式用在研究区内、外岩溶发育程度不同，且外围发育程度减弱的条件下。 式中。s 为设计水位降深；x 为排水点至岩溶分区界限的距离；k 、墨为分区岩 溶率，其中瞄是排水点所在区域岩溶率；a i 为i 方向上的塌陷比例系数，可根据 已知抽水水位降低值s 与i 方向上的塌陷扩展半径求得，即a ，= l ，s 。 缪钟灵( 1 9 8 3 ) 根据贵州一些水源地的塌陷资料，提出依据有效水位降深预 测塌陷半径( 工) 的经验公式： l ： q s o f ( 1 3 ) 。m 式中， q 为抽水量：s o 为有效水位降深( 从基岩面算起的降深值) ；f 为抽水时 间：m 为土层厚度；，7 为土层性质系数，对砂、砾、亚砂土取0 1 0 0 5 ，对亚粘 土、风化砂页岩取大于0 0 1 ，对粘土类取小于0 0 1 。 陈国亮等( 1 9 8 3 ) 根据多年的实践经验，得到了按坍塌土体平衡条件计算土 洞破裂拱高h 的公式： h ：上( 1 4 ) 2 五t a n 护 式中，b 为下部土洞宽度：五为土体侧压力系数，五= t a n 2 ( 4 5 。一昙) ，西为土体的 z 内摩擦角，口为滑移面的摩擦角，其值比矿小，一般土口= ( 0 7 0 9 ) 西。根据计 算得到的土洞破裂拱高h 与预测区土层厚度进行比较，即可对土洞坍塌是否会影 响到地面导致塌陷作出预测评价。该式适用于覆盖型岩溶区由于下伏土洞坍塌而 直接形成的地面塌陷。 ( 2 ) 多元统计分析法 通过各影响因素与被测目标之间关系的分析，对塌陷进行预测或判断。 逐步回归分析法以影响岩溶塌陷的诸因素作为自变量x ，对以面积e f 分率表示的塌陷强度( 塌陷面积统计面积) 即因变量y 进行预测。首先是一确地 选取变量，利用实际样本对因变量( 塌陷强度) y 与自变量置进行相关分析；然 后用偏回归平方和组成统计量，由预先给定的统计值f 检验自变量对因变量影响 1 西南交通大学硕士学位论文 一4 的显著程度，从而逐个确定选入或予以剔除的自变量，使得对因变量影响显著的 自变量进入回归方程；最后利用所建立的回归方程对未知样本进行预测。 逐步判别分析法从所给定的川组样品行个变量中，根据每一变量在各 组判别式中所起的重要性不同，剔除无效或判别效果不显著的变量，选出效果显 著的变量，建立判另方程。根据计算结果和判据，判别其他未知点归属于哪一类。 康彦仁等在湖北省大广山铁矿岩溶塌陷预测评价工作中，分别进行了逐步回 归分析与逐步判别分析方法预测塌陷的尝试，取得了一定效果。 数量化理论模型 考虑到岩溶塌陷影响因素的多样性及综合作用，特别 是有些地质因素取值比较困难，在采用多元统计分析进行定量预测时，最好选取 兼有定性说明变量的数量化理论模型。如覆盏层厚度为定量数据，地貌类型、盖 层岩性结构为定性数据。对于分区目的的预测，可采用数量化理论i 【q ( i ) 】：对于 局部地段或点的预测，可采用数量化理论i i 【q ( i d 】。前者相当于回归分析法，后 者相当于判别分析法。 ( 3 ) 稳定平衡计算预测 从本质上看，岩溶塌陷的产生是塌陷体中致塌力超过抗塌力的结果。根据这 一原理，分析塌陷体( 研究对象) 的受力状态，建立力学平衡关系，计算致塌力 与抗塌力的大小，然后进行塌陷预测评价。谭鉴益等人通过对土层塌陷中重力致 塌模式的静力学分析，建立了平衡计算公式，在对桂林、玉林等地的塌陷预测中， 取得了较好结果。 近年来，地理信息系统( g i s ) 技术的应用，使得岩溶塌陷危险性预测评价 上升到一个新的水平。国内先后有雷明堂、石建省、王洪涛、茹锦文等运用g i s 的空间数据管理、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 了较好的效果。罗斌基于p ca r c i n f og i s 建立了恩口矿区岩溶塌陷信息系统 雏形，陔系统可对岩溶塌陷进行单因素分析、多因素复合分析及信息拟合分析。 他得出的比较符合实际的矿区内岩溶塌陷的预测评价模型为： ：1。tp2+2：f；d-q；tsco k c+ 2 0 ( 1 5 ) 2 1 0 胃三+ ( 1 5 ) 式中，s c 为岩溶塌陷指数，反映塌陷产生的可能性或严重程度：k c 为岩溶率； 西南交通大学硕士学位论文! f d 为构造因素；卯为地貌因素；q 7 为第四系厚度。 杨健等人提出并应用层次分析一模糊综合评判法对鞍山岩溶地面塌陷环境地 质质量进行了评判，评判结果与实际情况较为吻合。该法采用a h p 法，对造成 岩溶塌陷的各种影响因素进行层次分析，以确定各因素的权重；进行一致性检验 后，将结果应用于模糊综合评判中，使得评判结果更具客观性。 冯佐海等人提出了岩溶塌陷空间指数等密图的编制方法和原则。岩溶塌陷空 自j 指数等密图不但能直观、定量地反映岩溶塌陷在平面上的分布强度和密度，而 且能在一定程度上揭示诸因素对岩溶塌陷的控制作用，在岩溶塌陷风险评价和预 测研究中具有重要的实用价值。 有些研究者提出了聚类分析法、因子分析法、风险分析法等：国外一些学者， 还把双重傅立叶级数法以及最近距离法用于岩溶塌陷预测的研究。 此外，也有应用航空遥感技术进行预测评价的，如根据航片判读其地质构造 特征、主要线性构造及其交汇点，结合其他环境特征，利用电算技术进行处理， 再将各个地段加以区分，以评价其稳定性。 由于岩溶塌陷的定量预测还处于探索之中，因此在实际工作中，人们常采用 定性与定量结合的预测方法。其基本思路是依据研究区内的水文地质条件、岩溶 发育程度以及覆盖土层特征等，首先进行塌陷的定性预测分区：然后选取影响塌 陷的因素，运用数学地质的方法进行定量计算，使塌陷的预测分区定量或半定量 化；最后综合定性与定量分析计算的结果，进行塌陷的预测分区。 j 1 3 论文选题依据及技术路线 现有的岩溶塌陷预测评价方法在实际应用中取得了一定成效，但方法中的主 观人为因素较多，从而降低了预测评价结果的可信程度。而人工神经网络具有自 学习、自适应及联想记忆功能，将人工神经网络方法应用于岩溶塌陷的预测，可 以最大限度地排除主观人为因素的影响。因为在这种方法中，各影响因素对塌陷 的影响方式及影响程度是由人工神经网络模型通过对已有塌陷点的实测资料进行 学习盾获得的，而不是人为给定的。结合铁道部科技发展计划项目京九、南昆 铁路岩溶塌陷发尘规律研究及灾害分级分区预测( 9 7 g 2 1 ) ，笔肯进行了选题。 通过对岩溶塌陷影响因素及人工神经网络方法的研究，进而建立岩溶塌陷预测b p 西南交通大学硕士学位论文! 神经网络模型并在实践中进行应用，从而为岩溶塌陷的预测探索出一条新途径， 期望能对实际工作起到一定的指导作用。 根据上面的选题，笔者选择了如下的研究技术路线： 岩溶塌陷 形成条件研究 岩溶塌陷 发育规律研究 岩溶塌陷的影响因素 人工神经网络 基础理论研究 b p 算法及改进算法研究 b p 神经网络在岩溶塌陷预测中的应用研究 实例应用：南昆线岩溶塌陷的预测评价 1 4 本次论文的主要工作 ( 1 ) 在前人工作基础上，比较系统和全面地总结了岩溶塌陷的形成条件、发 育规律和环境影响因索及其作用机理。 ( 2 ) 首次将人工神经网络方法应用于岩溶塌陷预测评价领域。以桂林岩溶区 的资料为基础，建立了岩溶塌陷b p 神经网络预测模型并对模型中各因素的作用 做出了合理的地质意义解释。此外，还对建模所涉及到的一些问题进行了探讨。 ( 3 ) 总结了南昆线岩溶塌陷概况，建立了南昆线岩溶塌陷神经网络预测评价 模型，并对陆良昆明段岩溶塌陷情况进行了预测评价。 西南交通大学硕士学位论文 ： 2 岩溶塌陷的形成条件、发育规律及影响因素 要对岩溶塌陷进行预测评价，首先应对岩溶塌陷的形成条件和空间发育规律 有充分的了解，进而找出其主要影响因素，才有可能建立合适的预测评价模型。 2 1 岩溶塌陷的形成条件 作为可溶岩地区特有的一种环境工程地质作用和现象，岩溶塌陷的产生必须 具备一定的物质基础并有导致塌陷产生的外部作用力，也就是说塌陷的产生还要 满足一定的力学条件。 2 1 1 岩溶塌陷形成的基本条件 岩溶塌陷的产生，是多种因素综合作用的结果，岩溶洞隙的存在、一定厚度 的盏层、外部作用力尤其地下水的活动构成了岩溶塌陷产生的基本条件。 ( 1 ) 岩溶洞隙是塌陷产生的基础 岩溶洞隙是容纳上覆盖层塌陷体的场所，也是水流迁移岩土物质的通道，因 而是岩溶塌陷产生的基础。大量的实际资料表明，塌陷坑与下伏溶( 土) 洞特 别是浅部溶( 土) 洞普遍存在着明显的垂向对应关系，而且大的溶洞往往造成大 的塌陷，小的溶洞形成小塌陷，裂隙状溶洞形成长条状塌陷。 ( 2 ) 上覆盖层是塌陷体的主要组成部分 岩溶塌陷实际上是溶洞( 或土洞) 上覆盖层物质的陷落。据统计，在已知的 塌陷中，土层塌陷占9 6 7 ，可见土层是塌陷的主要组成部分。土层可由粘士、 砂、砾石等各种成分组成，构成均一结构、双层结构或多层结构。岩溶塌陷体大 部分由第四系松散堆积物组成，也见有破碎松散的基岩构成，或下部由基岩，上 部有第四系土层组成。 ( 3 ) 外部作用力 外部作用力是塌陷产生的触发因素，包括自然和人类工程、经济活动的各种 作用，如地下水的活动、地震力、上部荷载力、振动力等。 条件( 1 ) ( 2 ) 是岩溶塌陷形成的物质基础，( 3 ) 足外因( 触发因素) ，是形 成塌陷的力学因素，尤其是地下水的活动，包括地下水位的高低、变化幅度及其 水动力特征的变化往往是岩溶塌陷形成过程中最积极、最主要的动力因素，它在 岩溶塌陷形成中所起的作用是多方面的i l | ： 西南交通大学硕士学位论文 ! 溶蚀作用 水对可溶岩长期而缓慢的溶蚀作用形成了岩溶塌陷产生的基础一岩溶洞隙， 为塌陷提供了必要的条件。水的溶蚀作用的另一种表现是直接对土层中易溶盐分 的溶解，尤其是受酸碱废液污染的地下水的溶解作用更强烈，从而破坏土层结构。 残积粘土中富a l ”、s i 4 + 、f e ”，少c a 2 + 、m g “，缺n a + 、c 的特点就是土层被地 下水淋滤溶解的结果，土层中发育的土洞也是这种作用的佐证。 改变岩土体的物理力学性质 地下水对岩土体的物理力学性质的影响是通过改变岩土体中的含水量体现出 来的。一般岩土体中含水量主要随地下水位升降及地表水的入渗而改变，含水量 的变化可以产生以下几方面的作用： a ) 改变土层的力学性质含水量的变化直接影响土的凝聚力及内摩擦角 的大小。当含水量降低时，土粒周围的结合水膜厚度变薄，使土粒间距缩小，这 时通过公共水膜的水胶连接就逐渐增强，土的凝聚力相应增大。因此，粘性土的 含水量越低，它的凝聚力也越大。而含水量增加时，土的凝聚力及内摩擦角都将 减小，从而导致土层的抗剪强度下降，抗塌力减小。 b ) 改变土层的容重天然的土( 石) 是由围? 液、气三相组成的综合体。 对一定的土体来说，固体颗粒成分是不变的，而水、气含量则是可变的。含水量 增大，容重增加，自重力加大，致塌力增大。 地下水的浮托作用 凡在地下水位以下的岩土体，都受到地下水浮托力的作用。一旦地下水的浮 托力失去，土体自重将增加，使得抗塌力减小而致塌力增加。 地下水的侵蚀作用 地下水的侵蚀作用促进岩溶发育，扩大岩溶空间。 地下水的渗流潜蚀作用 地下水流在土层中运动，由于渗透压力使土粒( 或团块) 发生位移，不断被 带走，从而破坏土体结构，形成土洞甚至引起地表变形，这种作用称为渗流潜蚀 作用。它是岩溶塌陷形成中一种十分重要的作用。士体在渗流潜蚀作用下所引起 的渗透变形形式主要有管涌( 工程上常泛称潜蚀作用或机械潜蚀作用) 和流土两 种基本类型。粘性土中主要是流土，砂性土中管涌常见。岩溶区双层含水介质的 存在，十分有利于渗透变形作用的产生。 西南交通大学硕士学位论文一9 地下水位变化引起岩溶空间的正负压力作用 封闭较好的岩溶空间在地下水位上升时，其中的气体将受压形成高压气团， 对四周岩土体产生一种正压力，可冲破岩土体，引起气爆，有时直接造成地面塌 陷。当地下水位大幅度下降时，地下水的重力作用可形成负压：另外，岩溶管道 中的高速水流，对与其连通的岩溶空间产生水流吸气作用也可形成负压；有时， 岩溶管道中的流水端面由窄变宽，引起流速变化也会形成负压。地下水流形成的 负压，可以出自然条件变化引起，也可由坑道的排水、突水引起。负压的存在对 四周的岩土体产生一种吸蚀作用。 地下水的搬运作用 岩溶地下水流具有搬运碎屑物质的能力和随水迁移其溶解物质的能力。由于 地下水流的不断搬运，可促使岩溶作用不断发展，而沉积物一旦在溶洞、洞隙中 沉积，就会局部地阻止岩溶作用的进行。因此，岩溶塌陷物如果没有地下水流的 搬运作用，塌陷物质将堵塞岩溶空间，从而限制岩溶塌陷的发展。只有地下水流 的不断搬运，塌陷才能不断发展，直到达到一个新的平衡为止。 2 1 。2 岩溶塌陷形成的力学条件 从力学角度看，岩溶塌陷产生的实质是致塌力超过抗塌力的结果，当抗塌力 大干致塌力时是不会产生塌陷的。塌陷体受力情况如图2 i 所示川。 f 图2 1塌陷体受力状念图 s 西南交通大学硕士学位论文 。 = 一般情况下抗塌力包括图2 1 中所示的岩土体内聚力c 、周边摩擦力f 和 地下水的浮托力w 。致塌力包括图2 1 中所示的岩土体的自重力g 、外部荷 载力p 、地下水垂向渗透力f v 、地下水侧向渗透力f h 、大气压力p 。、振动冲 击力s 、气体负压力p 。、气体正压力z 。其中气体负压力在真空吸蚀效应中 是致塌力，而气体j 下压力在冲爆效应中是致塌力，对同一塌陷体来说，二者 不能同时存在。当然，对一个塌陷体来说，并不是同时受到上述所有力的作 用，而是依各自所处地质环境和致塌因素不同而各有差异。 2 2 岩溶塌陷的空间发育规律【2 】【3 】 ( i ) 岩溶塌陷主要沿岩溶强烈发育的地段分布 岩溶主要沿碳酸盐岩岩性较纯的层位、断裂破碎带、褶皱轴部及可溶岩与非 可溶岩接触带发育，因此岩溶塌陷也多沿这些地带分布。在对桂林1 4 4 个塌陷点 的统计中发现，分稚于岩溶强烈发育的上泥盆统融县组质纯灰岩中的塌陷点达1 0 3 个，占总数的7 2 ，而其它岩溶层位因岩溶发育程度较弱，塌陷分布仅占2 8 。 塌陷沿断裂带及断裂交汇地段分布最为典型的例子是湖南恩口矿区，在断裂交汇 处的山口冲地段0 1 k m 2 范围内，就有塌陷坑5 0 0 多个。另外，广东几口矿区、云 南个旧锡矿区的岩溶塌陷分布也都明显表现出这种分布特征。如果用岩溶率的大 小表示岩溶发育的强弱，可以发现塌陷出现数量与岩溶率的大小常有一定的相关 关系。在广东凡口矿区发现岩溶率大的地方塌陷多，强度大，岩溶率小的地方塌 陷少或无塌坑，地表仅有少数开裂、下沉现象( 见表2 1 ) 。 表2 1 广东凡口矿区岩溶率与塌陷关系 j 岩溶发育程度岩溶率( )塌坑数( 个) 强烈 1 9 0 82 4 中等 4 0 l5 弱 1 9 6 仅开裂f 沉 ( 2 ) 岩溶塌陷主要产生于覆盖层厚度较薄地段 在其它条件相同的情况下，覆盖层厚度越薄越易产生塌陷。覆盖层薄，土洞 塌至地面所需时j 日j 较短，土洞旦发生坍塌很快就会发展至地表形成塌陷，特别 薄的土层可直接向下伏溶洞塌陷。如果覆盖层比较厚，流失或下塌的土体有可能 堵塞下面的溶洞通道，阻止土体的进一步大量流失，使土洞停止发展。同时，薄 西南交通大学硕士学位论文 兰 的盖层使地表水向地下渗漏的途径短，容易渗漏且渗漏量大，从而使土体流失产 生塌陷。而较厚的覆盖层压实程度和胶结程度往往比较好，不易发生潜蚀、流土。 塌陷主要产生于土层较薄地段的另一个原因是因为士洞一旦形成，需要一定厚度 的士层满足其应力拱高度的需要，才能保持洞顶板的稳定。 根据我国南方岩溶地面塌陷的统计资料，岩溶塌陷大多数发生在土层厚度小 于l o 米的地段，而且以厚度小于5 米的地段塌陷产生密度最大，数量最多。土 层厚度为l o 3 0 米时，塌陷产生的数量要少 导多，士层厚度大于3 0 米时，塌陷 仅个别零星出现。如昆明翠湖塌陷，就主要分夼于第四系厚度小于l o 米的地段； 浙赣线分宜站有记录资料的4 2 处塌陷分析表明，发生塌陷地段覆盖层平均厚度 分别为5 6 米( 塌陷数占总数的6 8 ) 、9 8 米( 塌陷数占总数的3 2 ) 。据云南个 日锡矿尾矿池的统计，土层厚度小于8 米的地方有塌陷4 6 1 处，占总数的9 4 5 ( 见表2 2 ) ；桂林9 3 的塌陷产生于土层厚度小于1 0 米的地方( 见表2 3 ) 。 表2 2 云南个旧锡矿尾矿池塌陷与覆盖层厚度统计表 塌陷处覆j ；j f 层厚度( 米) 名称 总计 0 - - - 44 - 1 18 1 6 1 6 老厂选矿厂尾矿池 8 61 039 9 黄茅山选矿厂尾矿池 2 2 932 3 2 新冠选矿厂尾矿池 6 11 21 79 0 譬房选矿厂尾矿池 4 l1 952 6 7 合计 4 1 74 481 94 8 8 百分率( ) 8 5 59 01 63 91 0 0 ( 据昆明冶金设计院资料) 衷2 3桂林塌陷与土层厚度关系 十层厚度( 米)塌陷点数( 个)身分比( )备注 0 - 59 4 6 2 3 规模人 5 一1 04 6 3 0 5 1 0 1 5l l 7 2 规模小 另掘陈国亮川对9 0 个岩溶塌陷实例的模糊统计分析结果，覆盖层厚度小于2 米时为极不稳定地段，2 5 米为很不稳定地段，5 1 0 米为相当不稳定地段，1 0 2 0 米为比较不稳定地段，2 0 3 5 米为有点不稳定地段。厚层体中发生塌陷的情况 十分罕见。 在对南( 宁) 昆( 明) 铁路岩溶塌陷情况进行野外实地调查时，据罗平工务 西南交通大学硕士学位论文 兰 段宜良北工区的同志介绍，当路基覆盖层厚度大于1 0 米时很少发生岩溶塌陷。 因此，对埋深大于1 0 米的溶( 土) 洞，工务部门一般不予处理。 ( 3 ) 岩溶塌陷多发生在地下水活动强烈地段 由于地下水的流动及其水动力条件的改变是岩溶塌陷形成的最重要动力因 素，因此塌陷的产生和分布明显受控于地下水的活动。地下水径流集中或地下水 活动强烈地段的上覆土体受到的冲刷和潜蚀作用较大，因此最易产生塌陷。这些 地段有：岩溶地下水的主径流带；岩溶地下水的排泄带( 特别是集中排泄带) ： 地下水位埋藏浅、变幅大的地段或地下水位在基岩面上下频繁波动的地段； 地下水位降落漏斗影响半径范围内；双层含水介质( 上为7 l 隙介质，下为岩溶 介质) 分稚的地段，或地下水位急剧变化的地段；地下水与地表水水力联系密 切的地段。 ( 4 ) 岩溶塌陷常出现在地势低洼处 沣地等负地形往往代表地下岩溶发育的地带，易具备大规模塌陷的形成条 件，所以塌陷多分布在岩溶区的负地形内。如岩溶丘陵山区与平原接壤的过渡地 带、溶蚀堆积平原和丘陵山区的洼地及槽谷等处，第四系覆盖层的厚度相对较薄， 地下岩溶通道发育，地下水交替循环强烈，这些都有利于岩溶地面塌陷的产生。 另外，这种负地形地区有些就是原先的溶蚀漏斗、落水洞等早期的塌陷地段，或 是与地下岩溶通道相连通的部位。又如地表沟谷处，常常是地下水排泄和活跃的 地带，所以岩溶比较发育，比其他地段易于塌陷。例如湖南恩口煤矿，塌陷大多 分布于地形低沣的冲沟和河谷地段。 1 2 3 岩溶塌陷的影晌因素 根据岩溶塌陷的形成条件和空间发育规律，可总结出岩溶塌陷的影响因素。 ( 1 ) 岩溶发育程度 调查资料表明，地面岩溶塌陷的发生强度与下伏碳酸盐岩的岩溶发育程度相 对应，塌坑往往在岩溶强烈发育的地带或岩溶地层集中分布的地方出现，其数量 与钻i l 遇洞率或岩溶率呈f 相关。 从岩溶发育的基本条件：岩石的可溶性、岩石的透水性、水的流动条件，可 知影响岩溶发育程度的主要因素有l ： 岩性 西南交通大学硕士学位论文 兰 岩石的可溶性是岩溶发育的内在因素。可溶岩的岩性愈纯，含易溶组分就愈 多，岩溶也就愈发育。在自然界中，石灰岩比白云岩易溶蚀，白云岩比硅质灰岩 易溶蚀，硅质灰岩又比泥灰岩易溶蚀。因此，从岩性条件来看，石灰岩地区的岩 溶发育要比非石灰岩地区强烈。 岩石的孔隙性和裂隙性 只有可溶岩透水时，水才可能进入岩石内部进行溶蚀。因此，岩石的孔隙性 和裂隙性是控制岩溶发育的一个重要因素，尤其是构造裂隙的影响更大。构造裂 隙密集地段有利于地下水的活动，所以是岩溶最发育的地段之一。 地下水的流动条件 当条件具备时，水的流动条件就成为决定岩溶发育程度的关键因素。地 下水径流愈强烈，侵蚀性c o ，含量就愈多，岩溶也就愈发育。 有关研究还表明，气候也是影响岩溶发育程度的一个主要因素。气温影响 水中c o ，的含量及化学反应速度；降水量的大小及时空分布对岩溶作用强度都有 影响，降水量越大，季节分配越均匀，气温越高，溶蚀量越大，岩溶也就越发育。 我国南方岩溶发育好，北方岩溶发育差，气候条件在其中起了主要作用。如云贵 高原属亚热带气候，常年温暖潮湿，平均年降雨量1 0 0 0 2 0 0 0 m m ，且雨季多集中 在5 8 月，这样的气候条件对碳酸盐岩岩溶的发育极为有利。 此外，大面积的植被能增加空气湿度和降水，能截留径流，减弱地表径流流 速，加强下渗作用，促进地下岩溶的发育。土壤对岩溶作用的影响也很显著，岩 溶水中的c o ，主要来源于土壤层，土壤中所含的c o ：常是空气中c o ：含量的使多 倍甚至几百倍。此外，土壤的影响还表现在疏松的土层能截留径流并提供良好的 渗透条件。因此，植被、土壤也是影响岩溶发育程度的自然因素。 实际工作中常用的岩溶发育程度指标有五种( 6 】：点岩溶率( 单位面积内岩溶 空间形念的个数) ，线岩溶率( 单位长度上岩溶空间形态长度之百分比) ，面岩溶 率( 单位面积上岩溶空间形态面积的百分比) ，体岩溶率( 溶洞体积与测量可溶 岩体积之百分比) ，钻孑l 岩溶揭露率( 在一定深度或层位条件下，揭露到溶洞的 钻孔占勘探钻孔总数之百分比) 。 ( 2 ) 覆盖层的特征 塌陷主要发生在覆盖岩土层中，因而受到覆盖层性质、覆盖层岩性结构和覆 西南交通大学硕士学位论文 兰 盖层厚度的控制。 覆盖层的性质 覆盖层岩土体的物理力学性质与塌陷关系密切，主要表现在：凝聚力( c ) 、 内摩擦角( 毋) 和抗剪强度( r ) 大，则抗塌力增大，有利于盖层稳定；而含水 量大，不但降低了土体的c 、庐值，而且增加了土体自重，有时还会使下伏岩溶 空腔的真空度增大，因而促进和加快塌陷的发生。 覆盖层的类型与结构【l l f 3 ” 在同样条件下，均一砂性土最易发生塌陷，央砂砾石的层状非均质土次之， 而底部有粘性土的层状非均质士塌陷要少得多，均一粘土的抗塌性能相对较好。 这是因为不同的颗粒级配、物理性质、水理性质和力学性质决定了水流对其迁移 的难易、土洞的形成速度及稳定性上的差异。砂性土与粘性土相比，颗粒较大， 粘粒及粉粒含量较少，塑性差，粒间凝聚力弱，颗粒表现为单纯的重叠堆积，颗 粒间的胶结不好，联结力差，在较小的水力坡度下即发生渗透变形和渗透破坏。 同时，由于砂性土结构疏松，孔隙大且连通性、透水性好，易受潜蚀破坏，因此 砂性土容易在致塌因素影响下出现塌陷。而粘性土颗粒细小，比表面积大，由粘 土矿物构成的土粒表面具有静电引力和吸附水，使得粘土不易以颗粒形式流失。 当土中粘粒含量增多时，由于增强了土的内聚力从而提高了土的抗潜蚀能力，加 之粘土孔隙多但细小，透水性差，因此不利于渗透破坏产生。上部为粘，下为 砂砾石的二元或多元结构的覆盖层更易发生塌陷。如黄石大广山铁矿，发生在一 元结构的粘土层中的塌陷仅有5 个，占塌陷总数的6 4 ，而在上部为粘土下部为 砂砾石混粘性土的多元结构中发生的塌陷则占9 3 6 。 ： 覆盖层的厚度 ( 3 ) 地形地貌 地形地貌控制着地下水、地表水、第四系覆盖层和岩溶的发育，因此也是影 响塌陷产生的环境因素之。 ( 4 ) 地质构造 地质构造对岩溶塌陷的影响是通过其对岩溶发育和地卜- 水运动的控制而体现 出柬的。一方面，地质构造破坏了岩石的完整性，增加了岩石的渗透性，提供了 岩石与水接触的可溶机会，因而促进了岩溶发育。另一方面，出于岩石透水性沿 一定的构造方向的改变，使得岩溶的发育也呈现出一定的规律性l ”】1 3 ”。 西南交通大学硕士学位论文旦 岩溶主要沿断裂带发育 断裂既破坏了岩石的连续性和完整性，又加强了地下水的循环交替。在张性 及张扭性断裂带中，岩石破碎，孔隙多，孔隙率高，有利于水的活动和岩溶化作 用，因而岩溶发育。野外调查表明，沿张性及张扭性断裂带发育的岩溶数量比较 多且规模比较大。在压性及压扭性断裂带中，压碎岩、糜棱岩和断层泥多呈致密 状态，孑l 隙小，不利于岩溶作用，岩溶化程度比较轻微，但有时岩溶可在迎水一 盘的裂隙密集带或主动盘发育。当断裂带两侧岩性不同时，岩溶常在可溶性强的 岩石一侧发育。 岩溶常在褶曲轴部或平行轴部成带状分布 褶曲轴部由于应力集中，常形成有利于地下水活动与储集的纵张裂隙和“x ” 型剪裂隙( 节理) ，造成褶曲轴部岩溶发育，有时甚至形成沿轴向发育的暗河， 如图2 2 所示。背斜轴部承受张应力，张节理发育，岩溶主要发育在浅部且多以 漏斗、落水洞和竖井等垂直岩溶形态为主，并具有与构造线一致的带状分布特征。 褶曲翼部在岩溶水循环系统中处于流通部位，流速大，水循环剧烈，岩溶化程度 一般较强烈，特别是临近向斜轴部或河谷边缘地段更甚。褶皱构造的转折端也是 岩溶发育的集中之处。 团t 匡药z 回。 图2 2 广西来宾石牙一良吴地 下河沿背斜轴发育平面图 构造体系及复合关系对岩溶发育的影响 构造体系通过各种结构面控制着岩溶的空 间分布规律。山字型构造体系中，岩溶主要发 育在前弧和反射弧地带，如广西山字型构造的 弧顶在阳宾黎塘带，岩溶使整个地貌发生 变化，发展为宽阔平原，只残留下零星的孤峰。 广西中部地区的网格状暗河就是沿棋盘格式构 造的两组扭面发育的。其它构造体系中旋扭构 造的控制作用尤为突出，此外帚状构造、人字 1 一背斜轴；2 一地下j i t 驶漉向；3 塌陷 型构造等控制岩溶的空问分布规律也较明显。 构造复合关系对岩溶发育的影响更大，因为复合部位岩石更加破碎，岩溶发育也 就有了更为有利的条件。 山于地质构造对岩溶发育的控制有一定的规律性，因此地质构造对岩溶塌陷 分布的影响也表现出某些规律性： 西南交通大学硕士学位论文 竺 断裂构造发育的地段，特别是断裂交汇地段，由于岩石破碎，有利于地下 水的渗透活动，往往是岩溶塌陷强烈发育地段； 而背斜或向斜的轴部地带，由于各序次的构造裂隙发育，如背斜轴部上方 的张裂隙往往很宽且分布很深，向斜轴部的下方也是张裂隙，地下水有条件进行 较快的循环，因此岩溶发育较强烈，常形成溶洞、落水洞和宽大溶隙，当上覆土 层较薄时，在大气降水下渗、地下水活动或抽汲地下水时，极易形成塌陷，密度 图2 3 广西河里塌陷分布与构造关系 l 一塌陷坑 2 一老塌陷坑：3 一地袋；4 一矿坑；5 一背斜轴 也比较大。 岩溶塌陷的分布与地 质构造关系的另一特点是塌 陷多沿构造断裂带或褶曲轴 部分布。如广西来合支线河 里站l o o 多个塌陷大多数沿 背斜轴向分布，如图2 3 所 示h i 。 ( 5 ) 地下水 地下水对岩溶塌陷的影响是通过地下水位和水力坡度的改变以及流速流量的 变化起作用的。地下水位的变化必然对周围的岩土介质产生各种物理地质作用， 如潜蚀作用、真空吸蚀作用、失托加荷作用等，每一种作用都会破坏上覆岩土体 中原有的力学平衡。地下水位的降低、水力坡度的增大、水流速度的加快，都会 使水的侵蚀作用增强，溶( 土) 洞中原有充填物在地下水的侵蚀、搬运作用下被 逐渐带走，松散层低部的岩土体就会下落、流失，进而形成隐伏土洞。隐伏土洞 在地下水的持续作用及上覆岩土体自重压力作用下，岩土体崩解散落，洞体不断 向上扩展引起地面沉降。当上覆岩士体自重压力逐渐超过洞体的极限抗压、抗剪 强度时，地面就会产生丌裂直至发尘塌陷。 ( 6 ) 降雨入渗 降雨是地下水的主要补给来源，是引起地下水变化和活动的重要因素。降雨 入渗方面使地下水位上升，湿润、饱和岩土体，增加其容重，改变其状态，降 低其强度，促进渗透变形作用的产生、发展，使：体发生渗透破坏而促进土洞的 发展：另一方面降雨入渗还会疏通灰岩顶部岩溶通道，为土体进一步流失提供重 要迁移通道和储存空间。不少地方都有塌陷多出现于雨季的规律，尤其是久旱逢 西南交通大学硕士学位论文旦 雨后，更易产生塌陷。据南昆铁路沿线工务部门介绍，铁路沿线的岩溶塌陷就大 多发生在雨后2 3 天。 ( 7 ) 振动 当覆盖层中已有土洞存在时，振动使其结构受到破坏，动负荷加上土体自重 超过土拱强度时，便发生塌陷。周期性的反复振动对土洞的破坏性更大，铁路线 路上因列车长期振动而引起的轨道中心塌陷、枕木端部塌陷、路基边缘塌陷等时 有发生。如贵昆线干海子k 5 3 4 及格以头k 4 1 3 处，造成列车颠覆的两次塌陷都发 生在列车尾部三节车厢，盘西线车转弯站两处塌陷均在列车通过后发生。 西南交通大学硕士学位论文 二 3 人工神经网络基本理论 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 理论是八十年代中后期世界范围内 迅速发展起来的一个前沿研究领域，它采用物理可实现的器件或利用计算机来模 拟生物神经网络的某些结构和功能，并应用于工程及其他领域。其发展已对计算 机科学、人工智能、认知科学等领域产生了重要影响。其基本思想是从仿生学的 角度出发对人脑进行模拟。 3 1 人工神经网络的发展历史【8 1 1 9 1 1 1 0 】 人工神经网络的研究已有一个多世纪的历史。1 8 9