滨海岩溶地面塌陷形成机理及应用研究

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我国岩溶地质分布范围广阔,岩溶地面塌陷灾害严重,特别是滨海岩溶地区,在矿山资源开发、地下空间利用以及各种设施建设过程中极易诱发岩溶地面塌陷,严重威胁人民的生命财产安全。本文以广西华润水泥合浦石灰石矿山治水工程为依托,针对矿山滨海岩溶水文地质条件,开展了潮汐作用下不同土层结构的滨海岩溶地面塌陷形成机理研究。本文概化不同土层结构下滨海岩溶塌陷模式,分析潮汐作用下滨海岩溶地面岩溶塌陷的力学特征,通过实验室试验和数值模拟相结合的手段,得到不同土层结构下的塌陷过程及塌陷形式,研究土洞发育过程中各个典型阶段的关键影响因素和发育趋势,根据工程现场情况提出滨海岩溶地面塌陷的防治措施。本文的主要研究内容与成果如下:(1)分析潮汐作用力学特征,依据上覆土层结构概化出潮汐作用下单层透水型土层、单层阻水型土层、双层上透下阻型、双层上阻下透型4类滨海岩溶塌陷模式,分析相应土层结构的滨海岩溶地面塌陷规律,进一步对典型土层结构下的滨海岩溶地面塌陷进行力学分析,提出地表盖层稳定系数。(2)自主研发了仿滨海岩溶地面塌陷试验系统,开展了不同土层结构的滨海岩溶地面塌陷试验研究。分析不同土层结构下的孔隙水压力、土体位移变化规律,获得了不同土层结构的土洞塌陷形状:单一透水型土层为漏斗状土洞,单一阻水型土层为坛状土洞,上阻下透型土层和上透下阻型土层都为碟状土洞。揭示了潮汐作用下不同土层结构的地面塌陷机理,试验表明潮汐作用加剧了滨海岩溶地面塌陷的发生。(3)利用FLAC3D数值模拟软件研究潮汐作用对滨海岩溶地面塌陷的影响规律,得到不同塌陷阶段的关键影响因素、土体薄弱位置及土洞塌陷趋势。在涨潮时,最大剪应力集中区分布在土洞拱脚和拱身处,洞顶处剪应力值有增加的趋势,土洞处于较不稳定状态;在落潮时,岩溶开口上方土体受重力与孔隙水压力作用,土体相对薄弱,土洞拱脚处于剪应力集中处,拱脚与拱顶处位移较大,土洞有增大趋势。研究表明,潮汐作用增加了土洞的不稳定性,加速了土洞的破坏过程,与室内试验揭示的塌陷过程规律性一致,进一步佐证和补充了潮汐作用下地面塌陷的形成机理。(4)研究成果应用于华润水泥合浦石灰石矿山滨海岩溶地面塌陷的分析和工程治理中,合浦矿山在潮汐作用及开采的影响下,地下水动力条件更加复杂,塌陷多集中在径流带上。利用物探钻探查明地下水关键通道,通过注浆在矿山一定范围形成非连续帷幕截流和通道封堵,有效降低潮汐作用带来的影响,同时对已形成塌陷坑进行回填处理,并提出其他防治措施。现场应用取得了良好的经济效益和社会效益,为类似条件下的滨海岩溶地面塌陷分析治理提供了理论和技术借鉴。
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