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本论文研究区位于陕西省子长县,属西气东输管道中段,该区地处陕西黄土高原腹地,黄土分布面积广、厚度大、气候特殊、沟壑纵横、环境脆弱,黄土潜蚀异常发育。黄土潜蚀产生的黄土洞穴灾害是黄土地区的一种独特的地质现象,也是一种特殊地质灾害,严重危害着西气东输管道工程建设。本文结合项目“黄土潜蚀对西气东输管道工程的影响”对该区黄土潜蚀的机理、影响因素进行了初步分析,并对黄土潜蚀遥感调查、易发性分区做了初步研究。
通过资料收集和野外调查,弄清了研究区工程地质、水文地质背景。研究区第四纪地层出露有全新统、上更新统、中更新统。前第四纪地层出露有第三系上新统三趾马红土和中生界三叠系上统瓦窑堡组。研究区内地质构造简单,大的断裂及褶曲不发育,仅在局部地段分布一些小的断层及褶曲。地震烈度小于6度。区内地表水体主要是秀延河、寒沙石水库及沿省道205展布的季节性河沟及部分侵蚀冲沟渗出水。地下水按含水介质、赋存条件和水力特征,分为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。
在地形图矢量化的基础上,建立了该区的数字高程模型(DEM),按每十度一个分区,利用GIS空间分析功能,进行了坡度分析。
根据野外调查、航片初步解译和野外验证,建立了航片的解译标志。
通过该区航片资料的解译分析,查明了该区的各土地覆盖类型及其比例为:建设用地占地4.96km2,占土地总面积的9.47%;耕地面积为8.64km2,占土地总面积的16.49%:林地面积为8.93km2,占土地总面积的17.05%;草地面积为24.66km2,占土地总面积的47.07%;裸土地面积为2.03km2,占土地总面积的3.83%;河流、道路面积为3.17km2,占土地总面积的6.05%。编制了该区的土地利用类型分类图和水系结构图。
该区的地质灾害解译成果有:与管道有关的滑坡灾害点11处;崾岘灾害点8处;高陡边坡灾害点4处;并结合野外调查,根据黄土潜蚀发育规模,重点对黄土潜蚀进行了解译分区,将整个研究区分为潜蚀不发育区(道路、河流、房屋)、潜蚀轻度发育区、潜蚀中度发育区、潜蚀强发育区。统计出各区面积及比例为:潜蚀不发育区面积12.46km2,占研究区总面积的23.78%。潜蚀发育区总面积为39.93km2,占研究区总面积的76.22%,其中,潜蚀轻等发育区面积31.0km2,占研究区总面积的59.17%;潜蚀中度发育区面积1.92km2,占研究区总面积的3.66%;潜蚀强发育区面积7.01km2,占研究区总面积的13.38%。编制了地质灾害解译成果图。
其次,选择了黑山寺、新寨河两个典型剖面取样实验,取得了取样点黄土的物理力学指标,并结合“黄土潜蚀对西气东输管道工程的影响”项目已有工作基础,进一步改进课题组黄土潜蚀实验装置,进行了模型试验,主要成果有:
(1)黄土土体性质是影响黄土潜蚀发育的重要影响因素之一,马兰黄土洞穴发育速度比离石黄土洞穴侵蚀发育速度快,马兰黄土临界贯通渗透压力比离石黄土临界贯通渗透压力小。
(2)继续沿用课题组提出的潜蚀比概念及计算方法,并提出了新的黄土潜蚀临界压力判断标准,即根据潜蚀比-压力曲线图,选择曲线第一个拐点,其水压力作为黄土潜蚀贯通临界压力。
(3)发现一定压力下潜蚀比不仅受试样的垂向尺寸影响,同样受试样的横向截面尺寸影响。
(4)原状黄土与重塑黄土在潜蚀贯通前渗透系数均增大,黄土潜蚀贯通前渗透系数均减小,重塑样的减小得更快。
(5)重塑黄土在潜蚀贯通前有明显的“压密”过程,出现较大的“湿陷值”,潜蚀贯通后,“压密”过程近乎停止。原状黄土在潜蚀贯通过程中除“贯通点”外未见明显的“压密”、“湿陷”过程。
(6)各黄土重塑样潜蚀试验参数曲线类似性强;而原状样由于其内部解理裂隙差异性大,其潜蚀试验参数曲线差异性较大。
(7)原状黄土与重塑黄土潜蚀过程中,潜蚀量随进水量和进水压力均呈线性关系式,与进水流量关系式拟合程度很差。潜蚀比与进水量、进水压力、进水流量关系式拟合程度均很差。
(8)渗透试验、崩解试验及潜蚀试验均证明了,黄土土体内存在的“优势通道”,即黄土节理,是黄土潜蚀发育的重要影响因素。
论文讨论了地形地貌、土体性质、土地利用类型、大气降水等对黄土潜蚀发育的影响方式及影响程度。应用自制崩解装置、潜蚀试验模型装置,进行了室内崩解实验、渗透试验。结合原位渗透试验,分析认为:黄土的湿陷性、崩解性是影响黄土潜蚀发育的两个最重要的土体性质因素,而黄土的结构是影响黄土潜蚀发育的主导影响因素。
根据黄土潜蚀发育机理及影响因素,利用层次分析法进行了黄土潜蚀发育空间预测分析,确定了各影响因素的权重,利用GIS属性库功能进行了黄土潜蚀易发性预测分区,根据预测结果,潜蚀不发育区面积11.32km2,占研究区总面积的21.61%。潜蚀易发区总面积为41.07km2,占研究区总面积的78.39%,其中,潜蚀低易发区面积23.28km2,占研究区总面积的44.36%;潜蚀中等易发区面积9.77km2,占研究区总面积的18.65%;潜蚀高易发区面积8.02km2,占研究区总面积的15.38%。编制了黄土潜蚀易发性分区图。
最后,按黄土潜蚀的发育形态讨论了黄土潜蚀对管道的破坏方式,按黄土潜蚀作用媒介将黄土潜蚀对管道的破坏分为直接破坏和间接破坏,直接破坏主要是黄土潜蚀造成管道的暴露、架空等,间接破坏主要是黄土潜蚀诱发和加剧滑坡、崩塌、泥石流、崾岘溯源侵蚀等其他地质灾害,进而威胁管道运营安全。并简要分析了黄土潜蚀对管道的影响程度。