近年来,采矿、地铁修建等地下工程活动形成降水漏斗导致的覆盖型岩溶区地表塌陷已经成为一种严重威胁人民生命财产安全的常见自然灾害。目前,关于降水漏斗作用下覆盖型岩溶区地表塌陷机理方面的研究鲜有报道。本文通过大量收集工程资料概化出降水漏斗作用下的覆盖型岩溶塌陷区地质模型,采用理论分析、物理模型试验和数值模拟等手段对降水漏斗作用下的岩溶土洞塌陷机理展开了研究,并取得以下主要成果:(1)在前人研究成果的基础上,总结出一定厚度的上覆盖层、开口向上的岩溶洞穴和水动力作用是岩溶塌陷发生的基本条件,并详细分析了潜蚀、真空吸蚀和渗压作用的致塌机理。概化出降水漏斗作用下岩溶土洞塌陷区典型的地质结构模型,上部为一元或多元结构覆盖层,下部为具有均布裂隙的基岩。为降水漏斗作用下的岩溶区土洞塌陷的研究提供了理论基础。(2)基于概化出的降水漏斗作用下覆盖型岩溶塌陷区的地质结构模型,研发出降水漏斗作用下的覆盖型岩溶塌陷试验装置。该装置还可对矿坑排水或突水、地下水位波动等多种因素引发的覆盖型岩溶塌陷进行物理模拟。(3)对不同粘粒含量、不同土洞大小的覆盖层在静水状态下的稳定性进行了试验测定,结果表明,土洞直径越小,其在静水状态下的稳定性越好,而粘粒含量对土洞稳定性的影响有一个临界值,在这一临界值时土洞稳定性达到最好。(4)对降水漏斗自由面随水位降深的变化规律进行了试验研究,结果表明,不同降水深度下,降水漏斗曲线呈现相似的变化特征,即在临近高水位处发生陡降,在高水位与低水位之间呈现平缓的变化趋势,在临近低水位处凸变后下降。并且当水位降深越大时,这种变化趋势越明显。(5)土洞尺寸是影响降水漏斗作用下土层塌陷的主要因素,土洞直径越大,所受的冲刷作用越大,临近高水位处土拱拱肩处所产生的最大位移越小,破坏越易发生。渗透系数对土洞塌陷影响较小,主要是通过影响降水漏斗流场特征影响塌陷的发生,渗透系数越大,土洞周围流线分布越密集,土洞所受到的冲刷作用越强。(6)土洞塌陷是由于土洞周围临近高水位处的土拱拱肩首先在水流的冲刷下产生剪切变形,然后形成贯穿土拱拱身的塑性屈服区,从而导致土拱失稳,引起塌陷。图51 表11 参72