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巖土知識:巖溶塌陷形成的動力因素

2015-11-23 18:16  來源于網絡  【  【打印】【我要糾錯】

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  1.溶蝕作用

  水對可溶巖的溶蝕過程極為緩慢。據觀測計算,我國巖溶區(qū)其溶蝕量每千年為數十至百余毫米。作為巖溶塌陷基礎的巖溶洞隙都是在漫長的地質歷史時期中形成。但在石膏、巖鹽類巖石分布地區(qū),因采礦、水庫興建或其它人類活動的影響可使其產生強烈的溶蝕作用,使新巖溶快速發(fā)育,為塌陷提供必要的條件。

  2.改變土體的狀態(tài)

  巖土體中含水量隨地下水位的升降而變化,含水量的增加一方面使巖土體的重度增大,如達到飽和,重度可增加約15~25%;另一方面對于粘性土因塑性狀態(tài)發(fā)生變化而使其變軟,強度降低。這些變化將使洞隙頂板的力學平衡狀態(tài)惡化。

  3.地下水的浮托作用

  處于地下水位以下的巖土體都受到地下水浮托力的作用。當水位上升,浮托力按其增加的水頭值增大,產生正壓效壓,如上復蓋層較薄、上升水頭較高時,就可能頂破蓋層產生塌陷;當水位下降時浮托力消減,對于不透水的粘性土或砂土,其消減值為全部的下降水頭或(0.6—0.7)倍下降水頭,其作用相當于使蓋層增加一個同值的附加荷載,對于粘性土一般可達到其自重的40%左右。這樣可使蓋層的穩(wěn)定性降低甚至直接導致失穩(wěn)塌陷。

  4.地下水的滲透潛蝕作用

  潛蝕作用是指地下水流在其流徑上對土、巖顆粒產生的動水壓力使其移動帶走的作用,動力水的大小取決于地下水的坡降,產生潛蝕作用的起始水力坡降稱為臨界水力坡降,它的大小取決于土的組成成分與結構,一般粘性土因其具有凝聚力,比砂性土要大。

  沿著巖溶地下水流方向上的水平滲透潛蝕,在自然條件下因其水力坡降較小一般不易產生,主要出現于人工抽排水巖水位急劇下降的過程中,這時地下水的坡降流速增大,從而對巖溶洞隙通道中的松散充填物和復蓋會產生潛蝕、沖刷和淘空作用。其結果,巖溶洞隙充填物被帶走,在復蓋層底部的洞隙開口處形成空洞,成為土洞的雛形。并在巖溶水位下降到基巖頂板之前繼續(xù)受到潛蝕、沖刷而逐漸擴展。

  在雙層含水層結構分布地區(qū)。潛水或土層水向巖溶地下水的垂向滲透,以及降雨和地表水的垂向入滲,可產生垂向滲透潛蝕作用,這時入滲水流向著洞隙開口處匯聚和集中滲透。這種作用在抽排巖溶地下水水位急速下降的情況下最為顯著,因上復土層的滲透性比巖溶含水層要小得多,其水位的下降速度也就要慢得多。這樣水位差將隨著巖溶水位的下降而增大,當水位降至復蓋層底板時,其水力坡度達到最大(可接近1),浸蝕作用也最強。在上述作用下土洞不斷向上擴展而導致失穩(wěn)塌陷。

  5.巖溶地下水位變化引起巖溶洞隙空間的正負壓力作用

  巖溶地下水位上升時,封閉較好的巖溶洞隙空間的氣體受壓形成高壓氣團,對其周圍的巖土體產生正壓作用,當蓋層較薄時,可沖破蓋層巖土體,形成氣爆,造成塌陷。這類塌陷稱之與沖爆塌陷,主要見于巖溶山地地下河的通道上。

  巖溶地下水位大幅度下降可在封閉的巖溶洞隙空間產生負壓,對復蓋層土體產生附加吸力而使其遭到吸蝕剝落并向下遷移。對于上復土體中所含的水,負壓使其增加了向下滲透的附加水頭,從而加劇了對土體的潛蝕作用,加速土體的破壞和土洞的形成和擴展。負壓的大小取決于復蓋層的封閉程度和水位的下降速度,在安全封閉條件下,其理論最大值為一個大氣壓,實際上復蓋層的封閉性只是相對的,地下水位下降速度除礦坑突水驟降外一般也是較緩慢的。因此其作用有限,完全由負壓吸蝕產生的塌陷只有在極特殊的條件下才有可能出現。

  6.巖溶地下水位波動的散解作用

  巖溶地下水位波動使巖溶洞隙上復蓋巖土體處于頻繁的干濕交替狀態(tài),使其發(fā)生崩解和剝落,促進土洞的發(fā)育和擴展。形成于地下水位波動帶中的土洞除了入滲水流的潛蝕作用外主要與此種作用有關。

  7.巖溶地下水的水擊作用

  巖溶管道中的地下水流經常處于不穩(wěn)定狀態(tài),管道中因塌陷物的堵塞或充填物的沖決,使水流速度突然變化,水流的動能將轉化為壓力,形成一種向來水方向傳播的彈性波即水擊波,從而產生水擊作用,沖擊巖溶洞隙管道系統(tǒng),引起與之相通的上方復蓋巖土體的擊穿與塌陷。據計算,巖溶管道中水流速度突然降低1m/s時,產生的水擊壓力可達到120m水頭以上,可見其力之大。

  8.地下水的侵蝕和搬運作用

  在洞隙管道中流動的地下水,一般具有和地表水一樣的侵蝕作用,而且由于管道系統(tǒng)形態(tài)的曲折多變,多有渦流形成而具有很強的沖蝕、掏蝕能力。在洞隙的開口處,對上復土層的侵蝕?尚纬赏炼措r形,并參與土洞的擴展過程。

  淺部巖溶洞隙常有松散沉積物充填,由于水動力條件的改變,地下水水力坡降加大,流速加快,這些充填物被遷移搬運,并在塌陷發(fā)育過程中不斷將塌落物質帶走,這樣塌陷才能不斷發(fā)展,直至達到新的平衡。

責任編輯:zyy
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