岩溶(土洞)塌陷TDR监测试验研究

结合土洞的分布和形成演化的特点,采用具有分布式特点的同轴电缆时域反射(TDR)技术开展岩溶土洞监测研究。通过室内同轴电缆的抗拉、胶结同轴电缆的抗折等试验,以及在建高速公路上铺设方法的对比,得到以下结论:TDR用于野外岩溶土洞发育区的监测是可行的,但要求同轴电缆的拉断荷载低于200N,水泥砂浆的配比在1∶3～1∶4之间,且梁式胶结同轴电缆铺设方法较好。     

帷幕注浆在岩溶路基塌陷整治工程中的应用

帷幕注浆是近年来应用于岩溶区路基塌陷病害治理的一项新技术和有效方法之一。本文以某段岩溶路基塌陷注浆处理的工程实例，介绍了帷幕注浆设计，施工及效果检验并对注浆处理中的若干问题进行了讨论，可供类似工程参考。     

岩溶塌陷灾害的岩溶地下水气压力监测技术及应用

文章系统、全面地介绍了岩溶地下水气压力监测技术及其应用成果。该技术在监测成孔、孔口的密封及监测频率等方面创新性地提出了相关的工艺方法,能真实、及时且充分地反映出岩溶管道裂隙系统中的地下水气压力变化特点,可为岩溶塌陷的机理研究、监测和预警提供科学依据。岩溶地下水气压力监测技术工艺简单、操作方便、成本低廉,经过20多年的改进,已成功应用于全国11个典型岩溶塌陷区,服务于高铁、水源地、油气管线、市政建设等潜在岩溶塌陷风险性评价、安全降深、监测预警等方面,取得了很好的效果。      

线性工程岩溶塌陷危险性评价研究

近年来,越来越多的高等级公路、铁路、石油管线等线性工程穿越岩溶发育区,岩溶塌陷已成为这些线性工程建设面临的主要隐患之一。目前,线性工程项目前期都会进行全线地质灾害危险性评价工作,但大部分是定性的,也没有专门针对岩溶塌陷的评价,因此本文从岩溶塌陷的影响因素出发,结合线性工程的各个阶段,从点、线、面三个层次提出线性工程岩溶塌陷危险性评价的方法和指标,并列举了实例,为今后穿越岩溶区的线性工程提供借鉴。面上和线上评价充分利用GIS技术和层次分析法进行。前者适合于地质资料不详细的可行性研究阶段,评价区为线路两侧1km的区域,评价因子有岩溶发育程度、地质构造发育程度、地貌类型、岩溶塌陷、地下河、垂直型岩溶形态、岩溶泉和开采井分布。后者适合于地质资料较详细的初步设计阶段,评价区为线路两侧15m的范围,以基岩岩性、线岩溶率、土层厚度、土层性质、地下水位和地下水位与基岩面的关系作为评价因子。点上评价适合于重点地段,采用岩溶塌陷动力条件与土层抗塌性能相结合的综合分析方法,以反映地下水动力特征的临界坡降、临界速度和临界水位这3个指标作为评价因子。      

土洞型岩溶地面塌陷物理模型

为了进一步深入研究覆盖型岩溶地面塌陷的发生条件和机理,在罗小杰关于土体塌陷理论的基础上,着重研究了土洞型地面塌陷地质现象、地质模型、物理模型及其数学表达式。土洞的形成和发展与地面塌陷是土洞型岩溶地面塌陷的两个阶段。根据塌陷过程中的宏观地质现象,结合土体在变形中的运动学响应特征及其周围土体变形表现,建立了土洞型岩溶地面塌陷的地质模型。在此基础上,进一步概化了土洞型岩溶地面塌陷的物理模型;结合文献中其他主要塌陷机理,进行了土洞顶板受力分析;依据极限平衡理论,提出了具有普适性的数学表达式;探讨了土洞顶板临界厚度的影响因素,认为土洞顶板临界厚度与洞径、外加荷载增量以及较高的顶板抗剪强度呈正相关性,与较低的顶板抗剪强度呈负相关性。     

岩溶地面塌陷监测技术与方法

重点阐述地质雷达和岩溶管道裂隙中的水(气)压力传感器自动监测两种监测技术的原理及在岩溶塌陷监测中的应用,对光导纤维监测技术的原理及其在岩溶塌陷监测、预报的应用前景进行了展望。同时分析、说明了三种塌陷监测方法的优缺点和适用条件: 地质雷达监测费用昂贵,适用于短距离、小范围监测;光纤监测法适用于各种线状工程监测;岩溶管道裂隙中的水(气)压力传感器自动监测法则适用于由地下水触发的塌陷的监测。      

岩溶中低山区岩石路堑填土路基塌陷危险性判识研究

铁路在通过岩溶中低山区时大量采用了岩石路堑和人工填土路基，在路堑施工过程中，可能会有一部分原来未在原坡面开口的溶洞被部分揭露或顶板被削薄，同时爆破施工可能恶化浅埋溶洞顶板的结构及物理力学性质，从而使回填部分土石方形成的路基坐落于开口岩溶形态或溶洞的薄顶板上，具有发生岩溶塌陷的危险性。本文总结了岩溶中低山区岩石路堑填土路基岩溶塌陷发育的基本特点，分析了可溶岩边坡岩溶系统的发育规律，并结合南昆铁路部分区段开口岩溶的野外判别，提出使用逐步判归方法对岩石路堑填土路基的塌陷危险性进行评价。     

土洞型岩溶塌陷发育过程气体示踪试验研究——以广州金沙洲为例

运用气体示踪进行土洞型岩溶塌陷监测预警是一种比较新的技术方法,其原理是通过气体在不同形状、规模的土体孔隙、裂缝和土洞中的运移规律研究,分析气体特征值与土体变形破坏的关系,进而间接判断土洞的发育情况,实现岩溶塌陷监测预警。本文以广州市金沙洲岩溶塌陷区为例,通过室内物理模型试验再现了土洞发育、形成到地面塌陷的全过程。运用气体示踪技术,按照土洞形成、土洞发育、土洞堵塞、土洞扩大和土洞塌陷五个过程,研究气体浓度、气体聚集时间等参数指标与土洞不同发育阶段的关系。结果表明：①土洞型岩溶塌陷发育程度与示踪气体浓度存在对应关系,气体浓度升高反映了土体变形破坏的进一步发育;②土体变形破坏程度与示踪气体浓度总体呈正相关关系,距离地面塌陷点越近浓度越高;③土体变形破坏程度与示踪气体浓度达到峰值浓度时间存在对应关系,距离地面塌陷点越近,气体浓度达到峰值的时间越快。根据以上试验结果,运用气体示踪技术进行土洞型岩溶塌陷监测预警是可行的,后期应探索预警阈值并进行野外现场实际验证。     

歌乐山地区隧道工程诱发的岩溶塌陷发育规律与形成条件

歌乐山地区近年来因密集修建隧道工程诱发大量岩溶塌陷,然而对岩溶塌陷的分布、规模、成因和演化等尚缺乏系统性总结。通过资料整理、钻井资料分析、监测资料解译等手段,对歌乐山地区岩溶塌陷发育规律和形成条件进行了系统性分析,对致塌成因机理和演化过程进行了深入探讨,得出以下结论：岩溶塌陷多组群式发育在隧址区内第四系粉质黏土覆盖的宽阔岩溶洼地、沟槽或构造裂隙密集区;多级岩溶洞缝系统为岩溶塌陷的形成提供了良好的空间发育条件,致塌力主要来自隧道工程建设引发的地下水动力条件变化;岩溶塌陷主要成因机理是隧道工程建设改变局部地下水环境,在重建过程中产生的多效应致塌作用诱发易塌地质结构塌陷;岩溶塌陷发育演化包括孕育、形成、稳定3个时期。孕育期,隧道工程建设初步揭露富水岩溶缝洞系统,表层缝洞带内形成土体运移、坍塌的空间,覆盖层局部发生变形、脱落。形成期,隧道工程建设与运营通常采取引水排放措施,在引发的多效应致塌作用下岩溶塌陷最终形成。稳定期,隧道工程运营至一定阶段后,地下水环境逐渐趋于新的动态平衡,既有岩溶塌陷逐渐稳定,塌陷群不再向外扩展。研究结果可作为岩溶塌陷监测预警、生态修复和隧道规划等工作的参考依据。     

应用光纤传感技术进行岩溶塌陷监测预报的关键问题探讨

在总结上世纪80年代以来岩溶塌陷监测预报方法的基础上,从岩溶塌陷自身特点和光纤传感技术监测原理出发,对目前光纤传感技术应用于岩溶塌陷监测预报急需解决的关键技术问题进行了探讨分析,主要包括环境温度影响、光纤敷设和预报模型建立三个方面。光纤本身的光学特性决定环境温度变化会影响光纤的变形测量,其解决办法主要是进行温度补偿和监测数据修正处理;光纤敷设,主要是解决光纤与岩土体同步变形问题,其办法是通过室内实验确定适宜的胶结剂和最优配比;建立光纤应变与岩土体变形的关系模型是应用光纤传感技术进行岩溶塌陷监测预报的关键,其解决办法为室内模拟实验。      

塔河油田奥陶系古岩溶洞穴识别及预测

在塔河油田奥陶系中蕴藏着丰富的石油资源，碳酸盐岩储层的主要储集空间为裂缝和溶蚀孔、洞，其中岩溶洞穴是最主要的储集空间，研究岩溶洞穴的展布具重要意义．应用钻井、测井、地震等资料分析了岩溶洞穴的识别标志，并利用地震反射结构和振幅变化率技术预测了岩溶洞穴在塔河油田某区的展布．     

Spatial distribution, morphometry and activity of La Puebla de Alfindén sinkhole field in the Ebro river valley (NE Spain): applied aspects for hazard zonation

A highly active collapse sinkhole field in the evaporitic mantled karst of the Ebro river valley is studied (NE Spain). The subsidence is controlled by a NW-SE trending joint system and accelerated by the discharge of waste water from a nearby industrial state. The morphometry, spatial distribution and temporal evolution of the sinkholes have been analysed. The volume of the sinkholes yields a minimum estimate of average lowering of the surface by collapse subsidence of 46 cm. The clustering of the sinkholes and the tendency to form elongated uvalas and linear belts, in a NW–SE direction have a predictive utility and allow the establishment of criteria for a hazard zonation. With the precipitation record supplied by a pluviograph and periodic cartographic and photographic surveys the influence of heavy rainfall events on the triggering of collapses has been studied.     

Identification, prediction, and mitigation of sinkhole hazards in evaporite karst areas

Sinkholes usually have a higher probability of occurrence and a greater genetic diversity in evaporite terrains than in carbonate karst areas. This is because evaporites have a higher solubility and, commonly, a lower mechanical strength. Subsidence damage resulting from evaporite dissolution generates substantial losses throughout the world, but the causes are only well understood in a few areas. To deal with these hazards, a phased approach is needed for sinkhole identification, investigation, prediction, and mitigation. Identification techniques include field surveys and geomorphological mapping combined with accounts from local people and historical sources. Detailed sinkhole maps can be constructed from sequential historical maps, recent topographical maps, and digital elevation models (DEMs) complemented with building-damage surveying, remote sensing, and high-resolution geodetic surveys. On a more detailed level, information from exposed paleosubsidence features (paleokarst), speleological explorations, geophysical investigations, trenching, dating techniques, and boreholes may help in investigating dissolution and subsidence features. Information on the hydrogeological pathways including caves, springs, and swallow holes are particularly important especially when corroborated by tracer tests. These diverse data sources make a valuable database—the karst inventory. From this dataset, sinkhole susceptibility zonations (relative probability) may be produced based on the spatial distribution of the features and good knowledge of the local geology. Sinkhole distribution can be investigated by spatial distribution analysis techniques including studies of preferential elongation, alignment, and nearest neighbor analysis. More objective susceptibility models may be obtained by analyzing the statistical relationships between the known sinkholes and the conditioning factors. Chronological information on sinkhole formation is required to estimate the probability of occurrence of sinkholes (number of sinkholes/km² year). Such spatial and temporal predictions, frequently derived from limited records and based on the assumption that past sinkhole activity may be extrapolated to the future, are non-corroborated hypotheses. Validation methods allow us to assess the predictive capability of the susceptibility maps and to transform them into probability maps. Avoiding the most hazardous areas by preventive planning is the safest strategy for development in sinkhole-prone areas. Corrective measures could be applied to reduce the dissolution activity and subsidence processes. A more practical solution for safe development is to reduce the vulnerability of the structures by using subsidence-proof designs.     

岩溶塌陷光纤传感试验装置的标定试验

根据岩溶土洞(塌陷)变形演化特点,分析土体与传感光纤之间的力学关系,简化塌陷力学模型,加工塌陷模拟试验装置并进行试验。首先通过对光纤加载和卸载来模拟土洞形成过程顶板荷载的变化及分析传感光纤相应的变形和轴向应变特点,然后研究了土洞规模变化对光纤传感监测的影响。研究表明:在土洞形成过程中,因土洞规模和上覆土层荷载不一而导致的应力场的分布变化,以及不同光缆对应力场变化响应灵敏性的差异,是影响分布式光纤传感技术在岩溶土洞中应用的关键因子。文中所标定的光纤传感试验装置能较好地显示岩溶土洞形成演化过程中的应变变化特征,说明分布式光纤传感技术可应用于岩溶土洞的监测预警。      

防治公路岩溶塌陷的土工合成材料设计理论研究

高速公路路基岩溶塌陷通常可以采用水平加筋体防治,系统地研究其受力特性及设计理论具有重要的工程意义和实际价值。首先,针对公路路基荷载及岩溶塌陷的特点,分析了塌陷坑上方水平加筋体的受力和传力特性,采用太沙基土拱理论,计算溶洞上方荷载。深入探讨了水平加筋体设计方法,认为锚固段端部加筋体应变及锚固段传力长度是设计中的关键值,且其与锚固段端部加筋体拔出量密切相关。然后,引入水平加筋体与土体界面的线弹性-全塑性模型,由基本方程导出锚固段水平加筋体弹塑性解答,并结合边界条件建立了锚固段端点拔出量及传力长度的解算流程。在此基础上,引入某实际工程计算参数进行分析,将该方法结果与基于全塑性模型的分析结果进行对比,探讨了不同临空段宽度、加筋体刚度、上覆土体高度、界面摩擦角等因素对临空段端部拔出量计算误差的影响,并分析了上覆土体高度与锚固段传力长度之间的关系。由分析可知,基于线弹性-全塑性模型计算的拔出量和传力长度均较全塑性模型计算结果大,某些情况下,传力长度的计算误差高于40%,若采用全塑性模型计算有可能引起较大的误差,导致设计偏于不安全     

基于高斯过程二元分类模型的溶洞规模预测方法

溶洞规模与其影响因素之间存在着复杂的非线性关系,如何根据影响因素有效预测溶洞规模是一类复杂的模式识别问题。基于高斯过程二元分类模型,提出一种溶洞规模的预测方法,该方法通过对样本的学习,建立溶洞规模与其影响因素之间复杂的非线性映射关系,对仅提供影响因素的预测样本进行具有概率意义的识别输出。研究结果表明,该方法除具有小样本、模型参数自适应确定、识别精度高等优点之外,还能够对预测结果给予概率意义的可信度,为实际工程有效预测溶洞规模提供了定量的依据,具有良好的应用前景。     

城市地下空间安全监测与预警指标研究

为保障城市地下空间开发利用的安全性,促进城市可持续发展,通过文献调研、现场调查和专家咨询等方法,分析提出城市地下空间监测的五项原则,将监测对象划分为三类：工程结构本体、周围岩土体以及周边环境。将监测指标归纳为变形类、力学类、振动类和宏观状态类共四类,其中变形类指标执行双控要求,其他三种指标执行单控要求。监测趋势预测分析可采用公式法、回归分析法、时间序列分析法、灰色预测法、神经网络法和支持向量机法等。全国各地监测控制值基本一致,但预警分级标准存在地区差异,其中北京市和广州市分级预警具有较大参考价值。目前城市地下空间安全监测存在七项不足：预警分级标准不完善,人工监测效率低,监测参数单一,监测信息缺少共享协同,测量精度较低,重监测轻预测以及缺乏数据融合和机器学习应用。针对这些问题,可采取七项措施进行改进：建立合理预警分级标准,发展自动化与智能化监测,多参数综合监测,应用远程监测与云平台,开发高精度测量设备,监测和预测并重,以及数据融合与机器学习应用。     

冻土区埋地油气管道应变监测及预报系统

简述了冻土灾害对埋地油气管道的影响。重点阐述了冻土区埋地油气管道基于应变的监测和评价方法。介绍了应变监测预报系统的开发及在漠大输油管道的应用。在此基础上提出:管道应变监测及其分析评价技术是保证管道安全运行的有效措施之一;通过建立应变监测预报系统,可以有效辅助管道的运行维护和管道地质灾害的减灾治理。