本文關鍵詞：武漢市青菱鄉巖溶塌陷機理及數值模擬研究　出處：《中國地質大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：隨著經濟的發展及大規模城市建設的推進,地質災害問題日益頻發,嚴重阻礙了城市化建設的進程。武漢市城區巖溶塌陷開始于20世紀30年代,這階段主要是由于降雨及局部抽水引起的巖溶塌陷；90年代以后,由于工程建設及地下水開采加劇,巖溶塌陷頻繁發生；2013年以來因為地下水開采減少,加之地面變形等得到有效監測,巖溶塌陷處于控制階段。盡管如此,由于工程建設施工排水,引發的巖溶塌陷還是時有發生,嚴重影響人民生命財產安全。為此,本文選擇武漢市巖溶塌陷典型區-青菱鄉,在對其自然地理、工程地質及水文地質條件進行研究分析的基礎上,結合該區域的巖溶塌陷歷史,總結分析了可溶巖分布及巖溶發育規律,研究了巖溶塌陷分布特征及成因機制,研究建立了巖溶塌陷數學模擬方法,構建了研究區水流-應力應變耦合模型,對不同影響因素作用下的巖溶塌陷可能性進行了定量模擬預測研究。主要結論認識如下：1、研究分析了可溶性巖的發育特征：平面上基巖面溶蝕程度最強的是阮家巷、司法學校、烽火村及毛坦港四個區域;受地質構造的控制,青菱寺壓扭性斷裂帶區域鉆孔遇洞率高達73%,線巖溶率22.6%；垂向上強發育帶在高程-5--10m處,鉆孔遇洞率15.7%。2、統計分析了溶洞的充填特征：平面上阮家巷—陸家街—涂家溝司法學校、烽火村喬木灣—余家灣以及毛坦港一帶,洞內部分充填砂、粘土和碎石巖；垂向上埋深約20-40m段,充填率最高達67.39%。3、研究分析了巖溶發育與可溶性巖的礦物化學成分及形成的地質年代的關系：石灰巖的二疊系地層中Ca(O含量最高,比溶蝕度最大0.93-1.17。研究區內二疊系地層分布不廣,但下伏基巖出現的溶蝕現象較普遍,巖溶塌陷密度最高3個/km2。4、總結分析了巖溶塌陷的空間及時間分布特征：①塌陷區全部分布在南部石灰巖條帶上,石灰巖中溶洞或裂隙發育強；②在地形地貌上,所有的塌陷點均局限在兩岸濱江的長江一級階地上,因為該處地下水與長江水隨著季節變化有密切的水利交替聯系；③有些塌陷分布在鐵路沿線以及有重大工程建設的地點。④在地質構造上,許多塌陷點發生在青菱寺壓扭性斷裂帶及五通-湯遜湖性斷裂帶500m范圍以內。塌陷的發生時間主要在6-8月份和12-2月份期間。5、研究了巖溶塌陷的影響因素及作用機理：①地貌影響及作用機理,階地堆積物中有二元結構存在,上部為粘土,下部為粉細砂及卵礫石層直接覆蓋在石灰巖之上,在地下水的內動力作用下極易被潛蝕。②蓋層巖性結構對地面塌陷的影響及作用機理,粘聚力愈高,土的抗剪強度愈強,抗塌能力愈高。青菱鄉烽火村砂層厚度最大,平均厚度36m,塌陷密度最大。砂性土在水的滲透壓作用下較易發生塌陷,所以主要作用機理是潛蝕及滲壓致塌。③地質構造的影響及作用機理,沿著青菱寺壓扭性斷裂帶分布的塌陷點全部在500m范圍,作用機理是斷裂帶處是地下水的通道,潛蝕作用增強。④地下巖溶及土洞發育程度、土層擾動對地面塌陷的影響及作用機理,青菱鄉烽火村擾動帶以多剖面的方式相互貫通,砂層的多個擾動帶相互影響,在一處塌陷點處形成密集的多個地面塌陷坑；擾動帶以多剖面的方式相互貫通使土層中的土顆粒隨著水流加速遷移,松散的擾動帶提供了遷移的物質,所以主因是潛蝕致塌。另外降雨及抽水都增加垂直滲透壓力,還使土層的自重應力增大,抽水還會產生真空吸蝕作用,所以塌陷成因還有滲透致塌、重力致塌、真空吸蝕致塌。6、在對研究區可溶巖分布規律、巖溶發育規律、巖溶塌陷分布特征、影響因素及作用機理研究的基礎上,建立了重點塌陷區的水流-應力應變三維耦合模型,并引入格里菲斯判據及摩爾-庫倫破壞準則。7、基于GMSMODFLOW程序及編制的程序對以青菱鄉烽火村為地質背景建立的理想模型進行了模擬計算與預測,計算結果與定性分析及實際的塌陷情況相符,驗證了程序的正確性。8、利用以上驗證的程序計算了青菱鄉2009年1月至2013年7月的地下水流場及土體應力應變值,并進行了模型識別,擬合效果較好。利用以上擬合的模型對青菱鄉烽火村塌陷區的長江水位動態、工程建設排水、大氣降水等幾種工況進行了預測,為預防巖溶塌陷提供了科學依據。主要創新點：(1)結合青菱鄉巖溶塌陷背景條件和機理,提出了地下水流-應力應變耦合模型。(2)編制程序實現了地下水流-應力應變耦合過程數值模擬,并設計了長江水位變化、周邊工程建設排水施工、大氣降雨三種工況對武漢市青菱鄉烽火村巖溶塌陷區進行了預測。
[Abstract]:With the development of economy and the promotion of large - scale urban construction , the problem of geological disasters is becoming more and more frequent , which seriously impedes the process of urbanization . This paper studies the influence factors and mechanism of karst collapse . Based on the GMSMODFLOW program and the program compiled by the GMSMODFLOW program , the simulation calculation and prediction are carried out for the ideal model established for the geological setting of the Yangling Township , Qingling Township . The results are as follows : ( 1 ) The groundwater flow field and the stress and strain value of the soil body are predicted by using the above - fitted model . The numerical simulation of the groundwater flow - stress strain coupling is carried out by using the above - fitted model .

【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P642.2

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本文編號：1393031