大河水库移民安置区岩溶地面塌陷数值分析研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：大河水库移民安置区所在区域的地质构造较为简单，区域地壳稳定性较好。研究区所分布的石炭系梓门桥组及灰岩所第四系接触面上的土洞较为发育，因而研究区岩溶地面塌陷地质灾害较为严重。本文采用三维快速拉格朗日有限差分法（FLAC3D）对研究区某一典型土洞的稳定性进行了数值分析研究。研究结果表明：最大位移发生在土洞顶部，在土洞周边一定范围内的各单元主应力发生了应力偏转及应力集中现象；仅在重力的作用下，该土洞能导致岩溶地面塌陷。由于地下水位的频繁波动，土洞的规模不断扩大而导致土洞周边的应力重分布。在自重及地下水的渗透压力等因素的联合作用下，土洞覆盖层的抗塌小于其所受致塌力而致使岩溶地面塌陷。
　　关键词：阳春；岩溶地面塌陷；有限差分法；机理
　　1 前言
　　2003年，大河水库移民安置区发生岩溶地面塌陷地质灾害，造成房屋毁坏和人员伤亡的严重事故。本文以研究区某一典型土洞为研究对象，采用三维快速拉格朗日有限差分法（FLAC3D）对该土洞的稳定性进行数值分析研究。研究内容涉及自重作用下土洞周边一定范围内的位移和应力分布规律以及塑性区的分布特征。研究结果表明，研究区的该典型土洞的抗塌力（主要由抗剪强度提供）不足以克服其致塌力（主要由自重作用产生），因而导致了该覆盖型岩溶塌陷的产生。
　　2 研究区工程地质条件
　　2.1地形地貌
　　研究区位于阳春复向斜岩溶盆地内。阳春复向斜岩溶盆地呈北东―南西向长条带状展布，往东、西两侧地势渐高成为丘陵区，盆地中部漠阳江自北而南纵贯其间。研究区地貌以河谷冲积平原为主， 地势平坦，地面高程一般为13.6～15.5m，微向南东倾斜，坡度1～2°。
　　2.2 地层岩性
　　研究区位于阳春复向斜西南段核部附近，表层被第四系覆盖，构造形迹不明显。据钻探揭露，研究区第四系覆盖层厚度5.00～50.00m，下伏石炭纪黄龙组灰岩，节理裂隙发育，部分被方解石脉充填。在节理裂隙的交叉或密集带，岩溶较发育。总体上看研究区地质构造较简单。
　　根据地面调查、钻探及有关地质资料，研究区分布地层由老到新有石炭系测水组（Cc）、梓门桥组（Cz）、黄龙组（Ch）和第四系坡残积层(Qdel)、冲积层(Qal)和人工填土(Qml)等。
　　3 覆盖层的抗剪强度与岩溶塌陷高度的数值分析研究
　　3.1 数值分析模型
　　该模型有896个单元，1850个节点。在模拟土洞所引发的岩溶塌陷过程中，只需将以座标原点为圆心，以2m为半径的圆所在范围内的单元置为null即可。圆形土洞顶部距地面13m。由于这是一个平面应变对称问题，所以只取了一个半圆为研究对象。边界条件如下：在x=0及x＝15的面上约束x向变形；在y=0及y＝0.5的面上约束y方向的变形；在z=－15的面上约束z向变形，z=15的面为自由面。
　　3.2 弹塑性物理力学参数
　　研究区共揭示土洞119个，土洞大小不一，埋深各不相同，且各土洞的覆盖层均较为复杂。经综合分析，本文选取一高度为4m，埋深大多约13m的土洞为研究对象，该土洞的覆盖层主要为粉砂及粉质粘土。粉质粘土、粉砂及其灰岩的弹塑性物理力学参数见表1。
　　表1 岩土体物理力学参数
　　
　　
　　
　　
　　
　　3.3 数值分析结果
　　3.3.1 位移
　　土洞形成后，最大位移发生在土洞顶部，最大值约为31.3cm。向两边逐渐递减，至粉砂与灰岩接触面上时，土洞周边的位移量接近于零。另外，沿同一洞径方向，距土洞越远，位移越小。
　　3.3.2 应力
　　首先，随着深度增加，主应力的各个分量亦逐渐增加，至直到模型底部的最大主应力；其次，除土洞周边一定范围内的单元外，其余各单元的主应力呈水平及竖直向分布，即天然应力分布状态，最大主应力向为竖直向。最后，在土洞周边一定范围内的各单元主应力发生了应力偏转及应力集中现象。靠近土洞的单元的最小主应力为零（沿土洞所在圆的半径方向），最大主应力平行于圆的切线方向，向远离土洞的方向渐变为自重应力状态。粉砂与灰岩接触面两侧单元的主应力有集中的现象。
　　3.3.3 塑性区分布
　　塑性区主要分布于粉砂与灰岩接触面以上的定单元内。这主要是由于该接触面两侧岩性显著差异，从而导致该处出现应力集中，且粉砂的抗剪强度远低于灰岩，所以，塑性区仅分布于粉砂内。塑性区呈“半喇叭形”分布直至顶部，表明土洞洞径发展至4m时，13m厚的粉砂覆盖层将塌陷至地表。
　　3.3.4 塌陷机理
　　研究区灰岩溶洞极发育。第四系孔隙水与岩溶水连通性较好，随着季节变化而升降。当地下水位上升时，长期处于干燥状态的土体逐渐被软化；当地下水持续下降时，土体在失去水的浮托力的同时，水力坡度也急剧增大，使孔隙水对土体潜蚀作用加强。在孔隙间真空负压及地下水的潜蚀作用下，土体不断被搬运到下伏灰岩溶洞和溶蚀裂隙中，并逐渐在灰岩与上覆土层之间形成土洞。随着地下水位的频繁升降作用，土体的潜蚀、搬运过程不断循环往复，使土洞逐渐向上发展扩大，从而不断地使土洞周围的应力发生重分布，最终使得上覆土体的抗塌力（主要由土体的抗剪强度提供）小于致塌力（主要由自重提供），从而导致地面塌陷。
　　4 结论
　　1、数值分析结果表明：仅在自重的作用下，土洞顶部的位移最大，最大值约为31.3cm，向两边位移逐渐减少，另外在同一洞径方向，距土洞越远，位移越小。从总体上看，主应力的各分量均随深度增加而增加，竖直向最大主应力出现在模型的底部；另外，在土洞周边一定范围内存在应力集中及应力偏转现象，靠近土洞的单元的最小主应力为零，最大主应力平行于圆的切线方向，向远离土洞的方向渐变为自重应力状态，粉砂与灰岩接触面两侧单元的主应力亦存在应力集中的现象。在自重作用下，塑性区分布呈“半喇叭形”直至地面，这表明洞径为4m且覆盖层为13m的土洞，当覆盖层岩性为粉质粘土和粉砂时，在重力的作用下能导致岩溶地面塌陷。
　　2、研究区岩溶地面塌陷的主要致塌因素是重力，另外地下水的渗透压力作用及土洞发展过程中的应力重分布亦促进了岩溶地面塌陷的发生及发展。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-583927.htm