[发明专利]上透下阻型盖层塌陷成因实验装置

说明书

本发明涉及一种上透下阻型盖层塌陷成因实验装置，属于岩溶塌陷研究技术领域。本发明可直观表达地下水位升降触发上透下阻型岩溶塌陷成因的全过程，直观展现地下水位升降时，溶洞中的压强变化规律及地下水对下层土侵蚀导致土洞形成和扩展，并进行相关试验及参数测定。利用本发明所获得的实验数据及实验规律,非常有利于分析和研究地下水位与岩溶塌陷地质灾害之间的本质关系，尤其为研究溶洞地下水位变化过程中产生的渗透变形和下层土体侵蚀导致土洞产生、扩展、进而引发岩溶塌陷等提供了全新的技术手段，也重现了此类岩溶塌陷的发育过程，揭示了此类岩溶塌陷的成因机理，为岩溶塌陷预防减灾、预警预报体系建立等工作提供一定的参考价值。

技术领域

本发明涉及一种上透下阻型盖层塌陷成因实验装置，属于岩溶塌陷研究技术领域。

背景技术

岩溶塌陷是指岩溶发育地带具有开口的溶洞上覆盖层土体在内静力、外动力条件等作用下而产生的塌落破坏现象，它一直以来是人们热议的话题之一。我国岩溶区面积363万km²，占国土总面积的1/3以上，其中云、黔、川、桂、湘、渝、鄂、粤等省(市、区)岩溶面积达105.5万km²，是世界上岩溶最发育的国家之一。我国南方可溶岩山区河谷深切，雨水充沛，地下水循环快，补排周期短，导致岩溶化程度高，裂隙～管道型、管道型岩溶较普遍，水动力场复杂多变，成为岩溶塌陷高发区，而岩溶(土洞)塌陷则对公路、铁路等交通枢纽选线、城市工程建设都有较大影响，造成重要的经济损失及危害交通安全，这些将引起人们的恐慌，长期以来影响着区域经济发展及人们生活水平的提高。

岩溶水是按赋存介质类型而划分的一类地下水。岩溶水分布在可溶岩体的空隙中。水对可溶岩石进行化学溶解，将空隙扩大为溶穴、溶洞、管道，携带泥沙的急速水流不断冲蚀并扩展岩溶管道，便形成规模越来越大的地下水溶蚀空间，从而导致上覆岩体临空而在重力作用下发生坍塌、崩落，有时这种崩塌会逐渐扩展延伸至地表，使地表塌落等的现象，称之为喀斯特，即岩溶。

我国西南山区分布了大面积的可溶岩，受构造运动的影响，形成了地势险要、河谷深切的地貌特征，充足的降雨通过孔隙、裂隙等通道入渗进入岩溶含水层中，地下水循环快、周期短，水的侵蚀性强等特征导致岩溶化程度高，强烈发育的岩溶地带常分布着大量的地下溶蚀空间(溶孔、溶穴、溶隙、溶洞、管道、暗河等)；一方面，这为地下水的存储、运移和富集提供了场所，成为当地宝贵的地下水资源，便于开采利用；另一方面，岩溶地下水的强烈活动，为大规模岩溶地下空间的发育提供了重要的条件，在覆盖层下方形成了零星、线状或带状分布的溶洞，则在溶洞内或溶洞附近，地下水的变动将可能诱发岩溶塌陷。

自然界，有一类双层盖层结构，上层为透水性较好的砂，下层为透水性较差的粘土层。由于下部阻水的阻隔，使得塌陷较单层透水盖层的更易发生。上部一般赋存为孔隙水，下层中阻水层仅有毛细水的存在，阻水层以下为岩溶水，两层地下水之间存在压差，压差大小约为岩溶水至粘土层底板高程的水头差，如图1所示。

在自然状态下，由于压差的存在造成向下的渗透力，阻水层由于不能让重力水自由进出而使岩溶水承压，其下部都与地下水接触便存在一定厚度的饱水下软化带，上部因孔隙水的浸润而呈现非饱和状态，一定时间后形成上软化带，当地下水流向有利时，饱水软化带土层不易流失，如图2所示。但因人类工程活动使岩溶地下水位下降时，地下水流向下时，软化带土体可能逐渐流失，掏空，形成土洞。岩溶地下水位的快速下降一方面能产生局部超临界水力坡度的潜蚀，另外，地下水位快速下降可在盖层中形成负压区，可使下层粘性土阻水层破坏，形成与上层透水层相同的开口，上层透水层由于砂土内聚力相对较小，在巨大的压差和水力梯度作用下，土洞逐渐向横向和向上发展，形成塌陷，如图2所示。