绥阳石膏晶花洞形态特征与稳定性研究

摘要

绥阳双河洞现探明长度161.788公里，具有亚洲第一长的洞穴系统美誉，石膏晶花洞位于双河洞洞穴系统皮硝洞内，山脉总体属于大娄山山系的东支部分，出露地层以石膏质白云岩为主，该洞为一大型干洞，洞顶、洞壁都被石膏沉积物所覆盖，故称为石膏晶花洞。考虑到石膏晶花洞自身环境的脆弱性易遭受破坏，且存在洞顶围岩碎块掉落的安全隐患，所以该洞穴至今仍未对外开放。为了实现其观赏价值和研究价值，本文运用三维激光扫描技术在不接触无损害的条件下对该洞穴进行场景重建，完整而真实的保存该洞穴的形态特征，对石膏晶花洞的成因进行了浅析，为了深入研究在天然应力场下石膏晶花洞是否稳定，本文通过赤平投影法和数值模拟分析方法对其稳定性进行了研究。论文取得的主要成果为：
　　（1）通过野外三维扫描工作获取了研究区内高精度点云数据，对他人洞穴的相关扫描方法总结。并对个人在扫描中遇到的问题进行了讨论，为他人洞穴扫描提出5点建议。总结了对点云数据重建时采用的方法。利用了PCL这一种新的点云数据模型构建方式，结合Visual C++等语言实现了三角网格模型的构建，并利用NURBS曲面重构方法完成了最后模型的建立。
　　（2）依据构建的模型得到了更为精准的洞穴平面图和断面图，总结了不同标段处洞穴的形态特征，并对石膏晶花洞的横剖面形态特征做了详细的划分。对洞穴形成过程中所产生的次生沉积物进行了总结，重点对化学沉积物进行了重建，方便人们从多角度对沉积物进行观测。石膏晶花洞主体洞内各处均发育有石膏沉积物，本文依据水流状态对洞段内的石膏沉积形态进行了详细的划分。
　　（3）分析了石膏晶花洞的成因，并对其稳定性进行了研究。利用赤平投影法，根据稳定系数K判定洞顶岩体处于临界稳定状态。对石膏晶花洞进行了洞段划分，结合RMR分级法和现场定性分级法分析得出东、西洞段围岩岩体质量分级基本一致。
　　（4）借助离散元程序UDEC，选取石膏晶花洞不同洞道（穹洞、狭窄甬道、大厅）三个具有代表性的横剖面进行数值模拟，模拟了石膏膨胀过程中，在顶板出现弯折并未发生滑脱阶段，确定了影响因素（石膏膨胀力）与顶板最大脱落值之间的关系；分析了受膨胀力所引起的应力场和位移重分布的情况：洞室顶拱竖直位移沿轴向分布，且围岩剪切应力值较大，洞室的大位移区段与应力集中区域也发生在顶拱，除顶拱位置外，洞壁处是容易产生破坏与失稳的区域。