覆盖型岩溶塌陷动态演化数值模型研究

摘要

预测不同水动力环境下岩溶覆盖层土洞发育规模和极限规模尺寸对于评价覆盖层稳定性意义重大。以武汉市烽火村覆盖型岩溶塌陷为实例,利用弹塑性理论和变饱和渗流理论建立了渗流-应力单向耦合控制方程,结合土洞剥蚀判据提出覆盖型岩溶塌陷动态演化数值模型,并以此模型预测在不同孔隙水位与岩溶水位之差ΔH水动力环境下覆盖层中潜在土洞的发育规模,以及临界致塌水位差和极限土洞尺寸并加以验证。结果表明:孔隙水位与岩溶水位之差ΔH小于8 m时土洞将保持较小的规模不变,而当水位差超过8 m后土洞将扩展演化,且水位差越大最终形成的土洞规模越大;临界致塌水位差为16 m,对应极限土洞高、宽分别为5 m、9 m,相较于普氏平衡拱理论的预测值偏小,其误差为15%,说明覆盖型岩溶塌陷演化数值模型可较好地模拟土洞扩展演化及其失稳塌陷过程,定量解释覆盖型岩溶塌陷的潜蚀—渗压—自重致塌模式。