岩溶塌陷研究的发展趋势

2025-03-12 01:20:46

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回答1：

从国内外岩溶塌陷研究现状来看，未来岩溶塌陷研究的发展趋势可能并应该侧重在如下几个方面。

1.2.3.1 岩溶塌陷风险评价方法研究

1989年由美国国家科学院的全国研究理事会（NRC）及联邦所属科学和减灾机构召集，由17位成员组成的国家委员会分工协作，制定了减灾十年计划。我国当前岩溶塌陷评价只限于根据其主要影响因素和由模型试验获得的临界条件进行潜在塌陷危险性分区，这对有关部门进行塌陷防治决策而言是远远不够的，因为对塌陷危险区的处理与否以及处理方案的确定往往还取决于它所产生的社会经济影响。因此，在岩溶塌陷评价中，需开展环境地质学、土木工程学、地理学、城市规划与社会经济学等多领域、多学科的协作，对潜在塌陷的危险性、生态系统的敏感性、经济与社会结构的脆弱性进行综合分析，才能达到对岩溶塌陷进行风险评价的目的。这对有关部门进行塌陷防治决策将具有重要意义。“3S”技术（地理信息系统、遥感技术和全球定位系统）将成为这一工作的支撑技术（雷明堂等，1998）。因此，下一阶段岩溶塌陷研究的重要内容之一，是研制开发基于“3 S”技术的岩溶塌陷风险评价与防治决策系统（罗元华等，1998）。

1.2.3.2 岩溶塌陷时空预测预报方法研究

由于岩溶致塌评价只局限于根据其主要影响因素和由模型试验获得的临界条件进行潜在塌陷危险性分区，岩溶塌陷在时间上的突发性和空间上的隐蔽性，使得研究较为困难。从实例中发现，一些可引起岩溶水压力发生突发性变化的因素，如振动、气压效应等，有时也可成为直接致塌因素，甚至在常规认为安全的地区也发生了塌陷，而且一旦发生塌陷，还会有很长的后续效应（陈国亮，1994；雷明堂等，1998），这都成为困扰救灾工作的一大难题。对于通过振动、水位恢复等的力学效应研究，提出相应的土层安全厚度方面的研究做得较少，这方面的研究可解决岩溶塌陷与地质条件在空间分布上的内在联系。因此，如何进行岩溶塌陷灾害的时空预测预报已成为岩溶塌陷防治研究中具有国际性的、最突出的前沿课题。

模型试验结果表明，对于人为抽（排）水活动诱（触）发的岩溶塌陷而言，基岩面以下岩溶水压力的变化，特别是有气体或外界压力影响下的突发性变化，与岩溶塌陷的发育有显著的关系。这就使我们可以运用这一关系，达到对岩溶塌陷进行时空预测预报的目的（陈国亮，1994；雷明堂等，1998）。因此，下一阶段塌陷研究的另一项重要工作，应是建立一套以致塌工程地质背景条件为基础、以岩溶水压力监测为主、地质雷达监测为辅的现场监测思路和方法手段，特别应对上面提到的安全厚度方面进行研究，加强对微观塌陷机制的认识，寻找出通过地质模型和开采条件对塌陷进行预测的方法，这对预测方法的推广有着实际的意义。同时应对雷达等技术进行降低成本的研究以使之变得可行。

1.2.3.3 中国岩溶塌陷数据库及信息管理系统

在“国际减灾十年（1990～2000）”呼吁中，联合国秘书长强调“促进自然灾害风险评价和治理能力的一个先决条件是要逐国地获取可靠的资料”。近年来，我国有关部门已在岩溶塌陷普查、勘探、研究与治理等方面投入了大量的人力、物力，积累了丰富的塌陷资料。因此，以计算机数据库和地理信息系统（GIS）技术为基础，建立全国岩溶塌陷信息管理系统，通过出版相应的电子地图和在国际互联网（internet）上发布的形式，达到数据资料共享的目的。在已作的研究中，目前仍存在一些资料不准确及实用意义不大等问题，所以应加强获取资料的规范性及精确性（雷明堂等，1998）。

1.2.3.4 岩溶塌陷试验与测试

开展室内及室外模型试验，目的是为研究人员提供必要数据，以确认不同条件下岩溶塌陷发育的机理、与各主要影响因素的关系，以及塌陷发育的临界条件。因此，下一阶段工作应是进一步完善已有模型试验的功能，使之能更全面反映岩溶塌陷发育的实际条件。这一工作的支撑技术是卫星高灵敏度传感器（空隙水压力传感器、土压力传感器和位移传感器）及相应的数据自动采集分析系统。另一方面，岩溶塌陷的孕育过程是一个复杂的非线性动力过程，因此，在岩溶塌陷研究中，应开展岩溶塌陷非线性动力学仿真研究，以进一步深入研究岩溶塌陷发育的内在规律，为岩溶塌陷防治提供理论依据。在对铁路沿线岩溶塌陷发育的内在规律及微观测试方面，目前工作做得相对较少，但这方面的工作对预测铁路沿线岩溶塌陷将具有现实的意义。

1.2.3.5 岩溶塌陷发育规律研究

应进一步加强国内、国际交流，从地球这一大系统出发，充分利用计算机等现代分析技术，分析全国乃至全球范围内岩溶塌陷与人类活动、环境变迁（全球变化）以及与其他自然灾害的伴生关系。

1.2.3.6 岩溶塌陷的探测方法研究

进一步完善和加强目前已形成的地质雷达、浅层地震和电磁波、声波透视（CT）以及高密度多级电法探测系统等技术方法，形成能对岩溶塌陷进行有效探测、识别的探测技术，特别是对岩溶地下空洞形态的探测。

1.2.3.7 岩溶塌陷防灾减灾体系研究

应从减灾系统工程的角度，建立一整套包括勘察、评价、监测、预报、防灾、抢险、治理、立法和保险等内容的防灾减灾体系。

1.2.3.8 岩溶塌陷的数值模拟研究

目前，在国内外用三维数值模拟方法，对岩溶致塌进行研究的实例显得少之又少，一般只停留在二维研究的水平。虽然国外研究数值模拟的手段较强，如FLAC^3D及3D-sigma，Ansys等以其强大的三维模拟功能，被广泛地应用于许多领域，但用于岩溶致塌方面研究的实例并不多见。近年来，这些软件的推广，使得本研究从理论分析到试验、数值模拟验证的研究思路成为可能。这方面研究的进行，无疑将使岩溶塌陷的研究向深度和广度推进，从而为岩溶塌陷的客观评价与预测提供依据。国内在该领域的研究，由于其地域优势，在研究数量上远多于国外，但在深度上显得不够。

在三维数值模拟方面，岩溶塌陷的研究实例十分少见。德国的Heinz Konietzky、Johannes Will 及 Jens Heinrich 在他们的“Coupled Three-Dimensional Analysis of the Slab Foundation for the Magnetic Levitation Transportation System(TRANSRAPID)in Germany”研究中用Ansys成功地对德国的非岩溶地区高速磁浮列车产生的振动进行了三维数值模拟，并考虑了水位因素。国内合肥工业大学的葛小光，利用有限元软件对开矿沉降引起的河堤渗漏稳定性作了二维分析。铁道部第二勘察设计院所编著的《岩溶工程地质》一书曾用有限元的方法对铁路路基下遇到洞穴时的静力稳定问题进行了二维数值模拟与评价。

应用于岩溶塌陷的三维数值模拟研究，在国内外都较为少见，原因主要有两个：①岩溶地质条件复杂，由于岩溶地质体分布的局限性，使得国外数值模拟应用于岩溶塌陷的机会不像国内那样多，因而其重要性自然下降；②受计算机技术发展因素制约，数值模拟的必备条件——软件及其开发是数值模拟的关键，由于岩溶塌陷的复杂性，对软件的要求较高，较好的软件价位高居不下也是国内该方面工作发展较慢的原因。

随着计算机技术的普及，国外类似FLAC^3D，Ansys，3D-sigma软件的应用，使得岩溶塌陷的数值模拟成为可能。由于这些软件在三维模拟方面的便捷性，使其在对于岩溶塌陷的预测方面具有很大的潜力。如三维软件的机动性使得对岩溶水的不均匀性的模拟成为可能，特别是FLAC^3D在材料赋值方面的方便性，可实现对岩溶块体中任意部位的渗透系数的定义，使得岩溶不均匀性的可视化研究得以实现，这是其他手段无法实现的。另外，可通过数值试验的手段对塌陷进行试验研究。因此，数值模拟技术在岩溶塌陷的预测预报及可视化研究方面，将有很大的发展前景。

数值模拟在工程运用中，常常被人们所忽视，是因为许多运用中，忽略了数值模拟运用的条件。在许多不适合数值模拟的情况下，强行地采用数值模拟方法进行计算，结果当然是不合理。在理论上，任何工程条件都是可以用数值去模拟的，但由于数学和计算机容量的原因，现在数值模拟的几何模块，都是有限的，且也没有必要考虑任何一种情形下的几何模块。通常使用的有三角形、矩形、圆形、柱形、扇形，等等。因而，数值模拟在工程运用中，应考虑地质条件。介质的均匀性是数值模拟运用的前提，介质越均匀，运用效果越好，这也是Ansys被成功地运用于结构计算中的原因。在地质条件中，情况要复杂得多。对于砾岩碎屑堆积、崩石堆积体，因其内部的不均匀性，显然不适合采用数值模拟的方法；对于构造太复杂的地方，特别是节理很发育的岩石，数值模拟也难于进行。

对于粘土介质层，其内部相对均匀得多，虽然层与层之间有较大的变化，但可以采用几个几何模型加起来和单独定义的办法加以解决，关键是单个几何模型内部要求一定的均匀性。

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