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基于声发射技术的岩溶塌陷监测预警试验研究
潘宗源, 戴建玲, 蒙彦, 蒋小珍, 马骁, 白冰, 吴远斌, 张心
, doi: 10.11932/karst2024y020
摘要:
岩溶塌陷是土体损伤孔洞发育并最终导致盖层失稳的动力地质过程,故查明土体损伤特征及演化过程是提出有效监测预警方法的重要前提。本文利用声发射与光纤光栅传感技术对岩溶塌陷形成过程展开模型试验,甄别与筛选声发射关键信号特征,并建立其与岩溶塌陷的响应机制。试验结果表明:(1)大雨条件下岩溶塌陷的形成演化过程里,覆盖层深部声发射信号振铃计数较浅部增大6.78~6.89倍,幅度增大1.02~1.12倍,能量扩大了4.45~16.6倍。在暴雨条件下,覆盖层深部声发射信号振铃计数较浅部增大14.85倍,幅度增大1.51倍,能量扩大了213.39倍;(2)大雨试验工况下是以土洞扩展并失稳破坏的蠕变破坏型岩溶塌陷,暴雨试验工况下是土层整体错断坍塌的压剪断裂型岩溶塌陷,不同塌陷类型的声发射信号特征有明显差异;(3)岩溶塌陷过程中会出现土体滑移、层面错动、孔洞发育和塌陷四类信号波形,信号波形释能幅值、上升与下降时间、波形持续时间等与岩溶塌陷演化过程土体变形密切相关;(4)岩溶塌陷过程中声发射频谱信号波形为高频窄脉冲,其中土体滑移、层面错动、孔洞发育和塌陷等四类信号频域能量分别集中在50kHz和20kHz左右的高频区段;(5)声发射累计振铃计数与覆盖层孔隙水压力、土压力和土体位移的变化过程存在紧密的关联性,在土体变形与塌陷时会导致声发射振铃计数增加或突发性跃迁现象,因此证明声发射技术用于岩溶塌陷监测预警是可行的。 岩溶塌陷是土体损伤孔洞发育并最终导致盖层失稳的动力地质过程,故查明土体损伤特征及演化过程是提出有效监测预警方法的重要前提。本文利用声发射与光纤光栅传感技术对岩溶塌陷形成过程展开模型试验,甄别与筛选声发射关键信号特征,并建立其与岩溶塌陷的响应机制。试验结果表明:(1)大雨条件下岩溶塌陷的形成演化过程里,覆盖层深部声发射信号振铃计数较浅部增大6.78~6.89倍,幅度增大1.02~1.12倍,能量扩大了4.45~16.6倍。在暴雨条件下,覆盖层深部声发射信号振铃计数较浅部增大14.85倍,幅度增大1.51倍,能量扩大了213.39倍;(2)大雨试验工况下是以土洞扩展并失稳破坏的蠕变破坏型岩溶塌陷,暴雨试验工况下是土层整体错断坍塌的压剪断裂型岩溶塌陷,不同塌陷类型的声发射信号特征有明显差异;(3)岩溶塌陷过程中会出现土体滑移、层面错动、孔洞发育和塌陷四类信号波形,信号波形释能幅值、上升与下降时间、波形持续时间等与岩溶塌陷演化过程土体变形密切相关;(4)岩溶塌陷过程中声发射频谱信号波形为高频窄脉冲,其中土体滑移、层面错动、孔洞发育和塌陷等四类信号频域能量分别集中在50kHz和20kHz左右的高频区段;(5)声发射累计振铃计数与覆盖层孔隙水压力、土压力和土体位移的变化过程存在紧密的关联性,在土体变形与塌陷时会导致声发射振铃计数增加或突发性跃迁现象,因此证明声发射技术用于岩溶塌陷监测预警是可行的。
不同土地覆被下岩溶洞穴滴水的水文特征
范宏岱, 胡运迪, 周忠发, 胡德勇, 张宇超, 黄正周, 王登超, 尚运, 李航
, doi: 10.11932/karst2024y018
摘要:
土地覆被类型是水循环过程的的重要影响因子,为探究不同土地覆被下洞穴滴水的水文特征及其影响因素,本文选取了贵州岩溶区不同土地覆被下的清江洞(土层厚,植被中等)、广顺洞(土层薄,植被好)和石将军洞(土层薄,植被差,顶板厚)3个洞穴,基于滴水流量、土壤含水量及气象数据进行研究。结果表明:(1)3个洞穴的滴水流量均存在季节性变化规律,滴水在降水输入少的旱季易发生断流;(2)由于土壤的截留和储存作用,使得洞顶土层覆盖厚的清江洞相较于广顺洞和石将军洞在雨季8月到10月期间表现出特有的流量低值现象,且全年土壤含水量的最低值也出现在此时期;(3)3个洞穴滴水流量的年均值为石将军洞(1.185 mL·min−1)>清江洞(0.600 mL·min−1)>广顺洞(0.236 mL·min−1),流量的全年稳定程度为石将军洞>广顺洞>清江洞;(4)植被对洞穴滴水水文特征的影响弱于土壤,土壤发育较好的洞穴(清江洞)比土层薄但植被覆盖高的广顺洞全年更容易断流,另外顶板厚度大的洞穴(石将军洞)全年滴水流量稳定程度最好。综上,洞穴滴水流量除受降水、气温、湿度等气象条件影响外,还受土地覆被、含水层顶板厚度的影响。 土地覆被类型是水循环过程的的重要影响因子,为探究不同土地覆被下洞穴滴水的水文特征及其影响因素,本文选取了贵州岩溶区不同土地覆被下的清江洞(土层厚,植被中等)、广顺洞(土层薄,植被好)和石将军洞(土层薄,植被差,顶板厚)3个洞穴,基于滴水流量、土壤含水量及气象数据进行研究。结果表明:(1)3个洞穴的滴水流量均存在季节性变化规律,滴水在降水输入少的旱季易发生断流;(2)由于土壤的截留和储存作用,使得洞顶土层覆盖厚的清江洞相较于广顺洞和石将军洞在雨季8月到10月期间表现出特有的流量低值现象,且全年土壤含水量的最低值也出现在此时期;(3)3个洞穴滴水流量的年均值为石将军洞(1.185 mL·min−1)>清江洞(0.600 mL·min−1)>广顺洞(0.236 mL·min−1),流量的全年稳定程度为石将军洞>广顺洞>清江洞;(4)植被对洞穴滴水水文特征的影响弱于土壤,土壤发育较好的洞穴(清江洞)比土层薄但植被覆盖高的广顺洞全年更容易断流,另外顶板厚度大的洞穴(石将军洞)全年滴水流量稳定程度最好。综上,洞穴滴水流量除受降水、气温、湿度等气象条件影响外,还受土地覆被、含水层顶板厚度的影响。
水位下降诱发覆盖型岩溶塌陷发育机理
李京天, 朱凯, 肖先煊, 尹艳, 刘皓, 许模, 何志攀
, doi: 10.11932/karst2024y010
摘要:
岩溶塌陷是岩溶地区一种主要地质灾害类型,由于其突发性和隐蔽性的特征,给塌陷区人们的生命财产安全造成威胁。论文以曲靖市马龙区东侧岩溶塌陷为研究对象,在充分认识研究区地质条件、水动力条件、塌陷地质原型的基础上,以多元结构盖层的地面塌陷为例,在室内构建了与原型相符的地质物理模型,开展了两种典型工况下的地下水位下降触发岩溶塌陷试验。基于试验数据分析提出了此类型盖层的致塌机理,并结合试验数据基于地质过程演化的思想分析了透-阻-透型塌陷变形演化特征。研究表明:(1)地下水位下降会导致盖层和溶洞中均出现负压带,盖层内的孔隙水压力和溶洞中的真空压强会随着排水波动增长至峰值,地下水位降速越大,压强的增长速率和峰值就越大;(2)根据压强和盖层形变量随时间的演化特征,可将塌陷演化过程分为土洞发育阶段、土洞扩张阶段和盖层失稳塌陷3个阶段;(3)马龙区的水位降速达到0.1 cm·min-1(1.44 m·d-1)时,所产生的真空压强能提供足够大的真空吸蚀力,联合渗透压力可导致覆盖层塌陷。研究可为马龙区岩溶塌陷灾害的防治减灾及其塌陷预警预报提供参考。 岩溶塌陷是岩溶地区一种主要地质灾害类型,由于其突发性和隐蔽性的特征,给塌陷区人们的生命财产安全造成威胁。论文以曲靖市马龙区东侧岩溶塌陷为研究对象,在充分认识研究区地质条件、水动力条件、塌陷地质原型的基础上,以多元结构盖层的地面塌陷为例,在室内构建了与原型相符的地质物理模型,开展了两种典型工况下的地下水位下降触发岩溶塌陷试验。基于试验数据分析提出了此类型盖层的致塌机理,并结合试验数据基于地质过程演化的思想分析了透-阻-透型塌陷变形演化特征。研究表明:(1)地下水位下降会导致盖层和溶洞中均出现负压带,盖层内的孔隙水压力和溶洞中的真空压强会随着排水波动增长至峰值,地下水位降速越大,压强的增长速率和峰值就越大;(2)根据压强和盖层形变量随时间的演化特征,可将塌陷演化过程分为土洞发育阶段、土洞扩张阶段和盖层失稳塌陷3个阶段;(3)马龙区的水位降速达到0.1 cm·min-1(1.44 m·d-1)时,所产生的真空压强能提供足够大的真空吸蚀力,联合渗透压力可导致覆盖层塌陷。研究可为马龙区岩溶塌陷灾害的防治减灾及其塌陷预警预报提供参考。
岩溶泉水温度对降雨-流量响应的指示作用
何清, 陈喜, 张志才, 程勤波
, doi: 10.11932/karst2024y003
摘要:
岩溶区土−岩交错、裂隙和管道发育,加大了降雨入渗补给方式和多重水流辨识难度。本文利用贵州陈旗小流域场次降雨、泉流量以及大气、土壤和泉水温度观测数据,识别降雨入渗补给方式、泉流量来源以及热传导机制。结果表明:强度小、历时长的降雨,泉水温度缓慢上升且持续时间长,以“分散入渗补给”和热传导作用为主;随着降雨强度增大、持续时间缩短,泉水温度上升时段缩短、下降快速,以“径流集中入渗补给”和“直接集中入渗补给”为主,热传导减弱、平流作用增强。退水初期泉水温度比泉流量下降快速,后期则相反。指示退水初期泉流量来源于大量细小裂隙水向岩溶管道中释放,后期释放量减小并趋于稳定。 岩溶区土−岩交错、裂隙和管道发育,加大了降雨入渗补给方式和多重水流辨识难度。本文利用贵州陈旗小流域场次降雨、泉流量以及大气、土壤和泉水温度观测数据,识别降雨入渗补给方式、泉流量来源以及热传导机制。结果表明:强度小、历时长的降雨,泉水温度缓慢上升且持续时间长,以“分散入渗补给”和热传导作用为主;随着降雨强度增大、持续时间缩短,泉水温度上升时段缩短、下降快速,以“径流集中入渗补给”和“直接集中入渗补给”为主,热传导减弱、平流作用增强。退水初期泉水温度比泉流量下降快速,后期则相反。指示退水初期泉流量来源于大量细小裂隙水向岩溶管道中释放,后期释放量减小并趋于稳定。
修正SWAT模型在喀斯特小流域的径流模拟研究——以羊鸡冲小流域为例
杨丽, 杨广斌, 李亦秋, 李蔓
, doi: 10.11932/karst2024y011
摘要:
在贵州喀斯特地区,地表径流通过土壤裂隙、岩溶管道等途径流失,其限制了地表径流的形成。文章以龙里羊鸡冲小流域为研究区,基于2013—2019年的实测数据,修正SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型的裂隙流模块,修改了裂缝入渗的表示方法,对修正前后的日径流模拟进行对比分析。结果表明:率定期内纳什系数由0.32提升到0.60,决定系数由提高0.37提升到0.58。在验证期内,纳什系数由0.52提高到0.55,决定系数由0.56提高到0.60,修正后的模型与原模型相比具有更好的适用性。修正后的模型的径流时间序列与实测数据更吻合,能合理估算研究区的入渗水量。为喀斯特小流域的水资源管理提供参考依据。 在贵州喀斯特地区,地表径流通过土壤裂隙、岩溶管道等途径流失,其限制了地表径流的形成。文章以龙里羊鸡冲小流域为研究区,基于2013—2019年的实测数据,修正SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型的裂隙流模块,修改了裂缝入渗的表示方法,对修正前后的日径流模拟进行对比分析。结果表明:率定期内纳什系数由0.32提升到0.60,决定系数由提高0.37提升到0.58。在验证期内,纳什系数由0.52提高到0.55,决定系数由0.56提高到0.60,修正后的模型与原模型相比具有更好的适用性。修正后的模型的径流时间序列与实测数据更吻合,能合理估算研究区的入渗水量。为喀斯特小流域的水资源管理提供参考依据。
重庆金佛洞石笋记录的410 ka弱季风事件
许奕滨, 杨勋林, 袁道先, 胡明广, 葛晓艳, 龚萌
, doi: 10.11932/karst2024y019
摘要:
冰消期或冰期由于冰盖消融引起淡水排放,容易造成不同纬度之间海洋-大气传输的异常,由此引发一系列或明显或不明显的千年级气候突变事件,如Younger Dryas(YD,新仙女木)和类似YD事件。MIS11c(深海氧同位素11阶段)作为当前全新世的最佳参照物之一,对期间可能发生的类YD事件及触发机制的研究有助于认识极端气候事件的发生规律。本文通过对重庆金佛洞石笋J33 δ18O序列记录的研究结果显示:(1)在MIS11间冰期盛期之前,亚洲季风气候区石笋揭示了一次发生于410 ka BP左右的千年尺度弱季风事件;(2) 410 ka弱季风事件与YD事件均发生于间冰期盛期之前季风逐渐增强过程中以及北半球夏季太阳辐射上升支,期间都发生了AMOC(大西洋经向翻转环流)扰动,除了在变化幅度、冰量条件等方面有些差异,事件的持续时间、内部结构、变化模式相似; (3)410 ka弱季风事件主要受太阳辐射和AMOC共同驱动主导,持续较强的变暖进程加速了格陵兰冰盖融化并导致了冰盖的不稳定,淡水持续注入北大西洋,造成短暂的AMOC振荡。AMOC的减弱使得北大西洋上空产生了冷异常,通过大气遥相关作用导致了较弱的ASM(亚洲夏季风)。 冰消期或冰期由于冰盖消融引起淡水排放,容易造成不同纬度之间海洋-大气传输的异常,由此引发一系列或明显或不明显的千年级气候突变事件,如Younger Dryas(YD,新仙女木)和类似YD事件。MIS11c(深海氧同位素11阶段)作为当前全新世的最佳参照物之一,对期间可能发生的类YD事件及触发机制的研究有助于认识极端气候事件的发生规律。本文通过对重庆金佛洞石笋J33 δ18O序列记录的研究结果显示:(1)在MIS11间冰期盛期之前,亚洲季风气候区石笋揭示了一次发生于410 ka BP左右的千年尺度弱季风事件;(2) 410 ka弱季风事件与YD事件均发生于间冰期盛期之前季风逐渐增强过程中以及北半球夏季太阳辐射上升支,期间都发生了AMOC(大西洋经向翻转环流)扰动,除了在变化幅度、冰量条件等方面有些差异,事件的持续时间、内部结构、变化模式相似; (3)410 ka弱季风事件主要受太阳辐射和AMOC共同驱动主导,持续较强的变暖进程加速了格陵兰冰盖融化并导致了冰盖的不稳定,淡水持续注入北大西洋,造成短暂的AMOC振荡。AMOC的减弱使得北大西洋上空产生了冷异常,通过大气遥相关作用导致了较弱的ASM(亚洲夏季风)。
典型岩溶高原边缘夷平面沉积特征及古气候环境——以湘西洛塔及贾坝剖面为例
吴亮君, 王璞珺, 张晶, 辛存林, 容悦冰, 陈伟海, 张远海, 黄超
, doi: 10.11932/karst2023y030
摘要:
文章对云贵高原边缘洛塔期(洛塔剖面)和召市期(贾坝剖面)夷平面风化壳进行粒度、磁化率、孢粉等方面的研究,探索其沉积特征及古气候响应。结果显示:洛塔剖面和贾坝剖面风化壳都以黏土和不等粒砂为主,但洛塔剖面岩性和粒度变化比较明显,为杂色黏土质粉砂和粉砂质黏土互层,夹一层砂砾石;贾坝剖面岩性和粒度相对稳定,主要为粉砂黏土。洛塔剖面Mz、Md、SC/D值以及磁化率值整体较高,但变化幅度小且快,贾坝剖面Mz、Md、SC/D值以及磁化率值相对波动较大,由此推断两条剖面所揭示的沉积环境都整体湿润,但贾坝剖面显示出小的干燥波动,即洛塔期夷平面风化壳沉积时期气候为温暖湿润型,召市期夷平面风化壳沉积时期气候为温凉干燥型,这与孢粉中大量水龙骨属(Polypodium)、松属(Pinus)指代的气候意义相同。对比孢粉组合及前人资料,推测洛塔剖面风化壳可能为新近纪早期开始形成,该夷平面可能形成于中新世,而贾坝剖面可能形成于第四纪早期,该夷平面可能形成于更新世。 文章对云贵高原边缘洛塔期(洛塔剖面)和召市期(贾坝剖面)夷平面风化壳进行粒度、磁化率、孢粉等方面的研究,探索其沉积特征及古气候响应。结果显示:洛塔剖面和贾坝剖面风化壳都以黏土和不等粒砂为主,但洛塔剖面岩性和粒度变化比较明显,为杂色黏土质粉砂和粉砂质黏土互层,夹一层砂砾石;贾坝剖面岩性和粒度相对稳定,主要为粉砂黏土。洛塔剖面Mz、Md、SC/D值以及磁化率值整体较高,但变化幅度小且快,贾坝剖面Mz、Md、SC/D值以及磁化率值相对波动较大,由此推断两条剖面所揭示的沉积环境都整体湿润,但贾坝剖面显示出小的干燥波动,即洛塔期夷平面风化壳沉积时期气候为温暖湿润型,召市期夷平面风化壳沉积时期气候为温凉干燥型,这与孢粉中大量水龙骨属(Polypodium)、松属(Pinus)指代的气候意义相同。对比孢粉组合及前人资料,推测洛塔剖面风化壳可能为新近纪早期开始形成,该夷平面可能形成于中新世,而贾坝剖面可能形成于第四纪早期,该夷平面可能形成于更新世。
启 事
《中国岩溶》编辑部
摘要:
为适应我国现代化信息建设的需要和不断拓宽作者的学术交流渠道,本刊已加入《中国学术期刊(光盘版)》、“中国期刊网”、“万方数据——数字化期刊群”、“中文科技期刊数据库”、“思博网—中文电子期刊”等,有关电子版的作者著作权使用费将同本刊的稿酬一起作一次性给付。如有不同意将论文编入上述数据库的作者,务请在来稿中事先声明,以便本刊进行适当处理。 为适应我国现代化信息建设的需要和不断拓宽作者的学术交流渠道,本刊已加入《中国学术期刊(光盘版)》、“中国期刊网”、“万方数据——数字化期刊群”、“中文科技期刊数据库”、“思博网—中文电子期刊”等,有关电子版的作者著作权使用费将同本刊的稿酬一起作一次性给付。如有不同意将论文编入上述数据库的作者,务请在来稿中事先声明,以便本刊进行适当处理。