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覆盖型岩溶潜蚀塌陷裂隙开度与透水率定量关系

郭永春;王清海;谢强;文江泉;任新红

【摘要】在既有研究的基础上,假设覆盖型岩溶路基潜蚀塌陷管道模型,根据压水试

验透水率公式和水力学管道流Poiseulle方程,提出了裂隙岩体透水率与裂隙开度

的关系公式,建立了透水率与裂隙开度的定量联系,并结合经验结果对理论公式的适

用性、局限性进行了探讨.研究结果表明:裂隙岩体透水率与裂隙开度等效半径四次

方成正比,与裂隙延伸长度成反比;透水率与裂隙开度的理论关系与既有规范的经验

结果有较好的一致性.

【期刊名称】《水文地质工程地质》

【年(卷),期】2014(041)006

【总页数】5页(P82-86)

【关键词】透水率;裂隙开度;覆盖型岩溶;潜蚀塌陷

【作者】郭永春;王清海;谢强;文江泉;任新红

【作者单位】西南交通大学地学学院,四川成都610031;中铁二院昆明公司,云南昆

明650200;西南交通大学地学学院,四川成都610031;西南交通大学地学学院,四川

成都610031;西南交通大学地学学院,四川成都610031

【正文语种】中文

【中图分类】P642.25

压水试验是了解裂隙岩体渗透性的有效手段，但其结果只能说明测试范围内裂隙岩

体的整体渗透性［1］;水电规范仅给出了裂隙岩体透水率和裂隙开度的经验关系表

［2］，没有给出透水率与裂隙开度的定量关系。模型试验和现场测试研究表明

［3～7］:覆盖型岩溶潜蚀塌陷存在着一个临界的裂隙开度，约为2～3mm，对应

这个临界的裂隙开度，也对应着一个临界的透水率值，其通过研究给出了裂隙开度

与透水率的对应关系，但没有进行深入的理论分析。

在已有研究的基础上，根据岩溶裂隙发育模型，初步提出了岩溶裂隙透水率的理论

估算，建立裂隙开度和透水率的直接联系，并结合已有试验和现场测试方法进行验

证分析。

1覆盖型岩溶潜蚀塌陷模型的分析

岩溶潜蚀塌陷是因为上覆土体沿着岩溶裂隙潜蚀流失。研究表明［3～7］:当裂隙

开度小于1mm时，水的表面张力开始起作用，并对土颗粒的移动产生抑制作用，

在实际的地下水动力条件下，不会产生有效的潜蚀作用;当裂隙开度达到2～3mm

时，水的表面张力效应减弱，起作用的将是土体的重力和结构强度，此时的水动力

条件可以起到有效的潜蚀作用，引起覆盖层土体流失。因此，引起潜蚀塌陷的岩溶

裂隙开度的临界值是2～3mm，是决定是否会产生潜蚀塌陷的物理基础。

岩溶裂隙的延伸长度，是土体运移的通道，如果没有通畅的运移通道，即使裂隙开

度足够，土体在运移过程中由于堵塞作用，也不能发生有效的潜蚀塌陷。

因此，覆盖型岩溶潜蚀塌陷的控制条件是岩溶裂隙开度和延伸通道顺畅，其次是地

下水起伏变化产生的水力条件导致潜蚀发生，然后覆盖层土体沿着岩溶裂隙运移，

随着时间的积累，土体流失，导致覆盖层下部形成空洞，进而诱发地面塌陷。

如图1所示，其中的1区，有覆盖层，没有裂隙发育，不具备潜蚀塌陷的条件;2

区和3区，有覆盖土层，岩溶裂隙发育，有产生潜蚀的水动力条件，存在潜蚀塌

陷的可能。

图1岩溶潜蚀塌陷模型示意图Fig．1Schematicdiagramshowingthe

collapseofcoveredKarstduringundergrounderosion

比较2区和3区，2区虽然有裂隙发育，但整体上仍是一个密闭空间，不能产生

大量的水土流失，因而不能产生潜蚀塌陷;而3区，却多了一条延伸较长的岩溶管

道，一旦潜蚀发生，就有可能产生有效的水土流失，土体沿着岩溶管道运移流失，

最终导致潜蚀塌陷的发生。

因此，覆盖型岩溶产生潜蚀塌陷，在客观上岩溶裂隙应具有一定的开度，同时，也

应有一定的延伸长度，才能保证潜蚀塌陷的发生。

2裂隙开度与透水率关系的推导

在岩溶裂隙中，可能产生水力流动的裂隙多具有一定的开度，因此，把能够产生水

力潜蚀的裂隙假设成一根管道，水在其中流动认为是管流。如图1所示，能够产

生有效流动的就是图1中贯通的岩溶管道，可以认为水在其中流动，形成管流。

根据水力学Poiseulle方程，管道流量的大小与管道半径、流体的粘滞系数、流动

压差和管道长度有关:

式中:q——管道流量(m3/s);

r——管道半径(m);

μ——流体的黏度(Pa·s);

Δp——管道两端的压差，即流动压差(Pa);

L——管道长度(m)。

根据透水率计算