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桂林市覆盖型岩溶塌陷灾变演化模型试验和基于反滤层法回填治理的可视化研究

申报人：万虹烨 申报日期：2025-01-04

基本情况

2025年批次
桂林市覆盖型岩溶塌陷灾变演化模型试验和基于反滤层法回填治理的可视化研究 学生申报
创新训练项目
工学
地质类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
桂林地区由于频繁多发的岩溶塌陷灾害，城市发展和百姓生活受到严重威胁。暴雨和地下水位波动是诱发塌陷产生的主要因素。本研究以桂林市覆盖型岩溶为研究对象，以阻-透型盖层结构为原型建立二元结构地质概化模型开展模型试验，布设位移计和孔隙水压力传感器，获取相关渗流和沉降数据，分析降雨和水位波动条件下覆盖型岩溶变化规律。在此基础上，使用反滤层回填法对塌陷进行治理，并借助粒子测速技术和透明土试验技术对回填和后续地下水位波动影响土体稳定性进行可视化模拟，评价反滤层法治理效果，揭示桂林典型覆盖型岩溶塌陷的形成模式和成因机制，为岩溶塌陷预测与评估提供科学依据。
2023年西部大学生信息素养大赛省级二等奖
2023年第一届广西高校大学生译写大赛省级二等奖
2024年第四届“外教社·词达人杯”全国大学生英语词汇能力大赛三等奖
2024年全国大学生英语竞赛优秀奖
2024年外研社·国才杯理解当代中国笔译组银奖
2024年第二届广西高校大学生译写大赛省级二等奖
2024年广西翻译大赛省级三等奖
2024年第五届广西高校大学生信息素养挑战赛省级一等奖
1.博士人才科研启动基金，RD2000002351，人工湿地工程基质功能强化与再生研究，2021-01至2022-12，15万元，在研，主持
2.《2023年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目》（2023KY0262），2万元，在研，主持
3.《2023广西科技基地和人才专项项目》（AD23026192），10万元，在研，主持
可提供理论与技术指导、实验平台和一定经费的支持。
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
万虹烨 地球科学学院 资源勘查工程（实验班） 2023 项目组织、实施，统筹操作项目实验及报告撰写
罗雅文 地球科学学院 地质工程 2024 实验方案设计，实验运行监测
许萌萌 地球科学学院 资源勘查工程 2022 实验方案设计，实验运行监测
黎玉凤 地球科学学院 自然地理与资源环境 2022 实验方案设计，实验运行监测

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
王櫹橦 地球科学学院 否

立项依据

传统岩溶塌陷研究方法如地质勘查、地质测绘、地质钻探、物探等手段和技术的应用都存在一定局限性，在进行工程实践时往往难以取得满意结果。岩溶塌陷的调查主要从岩溶地质、工程地质和水文地质条件调查的出发，以野外调查和测绘、地质钻探和物探等手段来揭露地下隐伏岩溶的发育程度、覆盖层的结构及水动力条件。为了对岩溶塌陷进行精确探测，当前，区域岩溶塌陷调查已经引入激光雷达（LIDAR）、合成孔径雷达（INSAR）等新型航空技术，而联合物探技术如地面地质雷达（GPR）、瞬变电磁法（TEM）、电阻率程序（ERT）、地震折射（SRFR）和微重力（Microgravity）等不同方法的综合运用则有效解决了不同深度岩溶塌陷探测问题（Zhu et al.，2020；Nam et al.，2020；Hu et al.，2022；刘道涵等，2022），同时，跨孔CT、钻孔雷达、核磁MRI、基于井中超声波成像（蒙彦等，2019；贾龙等，2022）等技术的运用也初步解决了微小尺度上岩溶塌陷精细化探测问题。但岩溶塌陷的历时演化全过程的可视化观测尚难以达成，对岩溶塌陷成灾过程及其机制研究带来困难，还有诸多有待进一步深入研究和探讨的问题
因此，研究岩溶塌陷的形成机理，在从地貌特征、地层岩性、水文地质及工程地质情况等多方面着手的同时，还要结合物探方法和室内多尺度可视化模型实验等方法进行综合研究。特别需要引入有效的观测技术来研究岩溶塌陷的历时演化过程，为进一步研究岩溶塌陷成灾机制提供更为丰富的信息和直观可靠的观测数据。
本研究以桂林市覆盖型岩溶为研究对象，以阻-透型盖层结构为原型建立二元结构地质概化模型（详见图1）开展模型试验，布设位移计和孔隙水压力传感器，获取相关渗流和沉降数据，分析降雨和水位波动条件下覆盖型岩溶变化规律。在此基础上，使用反滤层回填法对该塌陷进行治理，并借助粒子测速技术和透明土试验技术对回填和后续地下水位波动影响土体稳定性进行可视化模拟，评价反滤层法治理效果，揭示桂林典型覆盖型岩溶塌陷的形成模式和成因机制，为岩溶塌陷预测与评估提供科学依据。
（1）资料收集与野外调查
收集和分析桂林地表既有典型岩溶塌陷相关文献和水文地质资料，理论上分析岩溶塌陷形成的地质背景条件，在此基础上并开展野外调查，清楚桂林市岩溶塌陷空间分布的基本特征，概括典型岩溶塌陷土层结构组合和岩性特点，理清岩溶塌陷发育特征，为模拟覆盖层岩溶塌陷的试验提供依据。
（2）桂林典型覆盖型岩溶塌陷地质模型概化和室内模型试验
综合地质资料、踏勘成果和取样分析结果等相关成果，以阻-透型盖层结构为原型建立桂林典型覆盖型岩溶塌陷地质概化模型，分析二元结构盖层的特点，制定基于透明土试验技术的岩溶塌陷试验方案，可视化观测二元结构盖层在降雨和地下水位波动下的演变机制与塌陷过程，并对物理试验结果进行对比分析。
（3）反滤层回填法治理岩溶塌陷
使用反滤层回填法对该模型进行治理，利用粒子测速技术和透明土试验技术对回填和后续地下水位波动影响土体稳定性进行可视化模拟，评价反滤层法治理效果。
1.岩溶塌陷发育特征和成灾机制
前人研究者将我国岩溶塌陷形成机制归纳为重力致塌模式、潜蚀致塌模式、真空吸蚀致塌模式、冲爆致塌模式、振动致塌模式、荷载致塌模式、溶蚀致塌模式和根蚀致塌模式等8种模式（徐卫国等，1981；康彦仁，1992；李前银，2009），形成了我国岩溶塌陷研究的基本理论。国外对岩溶塌陷的成因机理研究较为关注的是水的潜蚀和侵蚀作用，影响因素包括暴雨、抽水、地表径流、下水管道渗漏等（杨立中，1997；Benson et al.，2016；Santolo et al.，2018；Gkkaya et al.，2021）。后人在此基础上，结合各自研究区特点，借助数学、力学和数值模拟等手段在机理定量化表达和特殊致塌因素分析等方面进行了深入研究，特别是极限平衡拱理论和盖层薄顶板稳定性评价的引入使得土洞型岩溶塌陷临界条件的量化研究有了明显提升（程星等，2002a，2002b；王滨等，2011；贺可强等，2017；李新华等，2021；Jia et al.；2020；Jia et al.；2021）。
岩溶塌陷影响因素包括暴雨、抽水、地表径流、下水管道渗漏等（杨立中，1997；Benson et al.，2016；Santolo et al.，2018；Gkkaya et al.，2021），其他因素还包括钻探（Tihansky，1999）、爆破和地震（Giampaolo et al.，2016；Kuniansky et al.，2016；Kuniansky et al.，2017）等。
从大量岩溶塌陷的实例可发现，地下水的动态变化是引发塌陷或加速塌陷变形的主要原因。地下水位的变动具体包括两种影响：1）地下水位下降，人类活动区开采地下水、矿井抽水、建筑基坑降水等是引起地下水位下降的主要原因；由于水浮托力的降低和覆盖层内瞬时孔隙水压力梯度提高，增加覆盖层顶板压力的同时，也使得顶板松散物质迁移性増大，大部分的岩溶地面塌陷形成于水位下降环境（雷明堂等，1993；程星等，2002），武汉、广州和唐山等城市抽排地下水，引发了大量岩溶塌陷的案例（刘道涵，2022；贺可强等，2017）。刘之葵等（2004）统计桂林市岩溶区人为塌陷中90%以上为人工抽水所致，水力梯度是决定潜蚀作用的关键，而水位变幅速率是覆盖层崩解速率的关键。死海地区，地下水位下降引起的海水侵入，加速岩溶溶蚀，沿岸以色列和约旦等国的岩溶塌陷明显増加（Yechieli et al.，2006）。2）地下水位抬升；如水利水电工程库区，地下水位抬升普遍存在的，库水可能沿岩溶管道反灌，亦会加大岩溶溶蚀速率，使裂隙加宽（Gutiérrez，2010）；降雨入渗会形成垂向渗透力导致盖层土体破坏，但引起的地下水位抬升是否会触发岩溶塌陷的讨论仍存在争议，传统的饱和土渗流分析无法准确描述降雨过程中塌陷体孔隙水压力的动态变化，目前缺乏更直观的观测手段予以支持（贺可强等，2002；冯永，2009；刘长礼等，2013，2021）。
2.岩溶塌陷研究方法
目前，相关学者对覆盖型岩溶进行了物理模型试验。唐万春（2011）研究粉砂土、上层粉质黏土+下层卵石层、上层卵石层+下层粉质砂土3种覆盖层构成，并建立地下水下降与土洞顶部垂直方向位移的关系；张少波等（2019）以福建省龙岩市永定区某岩溶塌陷为研究对象，主要围绕水位波动对覆盖层孔隙水压力和盖层沉降变化的影响，展开室内物理模型试验。
岩溶塌陷具有突发性、隐蔽性、复杂性等特点，往往给工程带来巨大危害。因此，对岩溶塌陷监测预警、对其发育特征和变化规律的掌握具有重要意义。在地表，一般运用激光雷达、合成孔径雷达、热红外（TI）、全球定位系统（GPS）和地面地质雷达等航空遥感及物探方法进行定期扫描监测（Benson et al.，2011；Gutiérrez et al.，2011；Jiang et al.，2016）；在地下，监测预警方法主要是对上覆盖层土体的物理力学性质进行监测，包括应力应变监测、土壤含水率监测等，地下水动力条件监测也是常用的地下预警方法（Meng et al.，2014），具有易推广、成本低等优点，但其难点在于预警判据的获取，可以借助地下水数值模拟、力学分析模拟或通过室内物理模型模拟方法确定预警阈值，GMS、FLAC 3D等模拟软件在临界条件研究方面应用较广泛（Van Dyk et al.，2016；蒙彦等，2018）。
3.粒子图像测速技术和试验系统
粒子图像测速技术于1984年首次报道。该技术起源于流体力学，起初是为了更好地理解牛顿流体中的湍流行为，后来引入岩土工程中用来分析颗粒材料变形和位移等相关问题，现如今该技术已经在能源燃烧、流场测量、实时监控、矿业加工、海洋学、地质学等各个领域广泛应用。White等（2003）首次在物理模拟实验中使用粒子图像测速技术，该技术运用在地质灾害物理模拟实验中比传统照相机拍摄图片进行定性或半定量的处理方法在空间和时间分辨率上提升了一个数量级。与粒子图像测速技术前身LDV（激光多普勒测速仪）只能测量单点流速相比，粒子图像测速技术可分析二维（甚至三维）速度矢量场，更有利于研究应变分布和变化，滑坡、泥石流和地震等地质灾害发育、演化。
近年来，越来越多的学者将粒子图像测速技术与构造物理模拟进行结合，与传统分析方法相比，该方法是一种快速且精确的定量分析技术，并且这种技术是一种非入侵性的，不会对被测量物体造成破坏。如在海底水下滑坡物理模拟实验中，该技术能将启滑全过程更好的可视化。
将粒子图像测速技术和图像捕捉与处理分析联合对实验过程中变形前后的图像进行变形及渗流分析（杜建明等，2021）。实验所需装置和材料主要包括光学平台、计算机、激光器、高速CCD相机、滤镜、模型槽、透明颗粒、孔隙流体、荧光染色剂等，详见图2。当物体被激光照射时，由于激光的相干性会在其表面呈现颗粒状结构或光暗斑点，这种结构称为“激光散斑”。由于物体在位移、振动和变形前后的散斑图样不同，因此可以利用激光散斑技术实现土体变形的观测。在物理模型试验中使用激光光源时，避免自然光线对试验结果的影响，应在黑暗或者深色背景下进行（严少华等，2020）。激光散斑图案的变化能够反映土体位移、变形情况。因而有时也可不使用荧光染色剂而直接使用激光照射透明土体模型，也可获取土体内部变化图像，研究土体变形相关问题时，多使用此种方法。相机拍摄方向与激光射人方向垂直，将试验所获图像输入计算机，借助图像分析技术，相关函数等方法构建土体内部三维图像，进而获得土体变形、渗流等信息。
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                                      图2 基于粒子测速技术地质灾害物理模型试验图像采集系统
综上，目前岩溶塌陷机理研究可以从以下方面切入：开展历时的、动态的研究，岩溶塌陷的演化是基于水文过程和岩溶过程的量变到质变的发展，有效的监测手段、直接可视化的模型试验对岩溶塌陷的成灾过程重现具有重要的提升效果。
伴随桂林入围全国第二批系统化全域推进海绵城市建设示范城市，城市建设正在提速，重大工程全面布局，岩溶塌陷造成的经济损失愈加严重，严重制约国土规划和社会经济发展。而以往关于桂林市岩溶塌陷技术手段限制还有些问题研究不够深入，对岩溶塌陷灾害的成因机理和演化机制还有待深化。现阶段相关研究仍以定性分析为主，不能满足桂林城市发展的实际需求，因此，基于定量化的岩溶塌陷灾害问题研究十分必要和迫切。
本研究以桂林市覆盖型岩溶为研究对象，以阻-透型盖层结构为原型建立二元结构地质概化模型开展模型试验，布设位移计和孔隙水压力传感器，获取相关渗流和沉降数据，分析降雨和水位波动条件下覆盖型岩溶变化规律。在此基础上，使用反滤层回填法对该模型进行治理，并借助粒子测速技术和透明土试验技术对回填和后续地下水位波动影响土体稳定性进行可视化模拟，评价反滤层法治理效果，揭示桂林典型覆盖型岩溶塌陷的形成模式和成因机制，为岩溶塌陷预测与评估提供科学依据。
本研究基于文献研究和野外调查，建立桂林典型岩溶塌陷地质概化模型，建立物理模型开展室内模型试验，利用可视化技术监测岩溶塌陷水文过程引发土体颗粒位移、土体变形过程，全面系统的讨论了地下水位波动等地下水动力条件改变影响下岩溶塌陷的影响及其发展规律。在此基础上，借助粒子测速技术和透明土试验技术对回填和后续地下水位波动影响土体稳定性进行直观观测，实现岩溶塌陷灾害成灾全过程和回填治理效果的可视化模拟。 

1.技术路线summernote-img2.拟解决的问题

（1）基于系统的室内岩溶塌陷模型试验，实现地下水渗流和地下水动态变化等条件下岩溶塌陷发育演化全过程的监测；
（2）基于物理模拟结果，结合文献研究、野外调查，阐述地下水位波动、流量变化等水动力条件改变影响下岩溶塌陷的影响及其发展规律；
（3）采用反滤层回填法对该塌陷进行治理，并借助粒子测速技术和透明土试验技术对回填和后续地下水位波动影响土体稳定性进行可视化模拟，评价反滤层法治理效果。


3.预期成果
（1）通过对桂林市区及周边岩溶塌陷区域进行现场调查，掌握岩溶水文地质条件和地下水位波动情况，实测土层结构和岩性等数据，建立典型覆盖型岩溶塌陷地质概化模型。
（2）发表学术论文1篇，提交成果报告。
（1）2025年1月~2024年5月
文献资料查阅、实验方案编制及实验准备；
（2）2025年6月~2025年9月
开展实验并利用、实验数据分析与整理，撰写科研论文初稿；
（3）2025年10月~2025年12月
完成科研论文，撰写实验报告。
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
项目申请人主要从事水体环境地质和水体污染与治理等方面的研究。已获取专利《基于透明土的降雨滑坡可视化模型及其制备方法》（实用新型）和《基于透明土的降雨滑坡可视化模拟装置》（发明专利）授权。以通讯作者发表论文《阳朔典型铅锌矿区流域土壤重金属空间分布特征及来源解析》以第一作者发表论文《透明土试验技术的研究现状及其在滑坡入渗研究中的应用展望》和《Hydrogeochemical characteristics and evolution processes of multilayer karst aquifer in the Huayingshan coalfield， Southwest China》。目前已获得《2023年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目》（2023KY0262）和《2023广西科技基地和人才专项项目》（AD23026192）资助。
本次大创团队是由地球科学学院资勘、资规和地工专业学生组成，每位成员都具有勤奋好学、踏实认真等优点。项目组成员均认真学习了《工程地质分析与原理》、《地下水动力学》、《渗流力学》、《水文地质学基础》、《土力学》和《构造地质学》等专业课程并且学习了岩土力学和水文地质学等相关实验操作，自身对相关专业知识有一定了解，能够在老师的指导下完成项目。每位队员都热爱地质事业，渴望通过自身的努力为学校、国家的地质学建设出一份力，也希望可以通过此次项目达到提升自身素质，提高解决实际问题能力的目的。
2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
针对研究过程中所利用学校所属实验室的使用计划，具体实验室已落实。为了得到理想的实验成果，本项目实施过程中，需试制不同尺度砂槽设备，另需添加常规的易损耗材，即可满足项目研究所需仪器设备，确保研究工作的顺利开展。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 无 12000.00 8000.00
1. 业务费 8000.00 差旅费用、文献检索和论文版面费 0.00 8000.00
（1）计算、分析、测试费 2400.00 室内模型实验 0.00 2400.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1600.00 现场调研 0.00 1600.00
（4）文献检索费 1000.00 购买相关专业书籍、资料 0.00 1000.00
（5）论文出版费 3000.00 论文版面费 0.00 3000.00
2. 仪器设备购置费 3000.00 仪器购置 3000.00 0.00
3. 实验装置试制费 3000.00 试制实验仪器 3000.00 0.00
4. 材料费 6000.00 购买实验耗材等 6000.00 0.00
结束

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