¿Cuáles son las condiciones de formación y los factores dinámicos del colapso kárstico?
¿Cuáles son las condiciones específicas y los factores dinámicos para la formación del colapso kárstico? Zhongda Consulting las responderá a continuación.
1. Condiciones para la formación del colapso kárstico
Las condiciones básicas para el desarrollo del colapso kárstico son: la existencia de cavidades kársticas, un cierto espesor de cubierta suelta y aguas subterráneas kársticas con Condiciones hidrodinámicas que cambian fácilmente.
(1) Las cavidades kársticas son la base del colapso kárstico.
Karst (el término común internacional Karst, traducido como karst) se refiere al impacto del agua sobre rocas solubles (principalmente rocas carbonatadas en nuestro país, y también existen rocas sulfatadas, rocas halogenadas, etc. en algunos Aquí nos centramos principalmente en los procesos geológicos integrales anteriores (discutidos) basados en la disolución química y las características (incluida la erosión mecánica y el uso del colapso del agua, así como la eliminación, transferencia y redeposición de materiales), y se hace referencia colectiva a los fenómenos resultantes. El resultado de la karstificación es la formación de diversos fenómenos kársticos en la superficie y en el interior de las rocas solubles, como depresiones, depresiones, embudos, dolinas, depresiones kársticas, yemas de piedra, pilares de piedra, picos kársticos, etc. en la superficie y bajo tierra; : Diversas formas de cuevas, huecos, tuberías, etc. Dado que la karstificación está controlada por el sistema de flujo de agua subterránea, varios fenómenos kársticos a menudo forman un sistema determinado, que se llama sistema kárstico. Afectado por varios factores, el desarrollo del karst se puede dividir en fuertes y débiles. Generalmente, la litología de solubles. Las rocas son relativamente fuertes, con mayor espesor continuo, distribución de exposición más amplia, fallas más desarrolladas y más capas de roca rotas, la roca soluble es más fácil de desarrollar, es impura en litología, contiene más lodo y otras impurezas insolubles y tiene pequeñas continuas. espesor o muchos tipos tienen capas intermedias no solubles, la distribución de exposición es relativamente limitada, las fallas no están desarrolladas, las capas de roca están relativamente completas y el desarrollo kárstico es débil.
Cuanto más intenso es el desarrollo kárstico, mayor es el número de cuevas kársticas y mayor es su escala, lo que favorece más la formación de colapso kárstico. El desarrollo de las cavidades kársticas generalmente está controlado por el nivel base de drenaje de turbidez del agua subterránea kárstica. Se desarrollan principalmente en partes poco profundas y se debilitan gradualmente hacia partes más profundas. Las cavidades kársticas poco profundas se han convertido en espacios de almacenamiento y canales de migración de materiales colapsados debido a la frecuente actividad de las aguas subterráneas, la fuerte alternancia y, en general, una buena conectividad. El grado de apertura de las cuevas kársticas es un factor importante que afecta la formación del colapso kárstico. La actividad del agua subterránea kárstica y la migración de los materiales del colapso se llevan a cabo a través de las aberturas de las cuevas. Por lo tanto, existe una estrecha correspondencia vertical entre los pozos de colapso y. relación cuevas abiertas. La práctica muestra que cuanto mayor es el tamaño del vacío, mayor es el colapso; cuanto mayor es la abertura del vacío, más rápida es la velocidad del colapso; La forma de distribución plana de los huecos influye decisivamente en la forma plana del derrumbe. Los huecos en forma de fisuras suelen formar largos fosos de derrumbe, y a lo largo de las tuberías subterráneas de los ríos se forman a menudo grupos de fosos de derrumbe en forma de cadenas o cuentas.
(2) Cobertura suelta de cierto espesor
Actualmente se sabe que el colapso del suelo representa el 96,7% del colapso. Se puede observar que la capa superior es el componente principal. del colapso. La capa de suelo puede estar compuesta por diversos componentes como arcilla, arena, grava, etc., formando una estructura monocapa, bicapa o multicapa. La estructura litológica tiene un impacto significativo en la formación del colapso: la arena homogénea no tiene fuerza cohesiva entre sus partículas. Bajo la acción de la penetración del agua en una determinada altura de agua, sus partículas finas son fácilmente transportadas por la erosión y luego se ahuecan, lo que reduce. la capacidad de resistir el colapso. Lo peor es que el número de colapsos es relativamente grande; la capa de suelo de una estructura de doble capa o de múltiples capas tiene una resistencia al colapso ligeramente mejor debido al efecto amortiguador del suelo arcilloso; -Estructura de capas con suelo arcilloso uniforme o suelo arcilloso en el fondo. Dado que el suelo cohesivo tiene cierta cohesión y una fuerte resistencia al colapso, el número de colapsos es relativamente pequeño y la velocidad de colapso es más lenta.
El espesor de la capa de suelo también tiene un impacto significativo en la ocurrencia de colapsos. Según las estadísticas, la mayoría de los colapsos ocurren con un espesor de capa de suelo de 10 m; a 30 m es mucho menor, y aquellos con un espesor de >30 m aparece sólo esporádicamente. La capa de suelo más gruesa conocida hasta ahora se encuentra en el colapso de la mina Xinqiao en Tongling, provincia de Anhui, donde el espesor de la capa de suelo alcanza los 60 m.
Además del colapso de la capa de suelo donde se encuentra la capa de cobertura Por ejemplo, el Yanggongtang de la mina de plomo y zinc Shuikoushan en Hunan se derrumbó debido al drenaje de la mina, con un diámetro de 59x54 m. Se puede ver que la profundidad del pozo de colapso es de 25 m. El suelo en la superficie de la capa de colapso tiene 38,7 m de espesor. La roca clástica debajo tiene 124,67 m de espesor y el karst subyacente es kárstico. La piedra caliza desarrollada tiene un espesor total de roca de capa de 163,37 m. El colapso de la mina de hierro Laiwu, provincia de Shandong, se produjo en arenisca roja terciaria de 156 m de espesor y limolita rota por fallas debidas al drenaje del pozo.
Además, se han encontrado acumulaciones ocultas de colapso de antiguos lechos de roca en la mina de carbón Huanba de Hunan y en las minas de cobre Chengmenshan y Dongxiang de Jiangxi, con diámetros de hasta 500 m y profundidades de hasta 300 m.
( 3) Condiciones dinámicas fácilmente cambiantes de agua subterránea kárstica
El agua subterránea kárstica generalmente tiene las características de un estado de ocurrencia complejo (en forma de tubería concentrada o en forma de red dispersa), cambios dinámicos rápidos, migración suave y patrones de flujo cambiantes. Estas características existen diferencias obvias en. diferentes áreas debido a diferentes condiciones de suministro, migración y descarga. Además de las estructuras geológicas, los factores que afectan las condiciones de reposición, reubicación y drenaje están controlados principalmente por la topografía, es decir, las condiciones de exposición de las rocas carbonatadas, el grado de corte del terreno y el patrón de configuración de la red hidrológica. Los tipos tienen diferentes características del agua subterránea kárstica. En base a esto, el agua subterránea kárstica se puede resumir en tres tipos desde una perspectiva macro: agua subterránea kárstica en montañas kársticas (karst expuesto), agua subterránea kárstica en llanuras, cuencas y valles kársticos (karst cubierto) y agua subterránea kárstica en áreas cercanas a la costa de los ríos. y lagos.
Cabe señalar que la capa de suelo arcilloso suprayacente en las áreas kársticas del sur de China a menudo es causada por acumulación residual de la pendiente o acumulación aluvial de la pendiente. En su mayor parte es de grava con grietas verticales desarrolladas y tiene un contenido de agua desigual. , a menudo forman un acuífero débil y los residentes lo utilizan para agua doméstica. Se caracteriza por un contenido de agua desigual, el nivel del agua cambia con el terreno, el volumen de agua es pequeño e incluso se seca en los años de sequía. El nivel de agua de este tipo de capa de suelo es generalmente más alto que el nivel de agua subterránea kárstica subyacente. Especialmente en la temporada de lluvias, la diferencia de nivel de agua alcanza el máximo, las grietas verticales y los poros gruesos en la capa de suelo producen una penetración vertical. La recarga del agua subterránea, con su gran gradiente hidráulico, puede causar erosión en la capa del suelo, llevándose partículas finas de suelo con el agua para formar agujeros en el suelo, que luego pueden expandirse y formar colapsos.
Las condiciones dinámicas del agua subterránea se refieren a la presencia de agua subterránea (tipo de medio acuífero) y a las condiciones hidráulicas (con presión, sin presión) y sus características representadas por el nivel del agua (cabeza). , velocidad del flujo, gradiente hidráulico y otros factores. En áreas donde el agua subterránea kárstica está enterrada a poca profundidad y tiene una fuerte circulación, las condiciones dinámicas del agua subterránea kárstica son fáciles de cambiar y la actividad del agua subterránea cambia fuertemente, lo que favorece la formación de colapso. Estas áreas incluyen: áreas donde el nivel del agua es poco profundo, en su mayoría soporta presión, con grandes cambios o fluctúa cerca de la superficie del lecho rocoso, zonas de migración concentrada o zonas de escape principales con zonas de descarga de agua subterránea; estructura acuífera de doble capa de agua freática (incluida el agua del suelo) y agua kárstica; el área con estrecha conexión con masas de agua freática o superficial y fuerte alternancia dentro del rango de influencia del embudo de caída;
2. Factores dinámicos en la formación del colapso kárstico
El colapso kárstico es causado por varios factores dinámicos naturales o provocados por el hombre basados en las tres condiciones básicas anteriores.
(1) El papel del agua subterránea kárstica: La actividad del agua subterránea kárstica desempeña una variedad de funciones en la formación del colapso kárstico. Es un factor dinámico muy importante y puede verse afectado por las estaciones climáticas secas y secas. En condiciones naturales, causado por cambios de humedad, también puede ser causado por fugas en proyectos de bombeo artificial, drenaje de minas, almacenamiento en embalses, desviación de agua, riego y suministro de agua y drenaje.
1. Disolución El proceso de disolución en agua de las rocas solubles es extremadamente lento. Según observaciones y cálculos, la cantidad de disolución en las zonas kársticas de mi país oscila entre decenas y cientos de milímetros por mil años. Las cuevas kársticas, que son la base del colapso kárstico, se formaron a lo largo de una larga historia geológica. Sin embargo, en áreas donde se distribuyen rocas de yeso y sal gema, el impacto de la minería, la construcción de embalses u otras actividades humanas pueden causar una fuerte disolución, provocando que se desarrolle rápidamente nuevo karst, proporcionando las condiciones necesarias para el colapso.
2. Cambia el estado del suelo. El contenido de agua en la roca y el suelo cambia con la subida y bajada del nivel freático. Por un lado, el aumento del contenido de agua aumenta el peso del suelo. roca y suelo si llega a la saturación, el peso puede aumentar alrededor de un 25%, por otro lado, el cambio de estado plástico del suelo arcilloso lo ablanda y reduce su resistencia. Estos cambios empeorarán el estado de equilibrio mecánico del techo de la cavidad.
3. La fuerza de flotación del agua subterránea. Las rocas y los cuerpos de suelo debajo del nivel del agua subterránea se ven afectados por la fuerza de flotación del agua subterránea. Cuando el nivel del agua aumenta, la fuerza de flotación aumenta de acuerdo con el aumento del valor de la altura del agua, generando presión positiva. Si la capa de cobertura superior es delgada y la altura del agua ascendente es alta, puede atravesar la capa de cobertura y causar el colapso; El nivel del agua disminuye, la fuerza de flotación aumentará. Reducción de la fuerza Para suelos arcillosos o arena impermeables, el valor de reducción es la altura de caída total o (0,6 a 0,7) veces la altura de caída. Su efecto es equivalente a agregar una carga adicional de la cabeza de caída. El mismo valor para la capa de cobertura, para suelos arcillosos, generalmente puede alcanzar alrededor del 40% de su propio peso. Esto puede reducir la estabilidad de la capa de cobertura e incluso conducir directamente a inestabilidad y colapso.
4. Penetración y corrosión latente de aguas subterráneas La erosión latente se refiere a la presión dinámica del agua generada por el flujo de agua subterránea sobre las partículas de suelo y roca a lo largo de su trayectoria de flujo, provocando que se alejen del tamaño de la dinámica. El agua depende de Debido a la pendiente del agua subterránea, la pendiente hidráulica inicial que produce la erosión latente se llama pendiente hidráulica crítica. Su tamaño depende de la composición y estructura del suelo. Generalmente, el suelo arcilloso es más grande que el suelo arenoso debido a su cohesión. . La erosión por filtración horizontal a lo largo de la dirección del flujo de agua subterránea kárstica generalmente no es fácil de ocurrir en condiciones naturales debido a su pequeña pendiente hidráulica. Ocurre principalmente en el proceso de fuerte disminución del nivel del agua kárstica debido al drenaje artificial. El caudal de agua subterránea en la pendiente aumenta considerablemente, lo que provocará erosión, socavación y excavación de los rellenos y revestimientos sueltos de los canales de las cuevas kársticas. Como resultado, se eliminó el material de relleno de la cueva kárstica, formando una cavidad en la abertura de la cueva en el fondo de la capa de cobertura, que se convirtió en el prototipo de una cueva de suelo. Y antes de que el nivel del agua kárstica descienda hasta el techo de roca, continúa siendo erosionado y arrastrado y se expande gradualmente. En el área de distribución de estructura acuífera de doble capa. La infiltración vertical de agua freática o agua del suelo en aguas subterráneas kársticas, así como la infiltración vertical de lluvia y agua superficial, pueden producir erosión por infiltración vertical. En este momento, el agua de infiltración se acumula y se infiltra concentradamente hacia la apertura de la cueva. Este efecto es más significativo cuando el nivel del agua subterránea kárstica bombeada cae rápidamente. Debido a que la permeabilidad de la capa de suelo suprayacente es mucho menor que la del acuífero kárstico, el nivel del agua cae mucho más lentamente. De esta manera, la diferencia de nivel del agua aumentará a medida que disminuya el nivel del agua kárstica. Cuando el nivel del agua desciende hasta el fondo de la capa de cobertura, su gradiente hidráulico alcanza el máximo (puede estar cerca de 1) y el efecto de erosión también lo es. el más fuerte. Bajo los efectos anteriores, el agujero del suelo continúa expandiéndose hacia arriba, provocando inestabilidad y colapso.
5. Los cambios en el nivel del agua subterránea kárstica causan presiones positivas y negativas en el espacio de la cueva kárstica. Cuando el nivel del agua subterránea kárstica aumenta, el gas en el espacio de la cueva kárstica bien sellado se presuriza para formar una alta presión. masa de aire a presión, que afecta la roca circundante. El suelo produce presión positiva. Cuando la capa de cobertura es delgada, puede atravesar la roca de cobertura y el suelo, provocando una explosión de aire y provocando un colapso. Este tipo de colapso se llama colapso por explosión y se observa principalmente en los canales de ríos subterráneos en montañas kársticas. Una caída significativa en el nivel del agua subterránea kárstica puede generar presión negativa en el espacio cerrado de la cueva kárstica, lo que puede generar succión adicional en el suelo suprayacente, provocando que se erosione, se desmonte y migre hacia abajo. Para el agua contenida en el suelo suprayacente, la presión negativa aumenta la carga de agua adicional que penetra hacia abajo, intensificando así la erosión del suelo y acelerando la destrucción del suelo y la formación y expansión de agujeros en el suelo. El tamaño de la presión negativa depende del grado de sellado de la capa de cobertura y de la velocidad de caída del nivel del agua. En condiciones de sellado seguras, su valor máximo teórico es de una atmósfera. De hecho, la propiedad de sellado de la capa de cobertura es sólo relativa. La caída repentina de agua es generalmente relativamente lenta. Por lo tanto, su efecto es limitado y el colapso causado enteramente por erosión por presión negativa sólo es posible en condiciones muy especiales.
6. El efecto desintegrador de las fluctuaciones del nivel freático kárstico Las fluctuaciones del nivel freático kárstico ponen la roca y el suelo que cubren las cuevas kársticas en un estado de frecuentes alternancias secas y húmedas, provocando su desintegración y desprendimiento, favoreciendo su desintegración. Desarrollo y expansión de cuevas de suelo. Los agujeros del suelo formados en la zona de fluctuación del nivel del agua subterránea están relacionados principalmente con este efecto, además del efecto de erosión del flujo de agua de filtración.
7. El efecto del golpe de ariete del agua subterránea kárstica. El flujo de agua subterránea en las tuberías kársticas se encuentra a menudo en un estado inestable debido al bloqueo de objetos derrumbados o a la colisión de materiales de relleno en las tuberías. La velocidad cambia repentinamente y la energía cinética del flujo de agua se convierte en presión y forma una onda elástica que se propaga en la dirección del agua entrante, es decir, una onda de choque de agua, produciendo así un efecto de golpe de ariete, impactando el sistema de tuberías de cuevas kársticas, y provocando la rotura y el colapso de la roca de cobertura superior y del suelo conectado a él. Según los cálculos, cuando la velocidad del agua en una tubería kárstica disminuye repentinamente en lm/S, la presión del golpe de ariete generada puede alcanzar más de 120 m de altura de agua, lo que demuestra su potencia.
8. La erosión y el transporte de aguas subterráneas. El agua subterránea que fluye por las tuberías de las cuevas tiene generalmente el mismo efecto de erosión que el agua superficial. Además, debido a la forma tortuosa y cambiante del sistema de tuberías, a menudo se forman vórtices. Fuertes capacidades de erosión y erosión. En la apertura de la cueva, la erosión de la capa de suelo suprayacente forma a menudo el prototipo de la cueva del suelo y participa en el proceso de expansión de la cueva del suelo. Las cuevas kársticas poco profundas a menudo se llenan de sedimentos sueltos. , la pendiente hidráulica del agua subterránea A medida que aumenta la caída y se acelera la velocidad del flujo, estos materiales de relleno se mueven y transportan, y los materiales colapsados se retiran continuamente durante el desarrollo del colapso, de modo que el colapso pueda continuar desarrollándose hasta un nuevo se alcanza el equilibrio.
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