覆盖型岩溶模型真空负压变化规律试验研究

覆盖型岩溶模型真空负压变化规律试验
研究
摘要：本文通过建立物理模型试验得到了在水位下降时覆盖性岩溶区域真空
负压形成特征及其变化规律。

其规律表明：1)真空负压是一种动态非稳定的瞬间
冲击波式的荷载，随着水位的升降发生明显的变化；2）真空负压最大值在数值
上小于等于水位降深所产生水头压力；3）在邻近区域抽水产生水位降深时，负
压容易形成，但在小范围内降深时，真空腔不容易出现。

1引言
在岩溶塌陷机理的研究中，其中导致岩溶塌陷的真空（负压）吸蚀作用被大
家普遍接受。

真空吸蚀作用是指在覆盖型岩溶地区，特定的地质、水文地质结构
体系内，当地下水位大幅度下降到土洞空腔底面下时, 空腔上部便形成相对真空, 此时盖层产生强大的抽吸力，这种抽吸力进一步导致潜蚀作用或者土体破坏的发生。

人们把这种自然物理现象称之为真空吸蚀作用。

真空是指在一区域之内的气
压远远小于大气压力。

负压是低于常压的气体压力状态。

真空和负压被等同使用。

徐卫国【1】等对矿区塌陷区的调查认为：真空吸蚀作用是导致土洞周边土体
结构机械破坏的原因之一, 并可引起以下三种作用: （1）初始真空吸盘吸蚀作用：当土洞内存在地下水, 因地下水位大幅下降, 当水压面下降刚刚转为无压时,水面对盖层底面便产生如同吸盘一样的液面吸吮作用。

紧紧地吸住土洞盖层，
使土洞周边土体结构破坏并进一步发展扩大。

（2）真空腔吸蚀作用：在土洞空
腔内, 当初始真空吸盘离开盖层底面后, 在下降的水与盖层之间形成真空腔。

对
土洞周边土体产生吸蚀作用，把盖层内细小土粒和水份等吸出来。

使土洞周边土
体结构变疏松，含水量增大,加快剥蚀，使土洞扩大。

（3）漩吸漏斗吸蚀作用：
这是一种发生在地表水体与真空腔之间的盖层内部吸蚀作用。

当土洞覆盖层厚
度不大, 土体为粉质粘土、粉土时。

由于土洞处于相对真空，地表水在大气压的
作用下，易被吸入土洞真空腔, 并在盖层的通道内形成漩涡流, 将穿透盖层周围
土颗粒而使土洞发展扩大。

高宗军【2】利用室内模型试验，分别对负压在0Kpa，50Kpa，100Kpa三种不
同条件下的定值负压，起对岩溶塌陷的影响进行了模拟实验，并给出结论认为：
岩溶的发育强度、上覆岩土层力学性质是岩溶地面塌陷产生的基本条件；抽水排
水引起地下水位的下降所造成的岩土体浮托力的减少和岩溶洞穴或岩溶与土洞构
成的洞穴连体内形成的真空负压, 以及地表水的入渗所引起的岩土体的重量的增
加是岩溶地面塌陷形成的主要影响因素。

刘之葵【3】等认为：地下水文下降，导致地下水位便脱离开盖层底面而出现
负压腔，腔内真空随着水位继续下降而增大便对盖层吸蚀并形成空洞当内外差效
应达到临界值时突然被大气冲成个洞，即出现坛状塌陷。

其认为塌陷形成的真空
吸蚀作用力源是在岩溶真空腔内，而不是在覆盖层之中。

实验表明，在盖层之下
的岩溶内部非重力水也起着啄蚀作用，引起非重力水分快速流出加速塌陷，当然
更能加速盖层的中、上部重力水流出参与塌陷形成。

及两种机理的形成机理的基
因都是由于岩溶地下水位的下降所致。

但致塌陷机理和放治塌陷的方法不合适。

真空吸蚀起决定作用，可以激发、加速盖层中重力水或非重力水的动力压力的形
成和强化，以致加速塌陷。

综上述，相关学者的研究表明，在覆盖型岩溶区域，真空吸蚀作用存在，但
对其是否对岩溶的塌陷是否起到重要的作用，不同学者有不同看法，争议比较大。

另外一方面，大家对覆盖性岩溶中，负压的变化规律并不是很清楚，或者作为一
个固定的数值来进行计算。

本文概化覆盖型岩溶地质条件，建立物理模型，通过
实测得出在地下水文升降过程中负压的变化规律。

2实验模型及其实验过程
真空负压形成需要一定的条件的，即岩溶空洞上方岩土体具有一定的隔水性，才能使得在水位下降过程产生负压。

覆盖型岩溶由于其上部覆盖层具有一定的厚度，是真空负压形成的一个比较好的地质条件。

而地下水位快速下降也是真空负
压形成的一个必要条件。

图1为覆盖型岩溶抽水的地质概化模型；图2为实验模型；图3为实验模型的图片。

1)地质概化模型及其实验平台设计
图1覆盖型岩溶地下水位下降地质概化模型
(Geology model of covered karst groundwater level declining)
图2简化实验室模型示意图 (Diagram of the simplified laboratory model)
图3 实验模型图片(Picture of experimental model)
2)实验材料及其实验过程准备
上层覆盖层岩土体物理指标见表1.
表1 覆盖层粘土物理参数指标
3)实验原理
最上层为砂土，厚15cm，通过unconfined water tank非承压水箱控制其潜水含水层中水位的变化。

砂土下土层为粘土层，厚5cm，中间fracture为宽2cm 的缝宽。

通过confined aquifer tank水位的变化控制承压含水层水位的变化，当confined aquifer tank水位下降至平行土层底板时，应当是cave负压形成的开始，开始进行不同水位的降深，观测负压的变化规律。

模型中，cave的大小实际是整个模型土层下部空间的大小。

当下降的水位低于盖层底面，即腔内地下水由承压转无压时，腔内水面与盖
层之间便出现了负压层，根据水静力学基本方程式：
（1）
式中：一单位重量流体从某一基准面算起所具有的位能；
、一流体所具有的压能，kPa；
一单位体积物质的重量，N/m3；
c一为积分常数，由边界条件确定。

由式（1）得知：体积增大，压力变小，水体顶部必定转化为负压状态，形
成了负压层。

（2）
式中:一盖层下水体表面压强，kPa；
一盖层大气压强，kPa；
一水的单位体积重量，kg/m3；
一液面下降高度，m；
对真空下的压力称为绝对零压，以绝对零压为基准来表示的压力叫绝对压力。

如果被测流体的绝对压力低于大气压，则压力表所测的的压力为负压，即为与
的差值。

式（2）表明，当值增大，则负压就随之增加。

当腔内水面下降值越大，则负压值就越大。

3实验结果及其讨论
1）不同水位下降，负压变化规律
图4 不同降深条件下负压变化曲线 WW
(Negative change curve under different drawdown conditions)
图1中，负压的最大值随着降深增加而增大（降深12cm，最大负压937Pa，
降深20cm，最大负压1593Pa，降深30cm，最大负压2630 Pa），但均小于理论
计算值（理论计算分别为1200 Pa，2000 Pa，3000 Pa）。

图中显示的负压值是
一随水位降深而发生，但随着时间推移而逐渐减小，具有动态变化特征。

2）分阶段水位持续下降，负压变化规律
图5 连续3次降深10cm时的负压变化规律
(Negative variation when 3 consecutive dropping 10cm deep)
图5显示，随着三次水位连续下降，负压出现锯齿波形的变化特征。

每一次
水位的下降产生一次负压作用。

负压随着时间的推移而逐渐恢复至原来状态。

由
此可推断，在地下水位不稳定的变化过程中，岩溶空腔中会收到负压的冲击作用，这种冲击作用会促进真空吸蚀作用的发生。

3）不同降水速率下，负压变化规律
图6 不同降深速率连续3次降深10cm时的
负压变化规律
( Negative variation when 3 consecutive dropping 10cm deep at different drawdown rate)
3阶段的平均降深速率1.03ml/min， 2阶段的平均降深速率为
2.34ml/min，1阶段的平均降深速率为
3.67ml/min）
和图2 相比，图3反应的是在慢速水位降深作用下的负压变化规律，
由于水位降深缓慢时，负压的变化曲线也变得缓和平坦。

降深同样水位，水位降
深缓慢时，产生的最大负压值变得越小(3阶段的最大负压为896Pa； 2阶段的最
大负压为823 Pa；1阶段的最大负压为668 Pa)，但负压的作用时间变长。

因此
水位降深速率较大时，负压作用较强，但作用时间较短，水位降深速率较小时，
负压作用较弱，但作用时间较长。

4）吸蚀作用与真空空腔的形成
在文献【1】中，认为，当地下水位下降时，水位下降至隔水层底板以下时（模型中的土层底板），真空空腔就会出现。

但是在本次实验中，真空空腔在unconfined aquifer tank水位下降后却一直没有出现，其原因是虽然水位下降，由于产生的负压在对其下方的水体有吸力作用，所以，即使水位下降，空腔却不
会出现。

至于什么时候真空腔会出现，根据理论计算应当是下降的水位低于土层
底板盖层底面，即腔内地下水由承压转无压时，腔内水面与盖层之间便出现了负
压层，空腔会出现，随着水位降深的进一步加深，空腔的体积会逐步增大。

由于
实验模型尺寸的限制，这验证未能实现。

假设粘土层完全密封，气体在土中不发生渗流，则界限含水层上部气压为0，而外部气压为标准大气压101.325kPa，根据上述（2）式可得理论可支撑10.3m水柱。

对于一维流动，假设气体在土体中呈活塞式运动时，模型进气与出气端的气体压力分别为与
图7 气体在土体中的活塞式运动模型 (Model for air moving in a piston way)
根据流体力学中，不可压缩粘性流体的运动微分方程，即Navier-Stokes方程，
然而对于气体在土体孔隙中的流动必须考虑气体的压缩性，则采用达西公式的微分形式：
式中，v为渗流速度；k为渗透系数；μ为粘滞系数；
考虑气体可压缩时，由于在不同压力下气体的体积不同，当压力从变化到时，气体的体积和流速都在变化。

因此，必须考虑采用平均的体积流量Q
边界条件：，根据叶为民等人得出的非饱和土中气体渗透速度公式：
由上述公式可知，气体渗透速度与外界所施加的“压力平方差梯度”之间存在明显的分段特征，与在充满结合水的微孔隙通道中，只有一部分结合水在气压梯度的作用下发生流动，从而形成气体通道，施加的外力越大，形成的气体通道也越大，气体渗流也越明显，这充分解释了实验内容1的结果随着降深的增大而增大的结果。

而根据上述实验所得，可推
t=0，v=0时，；t
式中，是P关于v和t的函数表达式。

对于真空腔未出现的问题，主要是岩溶腔相对密封承压，地下水在被抽吸过程中水面逐渐下降，在水面恰好低于土层底板面时，即是腔内水由承压刚刚转为无压瞬间，土层底板与腔内水面之间便形成一层很薄的负压层。

此时土层底板便与负压层产生压力差，借助于负压层表面强有力的附着力抽吸着上面盖层，下降的水面对盖层底板便产生如同吸盘一样的液面吸吮作用，紧紧地吸住土洞盖层，使土洞周边土体结构破坏并进一步发展扩大，如图8。

图8 初始负压层出现而真空腔未出现
(The initial pressure layer appears but Vacuum chamber doesn’t)
5）影响负压大小的影响因素
从本实验观察，影响真空负压数值大小的主要因素有2个方面的因素，水位降深和盖层土体的渗透性特征；水位降深决定了真空负压的最大值大小；盖
层土体的渗透性特征将会影响真空负压大小持续时间的长短。

当覆盖层土体中被
水完全充满时，负压一旦形成，负压吸蚀土体中的小颗粒和土体中的水分子，被
吸蚀的水分子和土颗粒进入负压区域时，负压值将减小。

当覆盖层中没有水或者
有直接的气源通道时，当负压形成时，气体进入负压区域，降低负压值。

4结论
1）负压是动压，随时间和地下水水位变化而变化，具有波动特征；
2）负压形成时负压腔不一定出现；
3）负压的最大值与承压含水层的水位下降正相关。

且小于地下水位下降值；
4）负压的变化波动特征为受水位下降的速率、覆盖层的渗透性影响。

5）通过负压实验规律表明，深埋土体中的负压探头可以进行覆盖型岩溶
空洞的预警预报。

参考文献：
1.徐卫国,赵桂荣.试论岩溶塌陷的真空吸蚀作用.地质评
论.1981,27(2):174-180
2.刘之葵、梁金城、周健红，ANALYSIS OF FORMATION MECHANISM OF
SOIL CAVES IN KARSTIC AREA岩溶区土洞发育机制的分析*Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2004 12(1)
3.高宗军,王敏,成世才,等:岩溶地面塌陷的水-岩耦合模型，昆明理工大学
学报(理工版) 2009.34（3）6-11，Water-Rock Coupled Forecasting Model of Karst Collapse, Journal of Kunming University of Science and
Technology (Science and Technology)。