CN117973082A - 一种岩溶发育区模拟预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩溶发育区模拟预测方法，包括以下步骤：确定岩溶发育的研究区域，获取岩体样本中不同岩层的厚度平均值、湿度平均值和粘度平均值，测试水系平均水体流速和水体样本的酸碱度PH值；在振动平台上搭建水系的沟壑模型和地质模型；进行仿真，计算岩溶发育的冲刷效率、溶蚀效率，以及岩层的位移平均值；计算在单一振动+自然条件下的发育效率，以及岩层的位移平均值；计算发育系数；利用发育系数评价研究区域内岩溶发育的稳定性。本发明采集对岩溶发育区域内水系周围的岩层数据和水系内的水体数据，通过仿真，得到岩溶发育的稳定状态，为后期该区域的岩溶发育研究和岩溶发育的综合数据分析提供基础，方便岩溶发育的提成防治和预防。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩溶发育研究领域，具体涉及一种岩溶发育区模拟预测方法。
背景技术
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩石所进行的一种以化学溶蚀为主、机械剥蚀为辅的地质作用及其所产生的各种现象的总称。由于地下水可以广泛渗流入可溶性岩体的内部，在形成岩溶的过程中所起的作用，较之地表水更为重要。
岩溶发育的基本条件包括：岩层的可溶性、岩石的透水性、水的溶蚀能力和水的流动性。其中，水的溶蚀能力主要体现在水中的游离性CO2，一部分组成碳酸，在与CaCO3相互作用形成Ca（HCO3）2的过程中，又重新分解为CO2，实际上仅起着平衡的作用；另一部分则可以溶蚀CaCO3，在碳酸盐类岩石中形成空洞的，称为侵蚀性CO2。水的溶蚀能力主要取决于侵蚀性CO2的含量。其含量愈高，碳酸盐类岩石的溶解度也愈益增高；水的流动性主要体现在水对岩层的冲击，在水的溶蚀的加持下，水的流动会加速周围岩层的掉落。
但是，现有技术中对地下或地表水系的岩溶发育的影响研究较少，随着不同地质条件的变化和水系的变化，对岩溶发育的影响不同，无法对研究区的岩溶发育情况进行定性研究。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种岩溶发育区模拟预测方法，能有效解决现有技术中对岩溶发育情况定性研究不足的缺陷。
为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种岩溶发育区模拟预测方法，其包括以下步骤：
S1：确定岩溶发育的研究区域，并在研究区域内选择地下或地上的水系，采集足量水体样本以及水系周围的岩体样本，获取岩体样本中不同岩层的厚度平均值、湿度平均值和粘度平均值，测试水系平均水体流速和水体样本的酸碱度PH值；
S2：在振动平台上搭建水系的沟壑模型，并在沟壑模型周围根据岩体样本中不同种类岩层的顺序、厚度平均值、湿度平均值/>和粘度平均值/>建立岩层地质模型；
S3：利用沟壑模型、岩层地质模型进行仿真，计算振动+水体冲击条件下岩溶发育的冲刷效率、溶蚀效率，以及岩层的位移平均值；
S4： 返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型进行仿真，计算在单一振动+自然条件下的发育效率，以及岩层的位移平均值；
S5：计算在水系干涸条件下的岩溶发育系数g 1、水系未干涸条件下的岩溶发育系数g 2；
S6：利用发育系数g 1、发育系数g 2评价研究区域内岩溶发育的稳定性。
进一步地，步骤S1包括：
S11：确定岩溶发育的研究区域，并在研究区域内选择地下或地上的水系，在水系内取足量水体样本，沿着水系周围的岩体进行垂直打孔，取孔内的岩柱作为岩体样本，得到若干岩体样本；
S12：向水系中放入漂浮的定位器，采集定位器在设定时间t内的移动距离d 1，得到定位器获取的水体流速；
S13：向水系的边沿注入显色标记物，记录在设定时间t内显色标记物在水中扩散的最远距离d 2，计算显色标记物获取的水体流速，/>为显色标记物在水中的自然扩散速度；
S14：计算平均水体流速，并测试水系中水体样本的酸碱度PH值；
S15：取每个岩体样本，将岩体样本中不同种类的岩层依次进行分离，并测量每种岩层的厚度，n为岩层的种类，m为岩体样本的编号；
计算岩体样本中不同种类岩层的厚度平均值，i为岩层的种类；/>为第m个岩体样本的第i种岩层的厚度，M为岩体样本的数量；
S16：检测每种岩层的湿度和粘度/>，并计算岩体样本中每种岩层的湿度平均值和粘度平均值/>，/>为第m个岩体样本的第i种岩层的湿度，/>为第m个岩体样本的第i种岩层的粘度。
进一步地，步骤S3包括：
S31：沿岩层地质模型的厚度方向均匀布置若干位移传感器和湿度传感器，勾兑足量与水体样本的酸碱度PH值相同的实验用水，关闭振动平台；
S32：向沟壑模型中按平均水体流速通入实验用水，并将从沟壑模型中流出的水进行收集；
经过设定时长T后，停止向沟壑模型中供实验用水，测量收集的实验用水的体积v，并过滤收集的实验用水中的杂质，测量过滤后剩下的实验用水的体积v 1；
S33：计算在时长T过程中对岩层地质模型的冲刷量和溶蚀量/>：
；
；
其中，S i 为当前岩层地质模型中第i种岩层的湿度，V i 为岩层地质模型中第i种岩层的体积，v 3为实验用水量，I为岩层的数量；
S34：计算时长T过程中的冲刷效率和溶蚀效率/>；并采集每个位移传感器上采集的位移数据q e ，e为位移传感器的编号，并计算位移平均值/>，E为岩层地质模型中安装位移传感器的总量；
S35：打开振动平台，执行设定的振动幅度f和振动频率F，返回步骤S32，得到在振动条件下的冲刷效率和溶蚀效率/>，以及岩层的位移平均值/>。
进一步地，步骤S4包括：
S41：返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型，关闭振动平台，经过设定时长T后，清扫沟壑模型内掉落的岩土，并测量掉落的岩土的体积v 5，计算自然条件下的发育效率，以及自然条件下的位移平均值/>；
S42：返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型，将振动平台的振动幅度和振动频率设置为、/>，经过设定时长T后，清扫沟壑模型内掉落的岩土，并测量掉落的岩土的体积v 6，计算单一振动条件下的发育效率/>，以及单一振动条件下的位移平均值/>。
进一步地，步骤S5包括：
计算在水系干涸条件下的岩溶发育系数g 1：
；
其中，k 1为单一振动条件下发育效率对发育系数的影响权重，k 2为单一振动条件下位移平均值对发育系数的影响权重；
计算在水系未干涸条件下的岩溶发育系数g 2：
；
其中，k 3为水体冲击条件下冲刷效率和溶蚀效率对发育系数的影响权重，k 4为水体冲击条件下的位移平均值对发育系数的影响权重；k 5为水体冲击+振动条件下的冲刷效率和溶蚀效率对发育系数的影响权重，k 6为水体冲击+振动条件下的位移平均值对发育系数的影响权重，k 7为水体冲击+振动条件对发育系数的增益权重。
进一步地，步骤S6包括：
计算发育系数的差值，若/>，则判定研究区域的岩溶发育不稳定，否则，岩溶发育稳定，/>为岩溶发育过程中水系对岩溶发育影响的阈值。
本发明的有益效果为：本发明采集对岩溶发育区域内水系周围的岩层数据和水系内的水体数据，通过真实的岩层数据和水体数据建立仿真模型，利用仿真模型模拟不同振动条件和水流条件下岩层被冲刷和溶蚀的情况，进而得出该研究区域内岩溶发育的数据，并定性的得到岩溶发育的稳定状态，为后期该区域的岩溶发育研究和岩溶发育的综合数据分析提供基础，方便岩溶发育的提成防治和预防。
附图说明
图1为岩溶发育区模拟预测方法的流程图。
图2为沟壑模型和岩层地质模型的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种岩溶发育区模拟预测方法，包括以下步骤：
S1：确定岩溶发育的研究区域，并在研究区域内选择地下或地上的水系，采集足量水体样本以及水系周围的岩体样本，获取岩体样本中不同岩层的厚度平均值、湿度平均值和粘度平均值，测试水系平均水体流速和水体样本的酸碱度PH值。
步骤S1包括：
S11：确定岩溶发育的研究区域，并在研究区域内选择地下或地上的水系，在岩溶发育区域内，根据经验有一些地下水的水系是裸露开放的，工作人员可以进入，在水系内取足量水体样本，沿着水系周围的岩体进行垂直打孔，取孔内的岩柱作为岩体样本，得到若干岩体样本；
S12：向水系中放入漂浮的定位器，采集定位器在设定时间t内的移动距离d 1，得到定位器获取的水体流速；定位器可以采用浮球定位器，将定位传感器安装在浮球上，放置在水系中，根据浮球定位器在水中漂浮的距离得到移动距离；
S13：向水系的边沿注入显色标记物，记录在设定时间t内显色标记物在水中扩散的最远距离d 2，计算显色标记物获取的水体流速，/>为显色标记物在水中的自然扩散速度；
S14：计算平均水体流速，并测试水系中水体样本的酸碱度PH值；
S15：取每个岩体样本，将岩体样本中不同种类的岩层依次进行分离，并测量每种岩层的厚度，n为岩层的种类，m为岩体样本的编号；
计算岩体样本中不同种类岩层的厚度平均值，i为岩层的种类；/>为第m个岩体样本的第i种岩层的厚度，M为岩体样本的数量；
S16：检测每种岩层的湿度和粘度/>，并计算岩体样本中每种岩层的湿度平均值和粘度平均值/>，/>为第m个岩体样本的第i种岩层的湿度，/>为第m个岩体样本的第i种岩层的粘度。
S2：在振动平台上搭建水系的沟壑模型，如图1所示，并在沟壑模型周围根据岩体样本中不同种类岩层的顺序、厚度平均值、湿度平均值/>和粘度平均值/>建立岩层地质模型；
S3：利用沟壑模型、岩层地质模型进行仿真，计算振动+水体冲击条件下岩溶发育的冲刷效率、溶蚀效率，以及岩层的位移平均值。
步骤S3包括：
S31：沿岩层地质模型的厚度方向均匀布置若干位移传感器和湿度传感器，采集仿真过程中岩层的位移量和湿度变化量，勾兑足量与水体样本的酸碱度PH值相同的实验用水，确保实验用水与真实的水体具有相同的酸碱性和腐蚀性，关闭振动平台；
S32：向沟壑模型中按平均水体流速通入实验用水，并将从沟壑模型中流出的水进行收集；
经过设定时长T后，停止向沟壑模型中供实验用水，测量收集的实验用水的体积v，并过滤收集的实验用水中的杂质，测量过滤后剩下的实验用水的体积v 1；
S33：计算在时长T过程中对岩层地质模型的冲刷量和溶蚀量/>：
；
；
其中，S i 为当前岩层地质模型中第i种岩层的湿度，V i 为岩层地质模型中第i种岩层的体积，v 3为实验用水量，I为岩层的数量；
S34：计算时长T过程中的冲刷效率和溶蚀效率/>；并采集每个位移传感器上采集的位移数据q e ，e为位移传感器的编号，并计算位移平均值/>，E为岩层地质模型中安装位移传感器的总量；
S35：打开振动平台，执行设定的振动幅度f和振动频率F，返回步骤S32，得到在振动条件下的冲刷效率和溶蚀效率/>，以及岩层的位移平均值/>。
S4： 返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型进行仿真，计算在单一振动+自然条件下的发育效率，以及岩层的位移平均值。
步骤S4包括：
S41：返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型，关闭振动平台，经过设定时长T后，清扫沟壑模型内掉落的岩土，并测量掉落的岩土的体积v 5，计算自然条件下的发育效率，以及自然条件下的位移平均值/>；
S42：返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型，将振动平台的振动幅度和振动频率设置为、/>，经过设定时长T后，清扫沟壑模型内掉落的岩土，并测量掉落的岩土的体积v 6，计算单一振动条件下的发育效率/>，以及单一振动条件下的位移平均值/>。
S5：计算在水系干涸条件下的岩溶发育系数g 1、水系未干涸条件下的岩溶发育系数g 2。
步骤S5包括：
计算在水系干涸条件下的岩溶发育系数g 1：
；
其中，k 1为单一振动条件下发育效率对发育系数的影响权重，k 2为单一振动条件下位移平均值对发育系数的影响权重；
计算在水系未干涸条件下的岩溶发育系数g 2：
；
其中，k 3为水体冲击条件下冲刷效率和溶蚀效率对发育系数的影响权重，k 4为水体冲击条件下的位移平均值对发育系数的影响权重；k 5为水体冲击+振动条件下的冲刷效率和溶蚀效率对发育系数的影响权重，k 6为水体冲击+振动条件下的位移平均值对发育系数的影响权重，k 7为水体冲击+振动条件对发育系数的增益权重。
S6：利用发育系数g 1、发育系数g 2评价研究区域内岩溶发育的稳定性；包括：
计算发育系数的差值，若/>，则判定研究区域的岩溶发育不稳定，否则，岩溶发育稳定，/>为岩溶发育过程中水系对岩溶发育影响的阈值。
本发明采集对岩溶发育区域内水系周围的岩层数据和水系内的水体数据，通过真实的岩层数据和水体数据建立仿真模型，利用仿真模型模拟不同振动条件和水流条件下岩层被冲刷和溶蚀的情况，进而得出该研究区域内岩溶发育的数据，并定性的得到岩溶发育的稳定状态，为后期该区域的岩溶发育研究和岩溶发育的综合数据分析提供基础，方便岩溶发育的提成防治和预防。
Claims (6)
1.一种岩溶发育区模拟预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定岩溶发育的研究区域，并在研究区域内选择地下或地上的水系，采集足量水体样本以及水系周围的岩体样本，获取岩体样本中不同岩层的厚度平均值、湿度平均值和粘度平均值，测试水系平均水体流速和水体样本的酸碱度PH值；
S2：在振动平台上搭建水系的沟壑模型，并在沟壑模型周围根据岩体样本中不同种类岩层的顺序、厚度平均值、湿度平均值/>和粘度平均值/>建立岩层地质模型；
S3：利用沟壑模型、岩层地质模型进行仿真，计算振动+水体冲击条件下岩溶发育的冲刷效率、溶蚀效率，以及岩层的位移平均值；
S4： 返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型进行仿真，计算在单一振动+自然条件下的发育效率，以及岩层的位移平均值；
S5：计算在水系干涸条件下的岩溶发育系数g 1、水系未干涸条件下的岩溶发育系数g 2；
S6：利用发育系数g 1、发育系数g 2评价研究区域内岩溶发育的稳定性。
2.根据权利要求1所述的岩溶发育区模拟预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11：确定岩溶发育的研究区域，并在研究区域内选择地下或地上的水系，在水系内取足量水体样本，沿着水系周围的岩体进行垂直打孔，取孔内的岩柱作为岩体样本，得到若干岩体样本；
S12：向水系中放入漂浮的定位器，采集定位器在设定时间t内的移动距离d 1，得到定位器获取的水体流速；
S13：向水系的边沿注入显色标记物，记录在设定时间t内显色标记物在水中扩散的最远距离d 2，计算显色标记物获取的水体流速，/>为显色标记物在水中的自然扩散速度；
S14：计算平均水体流速，并测试水系中水体样本的酸碱度PH值；
S15：取每个岩体样本，将岩体样本中不同种类的岩层依次进行分离，并测量每种岩层的厚度，n为岩层的种类，m为岩体样本的编号；
计算岩体样本中不同种类岩层的厚度平均值，i为岩层的种类；/>为第m个岩体样本的第i种岩层的厚度，M为岩体样本的数量；
S16：检测每种岩层的湿度和粘度/>，并计算岩体样本中每种岩层的湿度平均值和粘度平均值/>，/>为第m个岩体样本的第i种岩层的湿度，/>为第m个岩体样本的第i种岩层的粘度。
3.根据权利要求1所述的岩溶发育区模拟预测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31：沿岩层地质模型的厚度方向均匀布置若干位移传感器和湿度传感器，勾兑足量与水体样本的酸碱度PH值相同的实验用水，关闭振动平台；
S32：向沟壑模型中按平均水体流速通入实验用水，并将从沟壑模型中流出的水进行收集；
经过设定时长T后，停止向沟壑模型中供实验用水，测量收集的实验用水的体积v，并过滤收集的实验用水中的杂质，测量过滤后剩下的实验用水的体积v 1；
S33：计算在时长T过程中对岩层地质模型的冲刷量和溶蚀量/>：
；
；
其中，S i 为当前岩层地质模型中第i种岩层的湿度，V i 为岩层地质模型中第i种岩层的体积，v 3为实验用水量，I为岩层的数量；
S34：计算时长T过程中的冲刷效率和溶蚀效率/>；并采集每个位移传感器上采集的位移数据q e ，e为位移传感器的编号，并计算位移平均值/>，E为岩层地质模型中安装位移传感器的总量；
S35：打开振动平台，执行设定的振动幅度f和振动频率F，返回步骤S32，得到在振动条件下的冲刷效率和溶蚀效率/>，以及岩层的位移平均值/>。
4.根据权利要求3所述的岩溶发育区模拟预测方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41：返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型，关闭振动平台，经过设定时长T后，清扫沟壑模型内掉落的岩土，并测量掉落的岩土的体积v 5，计算自然条件下的发育效率，以及自然条件下的位移平均值/>；
S42：返回步骤S2，在振动平台上搭建新的岩层地质模型和沟壑模型，将振动平台的振动幅度和振动频率设置为、/>，经过设定时长T后，清扫沟壑模型内掉落的岩土，并测量掉落的岩土的体积v 6，计算单一振动条件下的发育效率/>，以及单一振动条件下的位移平均值/>。
5.根据权利要求4所述的岩溶发育区模拟预测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
计算在水系干涸条件下的岩溶发育系数g 1：
；
其中，k 1为单一振动条件下发育效率对发育系数的影响权重，k 2为单一振动条件下位移平均值对发育系数的影响权重；
计算在水系未干涸条件下的岩溶发育系数g 2：
；
其中，k 3为水体冲击条件下冲刷效率和溶蚀效率对发育系数的影响权重，k 4为水体冲击条件下的位移平均值对发育系数的影响权重；k 5为水体冲击+振动条件下的冲刷效率和溶蚀效率对发育系数的影响权重，k 6为水体冲击+振动条件下的位移平均值对发育系数的影响权重，k 7为水体冲击+振动条件对发育系数的增益权重。
6.根据权利要求5所述的岩溶发育区模拟预测方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
计算发育系数的差值，若/>，则判定研究区域的岩溶发育不稳定，否则，岩溶发育稳定，/>为岩溶发育过程中水系对岩溶发育影响的阈值。
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2024
- 2024-03-28 CN CN202410362452.8A patent/CN117973082A/zh active Pending
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