岩溶的工程地质问题

岩溶的工程地质问题,第四节 岩溶地基稳定性问题,主要内容,第一节 概述,第二节 岩溶发育的基本条件和规律,第三节 岩溶区水库渗漏问题,石林,坡立谷,溶洞,孤峰,溶洞,坡立谷,漓江胜景九马图,峰丛,漓江胜景螺蛳峰,峰丛,阳朔胜景月亮洞,石钟乳,暗河,第一节 概述,一、定义 岩溶(karst，因南斯拉夫西北部喀斯特高原最典型，故名 )：水（包括地表水和地下水）对可溶性岩石进行的以溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用以及由此产生的地貌及水文地质现象的总称。 岩溶作用：以化学溶蚀为主，同时还包括机械破碎、沉积、坍塌、搬运等作用，是一个化学物理相结合的综合作用。 可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。,1、形成独特的地貌 大的地貌形态：峰丛；峰林；孤峰；溶蚀平原；干谷 地表形态 石林、石笋、峰林、孤峰。 溶沟、落水洞、漏斗。 地下形态：溶洞、溶隙、暗河。2、形成独特的水文地质现象： 水文地质条件复杂化；透水性增大，流态及不均匀性增大等。,岩溶现象：,洞内奇观石钟乳,石幔,自下向上生长的是石笋，从上往下生长的是石钟乳。石笋和石钟乳是怎样形成的？溶洞都分布在石灰岩组成的山地中，石灰岩的主要成分是碳酸钙，当遇到溶有二氧化碳的水时，会反应生成溶解性较大的碳酸氢钙；溶有碳酸氢钙的水遇热或当压强突然变小时，溶解在水里的碳酸氢钙就会分解，重新生成碳酸钙沉积下来，同时放出二氧化碳。,渗流水中碳酸钙沿溶洞壁或倾斜的洞顶向下沉淀成层状堆积而成,因形如布幔而得名,又称石帘、石帷幕。,贵州省毕节县的织金洞，原名打鸡洞。位于县城东北23公里处织金洞是一个多格局、多层次、多类型的高位旱洞，洞内岩溶生长独特，景物规模宏大，雄伟壮观，千姿百态，精妙绝伦。全洞初勘长12.1公里，面积达70平方米，两壁最宽处173米，垂直高度多在50至60米，最高处达150米。洞内空间开阔，地形起伏迭宕，岩溶堆积物达40多种，囊括了世界溶洞所有的形态类别。,“天坑”是岩溶(又称“喀斯特”)地区地下河运行形成大面积塌陷造成的，它与常说的“岩溶漏斗”不同，岩溶漏斗一般是斜坡，上宽下窄，天坑则是四壁岩石峭立，深度百米至数百米以上，犹如一个巨大无比的“桶”。这个“桶”，口径从近百米至数百米不等，容积从10万立方米至1亿立方米以上。天坑形状奇特，地处僻壤，坑上坑下林木葱郁，如果能进入“桶”底，更觉神奇。天坑在国内外均有发现。我国重庆开隆县、奉节县，四川兴文县，广西乐业县、巴马县等地都先后发现了天坑，当地人分别称其为“石围”、“石院”、”岩湾”、“漩坑”、“龙缸”等，国外说法也不一样，一般称为Great doline(大漏斗)。我国有关专家认为称其为“天坑”最确切，故取名为“岩溶天坑” ，简称“天坑”。,二、我国岩溶分布特征,世界大陆75%为沉积岩，15%为碳酸盐岩，约4000万Km2为可溶岩。,岩溶在我国分布广泛，我国碳酸盐分布面积334万Km2 ，约占国土面积的36%。 广西的桂林、云南的石林，这些奇观都发育在碳酸盐岩地区；广西碳酸盐岩出露的面积占全区面积的60，贵州和云南东部碳酸盐岩分布的面积占该地的总面积50以上，整个西南地区石灰岩地区联成一片，面积共550000km 2，占全国的13.2%。 岩溶地区，地下存在大量的空洞，所以进行水库修建要防止渗透，在开凿隧道和建设矿井时要注意涌水、排水问题；在建设铁路、桥梁和厂房时要注意地基的塌陷问题。,我国南方地区化学作用为主，地貌景观以石芽、峰丛、峰林，大峡谷，溶洞等为特色。,云台山位于河南省修武县,我国北方地区气温低，溶蚀速度要慢很多，水不是参与作用的主要原因，而是以断裂、崩塌等物理因素为主的破坏。,三、岩溶工程地质研究的意义,一方面，岩溶地区形成优美的自然风景。充分利用岩溶洞穴作为地下工程等。 另一方面，生态环境脆弱，水旱及地质灾害频繁发生。在该地区进行工程建设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。主要有：岩溶渗漏，引发地区塌陷，造成坑道涌水、突水、滑落。,据广西39个岩溶山地县统计，在已建的260座大水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于80者）有92座。,1.水利水电工程渗漏、溃坝、诱发地震,2.道路工程路基、站场、桥梁地基稳定性,我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷376处，近十年间中断车1860小时，颠覆列车3次。,3.地下工程涌水、突水、岩溶冒落,如武汉地区： 自1977年至今，武汉地区先后发生6次岩溶地面塌陷：1977年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；1988年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；1999年，毛坦村小学塌陷；2000年2月，武昌司法学校塌陷；2000年4月，青菱乡烽火村塌陷。,4.工民建地基稳定性、塌陷问题,一.喀斯特发育的基本条件,可溶性岩石（岩石的可溶性）岩石的透水性水的溶解能力（水的溶蚀性）水的运动状态（水的流动性）,第二节 岩溶发育的基本条件和规律,(1)可溶性岩石（岩石的可溶性）,可溶性岩石的存在是岩溶形成的物质基础。,卤化物类岩石 食盐、钾盐、镁盐等硫酸盐类岩石 石膏、芒硝等碳酸盐类岩石 石灰岩、白云岩、大理岩等,(2)水的溶解能力（水的溶蚀性）,水的溶蚀性是岩溶发育的必要条件,水对碳酸盐岩的化学溶蚀过程,由上式可以看出，水中CO2含量越高，H+1也越多。由于H+1是非常活跃的离子，当和石灰岩作用时，H+1就会与CaCO3中的CO2结合成HCO3-1 ，分离出Ca+2，从而使CaCO3溶解于水。上述反应是可逆的，正反应速度取决于CO2的浓度。,CO2(溶解)+H2O +CaCO3 Ca+2 +CO3-2 +H+1+ HCO3-1CO2（空气） Ca+2+ 2HCO3-1,可溶性岩石的裂隙度与以下因素有关:成分纯、刚性强的岩石透水性好厚层可溶性岩石较薄层可溶性岩石的透水性好构造发育的地段岩溶作用强,(3)岩石的透水性,只有当岩石具有透水性时，含CO2的水才能在岩石中流动，与岩石发生充分作用，进行溶蚀而不易饱和。岩石的透水性主要取决于岩石的孔隙度和裂隙度，后者比前者更为重要。,滞流的水，由于不能及时补给CO2，其溶解力是有限的，很容易被CaCO3所饱和。流动的水，由于水温、水量及气压条件的不断改变，可保持水的溶解性能。特别是不同CO2浓度的地下水混合，会大大提高水的溶解力。 地下水的流动性，一方面取决于岩石的透水性，另一方面取决于降水量，而后者与气候相关。,(4)水的运动状态（水的流动性）,1、碳酸盐岩岩性的影响,碳酸盐岩能否被溶解或溶解程度如何，主要取决于岩石的性质，如物质成分、化学成分、矿物成分及结构。 碳酸盐岩是指碳酸盐矿物含量超过50%的一类沉积岩。主要化学成分是CaCO3、 MgCO3 、SiO2等。 常见的有：灰岩、白云岩、白云质灰岩、硅质灰岩、泥质灰岩等。,二.岩溶发育影响因素,2、气候的影响,1.降水的影响： （1）水直接参与岩溶作用，充足的降水是保证岩溶作用强烈进行的必要条件。 （2）水是溶蚀作用的介质和载体，充足的降水保证了水体的良好的循环交替条件，促进岩溶作用的强烈进行。,2.温度的影响： （1）温度升高，水中的CO2的溶解度减小，不利于岩溶作用。一般，水温升高20 30C，溶于水中的CO2减少一半。但随着温度的增高， CO2扩散速度增加。 （2）温度升高，生物新陈代谢加快，释放更多的CO2带入水中，同时温度升高，化学反映速度大大加快，有利于岩溶作用。一般温度升高10C，化学反应速度加快一倍。 总体上：温度的升高有利于岩溶作用的进行。,温热潮湿的热带、亚热带地区：岩溶作用较强烈高寒干旱的地区：岩溶不发育不同气候条件下，岩溶速度、形态、类型都明显不同,如溶蚀速度： 广西：0.12-0.13mm/a ； 湖北：0.06mm/a ； 河北：0.02-0.03mm/a 。,岩溶形态差别： 广西副热带溶蚀为主，地表地下岩溶充分强烈，形态诸全； 湖北、湖南、四川等地 岩溶发育，以溶丘、溶洞、漏斗为特征。 河北、山东、山西等地 不太发育，侵蚀为主，几乎不发育封闭溶蚀地形，以地下隐伏岩溶为主。,3、地形地貌的影响,地形地貌条件通过影响水的入渗，循环交替条件，进而影响岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布。例如： 区域地貌格局，宏观上控制了某地区的地表水文网及地下水排泄基准面的性状，从而控制了地表地下水的运动趋势，进而控制了岩溶发育的总体形式。 地形平缓地貌较之地形较陡地貌，地表径流缓慢，入渗量较大，有利于岩溶发育。 不同地貌条件，因其垂直入渗带埋深和水平径流程度的不同，垂直岩溶形态及水平岩溶形态的明显差别。 地形高差大大影响地下水补、排条件，影响岩溶发育的深度。,4、地质构造的影响,1.断裂的影响成岩、构造、风化、卸荷等作用形成的各种破裂面，为地下水入渗和流动提供了通道，同时为地下水有效向深部渗入并形成深部岩溶提供了条件。由于断裂构造的存在，在一定程度上控制了岩溶的发育。例如，沿断裂面岩溶发育强烈。各组破裂面相互交织、延伸进而控制了岩溶发育的形态、规模、速度和空间分布，使得岩溶发育宏观不均一性。各种破裂面相互交织，使地下水混合溶蚀效应明显，促进岩溶发育。,2.褶皱的影响褶皱的类型和部位不同，裂隙发育程度不同，岩溶强度不同。如核部比翼部发育，背斜比向斜发育。褶皱的形态、性质、尺寸和方向控制了可溶岩的空间分布从而控制了岩溶发育的特征。,三.岩溶发育的规律岩溶发育随着深度的变化岩溶发育的不均匀性岩溶发育的阶段性与多代性溶洞的成层性岩溶发育的地带性,第三节 岩溶区水库渗漏问题,在岩溶地区修建储水输水等建筑物如水库，水体可能沿其岩溶通道向周遍产生渗漏，有时会严重影响工程的 正常使用。岩溶渗漏问题是水利水电等工程中的主要工程地质问题之一。这里以水库渗漏为例介绍渗漏的一些基本问题。,一、渗漏的形式按渗漏通道分类,裂隙分散渗漏 管道集中渗漏,1.查明岩溶发育、分布规律 重点查明溶洞、暗河的展布位置、规模等，进行岩溶泉水流量、高程调查，确定通道的位置及可能影响程度。 地面调查，地球物理勘探，连通试验(荧光示踪剂， 放射性同位素，盐等)，钻探等。,二、岩溶渗漏条件分析,2.分析地质条件（1）岩层组合： 当夹有非可溶岩地层时，可借助该层防止渗透（2）地质构造： 褶皱,二、岩溶渗漏条件分析,纵向谷，向斜，隔水层起到封闭作用，库水不会向邻岩渗漏,横向谷，岩层褶皱，不利于库区防渗，对于坝址充分利用隔水层可有效隔渗。,纵向谷，背斜，地层产状较缓，库水沿岩溶通道向邻岩渗漏。,纵向谷，背斜，地层产状较陡，库水不会由岩溶通道向邻岩渗漏。,断层错动，破坏了良好的隔水边界，形成间邻谷渗漏通道。,河间地块存在诸如侵入岩体某相对隔水层，起到较好的隔水作用。,断层错动，非岩溶地层搭接形成良好隔水边界。,断层：既可有利于渗漏，又可不利于渗漏,岩体侵入：相对隔水层的分布位置,三、岩溶渗漏的防治措施,归纳起来有两方面措施：一是降低岩体透水性；二是封堵渗漏通道。常用灌、铺、堵、截等措施。 1、灌浆：通过钻孔向岩体灌注水泥、沥青、粘土等浆液，充填裂隙、洞穴，降低岩体的透水性，形成防渗墙，达到防渗目的。 2、铺盖：在地表水（如库水）入渗地层（如坝上伏）铺设一定高度的粘土等隔水层，阻止水体向地下入渗。 3、堵截：用块石、混凝土等材料对规模较大的渗漏通道进行填塞封堵，截断水流。,第四节 岩溶地基稳定性问题,一、变形破坏的主要形式1.地表塌陷 ：地基受力层范围内，存在较大的空洞（如溶洞）。在自然条件下或建筑荷载作用下，产生洞体坍塌，引发地面塌陷而导致建筑物破坏。 2.地基承载力不足或不均匀沉降：覆盖岩溶区，因覆盖层强度较低，不能满足 建筑荷载要求而出现破坏。或沉降不均匀导致建筑破坏。 3.地基滑动：较大的溶沟、溶洞等形成临空面，向临空面产生的滑动现象。,在岩溶地基上进行建设时，由于荷载等原因，产生地基塌陷破坏，或失稳，这便是岩溶地质稳定性问题。,二、地基塌陷的成因,形成塌陷的原因很多。如潜蚀、真空吸蚀、振动、土体软化、建筑荷载。目前认识尚不一致。因当地条件不同，产生塌陷的原因而不同，也可能是以一种原因为主导，多种因素综合作用的结果。,1、潜蚀作用潜蚀论是1898年俄国学者巴浦洛夫提出的，在国内外地质界长期被接受并加以应用。在覆盖型岩溶区，下伏存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时，水力梯度增大)。在一定的水压力作用下，地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空。从而在洞体顶板处的土体开始形成土洞，随着土洞的不断扩大，最终引发动洞顶塌落。当土层较厚或有一定深度时，可以形成塌落拱而维持上伏土层的整体稳定。当土堆较薄时，土洞不能形成平衡。,二、地基塌陷的成因,2 真空吸蚀效应 真空吸蚀论是我国徐卫国等于1979年提出的，国内也普遍接受这一论点。 岩溶网络的封闭空腔（溶洞或土洞）中，当地下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时，地下水由承压转为无压，空腔上部便形成低气压状态的真空，产生抽吸力，吸蚀顶板的土颗粒。同时内外压作用，覆盖层表面出现一种“冲压”作用，从而加速土体破坏。,二、地基塌陷的成因,3 压强差效应 压强差是指岩溶空腔与松散介质（或土洞）接触面上下侧水、气流体，因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值.4 自重效应 雨水入渗后，盖层饱和容重比干容重一般增加30%40%。使土拱承受更大的重量，导致塌陷。5 浮