岩溶及渗漏工程地质研究

第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究主要内容:一、基本概念及研究意义二、岩溶发育机理、基本条件及规律三、岩溶渗漏分析及防治措施四、岩溶地基及天然硐室稳定性工程地质评价五、岩溶地面塌陷的工程地质研究第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究一、基本概念及研究意义岩溶又称喀斯特，是水对可溶性岩石进行以溶蚀作用为主的综合地质作用及由这种地质作用而产生的各种地质现象的总称。碳酸盐岩是最常见的可溶性岩石，工程上遇到的与岩溶有关的工程地质问题和灾害主要发生在碳酸盐岩中。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究岩溶作用结果表现在两个方面：（1）形成地下和地表的各种奇特的岩溶形态，如石芽、溶沟、干谷、溶蚀洼地、溶蚀盆地、溶蚀平原、峰林、孤峰、溶丘、漏斗、竖井、落水洞、溶洞、暗河、地下湖及各种洞穴沉积物。（2）形成特殊的水文地质现象，如冲沟少、地表水系不发育，岩体渗透性增大，岩溶水丰富但空间分布不均匀，动态变化大，流态复杂多变，山区地下水埋深一般较大，且地下水分水岭与地表水分水岭常不一致。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究碳酸盐岩地区主要工程地质问题有：筑坝建库常遇到强渗漏问题；采矿、地下洞室开挖过程中遇到的突水、溃砂问题；覆盖层下基岩面强烈起伏不平引起的建筑物不均匀下沉或近地表溶洞存在引起的地基承载力不足或极不均匀。碳酸盐岩地区主要环境地质问题有：干旱与洪涝；土壤贫瘠及石漠化；地面塌陷；岩溶水开发中的一系列问题。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究二、岩溶发育机理、基本条件及规律（一）岩溶发育机理岩溶作用是在地球的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈界面上进行的全球碳循环和有关的水循环和钙（镁）循环的一部分。CO2—H2O—CaCO3三相不平衡开放系统称为岩溶动力学系统。系统中可以产生如下的多种可逆反应：+H+-H+-H++H++H+-Ca2++Ca2+-Ca2++Ca2+-H+CO2CO20H2CO3HCO3-CO32-CaCO3Ca(HCO3)2CaCO30CaCO3快速反应慢速反应第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究该反应系统表明，液相中增加H+则加强固相的被溶蚀。天然水溶液中H+主要来自气相中的CO2溶解于水中形成H2CO3解离出来的，因此，CO2的源源不断进入液相会加剧溶蚀，而CO2的逸出导致CaCO3的沉淀析出。水中CO2主要来自：大气——大气中CO2含量为0.03-0.035%。土壤——土壤中含CO2较大气高，一般1-2%，高的可达10%。温度的降低可使更多的CO2进入水中。可见，这一动力系统对CO2含量变化、生物化学作用和液相温度变化很敏感。岩溶动力学系统是开放的系统，液相中很多其他离子进入此系统会影响其行为——酸性效应、离子强度效应、同离子效应、混合溶蚀效应。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（二）岩溶发育基本条件可溶岩岩石的透水性水的侵蚀性及流动性要求：（1）在可溶岩中具有一定的孔隙或裂隙系统，为水的循环提供通道。层面裂隙和构造裂隙系统都是良好的通道。白云岩中因白云岩化过程而有较多的孔隙。（2）有适宜的地貌条件和地质结构条件，为大气降水或地表水向碳酸盐岩体中渗入提供补给通道，并为水排出岩体之外提供条件。结论岩溶发育很大程度上取决于水的循环交替条件。岩溶发育的基本条件第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（三）岩溶发育的影响因素碳酸盐岩岩性气候地形地貌地质构造断裂褶皱岩层组合特征新构造运动的影响第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究三、岩溶渗漏分析及防治措施水库渗漏不可避免，按规定，只要渗漏量不超过河流平水期流量的1%~3%，就能保证建筑物发挥正常效能及水资源开发利用经济合理。按渗漏途径将渗漏划分为：坝区渗漏，包括坝基渗漏和绕坝渗漏。范围小，易查清，工程建设时即可采取防渗帷幕、截水墙、铺盖等措施。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究库区渗漏，包括向邻谷或向远排泄区的渗漏，或通过河湾或支谷向下游渗漏。范围大，要在大范围内查明地质、地貌和水文地质条件，预测可能发生渗漏的地段，再在可能地段中进行专门研究。可能渗漏地段需具备的条件：有透水岩层；地形地貌和地质构造的配合有利于透水岩层将库水导向库外；不具地下水分水岭，或地下水分水岭水位低于水库正常水位。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究岩溶渗漏与其它渗漏的不同之处在于渗漏通道。岩溶渗漏通道是岩溶形成时形成的，其通畅程度与水的循环交替条件及岩溶发育历史有关。碳酸盐岩是一种特殊的透水岩石，其渗透性能可以有极大的变化范围，也可极不均匀。这种特性也与岩溶水的循环交替条件及岩溶发育历史有关。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（一）碳酸盐岩的渗透性碳酸盐的原生孔隙所产生的渗透性称为碳酸盐的原生渗透性，一般很小。如孔隙度很高的白垩原生渗透性根据室内测定为1.510-4-3.710-3m/d。块状灰岩原生孔隙度仅为约2%，原生渗透性更低。但是现场测定，渗透性往往很高，前者可达1.5-15m/d，后者则更可达到数百米每日。所以起决定作用的是次生渗透性，即取决于次生孔隙、裂隙和岩溶。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究下图为孔隙度、孔隙大小与渗透系数相关关系图。实线范围为原生渗透性和孔隙大小；虚线范围为同一类岩石的次生渗透性和孔隙大小。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究得出的结论：次生孔隙度较原生孔隙度增大值很小，但次生孔隙的大小往往为原生孔隙的大小的10-100倍。孔隙度一定时，控制渗透性的主要因素是孔隙的大小。根据上图，当孔隙直径由0.01mm增至10-100mm时，渗透系数则由10-4-10-3m/d增至10000m/d。对块状灰岩来说，层面和裂隙的溶蚀扩大使渗透系数增为原生渗透系数的10000倍。如果发育溶洞，则渗透系数可能增加10000000倍。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（二）岩溶渗漏的水文地质条件原生裂隙因溶蚀而强烈分异，渗透性极不均匀，沿溶洞可以形成管道流，所以灰岩渗漏所特有的水文地质条件是：往往有集中渗漏的径流带，两河之间的河间地块往往无地下水分水岭或地下水分水岭较低。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（二）岩溶渗漏的水文地质条件1．往往有集中渗漏的径流带实验和观测证实，卡斯特化碳酸盐岩中即使没有形成溶洞，天然地下水流也有流量形成径流带。若形成溶洞，就会沿着溶洞形成强大的管道流，成为排出地下水的地下水排水管道。水库蓄水抬高水位后，这些径流带或管道流如果与库外相连通，就会形成集中渗漏带。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究如猫跳河四级电站左岸的绕坝渗漏和水库渗漏：绕坝渗漏水库渗漏第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究2．无地下水分水岭或地下水分水岭较低两河谷之间分水岭若比较单薄且两河水位高程不同时，由于水位高的河谷水流长期向低水位方向渗流，形成通畅的岩溶管道，就会出现河间地块无地下水分水岭的情况。水库蓄水后，由于水位抬升，水力梯度加大，会产生更强烈的渗漏。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究如云南浑水河地区渗漏情况。浑水河与甲、乙、丙河之间均为一侧接受地下水补给而另一侧又补给较低的邻谷。在河流接受补给的一岸均有较多的下降泉群，而另一侧则完全无泉水出露。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究有时候虽然有分水岭，也往往会有它低于预期的正常水位的情况，此时必须依据情况采取以下两种不同的处理。地下水分水岭较预计正常高水位低很对，此时如无经济可靠的防渗处理办法，就必须考虑限制蓄水高程；如地下水位仅略低于正常高水位，考虑到蓄水后地下水分水岭也将稍壅高，可以先蓄水，待蓄水验证后有必要处理时再处理。因此，在碳酸盐岩地区分析水库渗漏可能性时，一个极其重要的条件是地下水分水岭有无及其高程。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（三）岩溶区修建水库的措施及防渗处理1．岩溶区水库坝址选择原则充分利用隔水层、岩溶发育微弱的岩层或有利的水文地质条件。周边有隔水层或弱透水层的向斜谷地区修建水库，坝址建于隔水或弱透水层上，防渗条件是最好的。有隔水层的横谷地段有利于坝区防渗。坝址的选择和防渗方案的采取随岩层产状和坝型而定。总的原则是：既要保证坝基有良好的持力层和排除可能产生深层滑动的滑移面，又要使隔水层有效地成为截断坝下渗漏通道的天然截水墙。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究几种可能的隔水层利用情况见下图。但是库水向邻谷渗漏的可能性仍很大，坝址选定时还必须考虑库区渗漏条件及防渗处理的难易。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究有隔水层分布的纵谷地段，特别是岩层产状较陡时，库区向邻谷渗漏的可能性较小。但坝区就不可能用天然隔水层防渗。此时，坝址选定必须考虑有利的水文地质条件，主要是选择弱岩溶化地段，尽可能绕开河湾地段、上下又有冲沟且分水岭很单薄的地段、河床裂点或其他的河床比降大因而有利于纵向径流的地段，以及断层因而溶蚀强烈的地段。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究2．防渗处理措施根据不同渗漏形式和特点选择相应的处理方法：集中型渗漏——堵、截为主分散型渗漏——铺、灌为主复杂时——综合处理第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究2．防渗处理措施（1）堵处理集中渗漏通道，可利用不同材料堵塞空洞。可选的材料有块石、砂、混凝土或黏土等。底部设反滤层，表面加黏土或混凝土盖板。堵前应查明漏水洞的规模、方向及其深部延伸情况，堵塞体应与周围基岩及土体保持密切结合。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（2）截在地下管道的集中漏水处修筑隔水墙截断渗流通路。（3）围库区有个别大溶洞或反复泉，可以修筑高烟囱圆筒形围墙，将其与水库隔离达到防渗目的。适用于水深不大的小型水库。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（4）铺处理地表呈面状或带状的分散渗漏。库岸斜坡常用混凝土盖板或黏土斜墙，库底常用黏土铺盖。铺盖长度根据水文地质条件确定，尽可能与隔水层衔接。厚度一般取水头的十分之一。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（5）灌处理坝基及绕坝渗流。灌入浆液充塞孔洞和裂隙，并连成帷幕。最常用的是水泥浆液，有时用黏土浆或环氧树脂、并凝等化学浆液。帷幕的底最好与隔水层相衔接。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究四、岩溶地基及天然硐室稳定性工程地质评价（一）岩溶地基特点岩溶地区由于岩体中发育有溶蚀裂隙、管道甚至大型溶洞，而且这些溶蚀隙洞在岩体中分布不均，从而使岩体的强度及变形性能也呈现出强烈非均质性。岩体表面出露有松散土层，由于溶沟、溶槽及石芽的存在，基岩面起伏及上覆土层厚度均有较大的变化。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究岩溶化岩体或其上覆土层作为地表建筑物的地基，可能遇到以下复杂情况：（1）地基之下有埋藏浅的溶洞，溶洞顶板岩层单薄，洞中充填物不能满足建筑物荷载要求，可能导致建筑物局部坍塌、沉陷或断裂破坏。（2）岩体中有集中发育的溶蚀洞隙，整体强度大大降低，可能导致建筑物不均匀沉陷或滑动破坏。（3）在有不厚的上覆土层的岩溶地区，由于基岩面起伏及上覆土层厚度均有很大变化，且基岩埋深大的地段往往埋藏有软土，以浅埋基础建于此类土层上的建筑物，往往由于地基不均匀沉降而倾斜、开裂、倾倒，甚至破坏。（4）岩溶地区常出现地面塌陷问题。

第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（二）岩溶地基质量评价为了评价作为地基的岩溶化岩体的质量，通常采用的方法是岩体质量分级。也即将溶蚀程度变化很大，工程地质性质高度非均质的复杂岩体，划分为多个级别的工程地质性质类似的岩体，每级岩体可采用基本相同的地基处理措施。由于分级指标的不同可有不同的质量分级方法。常用的分级方法有以下两种：

第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究1．以地基溶蚀程度为主的质量分级这是一种半定量的质量分级方法，以地基岩体的完整性、溶蚀率及地基岩石透水性作为分级的指标，而以溶蚀程度为主，级别划分见下表。

级别名称地基岩体完整性地基线溶蚀率%地基岩体透水性L/minmm地基处理措施I微弱溶蚀地基完整性好，仅少数裂隙被溶蚀，缝宽<5cm<1<0.01浅开挖，表面冲洗，固结灌浆或不灌浆II弱溶蚀地基完整性好，30-50%的裂隙被溶蚀，缝宽5-10cm1-50.01-0.03浅开挖，溶隙部位局部深挖，重点固结灌浆III中等溶蚀地基完整性较差，50%的裂隙被溶蚀扩大，缝宽10-30cm，局部有小溶洞5-100.03-1.0开挖、冲洗、固结、灌浆IV强烈溶蚀地基完整性受到强烈溶蚀破坏，充填粘土、碎块石，缝宽30-50cm，溶洞多处发育10-201.0-10.0深开挖、全面冲洗、回填、溶洞插筋及固结灌浆V极强溶蚀地基完整性受到溶蚀的极强破坏，充填大量粘土、碎块石，地基溶洞密布，下部尚有隐伏溶洞>20>10.0深开挖、溶洞回填、插筋及固结灌浆，扩大基础增加垫座第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究2．以岩体力学性质为主的质量分级这是一种综合性的岩体质量分级法，既考虑到岩体强度又考虑到岩体变形特性，同时还要考虑到夹泥层、风化程度及溶蚀程度等不良地质因素。这些因素尽可能以有代表性的物理力学参数表示，并建立分级定量指标的计算公式。定性表述的不良的地质因素不能进入计算公式，则采用折减系数来修正定量指标。分级定量指标的计算公式为：其中，Rs为饱和岩石抗压强度Rw(MPa)与软岩强度上限(30.0104MPa)之比；Es为岩体变形模量E0(MPa)与软岩变形模量上限(0.3104MPa)之比；Kv为岩体完整系数，以岩体弹性波的纵波速度vpm与岩石弹性波的纵波速度vpr之比的平方表示；f为岩体中对地基稳定性起控制作用的软弱结构面的纯摩擦系数，即tg。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究岩体质量按定量分级指标Mr划分为I、II、III、IV、V、VI级，其质量分别定为优、良、中、差、坏、极坏（见下表）。分级质量评价饱和抗压强度Rw(MPa)变形模量E0(10-4MPa)完整性系数Kv纯摩擦系数tg分级指标Mr界限值I优>100.0>2.0>0.85>0.8>15II良100.0-80.02.0-1.00.85-0.750.8-0.715-5III中80.0-60.01.0-0.50.75-0.650.7-0.65-1IV差60.0-30.00.5-0.30.65-0.550.6-0.51-0.3V坏30.0-10.00.3-0.10.55-0.450.5-0.40.3-0.02VI极坏<10.0<0.1<0.45<0.4<0.02第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究各种定性表示得地质因素如软弱夹层、风化程度及溶蚀程度等对Mr的折减系数见下表。折减系数以百分数表示，每一因素最大折减不超过20%。

地质因素分级软弱夹层风化溶蚀倾角()折减程度折减程度面溶蚀率(%)折减I>450新鲜0无00II45-300-2.5微风化0-2.5很微弱0-0.50-2.5III30-202.5-5弱风化2.5-5微弱0.5-32.5-5IV20-105-10强风化5-10强烈3-55-10V<1010-20全风化10-20很强烈>510-20第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（三）岩溶地基的工程处理岩溶地基特别是作为大坝的地基，需经过比较复杂的工程处理。处理方法可以归纳为四个方面：（1）改善建筑物或构筑物如坝体的结构；（2）提高岩体抗压强度；（3）提高地基抗剪强度；（4）增强地基岩体抗渗透能力。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究这四个方面的处理措施可分别概括为：（1）结构处理——扩、调、垫“扩”是扩大地（坝）基或拱坝两坝端的宽度，以减小坝体等建（构）筑物在地基岩体上的压强。“调”是选择合适坝型并调整坝体不同部位的受力状态。“垫”是在坝基和拱坝两肩设混凝土垫层以加强地基的整体性。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（2）溶蚀洞隙发育——挖、塞、换“挖”是挖除溶洞中的充填物，溶隙中的厚夹泥或溶蚀破碎带，再回填混凝土。“塞”是有限挖除溶蚀破碎带或软弱岩带，再设置混凝土塞以将坝体应力传递给完整岩体。“换”是人工换基。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（3）地基不稳——锚、固、嵌“锚”是对坝基岩体进行锚固。“固”是对坝基进行固结灌浆。“嵌”是增加拱坝坝端嵌入深度。（4）渗透变形——铺、截、灌“铺”——铺盖。“截”——截水墙。“灌”——灌浆帷幕。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究五、岩溶地面塌陷的工程地质研究在覆盖型岩溶地区，由于自然和人为的因素引起地下水位快速重复波动，使上覆土层受到潜蚀、真空吸蚀等作用，与基岩相接触的土层中就会形成土洞，土洞继续发展扩大，洞顶土层就不断塌落，塌落一直发展到地表就形成地面塌陷。塌陷会破坏铁路、公路、桥梁、管道等工程设施，也会使工业及民用建筑物开裂、歪斜、倒塌甚至随地面一起下陷，农田可因塌陷而被毁。有时还会引起矿坑被水淹没、地下水遭受污染。岩溶地面塌陷灾害是较常见的一种地质灾害，在我国分布较广。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（一）岩溶地面塌陷形成条件1．上覆土层性质结构及厚度上覆土层的砂性土，或砂粘土互层结构但与基岩接触处为砂性土，或与基岩接触处为不厚的裂隙发育的粘性土且上覆有砂性土，易产生岩溶地面塌陷。土层厚度小于10m者塌陷最为严重。土层厚度大于30m的地面塌陷较少见。2．基岩岩溶发育，有溶洞或宽大溶蚀裂隙厚层广布的石灰岩地区，以及断裂带附近、褶皱核部、硫化矿床的氧化带、非可溶岩与碳酸盐岩接触部位等，岩溶发育，塌陷多发。第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究3．地下水位强烈下降或快速重复波动在天然条件下，地下水波动很小而且缓慢，仅在地下水排泄区地下水位随排水河的水位频繁波动而波动，故地面塌陷较多。城市、工矿企业供水往往大量抽取地下水，各处矿床的开采要疏放排水，都会大幅度降低地下水位，引起塌陷。在地下水降落漏斗中心附近，地表塌陷最为密集。根据模型试验和数值模拟，石灰岩中地下水位在基岩与上覆土层交界面上下波动时最易引起地面塌陷。

第六章岩溶及岩溶渗漏的工程地质研究（二）岩溶地面塌陷形成机制1．渗透变形或潜蚀机制在下伏碳酸盐岩中发育有溶蚀洞隙等良好地下径流通道的覆盖型岩溶地区，因天然或人为因素致使地下水水位大幅度下