岩溶和岩溶地面塌陷地质灾害

岩溶和岩溶地面塌陷地质灾害一、概述

(一)岩溶的定义岩溶(Karst)：水对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的综合地质作用以及由此产生的各种现象。

1.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。

2.岩溶现象：岩溶地貌及水文、工程地质条件。如石芽、石钟乳、溶洞、地下暗河等。可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。（二）岩溶工程地质研究的意义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、地基塌陷我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷376处，近十年间中断行车1860小时，颠覆列车3次。3.工民建地基稳定性、塌陷问题1988年5月10日，武昌陆家街地面塌陷，圆形塌坑，直径22M，深10余米，十间民房、大树、电线杆等塌入坑中，引起附近工厂、学校、住宅墙体、地坪变形、开裂。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。2000年4月6日下午4时－8时，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。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.地下工程涌水、突水、岩溶冒落陷坑18个，最大陷坑长63米、深6－7米最小陷坑1－2长，深小于2米。陷坑带呈近东西向分布，散分在东西300米、南北250米的范围内。有2栋民房完全倒塌，有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。该村196户、990余名村民无一人伤亡。（三）影响岩溶发育的因素岩溶发育的条件：具有可溶性岩石岩石具有透水性水具有侵蚀能力水在岩石中应是不断地运动的可溶性岩石＋不断运动的侵蚀性的水岩溶作用＋现象1、碳酸盐岩岩性的影响：非碳酸盐岩1098765432150％30％10％80％50％20％甲乙丙酸不溶物白云石方解石甲：纯碳酸盐岩1.灰岩2.白云质灰岩（云灰岩）3.灰质白云岩（灰云岩）4.白云岩乙：（不纯）质碳酸盐岩5.XX质灰岩6.XX质云灰岩7.XX质灰云岩8.XX质白云岩丙：不纯碳酸盐岩9.XX灰岩10.XX白云岩2、气候的影响(1)降水的影响：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。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)气温的影响：气温升高，生物新陈代谢加快，土壤中有更多的CO2富集，但水中的CO2的溶解度减小，不利于岩溶作用。气温升高，溶蚀速率增大，有利于岩溶作用。总体上：气温升高有利于岩溶作用的进行。3、地形地貌的影响(1).平坦地区：地表径流弱，入渗强烈，有利于岩溶发育(2).陡峭地区：地表径流强烈，入渗弱，不利于地下岩溶发育(3).突起地区：地下水位深，包气带厚度大，垂直岩溶发育(4).低洼地区：地下水位浅，汇水地带，岩溶发育强烈，以水平岩溶为主。4、地质构造的影响（1）.断裂的影响：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。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：褶皱的不同部位，裂隙发育不均匀，岩溶强度不同。核部比翼部发育。大型褶皱控制了可溶岩的空间分布和地下水汇水范围及径流条件，影响着岩溶的发育。（3）.岩层组合的影响厚而纯的碳酸盐岩Ⅰ.包气带：多发育垂直岩溶形态Ⅱ.地下水季节变动带：两方向岩溶均发育Ⅲ.饱水带：规模大、连续性好的水平岩溶Ⅳ.深循环带：岩溶不很发育ⅠⅡⅢⅣ碳酸盐岩夹非可溶性岩层非可溶性岩层与碳酸盐岩互层：在同一时期，岩溶呈多层发育非可溶性岩层夹碳酸盐岩：岩溶发育极弱5、新构造运动的影响地壳运动的性质、幅度、速度和波及范围，控制着水循环交替条件及其变化趋势，从而控制着岩溶发育的类型、规模、速度、空间分布及岩溶作用的变化趋势。新构造运动的基本形式有三种：（1）.上升期：侵蚀基准面相对下降，地下水位逐渐下降，侧向岩溶不发育，规模小而少见，分带现象明显，以垂直形态的岩溶为主。（2）.平稳期：侵蚀基准面相对稳定，溶蚀作用充分进行，分带现象明显，侧向岩溶规模大，岩溶地貌较明显典型。（3）.下降期：常形成覆盖型岩溶，地下水循环条件变差，岩溶作用受到抑制或停止。从更长的地质历史时期来看：（1）间歇性上升：上升稳定再上升再稳定形成水平溶洞成层分布，高程与阶地相对应。（2）振荡升降：岩溶作用由弱到强，由强到弱反复进行以垂直形态的岩溶为主，水平溶洞规模不大，而且成层性不明显。（3）间歇性下降：下降稳定再下降再稳定岩溶多被埋于地下，规模不大，但具成层性，洞穴中有松散物充填。从层状洞穴的分布情况及充填物的性质，可查明岩溶发育特点及形成的相对年代二、岩溶水库渗漏（一）渗漏的形式1.按渗漏通道分类裂隙分散渗漏管道集中渗漏2.按库水漏失的特点分类（渗漏持续时间）暂时性渗漏：包气带永久性渗漏3.按渗漏部位分类绕坝渗漏：坝区临谷渗漏：库区（二）岩溶渗漏的研究内容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。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

a.纵谷：与河流所处褶皱的部位有关b.横谷：修水库不利，但充分利用隔水层，可能防止坝区渗漏。c.斜交谷：具体分析★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3.查明河间地块的水文地质条件（1）补给型：渗漏与否视蓄水后库水位与地下水位的补给关系而定。若建库后仍为补给型，不永久渗漏。若建库后为排泄型，则渗漏。（2）排泄型：建库后肯定会产生永久渗漏（3）悬托型：一定渗漏在深厚碳酸盐岩地层中，地下水排泄通畅，地壳上升，侵蚀基准面不断下降，始终保持地下水位低于河水位，形成悬托河。若河谷沉积物覆盖层较厚，颗粒较细，则渗漏微弱些，否则渗漏严重。（三）岩溶渗漏的防治措施1.截断渗漏通道灌铺堵截2.导水导气三、岩溶地基稳定性（一）变形破坏的主要形式1.不均匀沉降2.地表塌陷3.地基承载力不足4.地基滑动（二）岩溶地基的处理措施1、避开2、治理：挖填：垮越：灌注加固：压浆、旋喷桩桩基：当堆积物不易清除或不被冲失流走时，可根据建筑物需要作支承桩或摩擦桩强夯合理疏导水气多种方法综合利用四、岩溶地面塌陷1、岩溶地面塌陷的概念在岩溶地区，由于下部洞穴扩大而导致顶板岩体塌陷，或上覆土层中的土洞顶板因自然或人为因素失去平衡产生下沉或塌陷的通称。2、塌陷分类正确的分类，反映学科发展的水平，又能促进学科的发展。国内的分类多以成因和影响因素为依据。一级（按塌陷成因）二级（按诱发塌陷因素）三级（按塌陷坑数量）自然塌陷地震、河水位升降大量n1000中量100n<1000少量10n<100个别1n<10自然—人为塌陷降雨入渗、表水渗漏、干旱灌溉人为塌陷排水塌陷、渗水塌陷、抽水塌陷、荷载塌陷、蓄水塌陷、振动塌陷岩溶地面塌陷分类表：3、国外岩溶地面塌陷的研究与技术状况国外岩溶塌陷分布甚广，据已有资料，美国、法国、南斯拉夫、德国、波兰、南非、希腊、俄罗斯、英国、比利时、土耳其、以色列、加拿大、西班牙、捷克、保加利亚以及多米尼加等国家都有岩溶塌陷。美国岩溶塌陷最多，尤以东部较为普遍。原苏联研究最早，1771~1809年间的刊物上就有岩溶塌陷的问题。南非受害最大，金矿关闭、人员伤亡。（1）岩溶塌陷的状况古岩溶塌陷古岩溶塌陷指属于自然因素作用下的结果，如地表雨水和地下水以及地震的作用等。各地质时期，只需具备溶蚀的可溶岩和覆盖土体、松软岩体，在地表雨水和地下水的作用下，都可形成古岩溶塌陷。如南斯拉夫第纳尔高原（宽180Km）的岩溶区，红湖（直径200m，深518.9m）和兰湖（直径2000m，深245m）均形成于中生代的塌陷产物。现代岩溶塌陷现代岩溶塌陷是指认为因素作用下的结果。如开挖坑道、公路、铁路、机场、工程场地、修建水库、抽取地下水、载重、振动等作用。（2）岩溶塌陷的危害人身伤亡建设与公共设施遭致破坏地质环境与生态平衡遭致破坏（3）学术研讨原苏联的学术研讨1771~1809年；1914年苏潘关于岩溶塌陷带来的环境变迁；1933年全苏喀斯特会议。以美国为主的学术研讨1930年Brige报道密苏里州的岩溶塌陷；

1941年Gramer岩溶塌陷分类。

1973年在德国的汉诺威首次举行了“岩溶塌陷与沉陷——与可溶岩有关的工程地质问题”国际讨论会四个议题：塌陷和沉陷形成的地质和地球化学条件塌陷与沉陷的机理塌陷区的区划和地下洞穴位置的探测方法工程实例和工程措施4、成因机制岩溶塌陷的机制较为复杂，由于试验与实际观察难度较大，许多学者只能从理论惊进行分析、推断，故对岩溶塌陷的机制众说纷纭。（1）潜蚀效应潜蚀论是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。地下水位下降时，水力梯度也随之增大，地下水流速加快，动水压力增强，当动水压力大于土体内聚力与颗粒间摩擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移，这一现象称为潜蚀或管涌。

使土颗粒开始渗流时的水力梯度称为临界水力梯度。据太沙基（1933年）公式：式中：Ip—临界水力梯度

rs—土颗粒密度

n—土体的孔隙度据达西公式和动能公式，地下水侧向流时的动能：式中：FH—地下水动能

M—水的质量

K—渗透系数

I—水力梯度

n—岩土体的孔隙度

u—渗流速度（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。在形成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，空腔上部便形成真空，产生抽吸力。真空吸蚀产生下列三种作用：吸盘吸蚀作用空腔吸蚀作用漩吸漏斗吸蚀作用问题探讨：自然地质环境中，很难具备封密的岩溶空腔条件；真空吸蚀的极限是一个大气压，真空吸蚀力不大；一旦塌陷发生，封闭状态破坏，在一次塌陷发生的中后期，则不可能连续发生塌陷，这与许多事例不符；一旦发生漩吸漏斗吸蚀作用，则不存在真空吸蚀，因此时盖层已破坏；真空吸蚀同样难以解释同步塌陷。（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）垂直渗压效应当地表雨水入渗时，水在孔隙中运动，对土颗粒施加一种垂向渗透压力，从而改变了土体的力学性质。当渗透压力达到一定值时，使土体结构破坏，土颗粒随水流产生运移，即流土或管涌，进而形成土洞，直至发生地面变形或塌陷。