工程地质课件：不良地质作用及防治-岩溶地面沉降地面塌陷

1本章知识点【知识点】地震的震级、烈度、近震、远震及地震波的传播等基本概念；断裂活动和地震的关系，活动断裂的分类和识别及对工程的影响；滑坡、崩塌、岩溶、土洞、塌陷、泥石流，采空区、地面沉降等不良地质现象的成因、发育过程和规律及其对工程的影响。【重点】断裂活动与地震的关系；滑坡、崩塌及泥石流灾害的形成条件及防治对策；岩溶地区的主要地质问题。【难点】地震诱发地质灾害特征；采空区地表变形的影响因素。【导读问题】哪些地质作用不是“良民”？地质灾害大家庭里哪位是“温柔的杀手”，让你感受不到的灾害？

不良地质作用及防治7.5岩溶与土洞岩溶（Karst）：可溶性岩石以被水溶解为主的化学溶蚀作用，并伴随以机械作用而形成沟槽、裂隙、洞穴，以及由于洞顶塌落而使地表产生陷穴等一系列现象和作用的总称。土洞：岩溶地层上覆盖的土层被地表水冲蚀或地下水潜蚀所形成的洞穴。进一步发育形成地表塌陷。岩溶作用的概念凡是水对可溶性岩石以化学过程（溶解和沉淀）为主，机械作用（流水侵蚀与沉积，以及重力崩塌和堆积等）为辅的破坏和改造作用（不仅发生在地表，更多的是在地下）。岩溶作用的化学过程

CaCO3+CO2+H2O2HCO3-+Ca2+

以上反应为可逆过程，当大气中的CO2向水中浸入时，一部分与水结合为碳酸溶解固体CaCO3，另一部分保持气体状态。当水中气态的CO2减少或空气中CO2含量降低，该反应式往左发展以补充CO2

，则发生CaCO3的重新沉淀。7.5.1岩溶1）岩石的可溶性(成分、结构和构造)岩石的成分对溶蚀率的影响，可溶性岩石有三类：岩石的可溶性是发生岩溶作用的必要条件。碳酸盐类岩石如石灰岩、白云岩和泥灰岩等；硫酸盐类岩石如石膏、硬石膏和芒硝等；卤素岩类岩石如岩盐和钾盐等。

白云岩白云质灰岩灰岩矿物

白云石白云石+方解石方解石Ca/Mg1.2~2.22.2~10.0>10.0相对溶解度

0.35~0.820.8~0.99≈1

岩溶化程度小中大1岩溶发育的基本条件7.5.1岩溶岩石的结构1）岩石的可溶性(成分、结构和构造)结晶颗粒大小：晶粒愈小，溶解度愈大；隐晶质和细晶质的岩石溶解度较粗晶质高；结构类型：不等粒比等粒结构溶解度更大。鲕状结构溶解速度较大7.5.1岩溶岩石透水性：空隙度高低；裂隙发育（更为重要）裂隙密集带（通常是断层带）岩溶异常发育。可溶性岩石的空隙度一般很小，但介壳灰岩、礁灰岩等空隙度高，灰质白云岩和白云质灰岩中，其空隙度也要高一些。使水与可溶岩石广泛接触；使岩溶不仅限于岩石表面，还能向深部发展。2）岩石的透水性礁灰岩介壳灰岩7.5.1岩溶水流中的游离性CO2,一部分→H2CO3→Ca(HCO3)2,Ca(HCO3)2→CO2(重新分解)，实际仅起平衡作用；另一部分则溶蚀CaCO3，使碳酸盐岩中形成空洞称侵蚀性CO2。水的溶蚀能力与侵蚀性CO2的含量呈正比CO2含于空气中，也生成于土壤上层强烈的生物化学作用。随深度增加，侵蚀性CO2含量逐渐减少，水的溶蚀能力逐渐下降。水中CO2的含量受气压与温度的影响。3）水的溶蚀能力PCO2=0.0003atm时水中的CO2含量及CaCO3溶解度表T（℃）CO2含量（%）CaCO3溶解度（mg/l）01.181100.7070200.5260300.39497.5.1岩溶4）水的流动性滞流的水，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浓度地下水混合，会大大提高水的溶解力。取决于降水量、水位差和透水条件。降水量和地下暗河上下游的水位差越大，水流动就越快。地下水的流动形式有隙流、管流、脉流和网流。7.5.1岩溶2岩溶地貌形态及发育规律1)地貌形态地表地下-溶洞（石钟乳、石笋、石幔、石柱等）正地形：峰丛、峰林、孤峰、残丘、喀斯特

(突出地表)丘陵和石芽

负地形：落水洞、漏斗、竖井、干谷、盲谷、（凹陷于地表）喀斯特洼地、坡立谷、喀斯特平原、喀斯特峡谷、溶沟和溶隙所在位置7.5.1岩溶石芽地埋藏石芽热带土壤空气CO2含量高，地下水有较多的碳酸，可溶蚀土层下的石灰岩形成石芽和溶沟，但因在地下未受雨水冲刷，故石芽外形圆滑，溶沟深度不大（如图）。7.5.1岩溶溶蚀洼地这是一种面积较大的椭圆形封闭洼地，四周多被低山丘陵、峰林等围绕。底部堆积着2-3m厚的红土层（较平坦），上面常有耕地和村落分布，雨季时常积涝为害，旱季时因地下水位下降而干旱，当洼地底部排水系统堵塞后（发育后期）积水成湖。7.5.1岩溶沿断裂带发育的溶蚀谷地，两侧为峰丛夹峙（福建永安）溶蚀谷地发育受构造影响很大：如有些谷地发育于向斜或背斜轴部，有些沿断陷盆地或断裂带发育，还有些则沿可溶性岩与非可溶性岩得接触带发育。7.5.1岩溶干谷、盲谷和地下河1、干谷喀斯特区往昔的河谷（今已无水或仅洪水期有水）。

2、盲谷和地下河

盲谷是死胡同式河谷，前方常被陡崖所挡，河水从崖下落水洞潜入地下，变成地下河。盲谷前端的落水洞还会向上游迁移，表示地下河不断向河流上游袭夺。7.5.1岩溶峰丛峰丛顶部山峰分散，基部连成一体，地势较高，侵蚀较轻微，是位于垂直渗透带上的峰林集合体。桂林峰丛越南下龙湾峰丛7.5.1岩溶峰丛、峰林与孤峰峰林基部微微相连成群簇生的石灰岩山峰，是峰丛进一步溶蚀发展的结果。峰林常分布在石灰岩山区的边沿部分桂林阳朔万峰林7.5.1岩溶孤峰孤立的石灰岩山峰，是峰林进一步发展的结果，常分布在坡立谷底部和其它溶蚀平原上。质纯、层厚、产状水平的石灰岩，孤峰峭拔挺立，形若石笋。如广西厚层及块状质纯的上石碳统马平灰岩形成的孤峰，基部大，顶部小，如圆锥状。倾斜地层中，则形成不对称的单面丘式的孤峰。若垂直裂隙发育，孤峰边坡陡峭坚硬。7.5.1岩溶越南下龙湾孤峰泰国攀牙湾的“白菜”黄布倒影：三者联系时间上：发育早期→中期→晚期（峰丛→峰林→孤峰）空间上：中间→边缘→外缘（峰丛→峰林→孤峰）峰丛、峰林与孤峰分布剖面示意图7.5.1岩溶大型地下管道，多沿层面裂隙、断层或其他构造裂隙发育，水平循环带产物，地下暗河的水平通道。溶洞

7.5.1岩溶石柱石钟乳与石笋相对增长，直至两者连成石柱，由洞顶下渗的水溶液，继续沿石柱表面堆积，使石柱加粗。

石柱石笋石钟乳图片来源：贵州人民政府网站7.5.1岩溶流石：洞内流水所形成的方解石及其他矿物沉积。边石：是地下水流过洞底积水塘时，在其边缘形成的碳酸钙沉积。石幔：为饱含碳酸钙的薄层水，从洞顶或洞壁裂隙流出，沉积的波状或褶状的流石。7.5.1岩溶2）发育规律1）与可溶性岩层的成分有关2）与水（地表水、地下水）的径流条件和水质有关3）与地质构造和构造运动有关7.5.1岩溶岩溶地区地下水流动有垂直分带现象7.5.1岩溶（1）垂直渗透带位于地面以下～丰水期潜水面以上，平时少水，仅雨季或融雪季节才有大量水流。厚度取决于潜水面的位置。该带常发育垂直性洞穴。（2）季节变动带位于丰水期潜水面与枯水期潜水面之间，受季节性水位影响明显。雨季潜水面上升，该带水运动方向为水平，平时少水，潜水面下降，水流沿着重力方向运动，如此反复变化，有利于垂直、水平和倾斜的地下溶洞发育。7.5.1岩溶（3）水平流动带位于枯水期潜水面以下，直到谷底补给河流岩溶水的深处为止。该带地下水常年存在，水流总是排入河谷，流动的方向接近水平，且有自由水面。但在谷底深处，地下会有承压性，故水流向上。这里有活跃的水质交替和混合，故溶解力较强，可呈大规模的水平溶洞。

（4）深部滞流带水流极缓慢，甚至停滞，水质交替很弱，水流有承压性，水流方向不受主河谷影响，而向远处构造盆地或减压带排泄，如果近海则从海底涌出，该带仅见数量不多的蜂窝状小洞穴。7.5.1岩溶土洞：土洞主要是地表或地下水流在土体中进行溶蚀和冲刷的作用而形成的。7.5.2土洞(a)土洞未形成前；(b)土洞初步形成；(c)土洞向上发育；(d)地面塌陷；(e)地面呈碟形洼地。土洞的形成与发育条件土洞发育的快慢主要取决于：1）基岩面上覆土层的性质：含碎石的砂质粉土层；2）地下水的活动强度；3）基岩面附近岩溶和裂隙发育程度。7.5.2土洞7.5.3岩溶地区的工程地质问题(1)大为降低溶蚀岩石的强度：孔洞，结构疏松(2)造成基岩面的不均匀起伏：石芽、溶沟、溶槽(3)漏斗威胁地面稳定性(4)构成洞穴(溶洞、土洞)地基1洞穴地基稳定性问题洞顶板稳定性验算顶板按梁板受力情况计算H适用范围：顶板岩层均较完整，强度较高，层理厚，且已知顶板厚度和裂隙切割情况当跨中有裂缝，顶板两端支座处的岩石坚固完整时若裂缝位于支座处，顶板较完整时

若支座和顶板岩层均较完整时两端固定梁简支梁悬臂梁7.5.3岩溶地区的工程地质问题2岩溶地基问题7.5.3岩溶地区的工程地质问题不良地质作用及防治岩溶渗漏处理思路：地变人不变，人变地不变，人与地均变，协调统一达到人地和谐7.5.4岩溶与土洞的灾害防治4．排导5．特殊基础形式7.6地面沉降与地面塌陷7.6.1地面沉降地面沉降的广泛涵义是指地壳表面在自然营力作用下或人类经济活动影响下，在一定区域内，产生的具有一定规模和分布规律的地表高程损失的地质现象地面沉降分类基于主导因素的地面沉降分类：按照沉陷规模分类：土体固结（压密）型地面沉降非土体固结（压密）型地面沉降巨型地面沉降大型地面沉降中型地面沉降小型地面沉降沉降面积累积沉降量对环境的危害，如潮水越堤上岸、地面积水等。对建筑工程的危害，如桥墩下沉，桥下净空减小，码头、仓库地坪下沉，地下管道坡度改变，深井管和桩基建筑物的勒脚相对上升，建筑物倾斜等。7.6.1地面沉降地面沉降的主要工程危害地面沉降导致基础脱开地面沉降的原因地下水的超采引起的沉降地基土欠固结引起的沉降以及高层建筑群附加荷载交通荷载等动荷载振动引起的沉降7.6.1地面沉降对地面沉降的监测地面沉降量观测地下水观测地面沉降范围内已有建筑物的调查地面沉降现状的分析绘制不同时间的地面沉降等值线图，分析地面沉降中心的变迁动态及其与地下水位下降漏斗的关系以及地面回弹与地下水位反漏斗的关系。分析地面沉降在不同时间、不同地点及地下水开采、回灌的不同情况下的变化规律。绘制以地面沉降为主要特征的专门工程地质分区图，根据累计沉降量和年沉降速度综合地质条件进行分区。7.6.2地面塌陷地面塌陷是指地表岩土体在自然或人为因素作用下，向下陷落，并在地面形成凹陷、坑洞的一种动力地质现象由于地下地质环境中存在着天然洞穴或人工采掘活动所留下的矿洞、巷道或采空区而引起的，其地面表现形式是局部范围内地表岩土体的开裂、不均匀下沉和突然陷落地面塌陷的原因地面塌陷的分类按主导因素分类溶岩地面塌陷采空地面塌陷其他地面塌陷按地面塌陷规模分类巨型地面塌陷大型地面塌陷中型地面塌陷小型地面塌陷塌陷坑直径影响范围中国岩溶地面塌陷石灰岩分布面积占国土面积的13.5%我国喀斯特地貌分布广、面积大、发育也很典型，主要分布在石灰岩出露地区，约占全国总面积的13.5%，以桂、黔、滇东为大（例如：桂林山水、路南石林）。7.6.3地面塌陷的危害破坏城镇建筑设施，危害人民生命财产影响交通和安全运输影响对自然资源的开发利用，包括埘地表水、岩溶地下水和矿产资源的开发利用引起水库渗漏，影响