岩溶及岩溶地区的工程地质分析

岩溶及岩溶地区的工程地质分析岩溶基本概念岩溶也称喀斯特(karst),是指以碳酸盐为主的可溶性岩石（石灰岩、白云岩、石膏、岩盐）地区，由于地表径流和地下水流对岩石的溶蚀作用和机械破坏作用，在岩体中形成洞穴，或在岩层的表面形成奇峰异石等独特的地貌景观。南斯拉夫的喀斯特高原是典型地区，并因此得名"喀斯特"。1966年5月在中国第二次全国岩溶学术会议上将“喀斯特”以“岩溶”作为中国的通用术语。凡是以地下水为主，地表水为辅，以化学过程（溶解与沉淀）为主。机械过程（流水侵蚀和沉积，重力崩塌和堆积）为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用。这种作用所造成的地表形态和地下形态叫岩溶地貌。岩溶作用及其所产生的水文现象和地貌现象统称岩溶。岩溶在我国分布非常广泛，典型的分布区有广西桂林、阳朔、柳州以及云南东部、贵州的大部分地区广西的桂林山水、云南的路南石林皆闻名于世。这些奇异的景观都发育在碳酸盐岩地区。整个西南石灰岩地区连成一片，面积共达550000km2;全国石灰岩分布面积约1300000km2,约占全国总面积的13.5%二．研究意义由于岩溶地区有着独特的水文特征和地貌特征，因此在岩溶地区进行各种经济建设和生活生产会遇到非岩溶地区所没有的问题。在岩溶地区，由于存在大量的地下空洞，尽心水库修建时要注意防止渗漏问题，在开凿睡到和建设矿井时要注意涌水排水问题，在建筑铁路、桥梁和厂房时要注意地基塌陷问题。三．岩溶作用的基本条件在自然界，要保证岩溶作用能进行，必须有水在碳酸盐岩内部的裂隙或孔隙中流两者不断地相互接触和相互作用，而且不断循环更替，排除钙离子饱和的补入未饱和的。这就要求具有以下条件：1.在可溶性岩石中具有一定的裂隙或孔隙系统，为水的循环提供通道。碳酸盐岩一般都是又层面裂隙与构造裂隙的，如果有裂隙就会形成更好的通道。白云岩内由于白云岩化作用还有较高的孔隙度。2.有适宜的地貌条件和地质构造条件，为谁的向碳酸盐岩中、中渗入提供补给途径，并为水的排出碳酸盐岩体之外提供通道。四．岩溶地貌1.地表喀斯特地貌（1）．溶沟和石芽溶沟是指地表水沿岩石表面和裂隙流动过程中不断对岩石溶蚀和侵蚀，从而形成的石质沟槽；石芽指突出于溶沟之间的石脊，其实它是溶沟形成过程中的残余物。云南地区的石林就是发育比较好的形态高大的石芽群，它的形成条件是厚层、质纯、产状平缓、垂直节理稀疏和湿热的气候环境。（2）．天坑和竖井主要是由于岩溶地面不断凹陷，形成漏斗状的圆形洼地或竖井状的洞，在我国的重庆和四川南部地区分布较为广泛，他形成于陡峭的坡地两侧和洼地、盆地底部，因为流水沿着岩石的裂隙侵蚀强烈，所以天坑或竖井深达几十米到几百米。（3）．溶蚀洼地和溶蚀谷地溶蚀洼地是一种范围广，近似圆形的封闭性岩溶洼地，四周多低山和峰林，底部平坦，雨季易涝，旱季易干。面积一半数平方千米至十几平方千米。溶蚀谷地是溶蚀洼地进一步扩大或融合而形成的，它受构造影响比较大，面积更为广，一般数十平方千米至数百平方千米，平面条状分布，长达数十公里，底部平坦，常有地表径流，例如广西都安有一溶蚀谷地宽一公里，长十公里。这种喀斯特地形在我国云贵高原分布广泛，当地人称之为“坝”。（4）．干谷干谷是地表径流消失后岩溶区遗留下来的谷地，它的形成原因是河流的某一段河道水流沿着谷底的竖井或水洞流入地下，形成地下径流。这种地表径流转为地下径流的现象叫做伏流。还有一种形对浅埋的岩溶土洞,将其挖开或爆破揭顶,如洞内有塌陷松软土体,应将其挖除,再以块石、片石、砂等填入,然后覆盖粘性土并夯实,称挖填法。对岩溶洞、隙、沟、槽、石芽等岩溶突出物,可能引起地基沉降不均匀,将突出物凿去后做30-50cm砂土垫褥处理,称为垫褥法。3.2加固法该法通常包括灌浆法、顶柱法、强夯法、挤密法、浆砌法等。对埋深较大的岩溶土洞,宜采用密钻灌浆法加固。应视岩溶洞隙含水程度和处理目的来选择材料。用于填塞时,可用粘土、砂石、混凝土、水泥砂浆等;用于防渗时,可用水泥浆和沥青作帷幕,灌浆顺序可先外围后中间,先地下水上游后下游;用于充填加固时,用快干材料或砂石等将洞隙先行填塞,开始时压力不宜过高,以免浆料大量流出加固范围。在对广州白云机场候机楼扩建工程岩溶地基处理过程中,程鉴基运用双液化学硅化法对复杂多层含水溶洞成功进行加固。当洞顶板较薄、裂隙较多、洞跨较大,顶板强度不足以承担上部荷载时,为保持地下水通畅,条件许可时采用附加支撑减少洞跨,称顶柱法。在覆盖形岩溶区,处理大面积土洞和塌陷时,强夯法是一种省工省料、快速经济且能根治整个场地岩溶地基稳定性的有效方法。一般夯击遍数1~8遍,夯点距3m。如无地下水影响,两遍夯击间歇时间可不受限制,在夯击过程中,如果夯锤突然下陷,说明下部有隐伏土洞,此时可随夯随填土或砂砾土料处理。对岩洞土洞中软土较深地段,适宜于挤密性。采用砂柱、石灰柱、松土桩、混凝土桩或者钢管等打入洞内,形成复合地基,提高地基稳定性和强度。3.3跨越法此法包括板跨法、梁跨法、拱跨法等。深度较大、洞径较小不便入内施工或洞径虽大、但因有水的溶洞,可据建筑物性质和基底受力情况,用混凝土板或钢筋混凝土板封顶,称板跨法。对埋藏较深但仍位于地基持力层内的规模较小的塌陷或土洞,可用弹性地基梁或钢筋混凝土梁跨越土洞或塌陷体。在地下建筑工程的边墙、堑式挡墙、堤式坡脚挡墙及桥墩、桥台等地基下常见洞身较宽、深度又大、洞形复杂或有水流的岩溶地基,宜采用拱跨形式。3.4桩基法溶洞、塌陷漏斗较深较大或溶洞多层发育,可采用桩基础。在基岩起伏处,其上覆土层性质较软弱、厚度又大、不易清除时,宜采用钻孔或冲孔灌注桩、爆扩桩,视工程需要作支承桩或摩擦桩,桩头锚入基岩内;采用打入桩时,桩尖应锚入基岩,采用人工挖孔桩时,多数情况开挖时宜设护壁。在岩溶地区，由于地表覆盖层下有石芽溶沟，岩体内部有暗河、溶洞，建筑物的地基通常是很不均匀的。上覆土层还常因下部岩溶水的潜蚀作用而塌陷，形成土洞。土洞的塌陷作用常常是突然发生的。土洞出现的地区往往就是地下岩溶发育的区域。根据岩溶发育的特点，岩溶地区可能遇到以下几类地基：1.石芽地基由于地表岩溶作用，石灰岩表层溶沟发育。纵横交错的溶沟之间多残留有锥状或尖棱状的石芽，致使石灰岩基面高低不平，形成石芽地基。石芽间的溶沟常被土充填，因此强度较低，压缩性较高，易引起地基的不均匀沉降而影响建筑物的稳定性。因此，在石芽地基上修建建筑物时，必须查清基岩的埋深、起伏情况、覆盖土层的压缩性及石芽的强度。2.溶洞地基 溶洞地基的稳定性取决于溶洞的规模、埋深及充填情况。当溶洞的规模大、埋深浅、溶洞顶板承受不了建筑物的荷载时，就会使溶洞顶板坍塌、地基失稳。当建筑物地基直接遇到溶洞时，可视溶洞的规模及充填物情况，进行适当处理。规模小，可采用清除或堵塞，或盖板跨越；规模大，则不宜作为建筑物的地基。为了确保溶洞地基的稳定性，必须根据溶洞的规模、溶洞顶板岩层的性质确定洞穴离地面的安全深度，即溶洞顶板的安全厚度。当溶洞埋深大于安全厚度时，地基是稳定的；否则地基不稳定，必须进行处理。实践中，对溶洞顶板安全厚度的确定常采用以下方法：a.对洞顶完整的溶洞，顶板安全厚度采用厚跨比法确定。认为当溶洞顶板厚度h与建筑物跨过溶洞的长度L之比h/L>0.5时，溶洞顶板安全。b.对顶板不完整、洞顶坍塌的溶洞，顶板安全厚度洞顶板坍塌堵塞计算法。所需塌落高度(H)按下式计算：H=H0/(K-1)式中H0——洞体最大高度（m）；K——岩体松散（涨余）系数，石灰岩K=1.2，粘土K=1.05。c.若溶洞顶板不完整，裂隙、节理发育，则可按裂隙节理分布特征采用受力的梁（板）计算弯矩，根据弯矩和岩体应力求洞顶板的厚度。3.土洞地基在覆盖型岩溶地区，可溶岩的上覆土层中常常发育着空洞，一般叫土洞。当土洞顶板在建筑物荷载作用下失去平衡而产生下陷或塌落时，则危及建筑物的安全。因此，凡是岩溶地区有第四纪土层分布的地段，都要注意土洞发育的可能性，应查明土洞的成因、形成条件，土洞的位置、埋深、大小，以及与土洞发育有关的溶洞、溶沟的分布。由于溶洞的形成与地表水和地下水的关系极为密切，土洞的处理首先措施是治水，然后根据具体情况，可采取以下方法处理：a.当土洞埋深较浅时，可采用挖填和梁板跨越；b.对直径较小的深埋土洞，因其稳定性好，危害性小，故可不处理洞体，而仅在洞顶上部采取梁板跨越；c.对直径较大的深埋土洞，可采用顶部钻孔灌砂（砾）或灌碎石混凝土以充填空间。二、渗漏和突水问题地区的岩体中有许多裂隙、管道和溶洞，在进行水库、大坝、隧道、基坑等工由于岩溶程活动时，如存在承压水并有富水优势断裂作为通道，则可能会遇到地下突水而导致基坑、隧道等工程的排水困难甚至淹没，也可能因岩溶渗漏而造成水库无法蓄水。库区应选在地势低洼，四周地下水位较高，上游有大泉出露而下游无大泉出露，上下游流量没有显著差异的河段上，要避免邻区有深谷大河。如果发现库底有渗漏，应根据不同的渗漏形式和特点悬着相应的处理方法。例如对集中型渗漏应以“堵”“截“为主；对分散型渗漏应以”铺“”灌“为主。多数情况下，由于渗漏形式和通道较复杂，需要采取综合处理。1.堵：是处理集中渗漏通道的主要办法。可利用不同的材料堵塞空洞，堵塞材料可因地制宜采用块石、砂、混凝土或粘土等。2..截：系指在地下管道的集中渗水出筑隔水墙截断渗漏通路。3.围：库区有个别大溶洞或反复泉，采用简单的堵法不能见效，可以修筑高烟筒圆形围墙，将其与水库隔离以达到防渗的目的。4.铺：是处理地表呈面状或带状的分散渗漏带的常用办法。库岸斜坡常用混凝土盖板或粘土斜墙。库底则常用粘土铺盖。5.灌：灌入浆液充塞孔洞和裂隙，并使经过灌浆的地带连成一帷幕，以起到防止渗漏的作用，这是防止坝基和绕坝防渗最常用的办法。对岩溶突水的处理，原则上以疏导为主。对隧道中的岩溶水，可用水管引入隧道边沟或中心排水沟排出。水量过大时，可用平行导坑排水。第三章结语及参考文献结语规划工程场地应在满足工程需要尽量避开岩溶发育区。无法避开时,综合考虑工程荷载、重要性、施工工艺,把地基、基础、上部结构作为一个整体,综合运用多种处理方法,扬长避短,以便取得最佳技术、经济效