工程地质学基础讲义第五章岩溶工程地质研究[详细]

1、第五章 岩溶工程地质研究,概 述 碳酸盐岩的溶蚀机理 影响岩溶发育的因素 岩溶区水库渗漏问题 岩溶地基稳定性问题,提 要,第一节 概述,岩溶：水（包括地表水和地下水）对可溶性岩石进行的以化学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。,岩溶现象： 1、形成独特的地貌 大的地貌形态及蚀变：峰丛（溶蚀）；峰林（溶盆）； 溶蚀平原 地表形态 正形态：石林、石笋、峰林、孤峰。 负形态：溶沟、溶孔、溶槽、溶水洞、漏斗、 洼地、溶

2、盆、溶原。 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，流态动态及不均匀性增大等。,孤峰,峰林,峰丛,喀斯特平原,溶隙,溶蚀沟谷,溶 洞,地下暗河,天坑,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。我国碳酸盐分布面积334万Km2 ，约占国土面积的36%。川、黔、桂、湘、鄂等是我国主要的岩溶区。 我国地跨热带、亚热带和温带不同气候区，形成不同气候区独特的岩溶类型及特征。,三、岩溶工程地质研究的意义,岩溶区水库渗漏问题； 岩溶区修建隧道、地下洞库和开采矿产等突水问题； 岩溶地基塌陷问题。,据广西

3、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：,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，近十年间中断车1860小时，颠覆列车3次。,3.地下工程,4.工民建 地基稳定性、塌陷问题 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 1988年5月10日，武昌陆家街地面塌陷

4、，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。,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。 陷坑18个，最大陷坑长63米、深67米；最小陷坑12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。,正在进行路基施工的桂林至梧州市高速公路与桂林市外环高速路段相接处，近期发现大量岩溶塌陷。 这一罕见的岩溶地面塌陷群发生在位于临桂县会仙镇马面村以南约2公里处正在施工的路基。至少有85

5、个塌陷溶洞，分布在2公里长新辟的路基上，直径最小为1米，大至10多米，最浅的为1米，最深的3米多。,几乎所有的塌陷洞内都涌积清澈的地下水，水位埋深13米，可测水深达3米多，不少塌陷洞内可见基岩出露。洞内的水位抽几天都不见下降。经压路机碾压过的泥土路基，陷坑分布密度惊人，仅在1处约100多米长的路段，就发现有32个。在今年4月修路基时就陆续发现塌陷，修涵洞时就遇到过2个溶洞，投了100多立方石头才填满。现在看到的塌陷大部分都经挖掘机车清理，准备填充石料。据了解随着工程施工铺开，近日又新出现了10多个塌陷。,第二节 碳酸盐岩的溶蚀机理,参与岩溶过程的营力及岩溶过程很复杂。主要营力是水,水的侵蚀、溶

6、蚀作用是经常性、缓慢的长期作用过程。 主要作用有溶蚀、侵蚀、重力坍塌、堆积、沉陷等。如地表水侵蚀、剥蚀、堆积；地下水溶蚀、机械潜蚀、堆积、沉陷；重力、气压坍塌、冲爆、吸蚀。,一、溶蚀过程,碳酸盐为难溶盐，溶解度很低，如250C 时，溶解度为14.2mg/L，由于水的化学成分复杂，且随环境条件而变化，使得碳酸盐岩石处于长期、多变、多种溶蚀效应。 涉及三相体系：固、水、气。,主要九个离子平衡体系： CO2，H2CO3，HCO3，CO32，Ca2+，CaHCO3+，CaCO3，H+，OH-,溶蚀过程如下：,上述反应也可表示为离子平衡式：,化简为：,上述表明：CaCO3 在水中溶解的实质是CO32 与

7、H+ 结合生成HCO3 ，因此H+ 的浓度是溶解的关键。天然水中， H+ 浓度很低，故CaCO3 在天然纯水中溶解很少，形成岩溶主要是因为水中含有过量的CO2 ，与水结合电离H+ ，促使CaCO3溶解。任何能在水中产生H+ 的物质均可能使CaCO3溶解。 H+含量多少用PH表示，当PH小于6.36时，具强烈侵蚀性； PH=10以上时，不具侵蚀性。,二、混合溶蚀效应,不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀能力有所增强的效应。 1.两种不同饱和溶液的混合溶蚀效应 指两种或两种以上不同饱和度水溶液，在碳酸盐岩体内相遇，混合后的溶液较原来的溶液溶解性增强。 水的溶蚀能力取决于水中侵蚀CO2的的存在情况，

8、右图中曲线表示平衡CO2与溶解CaCO3的关系。,两溶液的溶解度相差越大，相混合后，侵蚀性越大。实际上，自然界中溶液大都比较接近，相混合一般能再溶解1% - 2%的CaCO3 。,2. 不同温度溶液的混合溶蚀相效应,如果有两种温度不同而饱和度相同的水相混合，或一种水溶液由高温变为低温，都可以加大CO2的溶解度，从而加强溶液的溶蚀能力。这是因为温度由高降低时水对CO2吸收系数增大，以及用于饱和CaCO3所需的平衡CO2减少，多余的CO2转化为游离CO2 。实际上，温度降低同时又限制了溶液中分子的游动和扩散，减缓了溶解反应的速度。 在地质条件特殊的部位，因上述原因，常使岩溶作用较之其他地方强烈。如

9、，地下水面附近；断层交错等地下水下渗流汇合点；河谷岸坡附近；温泉出露点附近等。,三、其他离子的作用,天然地下水中成分较复杂，大致有两类离子：一类是与碳酸盐岩溶解产生的相同离子，如Ca2+ 、Mg2+ 、CO32- 等；另一类是不同的离子，如Na- 、Cl- 、SO42- 等。这些离子对溶液的溶解性都有一定影响，即产生离子效应，如下：,1. 酸效应 任何酸解离出H+ 后，溶液中H+ 浓度增加，H+ 和CO32- 结合生成HCO31- ，从而加速CaCO3 的溶解。如右反应式：,地质上含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。,2. 同离子效应,3. 离子强度效应,加入Ca2+ 或CO32- 等同等离

10、子后，减缓水对碳酸盐的 溶蚀能力。,水中增加与CaCO3不相一致的强电解离子时，它们会以较强的吸引力吸引Ca2+ 及CO32- 离子，从而降低Ca2+ 与CO32-的引力，从而增大水对CaCO3的溶解性。,第三节 影响岩溶发育的因素,凡是影响上述三个条件的因素均是影响岩溶发育的因素。,一、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。,碳酸盐岩三角分类图,不同岩石

11、，其溶解性是不同的，可用两个指标表示：,标准试样：方解石，要求试样尺寸相同，粉碎的粒度大小一样，溶蚀在高浓度CO2的蒸馏水中。 Kr及Kcr越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度也越大。 研究表明： (1) 方解石含量越高CaO/MgO比值越大， Kr及Kcr越大；反之白云石含量越小。 (2) 酸不溶物含量越高， Kr及Kcr越小。,二、气候的影响,气候是岩溶发育的一个重要因素，它直接影响着参与岩溶作用的水的溶蚀能力，控制着岩溶发育的类型、规模和速度。 1. 降水的影响： （1）降水通过空气，尤其是通过土壤渗透补给地下水的过程中所获得的游离CO2, 能够大大加强水对碳酸岩的溶蚀能力。 （2）水是溶

12、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 -30 ，溶于水中的CO2减少一半。 （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10 ，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,如溶蚀速度： 广西：0.12-0.13mm/a ； 湖北：0.06mm/a ； 河北：0.02-0.03m

13、m/a 。,岩溶形态差别： 广西亚热带溶蚀为主，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。,总之，降水量大，气温高的地区，植物繁茂，死亡的植物在土壤中微生物的作用下，能产生大量的CO2及各种有机酸。同时，各种化学反应速度较快。因此，湿热气候区比其他气候区的岩溶发育规模和速度要大。,三、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。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，

14、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。 不同地貌部位上发育的岩溶形态也不相同。 地形地貌所构成的补给区与排泄区的高差越大，距离越短，则地下水循环交替条件越好，岩溶发育强烈，深度也越大。 地形地貌条件还影响小气候及区域气候的变化。,四、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

15、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。,3. 岩层组合特征的影响,可溶碳酸岩与非可溶岩可能在不同地段形成十分复杂的各种组合形式，因而岩石溶蚀性存在显著差异，从而形成复杂的岩溶现象。如下4种类型的组合形式，岩溶发育明显不同。,（1）厚而纯的碳酸盐岩 最有利于岩溶发育，按地下水动力特征剖面上分为四个带： .包气带：多发育

16、垂直岩溶形态，溶蚀通道 间连通性差。 .地下水季节变动带：垂直和水平两个方向岩溶均发育。 .饱水带：有利于形成规模大、连续性好的水平岩溶 .深循环带：由于水循环交替迟缓，岩溶发育很弱。,（2）碳酸盐岩夹非可溶性岩层 由于非可溶岩的存在影响地下水运动，岩溶发育没有（1）充分，不一定具备上述四个分带特点。但也常有岩溶现象发育，其程度因不可溶岩夹层的厚度和夹层多少而不同。 （3）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。 一般岩溶作用较弱，往往因非可溶岩隔水作用，形成局部地下水系统，从而可能形成多层岩溶现象 。 （4）非可溶性岩层夹碳酸盐岩 岩溶发育极弱 非可溶岩隔水作用，地下水循环交

17、替条件很差，岩溶发育极弱。,五、新构造运动的影响,地壳的上升、下降、相对稳定运动的性质、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，从而强烈的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。,地壳较快上升期：侵蚀基准面相对下降，地下水位适应排泄基准面而逐渐下降，侧向岩溶不发育，规模小而少见，分带现象不明显，以垂直形态的岩溶为主。 地壳相对平稳期：侵蚀基准面和地下水面相对稳定，溶蚀作用充分进行，分带现象明显，侧向岩溶规模大，可形成较大规模的水平岩溶和暗河，岩溶地貌较明显典型。 地壳下降期：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。,地壳上升时深成岩

18、溶阶段,地壳稳定时侧向岩溶阶段,地壳再上升时的侧向岩 溶转深成岩溶阶段,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,悬托河：处于地壳上升运动的碳酸盐岩山区，有时发现河谷中的地下水位低于河水位，甚至地下水在河床一下数十米甚至

19、数百米，这种河流叫做悬托河。 悬托河存在的三个条件： （1）具有深厚的碳酸盐岩； （2）地下水向排泄区运动过程中径流通畅； （3）地下水排泄基准面不断下降。,第四节 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 1.按渗漏通道分类,裂隙分散渗漏 管道集中渗漏,3.按渗漏部位分类 绕坝渗漏：坝区 临谷渗漏：库区,2.按库水漏失的特点分类 暂时性渗漏：饱和包气带的洞、隙消耗的水量一旦饱和，渗漏停止。 永久性渗

20、漏：库水不断地通过岩溶通道向下伏河谷、邻谷、低地等处流失。,二、影响水库渗漏的因素 预测水库是否产生渗漏及其严重程度时，应该抓住两个关键： （1） 渗漏通道，即通道的类型、规模、位置、延伸方向及连通性； （2） 水文地质条件，即拟建水库的河流和库水位与地下水位的关系。,1. 岩溶的影响 岩溶的发育程度决定渗漏通道大小，而且又是影响其连通性的重要因素。 一个地区的岩溶在平面分布上具有分带性规律，即岩溶具有不均匀规律，这种现象受控于地层岩性、地质构造、地形地貌和水文地质条件等综合因素，一般来说，质纯易容的灰岩区、褶皱核部、断层和裂隙密集带、可溶岩盐与非可溶岩盐接触带和碳酸盐岩硫化矿床的演化带等位置

21、和分布处，就可能岩溶发育较其他地带更为强烈。 山区岩溶在剖面上具成层性，即不同高程上有多层水平溶洞分布，各层溶洞间有溶隙或规模不大的垂直洞穴所沟通。,2.地质构造的影响 （1） 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。,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

22、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,可将河谷分为补给型、排泄型、悬托型三种类型。,3. 河谷区水文地质特征,库水位与两岸地下水位相对高程关系，直接关乎库水能否向邻谷渗漏，两者关系可概括为如下图各种情况:,1建库前地下水位 2建库后地下水位,图a、b、c、d、e为补给型河谷。建库前地下水补给河水。 a、b、 d三种情况下，建库前地下水位仍高于库水位，不产生渗漏； c、e建库前，库水位高于地下水位，产生渗漏。 图g、f属于排泄型，建库前河水补给地下水，建库后肯定渗漏。 图h是悬托

23、型，天然地下水位位于谷底以下，建库后肯定渗漏。,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。 4. 截渗：在地下岩溶管道的集中漏水处，用混凝土或浆砌石等筑成截水墙，以截断地下水平集中渗流通道。 5. 疏导：由于岩溶洞体循环于水位变动与无水饱

24、气等复杂状态，有时封堵不当，在洪水期水位突然上升情况下，形成较高的水气压力，或下水位下降形成负压，即可能对堵体及洞体产生破坏作用，形成塌陷等，从而加剧渗漏作用。对此，常常还可以采取疏导措施。,自动启闭闸防渗,铺盖,烟囱式调压井,卧管式调压井,第五节 岩溶地基稳定性问题,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。,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 ：覆盖岩溶区，因覆盖层强度较低，不能满足 建筑荷载要求而

25、出现破坏。 3. 地基不均匀沉降：在覆盖型岩溶去，下伏石芽、溶沟、落水洞、漏斗等造成基岩顶面起伏较大，当其上部有性质不同，厚度不等的细粒土分布时，产生不均匀沉降。 4.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。,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，

26、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。,地表塌陷过程示意图,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。,三、

27、岩溶塌陷的分布特征,主要分布岩溶洞穴发育强烈，地下水动态变化很大、上部覆盖厚度较小且性质较松软的地区。 覆盖层厚度较小的地区； 岩溶发育强烈的地区； 在抽排地下水的降落漏斗中心附近； 地表塌陷常沿地下水的主要径流方向； 在接近地下水的排泄区，因地下水位受河；水位变化的影响频繁而强烈； 地形低洼及河谷两岸平缓处易于塌陷。,三、塌陷地基稳定性评价 场地可否产生塌陷，在查明岩溶发育分布特征、覆盖层厚度及荷载作用等条件后，进行稳定性评价。,（1）覆盖型岩溶区 计算模式如右图,极限状态时：Hk=h+Z+D 式中：Hk 极限状态时上覆土层的厚度 h土洞塌陷至天然平衡拱的高度 D基础砌置深度 Z基础底板以下建筑荷载的有效 影响深度,结合岩溶地