10-岩溶工程地质研究

,第十章岩溶工程地质研究,概述岩溶地貌碳酸盐岩的溶蚀机理岩溶发育的条件及一般规律岩溶发育阶段及分带性岩溶地基稳定性问题,第一节概述,一、定义岩溶：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地质作用，以及这种作用所产生的现象的总称。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。,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。,“天坑”是岩溶(又称“喀斯特”)地区地下河运行形成大面积塌陷造成的，它与常说的“岩溶漏斗”不同，岩溶漏斗一般是斜坡，上宽下窄，天坑则是四壁岩石峭立，深度百米至数百米以上，犹如一个巨大无比的“桶”。这个“桶”，口径从近百米至数百米不等，容积从10万立方米至1亿立方米以上。天坑形状奇特，地处僻壤，坑上坑下林木葱郁，如果能进入“桶”底，更觉神奇。天坑在国内外均有发现。我国重庆开隆县、奉节县，四川兴文县，广西乐业县、巴马县等地都先后发现了天坑，当地人分别称其为“石围”、“石院”、”岩湾”、“漩坑”、“龙缸”等，国外说法也不一样，一般称为Greatdoline(大漏斗)。我国有关专家认为称其为“天坑”最确切，故取名为“岩溶天坑”(Karsttiankeng)，简称“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、黥、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。,我国南方地区化学作用为主,地貌景观以石芽、石柱峰丛、峰林,大峡谷,溶洞等为特色。,云台山地处位于河南省修武县,我国北方地区气温低，溶蚀速度要慢很多,水不是参与作用的主要原因，而是以断裂、崩塌等物理因素为主的破坏。,三、岩溶工程地质研究的意义,一方面,岩溶地区形成优美的自然风景.充分利用岩溶洞穴作为地下工程等。另一方面,生态环境脆弱，水旱及地质灾害频繁发生。在该地区进行工程建设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。主要有：岩溶渗漏，引发地区塌陷，造成坑道涌水、突水、滑落。,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。,1.水利水电工程：渗漏、溃坝、诱发地震,3.地下工程涌水、突水、岩溶冒落,4.工民建地基稳定性、塌陷问题,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。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。,上式随CO2含量变化而发生正、逆反应，CO2增多CaCO3溶解增强，CO2减少到一定量，水对CaCO3溶解停止，CO2再减少，则水中溶解的CaCO3再重新沉淀。石灰岩被含有CO2的水溶蚀并带走，这就造成了石灰岩分布区地上地下的侵蚀和破坏作用。而在另外一些地方，又可能因水中CO2含量减少，而使水中的CaCO3发生沉积，这就是喀斯特作用的本质。,水中CO2来源归纳起来有以下几方面：通过大气降水补给来源于土壤层含碳物质的氧化可以生成大量的CO2深部能形成溶洞主要是由于混合溶蚀作用的结果混合溶蚀作用是指两种或两种以上已失去溶蚀能力的饱和碳酸钙水溶液相混合，混合后的水溶液由原先的饱和状态变成不饱和状态，导致CO2释放，从而引起的溶蚀作用,三、岩溶工程地质研究的意义由于岩溶作用的结果，可导致岩体内溶蚀裂隙、溶孔、地下廊道、溶洞的发育，改变了可溶性岩体的结构，岩体的强度及稳定性降低，透水性明显增大，且富含地下水因此岩溶的发育对工程建筑的兴建及使用往往造成不利的条件：对水工建筑的坝基稳定性及坝库渗漏带来严重威胁在岩溶地区修建铁路，也会给铁路带来危害在浅层岩溶发育地区，采矿过程中由于坑道突水以及抽排地下水能引起地面陷塌，常使地面建筑物开裂，变形破坏岩溶与工程建设事业关系非常密切，对建筑物的稳定性、正常使用条件、施工方法及修建日期和造价都有很大影响,岩溶水：,赋存并运移于岩溶化岩层中的水，称为岩溶水（喀斯特水）研究岩溶水的意义：供水水源，水量丰富；水量丰富的岩溶含水系统是理想的供水水源。旅游资源：岩溶区的奇峰异洞与大泉，是宝贵旅游资源。如桂林山水；岩溶充水威胁采矿安全、增大采矿成本。水量大，分布不均匀。蓄水、引水工程的渗漏。易于发生渗漏的岩溶化岩层则给修建水利工程带来复杂的问题。我国可溶岩分布约占全国面积的三分之一，岩溶及岩溶水的研究具有很大的实际意义。,第三节岩溶发育的条件及一般规律,凡是影响上述三个条件的因素均是影响岩溶发育的因素。,二、影响岩溶发育的主要因素,（一）碳酸盐类岩石的成分结构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、矿物成分及结构可溶性岩石：碳酸盐类岩石（石灰岩、白云岩、白云质灰岩等）；硫酸盐类岩石（石膏、硬石膏）；盐岩（含钠的岩盐和含钾的光卤石）溶解度：卤盐硫酸盐碳酸盐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,（一）碳酸盐类岩石的成分结构碳酸盐岩石的结构特征由颗粒、泥晶基质、亮晶胶结物及孔隙四个结构组分的相对含量和相互关决定按每个组分的相对比例，可分为三种结构-成固类型：亮晶粒屑碳酸盐岩、泥晶粒屑碳酸盐岩及泥晶碳酸盐类亮晶粒屑碳酸盐岩具有高孔隙率和渗透率，有利于地下水的流动和岩溶发育，此类结构的石灰岩岩溶化程度最高泥晶碳酸盐岩，因晶内和粒间孔隙率较小，阻碍岩溶发育速度，岩溶化最弱,（一）碳酸盐类岩石的成分结构产状及厚度也影响岩溶的发育：产状平缓，地下水多沿层面裂隙运动，容易发育暗河和水平溶洞岩层产状陡，岩溶容易向深度发育巨厚的可溶性岩层，地下水运动及岩溶发育可以进行得很深，岩溶发育规模也较大厚度不大，底部被非可溶性岩层隔断，地下水运动受阻，岩溶发育只能到达非可溶岩层表面，只能发育小规模的浅层岩溶,（二）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。一般张性断裂和张扭性断裂，由于断裂带张裂程度大、裂隙率高，宽度变化大，最利于岩溶发育压性断层带岩溶发育较差,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。,（三）地下水径流条件的影响,地下水的运动条件及其交替的强度，是岩溶发育的主要原因之一。（一）垂直分带在厚层裸露石灰岩分布区，局部的侵蚀基准面控制着地下水的流动状况，在垂直剖面上，从地表向下，可以划分为四个带：,垂直渗入带：位于地表以下，最高水位以上，平时无水，只有降水时有水渗入，水主要是沿着斜向或垂直的裂隙或层面向下渗流。地下水主要是以垂直形态为主，常形成垂向分布的溶斗、落水洞及竖井等。,地下水位季节变动带：位于高水位与低水位之间。地下水既有水平循环也有垂直流动，但以水平流动为主。由于水动力条件有利，因而岩溶作用最为强烈。往往发育着成层的水平及垂直溶洞及暗河系统。本带厚度取决于地区的潜水位变化幅度，由几米到几十米。,水平流动带：位于最低水位以下，经常处于饱水状态，常年有水向局部侵蚀基准面排泄，多发育互相连通的水平方向的溶蚀通道。河谷附近的岩溶通道往往指向河谷，表现出局部承压现象。,深层缓流带：在水平流动带之下，不受当地水文网影响，地下水主要是流向远处的排水区，其流动方向决定于地质构造及大的地貌特征。此带水的循环交替极为缓慢，岩溶发育程度微弱，以溶孔和溶蚀裂隙为主,（二）水平分带厚层裸露石灰岩分布区，岩溶发育除了垂直分带，还有水平分带：,河流中上游及远离河谷的分水岭地区，地势较为高峻。降水入渗后作垂直运动，多发育垂直岩溶，如漏斗、落水洞、溶蚀竖井等。地表多呈峰林地形。到达地下水面以后，水流作水平运动，形成水平溶洞。由于水流分散且不经常存在，故岩溶发育较弱，溶蚀通道相互连通性较差，形成较为孤立的水流，常缺乏统一的地下水面，但地下水面总的倾向于河谷及下游。接近河流下游及河谷地带，以发育水平岩溶为主，水流集中而经常，溶蚀作用强烈，由于洞穴扩大导致坍塌，多出现溶蚀洼地、孤峰等。地下多形成暗河，有统一地下水面，水位线，岩溶泉在此集中排泄。,（三）地下水径流条件的影响,（四）气候的影响,1.降水的影响：（1）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。（2）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.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200-300C，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100C，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：岩溶不发育不同气候条件下，岩溶速度、形态、类型都明显不同,如溶蚀速度：广西：0.12-0.13mm/a；湖北：0.06mm/a；河北：0.02-0.03mm/a。,岩溶形态差别：广西副热带溶蚀为主，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。,（五）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。例如：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。不同地貌条件，因其垂直入渗带埋深和水平径流程度的不同，垂直岩溶形态及水平岩溶形态的明显差别。地形高差大大影响地下水补、排条件，影响岩溶发育的深度。,第四节岩溶地貌,由于岩溶作用的结果，可导致岩体内溶蚀裂隙、溶孔、地下廊道、溶洞的发育，改变了可溶性岩体的结构，岩体的强度及稳定性降低，透水性明显增大，且富含地下水因此岩溶的发育对工程建筑的兴建及使用往往造成不利的条件地下水与地表水对可溶性岩石溶蚀与沉淀、侵蚀与沉积，以及重力崩塌、塌陷、堆积等作用形成的地貌。,岩溶地貌发育的阶段性早期：以地表形貌为主；中期：以地下形貌为主，有完整的地下水系；晚期：地下形貌不断破坏，地下水系向地表水系转化；末期：地下水系全部转化为地表水系，喀斯特平原形成。,常见的岩溶地貌景观常见的造景地貌：石林、石芽、峰丛、孤峰、天生桥、地下河、喀斯特泉、喀斯特湖、溶洞及石钟乳、石笋、石柱、石幔等各种洞穴堆积地貌。,地表岩溶风景有多种形态，如石芽、石沟、园洼地、岩溶盆地、溶斗、落水洞、峰林、峰丛、孤峰、天生桥石林等等。,峰林、峰丛和孤峰其中顶部分离、峰基相连者称峰丛，分隔孤立者为峰林。孤峰是耸立在岩溶平原上孤立低矮的石灰岩山峰，如桂林的独秀峰、伏波岩等。,石幔渗流水中碳酸钙沿溶洞壁或倾斜的洞顶向下沉淀成层状堆积而成,因形如布幔而得名,又称石帘、石帷幕。,黄龙-边石堤,我国岩溶地貌突出代表有：广西桂林、云南路南石林、江苏宜兴三洞（善卷洞、张公洞、灵谷洞）、浙江桐庐瑶琳仙境、湖北利川腾龙洞、四川兴文溶洞、贵州安顺织金洞及龙宫洞、辽宁本溪水旱两洞、广东肇庆七星岩、四川黄龙等等。,本溪水洞,桂林岩溶地貌,桂林岩溶,桂林岩溶,第五节岩溶发育阶段,岩溶是一种缓慢的地质作用，是在漫长的地质年代中发育形成，发育过程必然有阶段性地貌学把岩溶发育阶段分为：幼年期、青年期、中年期、老年期从工程地质角度更关心的是地下岩溶的发育阶段地下岩溶的发育阶段受地壳运动控制，地壳稳定时期的长短对岩溶发育关系很大当地壳长期稳定时，岩溶发育完整，可从溶蚀裂隙发展到溶洞体系,地下岩溶发育过程大致可分为三个方面：（1）溶蚀裂隙发育阶段（2）溶洞形成及扩大阶段（3）溶洞体系形成阶段当地壳运动上升，地下水面降低，原来的水平溶洞脱离地下水面而停止发育，完成了一个岩溶发育过程在新的基准面条件下，开始新的岩溶发育阶段地壳上升时期以发育垂直岩溶位置，地壳稳定时期，发育水平岩溶；地壳上升速度快，幅度大时，岩溶来不及发育或不能充分发育地壳稳定时间越长，则地下水平通道发展的规模越大,第六节岩溶地基稳定性问题,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：或不均匀塌陷：覆盖岩溶区，因