岩溶工程—地下水知识下

1、1 褶皱的形态、性质及展布方向，控制着可 溶盐岩及岩溶的空间分布。如溶蚀洼地的 长轴、溶洞和暗河的延伸方向常与褶皱轴 向或翼部岩层的走向一致。 2 褶皱开阔平缓时，碳酸盐岩在地表的分布 较广泛，岩溶较为发育，分布亦较广泛； 在紧密褶皱区，可溶盐岩与非可溶盐岩相 间分布，地表侵蚀与溶蚀地貌景观亦呈相 间分布，地下洞穴系统横向发展受限，岩 溶主要沿岩层走向发育。 3 3.岩层组合特征的影响 碳酸盐岩与非可溶盐岩的组合特点不同， 就会形成各具特色的水文地质结构，从而 控制岩溶的发育和空间分布。大致可以分 为以下4种。 4 （1）厚而纯的碳酸盐岩 当碳酸盐岩厚达百米以上时，在剖面上常 形成按地下水动力

2、特征及其相应岩溶发育 的垂直分带现象（图9-3）。 这是对岩溶发育最为有利的情况。常形成 规模大、延展较深的洞穴。其中岩溶作用 最强烈的地方是季节变化带（II）和饱水带 的水平循环亚带（IIIa）。 图9-3 厚而纯的碳酸盐岩区岩溶水动力分带 I-包气带；II-水位季节变化带；III-受河流排泄影响的饱水带；IV-深循环带；图 中箭头示地下水流向 6 （2）非可溶岩夹碳酸盐岩 砂页岩中夹少量碳酸盐岩属于这一类型。 因砂页岩透水性差，可构成相对隔水层， 所夹灰岩中地下水的循环交替条件很差， 因而岩溶发育极弱。 7 （3）碳酸盐岩夹非可溶岩 由于非可溶岩的存在影响地下水的运动， 在剖面上地下水的动

3、力分带及岩溶发育不 如（1）类充分，但较其他类型的岩溶发育。 在碳酸盐岩与下伏非可溶岩交界面附近， 由于后者的隔水作用，岩溶发育强烈。 8 （4）碳酸盐岩与非可溶岩互层 因非可溶岩层次较多，可形成多层含水层 的水动力剖面，每一稳定的非可溶岩层构 成相对隔水层，并起局部溶蚀基准面的作 用。因而在平缓岩层区，岩溶虽不大发育， 但在同一地质时期中可形成多层洞穴。 若将这种洞穴与侵蚀地貌进行高程对比时 应予注意。 9 五、新构造运动的影响 地壳的升降运动关系对岩溶作用影响最大。 基本形式：上升、下降、相对稳定 五、新构造运动的影响 10 1.相对稳定 局部排泄基准面与地下水面的位置较固定，有利 于水对

4、碳酸盐岩长时间进行溶蚀作用 地下水动力分带现象及剖面上岩溶垂直分带现象 都明显，有利于侧向岩溶作用，岩溶形态的规模 较大。 地表形成溶原、溶洼及峰林地形 地下各种岩溶通道十分发育，尤其在地下水面附 近，可形成连通性较好、规模巨大的水平溶洞和 暗河。当地壳相对稳定的时间愈长，则地表与地 下岩溶愈强烈。 五、新构造运动的影响 11 贵州茂兰典型的峰丛溶原 12桂林孤峰溶蚀平原溶蚀平原 13 公路边，2号溶蚀洼地 14 2.地壳上升 地壳上升，侵蚀基准面相对下降,地下水 位相应下降。 虽然地下水的径流排泄条件较好，但因 地下水位不断下降，侧向岩溶作用较弱 水平溶洞和暗河不发育，而以垂直形态 的岩溶（

5、溶隙、垂直管道）为主，岩溶 作用的深度虽较大，但其差异性和岩溶 空间分布的不均匀性都不显著。 五、新构造运动的影响 15 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 地下水位在河床以下数十米至数百米，这 种河流叫做悬托河。 五、新构造运动的影响 16 悬托河的基本条件 形成悬托河的基本条件： 具深厚的碳酸盐岩； 地下水向排泄区运动过程中径流通畅； 地下水排泄基准面不断下降。 黄河：河水位高于地面 五、新构造运动的影响 17 3.地壳下降 地下水的循环交替条件减弱，岩溶作用减 弱。 当地壳下降幅度较大时，已经形成的岩溶 可能被新的沉积物所覆盖，成为隐伏岩溶

6、 1.覆盖层厚度数米至数十米者为覆盖型岩溶 2.覆盖层厚度数十米至数百米时为掩埋型岩溶。 五、新构造运动的影响 18 4.组合运动 间歇性上升 当地壳处于间歇性上升，即上升稳定再 上升再稳定的地区，就会形成水平溶洞成 层分布 各层溶洞高差愈大，则地壳相对上升的幅度 愈大 水平溶洞的规模愈大，则地壳相对稳定的时 间愈长 这种类型在山区比较常见，并可形成裸露型 岩溶 五、新构造运动的影响 （a）地壳上升时，深成岩溶 阶段 （b）地壳稳定时，侧向岩溶 阶段 （c）地壳再上升时，侧向岩 溶转深成岩溶阶段 岩溶发育阶段示意图 五、新构造运动的影响 20 4.组合运动 振荡性升降 岩溶作用由强到弱，由弱到

7、强反复进行，以垂 直形态的岩溶为主，水平溶洞规模不大，且其 成层性不显。 间歇性下降 岩溶多被埋藏于地下，其规模虽不大，但具成 层性，洞穴中常有松散物充填 多见于平原或大型盆地区，并能形成覆盖型或 掩埋型岩溶 五、新构造运动的影响 21 4 岩溶区水库渗漏问题 碳酸盐岩经岩溶作用后，形成各种复杂的 洞穴管道系统，致使岩体水文地质条件更 趋复杂，透水性加大且不均一。在这种地 区兴建水利水电工程时，由于渗漏量较大， 常使水库不能正常蓄水兴利，甚至干涸无 水。因此，岩溶渗漏是水利水电工程中的 主要工程地质问题之一。 22 大流量、高流速渗漏精确探测及堵漏是关 系水库岩溶渗漏处理成败的关键 猫跳河四级

8、水电站深岩溶渗漏精确探测 引子渡水电站厂房基坑大流量高流速涌水 溶洞精确探测和防渗堵漏处理等 23 24 25 澧水三江口水电枢纽 澧水三江口水电枢纽大坝建在覆盖型强岩 溶地基上，是我国首次采用T型墩消力池的 工程 大坝建成后，坝基岩溶渗漏严重，采用了 特殊的动水条件下灌浆堵漏技术工艺，成 功地解决了该坝的岩溶堵漏问题，现工程 运行良好。 26 27 一、渗漏的形式 1按渗漏通道分类 （1）裂隙分散渗漏 库水通过溶隙或顺层面渗 漏 （2）管道集中渗漏 库水通过岩溶管道系统集 中渗漏，渗漏量较大 28 一、渗漏的形式 2按库水漏失的特点分类 （1）暂时性渗漏 库水饱和库底包气带的岩溶 洞穴和裂隙

9、所消耗的水量。洞穴、裂隙饱水后 渗漏停止。库水贮藏于岩体空隙中，不造成水 量的损失。 （2）永久性渗漏 库水通过岩溶化岩体流向本 河下游、邻谷、低地及干流等处，造成库水的 损失，叫做永久性渗漏。是工程质研究重点。 29 坝区库水通过坝基及绕坝肩向本河流坝后渗漏 库区通过库岸经河间地块向邻谷、低地或干流 渗漏， 通过库岸经河弯地段向本河下游渗漏 在悬托河谷区，库水通过库底垂直渗流，至地 下水面后向本河下游或更远的区域性排泄区 （如干流）渗漏 水库永久渗漏的形式 31 二、影响水库渗漏的因素 影响水库渗漏的因素很多 地形地貌 地层岩性 地质构造 岩溶发育程度 水文地质条件 在预测水库是否产生渗漏及

10、其严重程度时， 应抓住反映渗漏问题的两个关键 ： 32 二、影响水库渗漏的因素 渗漏通道分析（必要条件） 查明通道的类型（洞穴、裂隙、孔隙、断层破碎 带）、规模、位置、延伸方向和连通性，其中自 库水入渗段至可能渗漏的排泄区之间渗漏通道的 规模和连通性，对水库渗漏的影响最大 33 二、影响水库渗漏的因素 水文地质条件研究（充分条件） 核心：分析拟建水库的河流和库水位与地下水位的关 系 只要河间地块或河弯地段的地下水分水岭高于设计库 水位，即便岩体中渗漏通道规模较大，连通性较好， 也不会向邻谷或经河弯地段向本河下游产生永久性渗 漏。 查明地下水分水岭高程与河水位及库水位的关系，是 分析水库渗漏的本

11、质和关键，它是水库渗漏的充分条 件。 34 1岩溶的影响 岩溶发育程度是决定渗漏通道大小的根本 因素。 当以溶隙、溶孔为主时，对渗漏的影响不 大； 当岩溶发育强烈，分布广泛，深度较大， 又有大型溶洞及地下暗河存在时，一旦渗 漏，其量很大，常常影响工程的正常使用。 35 岩溶发育程度 是影响渗透通道连通性的重要因素 岩溶作用初期，以孤立的溶隙和管道为主， 不易形成渗漏通道 强烈发育时，各种洞穴相互连通 36 岩溶发育的不均匀性 地区岩溶发育不均匀性受控于 地层岩性 地质构造 地形地貌 水文地质条件等 一般规律： 37 2地质构造的影响 地质构造决定渗漏通道的连通性 褶皱和断层对碳酸盐岩空间分布有

12、影响 从宏观上分析地质构造对岩溶渗漏通道连 通性的影响 向斜谷隔水层的阻水作用 1-岩溶化灰岩；2-页岩；3-砂岩；4-水位 背斜谷对水库渗漏的影响 岩层倾角平缓可能渗漏 岩层倾角较陡不可能渗漏 横向谷中选坝时隔水层的利用 1-厚层灰岩；2-薄层灰岩；3-页岩；4-断层；5-河流流向 断层与可能渗漏通道的关系 42 岩浆岩切断可能的渗漏通道 43 3.河谷区水文地质特征的影响 建库河流的河水位及库水位与河谷两岸地 下水位及邻谷河水位的组合关系不同，可 构成水文地质特征各异的河谷类型 可将河谷分为： 补给型 排泄型 悬托型 补给型 ： 建库 前两岸地下水及 邻谷河水均补给 建库河流a、b、 c、

13、d、e 排泄型 ：建库前 河水补给地下水， 建库后肯定会产 生库水永久渗漏 f、g 悬托型 ：将沿整 个库底产生垂直 渗漏，这是渗漏 最为严重的类型， 尽量避免在这种 河谷中修坝建库 45 三、岩溶渗漏的防治 原则 降低岩体的透水性，堵截渗漏通道 合理导水导气 具体措施 1.灌浆 2.铺盖 3.堵洞 4.截渗 5.疏导 46 1灌浆 借助钻孔向地下渗漏通道灌注水泥、沥青 或粘土浆液，充填岩体中的裂隙及洞穴， 形成灌浆帷幕，以降低岩体的透水性。此 法适于溶隙及规模较小的洞穴，且岩溶发 育深度较大的河段。 47 2铺盖 在坝上游或库盆内用透水性较小的粘性 土或混凝土填筑成人工铺盖，以处理地表 附近

14、面积较大的分散性渗漏通道。它适用 于地表岩溶不发育，而以溶隙、数量较多 的小洞穴为主的地段。 48 3堵洞 用块石、砂、混凝土、粘性土等材料，堵 塞地表规模较大的岩溶洞穴，如井状落水 洞、漏斗等。这是处理地表岩溶集中渗漏 的有效措施。 49 4截渗 在地下岩溶管道的集中漏水处，用混凝土 或浆砌块石等筑成截水墙，以截断地下水 平集中渗流通道。 50 5疏导 (1) 条件 库区岩溶十分发育 落水洞与暗河互相沟通 洞中地下水位变幅较大 有时在库底有反复泉出露时 不宜随意堵塞洞穴 51 5疏导 (2) 原因 洪水期地下水位上升，可能形成较高的水、气 压力，因高压水气的冲爆作用破坏堵体，或形 成新的洞穴

15、和塌陷 枯水期地下水位下降，在被堵塞或天然封闭条 件较好的洞穴中，可能形成负压，因“真空吸 蚀”作用也会破坏堵体或形成新的洞穴或塌陷。 这两种作用都会加剧水库的渗漏。 52 5疏导 (3)解决方案 a.自动启闭闸门 b.烟囱式调压井 c.卧管式调压井 自动启闭闸防渗库水较 深的岩溶洞穴上修建 烟囱式调压井 库水较浅的岩溶洞 穴上修建 卧管式调压井 当岩溶洞穴位于库岸时 56 5 岩溶地基稳定问题 一、岩溶地基变形破坏的主要形式 （1）地基承载力不足 （2）地基不均匀沉降 （3）地基滑动 （4）地表塌陷 57 岩溶塌陷 岩溶洞隙发育强烈，宽大开口的溶隙、溶 沟和溶槽不仅为塌陷物质提供了一部分空

16、洞，而且可以形成为塌陷物质向地下洞穴 空间运移的通道； 第四系盖层薄，粘结力低，地下水埋藏浅， 径流排泄条件好； 大量反复抽取地下水 58 59 60 （1）地基承载力不足 在覆盖型岩溶区，上覆松软土强度较低， 或建筑荷载过大，使地基发生剪切破坏， 进而导致建筑物的变形和破坏。 61 （2）地基不均匀沉降 在覆盖型岩溶区，下伏石芽、溶沟、落水 洞、漏斗等造成基岩顶面的较大起伏，当 其上部有性质不同、厚度不等的细粒土分 布时，在建筑物附加荷载作用下，产生地 基不均匀沉降，从而导致建筑物的倾斜、 开裂、倾倒及破坏。 62 （3）地基滑动 在裸露型岩溶区，当基础砌置在溶沟、落 水洞、漏斗附近时，有可

17、能使基础沿岩体 中倾向临空的软弱结构面产生滑动，进而 引起建筑物的破坏。 63 （4）地表塌陷 在地基主要受压层范围内，如有溶洞、暗 河、土洞等时，在自然条件下，或因人工 抽汲地下水等而引起水位大幅度下降，产 生洞顶坍塌，引起地面沉陷、开裂 64 二、地表塌陷的成因及分布特征 1地表塌陷的成因 潜蚀 真空吸蚀 高压水气的冲爆 重力 振动 建筑荷载 溶蚀作用 65 二、地表塌陷的成因及分布特征 2地表塌陷的分布特征 （1）当覆盖层厚度较小时，地表塌陷比厚度大时要严 重。 一般来说，覆盖层厚度小于10m者塌陷严重，厚度大于 30m者塌陷极少。覆盖层一般为内聚力较弱的土层。 （2）地表塌陷多发生在岩

18、溶发育强烈的地区 如在断裂带附近、褶皱核部、硫化矿床的氧化带、非可 溶盐岩与碳酸盐岩接触部位等 （3）在抽、排地下水的降落漏斗中心附近，地表塌陷 最为密集。 66 二、地表塌陷的成因及分布特征 2地表塌陷的分布特征 （4）地表塌陷常沿地下水的主要径流方向分布。 （5）在接近地下水的排泄区，因地下水位变化 受河水位变化的影响频繁而强烈，故地表塌陷 亦较强烈。 （6）在地形低洼及河谷两岸平缓处易于塌陷。 67 二、地表塌陷的成因及分布特征 3.地表塌陷的分布特征总结 岩溶洞穴发育强烈 地下水动态变化很大 上部覆盖层厚度较小且性质较松软的地区 68 三、岩溶地基稳定性评价 1覆盖型岩溶区 （1）评价

19、模型 ：在评价覆盖型岩溶地基稳定 性时与一般地基不同，需同时考虑上部建筑荷 载和土洞的共同作用 （2）土洞高度预测 (1)评价模型 极限方程式： Hk =h +z +D Hk为极限状态时上覆土层 的厚度； h为土洞高度； D为基础砌置深度 z为基础底板以下建筑荷载 的有效影响深度，一般以 压缩层厚度表示 覆盖型岩溶地基稳定性分析图 （2）土洞高度预测 平衡拱理论 设土洞发育在开敞型岩溶洞穴顶部，岩洞洞壁稳定，洞口宽度为2b。据 MM普罗托加科诺夫理论，可得土洞坍塌至天然平衡拱时的拱高h，即 土洞高度为 H=b/f 无粘性土时， f=tg 粘性土时， f=(rtg+C)/ r 式中：b为岩洞洞顶

20、宽度之半；f为土的坚固性系数；为土的内摩擦角；C为 土的内聚力；r为压应力。 71 三、岩溶地基稳定性评价 2裸露型岩溶区 （1）概况 裸露的碳酸盐岩中有埋深不大的隐伏洞穴（如 溶洞等）时，地基稳定性的评价实际上是评价 溶洞顶板稳定性问题。它与岩性、岩体结构， 溶洞形态、大小、洞内充填情况、顶板厚度、 水文地质条件、建筑荷载的特点有关 72 三、岩溶地基稳定性评价 2.裸露型岩溶区 （2）计算公式，设h1为洞顶以上塌陷高度 V1K= V0 + V1 V1=V0/(K-1) h1=h0 /(K-1) 式中：V0为洞穴原体积；V1为可能坍塌的岩体 体积；K为岩石的涨余系数，石灰岩一般为1.2； h

21、0为原洞穴高度。 73 四、岩溶地基的处理措施 1.挖填 当洞穴埋藏不深时，可挖除洞中松软充填物， 回填碎石、灰土、混凝土等，以增强地基强度 当基础下溶洞埋藏不深时，其顶板又不稳定时， 可炸开顶板，挖出充填物，回填素填土，以调 整地基变形 当粘性土地基局部有石芽突出时，可将石芽凿 去，回填素土，以调整地基变形 74 四、岩溶地基的处理措施 2.跨盖 当基础下有小溶洞、溶沟、落水洞时 用钢筋混凝土梁桥跨越 用刚性大的平板基础覆盖，支承点放在稳定性 较好的岩石上 调整柱形基础的柱距 75 四、岩溶地基的处理措施 3.灌注加固 当洞穴埋藏较深时，可通过钻孔灌注水泥砂浆、 混凝土、沥青等，以堵填洞穴、

22、溶隙，提高其 强度 76 四、岩溶地基的处理措施 4.桩基 当基岩顶面起伏不平，上覆土层性质软弱，厚 度又较大时，可用桩基处理，以调节地基沉降 和强度的不均匀性 77 四、岩溶地基的处理措施 5.合理疏导水气 对水气的处理不能盲目填堵，应视举一反三情 况合理疏导 原则：避免真空腔的形成 措施： 保持岩溶水的承压状态 不快速集中抽取地下水 补气法破坏真空状态 78 四、岩溶地基的处理措施 6.绕避 对已查明的洞穴系统或巨大的溶洞和暗河分布 区，其稳定条件又很差时，在布置建筑物时宜 绕避，重新选择地质条件良好的场地 79 四、岩溶地基的处理措施 7. 强夯 覆盖型岩溶区上覆松软土，通过强夯法使其压

23、 缩性降低，强度提高，能减少或避免土洞及塌 陷的形成。 当土层中存在隐伏洞穴时，可用强夯法将其破 坏，以消除隐患，达到事先处理的目的。 80 岩溶岩溶地区填石路堤的修筑、加固和检 测技术研究 81 6 岩溶区环境地质问题 石漠化即喀斯特荒漠化或石化，与我国西北一带沙漠化现 状相似，是土地劣化演变的极端形式之一。 广西和贵州等地原本就有大面积的碳酸岩分布，又由于不 断地开荒种地，破坏了原有植被，需千万年才能形成的瘠 薄土层经风吹雨打迅速流失，最后地表只剩下不能种任何 植物的石块。 我国西部石漠化速度相当快，其中广西碳酸岩占全区土地 总面积的378，石漠化以每年36的速度递增。 石山地区不但形成“

24、山光人穷，穷山恶水”的恶性循环， 且由于土壤稀薄、缺水易旱，也是造林绿化中最难啃的 “硬骨头”。 82 石从成因来说，导致石漠化的主要因素是人为活 动。 由于长期以来自然植被不断遭到破坏，大面积的 陡坡开荒，造成地表裸露，加上喀斯特石山区土 层薄，基岩出露浅，暴雨冲刷力强，大量的水土 流失后岩石逐渐凸现裸露，呈现出“石漠化”现 象，并且随着时间的推移，“石漠化”的程度和 面积也在不断加深和发展。“ 83 石漠化”发展最直接的后果就是土地资源的丧失。 又由于石漠化地区缺少植被，不能涵养水源，往往伴随着 严重人畜饮水困难。 水土资源不断流失后呈现的“石漠化”现象，不仅恶化了 农业生产条件和生态环境

25、，而且将使群众失去赖以生存的 基本条件，许多地方不得不考虑“生态移民”， 类似贵州省的麻山地区就是较为典型的例子。据调查统计， 贵州全省喀斯特石漠化山区由于生态恶化已不具备生存条 件而需要移民搬迁的还有约45万人，目前正采取措施逐步 进行移民搬迁。 84 石漠化 定义： 石漠化是一种退化土地或土地退化现象 石漠化是一种土地退化过程,所形成的土地称为 石漠化土地 喀斯特石漠化是土地荒漠化的主要类型,以脆弱的 生态地质环境为基础,以强烈的人类活动为驱动力, 以土地生产力退化为本质,以出现类似荒 漠景观为标志 85 类型划分 石漠化地区：基岩裸露，或岩石裸露所占 面积达70%以上的地带 无明显石漠化

26、区：裸露的碳酸盐岩面积小 于50%的地区 86 从地表形态根据基岩裸露面积、土被面积、坡度、 植被加土被面积、平均土厚将石漠化强度分为： 无明显石漠化 潜在石漠化 轻度石漠化 中度石漠化 强度石漠化 极强度石漠化 87 建立监测区 监测范围涉及湖北、湖南、广东、广西、 贵州、云南、重庆、四川八省(自治区、直 辖市)的460个县(市、区),监测区总面积 107.14万平方公里,监测区内岩溶面积为 45.10万平方公里 88 分布统计 贵州省石漠化面积达331.6万公顷,占石漠化总面积的25.6% 其后依次为云南288.1万公顷 广西237.9万公顷 湖南147.9万公顷 湖北112.5万公顷 重

27、庆92.6万公顷 四川77.5万公顷 广东8.1万公顷 分别占石漠化总面积的22.2%、18.4%、11.4%、8.7%、 7.1%、6.0%和0.6% 89 贵州石漠化简介 贵州省轻度以上石漠化面积为35920平方公里，占国土面积的20.39%。 其中，轻度石漠化面积22733平方公里，中度石漠化面积10518平方公 里，强度石漠化面积2669平方公里。另外，尚有43714平方公里的土 地有潜在石漠化趋势。 从石漠化在县级行政单元的分布来看，除赤水、榕江、从江、雷山、 剑河5县（市）无明显石漠化外，其余都有明显的石漠化现象。 从空间分布看，石漠化土地多集中分布在喀斯特发育的南部和西部， 以六

28、盘水、黔西南、黔南、安顺、毕节所占面积最多，呈现出南部重 北部轻，西部重东部轻的特点。以县级行政单元分，石漠化面积；占 国土面积40%以上的有9个县，小于10%的17个县，其余均在10%-40% 之间。在贵州50个扶贫开发重点县中，石漠化面积占国土面积20以 上的有30个县，而且凡是石漠化严重的地方，都是贵州最为贫困的地 方。 90 2008年3月16日，在贵州省惠水县摆金镇雾空村村民耕种石漠化的土地。喀斯特石漠 化是贵州广大山区普遍存在的水土流失典型现象，目前，国家和有关部委首批共投 入760.29亿元基金进行石漠化防治工作。 91 贵州省石山地区石漠化综合治理规划经 贵州省政府批准正式开始实施，计划用45 年时间，完成石漠化综合防治面积333.45万 公顷，综合治理面积367.72公顷。 图为贵州省惠水县摆金镇雾空村村民在石漠 化土地里春种 92 93 黔西南布依族苗族自治州贞丰县北盘江镇 是贵州有名的高温岩山地带，是我国西部 地区强度石漠化较为严重的地区之一，其 中顶坛片区的极强度石漠化占总面积的80% 以上，95%的面积是石旮旯。恶劣的环境、 贫瘠的土地、水资源的严重短缺，使这里 的农业生产条件几乎丧尽，农民只能在石 缝中进行原始耕作。 94 石漠化让当地石头越来越大，路子越来越窄，收