水文地质学基础：第十三章 岩溶水

1、第十三章 岩溶水第一节 岩溶发育基本条件和影响因素第二节 岩溶含水介质的演化和分带性第三节 岩溶水的特征第四节 我国岩溶充水矿井主要水文地质问题主要内容岩溶对大多数人来说都不陌生，岩溶现象对许多人来说是很神密的（含部分专业人员），岩溶现象的壮观奇特，岩溶水的神出鬼末，有着积极的一面： 济南泉城世界著名：蕴育滋养了该城文明与发展 山西自北向南沿太行山脉的名泉：晋祠泉，娘子关泉，洪山泉，郭庄泉，广胜寺胜泉，龙子祠泉，是山西盆地的工农业发展的主要支柱 广西桂林山水甲天下，奇特岩溶景观 云南的路南石林，壮观与气势，让游人流涟忘返山水甲天下的桂林 九马山 烟雨漓江 塔山 象鼻山 岩溶水的奇特又使人无可奈

2、何消极不利 华北的大多数煤层，下伏O2灰岩水承压水头之高，带来开采风险巨大 云南、广西、贵州省岩溶山区，岩溶水位极低，缺水严重，阻碍发展，生活赤贫现象 岩溶区的库水渗漏，处理困难在基本建设中，地下施工，燧道施工困难重重云南石林岩溶（喀斯特）-水流与可溶岩石（主要是石灰岩、白云岩及其他可溶性盐类岩石）相互作用（淋漓、冲刷、溶蚀）的过程以及由此产生的地表地下地质现象组合。属于一种综合地质作用。岩溶作用-化学溶解、沉淀、水流冲蚀、重力崩塌、生物溶蚀、机械破坏与沉积典型岩溶地貌-地表：石林、孤峰、落水洞、波立谷等（根据岩溶发育的位置） 地下：溶孔、溶洞、暗河等。岩溶水（喀斯特水）：赋存和运移在岩溶化地

3、层中的地下水。 空间上分布集中，时间分布不均匀，变化迅速， 水质淡，易污染。基本概念岩溶形态示意图 1石林；2溶沟；3漏斗；4落水洞；5溶洞；6暗河；7钟乳石；8石笋石钟乳、石笋和石柱生成示意图第一节 岩溶发育基本条件和影响因素一、岩溶发育的基本条件发育的基本条件 （水与岩土两大类） 1、岩石的可溶性 可溶岩的成分与结构是控制岩溶发育的内因溶解度：卤盐硫酸盐碳酸盐碳酸盐岩：灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩； 结构：豹皮灰岩，生物碎屑灰岩，厚层状，薄层状 2、岩石的透水性裂隙发育（初始裂隙）岩溶系统 断层发育决定了溶洞形成 如，云南丘北六郎河有三条规模巨大的暗河流向六郎洞泉，这三条暗河都是沿

4、大断层发育的3、水的侵蚀性？ ？ 从开放体系中的平衡（碳酸）过程来分析 4、水的流动性开放体系中的方解石溶解的基本物理化学模式水中碳酸平衡：H2CO3, HCO3- CO32- CO2 CO2( aq)H2OH2CO3 HCO3- H+ CO32- Ca2+ HCO3- 大气液相固相第一条途径： 水与气 第二条途径： 水与固 CaCO3+H2O+CO2Ca2+2HCO3-CO2的参与是岩溶发育的另一重要前提，也是影响因素之一。CO2来源：浅层大气与土壤层 增加 H + 产生CO32-一、岩溶发育的基本条件4、水的流动性 地下水的循环交替是岩溶发育的充分必要条件 其作用：不断更替补充具侵蚀性的水

5、；将溶解与侵蚀的物质带走-留下空洞（岩溶） 二、影响岩溶发育的因素气候- 通过补给影响水流条件。地形条件-有利于汇集降水的地方。水文-水流集中处溶蚀作用非常强烈。岩性构造-岩溶发育的两个必要条件。水交替条件-最活跃的因素，控制上述各因素。 可溶岩与非可溶岩相间分布时，在接近下伏非可溶岩的界面上，可溶岩中岩溶格外发育。二、影响因素不同构造开启程度岩溶含水系统中岩溶发育条件1非可溶岩隔水层；2石灰岩；3导水断层；4不导水断层；5潜水面；6地下水流线；7泉cabb石灰岩地区发育的溶洞中，钟乳、石笋、石柱地下水的作用 美国西部风蚀地貌海蚀作用第二节 岩溶含水介质的演化和分带性一、岩溶发育的分异作用 岩

6、溶水与孔隙水裂隙水最大的不同，就是其介质可以被改造，水流特征不断变化，介质特征也不断变化。可溶岩中的裂隙系统经溶蚀作用改造示意图 溶蚀前溶蚀后演化：溶隙溶道溶道系统地下水流对介质的改造K小V小水流分散 K大V大水流集中 从系统动力学角度-正反馈过程初始介质场 K0 V0 K1 V1 K2 V2 . Kn Vn 不均匀的介质不均匀的水流差异性溶蚀更不均匀的介质更不均匀的水流进一步的差异性溶蚀岩溶发展的过程实质上便是介质的非均质化过程和水流的集中化过程。岩溶发育的三个阶段：起动阶段、快速发展阶段、停滞衰亡阶段。过程 水流愈来愈集中在少数通道中，少数通道则优先发展为溶洞 介质改造过程也称为差异性溶蚀

7、改造过程，其结果水流不断集中从而构造成为岩溶水系统地下河系化 在这样的过程中，中后期伴随着机械破坏过程 溶蚀破坏与失稳破坏- 垮塌物质部分由水流携带而走 大型溶洞形成中机械破坏起重要作用岩溶洞穴形成地下水流对介质的改造溶蚀破坏与失稳破坏- 介质改造过程 差异性溶蚀 地下河系化溶洞的扩张示意图岩溶水系统演变过程与介质改造同步四个过程 1、岩溶发育初期流动系统 2、局部岩溶水系统形成 3、岩溶水系统的袭夺 4、统一的地下水河系的形成 发育：垂直落水洞，溶斗，过水溶洞（无水） 常年有水地下河道演变过程图示岩溶水系统演变过程甲河乙河甲河乙河局部岩溶水系统发育阶段岩溶发育初期岩溶水系统演变过程甲河乙河甲

8、河乙河岩溶水系统的袭夺统一地下河系的形成结果 1、介质改造愈强烈，机械破坏也愈强 2、介质改造后，地下岩体中出现各种规模洞穴 3、地表形成溶斗，落水洞以及各种规模的洼地，汇集降水 4、介质导水能力增加，地下水位总体下降，水面以上岩体或洞穴失去进一步发展的水动力条件 5、地下河系发生袭夺，河系归并，地下河系的流域不断扩大广西地苏地下河系略图隔水断层断层地下河系分水岭界限地下暗河广西都安地苏地下河系由一条主流，十一条支流组成。支流呈不对称的树枝状分布，河系汇水面积达1000平方公里。枯水期流量为4 m3/s，洪水期流量为390m3/s。二、岩溶发育和岩溶水赋存的优势方位 1.厚层质纯灰岩分布区2.

9、断裂及其交汇部位3.可溶岩与非可溶岩交接面附近4.硫化矿床氧化带5.河谷区深岩溶发育二、岩溶发育和岩溶水赋存的优势方位 三、岩溶发育和岩溶水的分带性垂直分带：1、包气带（垂直入渗带）最高地下水位以上2、水位季节变动带（垂直水平交替带）最高最低水位之间地段3、水平循环带地下水位以下的饱水带4、深部循环带当地侵蚀基准面以下水平分带：河流中上游及远离河谷的分水岭地区，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。到达地下水面以后，水流作水平运动，形成水平溶洞。多出现溶蚀洼地、孤峰等。第三节 岩溶水的特征岩溶水系统是一个能够通过水与介质相互作用不断自我演化的动力系统；演化初期快速发

10、展停滞衰亡阶段；不同演化阶段的岩溶水具有不同的特征； 1.岩溶水的运动特征 2.岩溶水的补给、排泄与动态特征 3.岩溶水系统的边界特征一、岩溶含水层的含水介质特征岩溶含水介质实际上是尺寸不等的空隙构成的多级次空隙系统。 岩溶水水量分布极不均匀、宏观上统一的水力联系与局部性水力联系不好，是由岩溶含水介质的多级次性与不均质性决定的。 双重含水介质多重介质：（1） 溶隙、微裂隙、层面等扩散流介质；（2）溶蚀大裂隙介质；（3）管道流介质。岩溶水系统空隙网络的强烈非均质的特性所决定： 岩溶管道、岩溶洞穴、岩溶裂隙、 岩溶裂缝和岩溶孔隙等 岩溶水运动特征： 层流与紊流共存有压与无压共存 统一水流、孤立水流

11、并存明流、伏流并存二、岩溶水的运动特征岩溶结构图示运动特征图示典型岩溶水系统结构概化图土壤层 表层岩溶带 岩溶沟谷地下河管道 岩溶漏斗 地表水系 由表层岩溶带、浅部的岩溶管道、岩溶洞穴、岩溶裂隙、岩溶裂缝和岩溶孔隙等多种岩溶空隙介质体组成的多重复合体系，具有高度的非均质性。岩溶介质中的地下水流动旱季情况下雨季情况下运动特征：层流与紊流共生、有压与无压共存、运动方向的不同步（局部与整体不一致）、缺乏统一的区域地下水水位 运动特征：层流与紊流共生、有压与无压共存、运动方向的不同步（局部与整体不一致）、缺乏统一的区域地下水水位 在横向上双重介质的双向流，造成水位面在不同季节的变化：三、岩溶水的补给、

12、排泄与动态 补给源 大气降水是岩溶水的主要、甚至是唯一的补给源，基本来自上边界的各种补给，但表现多种方式。 补给条件： （1）面状补给或渗入式补给; （2）点状集中补给灌入式；入渗系数大（6080%南方，北方30%） （3）南方岩溶地下水与地表水常常互为一体，互为转换，相互补给。三、岩溶水的补给、排泄与动态地苏地下河 出口地苏地下河出口 附近落水洞排泄 北方岩溶水集中以岩溶大泉形式排泄； 南方岩溶水主要以地下暗河、泉、基流形式排泄。南方的岩溶地下河排泄成为地表水之源岩溶水的动态岩溶水动态曲线动态 水位、水量、水温等要素随时间的变化 思考题（仅考虑水位变化）： （1）与孔隙水、裂隙水比较，岩溶水

13、的动态变化具有什么特点？ （2）南方岩溶水与北方岩溶水比较，动态特征是什么？ 动态特征 变幅大、不稳定！ 岩溶化程度愈高，动态愈不稳定。为什么？南方云南喷水洞地下暗河流量动态曲线北方山西广胜寺岩溶泉流量动态曲线岩溶水的动态南方岩溶水系统的几个其他特征： 1、不同地下河系统之间水位差异变化大，一般没有统一区域地下水位； 2、补给资源与储存资源难以区分； 3、地下河水量动态变化特征与地表水流具有很好的相似性； 4、水位埋深变化很大常常出现“结构性”缺水。结构性缺水地下水位埋深大，地表水基本漏失资源型缺水；水质性缺水； 结构性缺水天然水资源丰富、但因地质结构导致地表常年性缺水岩溶山区的分布的落水洞岩

14、溶水特征产生的若干问题西南岩溶地区的石漠化远景岩溶水特征产生的若干问题为解决当地饮用水修建的水柜天旱季节时需要远徒跋涉运水岩溶水特征产生的若干问题四、岩溶水的化学特征1、低矿化（M0.5g/L）2、HCO3_Ca水 HCO3_Ca、Mg水（白云岩区）3、与水交替强度有关：补给区低矿化；深部排泄区M可达数克每升，水型转变为SO4_HCO3_Ca型裸露型岩溶区：化学成分随雨量和流量变化呈有规律的变化。沉降盆地深部含水层中，M可达几十克每升，水温达85120。五、岩溶水的埋藏条件分类1、裸露型岩溶水 以潜水为主。2、覆盖型岩溶水浅覆盖亚型（厚度30米） 赋存承压水和部分自流水。3、埋藏型岩溶水 赋存

15、承压水、自流水。六、岩溶水系统的圈定是含水系统边界与地表水流域范围的结合 是地上与地下边界的结合实例-太原西山岩溶水系统边界第四节 我国岩溶充水矿井主要水文地质问题一、矿井突水问题 （1）顶板突水 （2）底板突水二、地面塌陷、岩溶塌陷三、排供结合问题 （1）水害防治 （2）矿区供水 陷落柱的形态上一般呈上小下大的不规则圆柱体，截面多呈圆形或椭圆形，截面直径由几米至几百米陷落柱对煤矿生产的影响煤层塌陷在一定范围内失去开采价值，减少煤炭储量，缩短了矿井服务年限；井巷工程的布置和施工，采煤方法和采掘机械的选择增加困难；陷落柱穿透含水层时，威胁生产安全； 井下遇陷落柱前的预兆 产状变化：在塌陷过程中，

16、因牵引作用使周围的煤、岩层向陷落柱中心方向倾斜；倾角在36之间，个别达10，影响范围一般在15-20m； 裂隙增多； 小断层增多； 煤的氧化； 水的涌出量增加；五查： 查区内陷落柱发育、分布的规律性； 查陷落柱周围煤、岩层中裂隙发育情况及充填物性质； 查煤层遭氧化的情况； 查陷落柱附近的水和瓦斯的变化； 查陷落柱周围的小断裂的发育情况。陷落柱调研五看： 看陷落柱与围岩的接触界面； 看陷落柱内充填物的性质和特征； 看陷落柱周围煤、岩层的产状变化； 看陷落柱内岩块的大小、排列和时代； 看陷落柱与煤层底板的交面线。五定： 定巷道揭露陷落柱的部位； 定陷落柱的形状； 定陷落柱的规模大小； 定穿透陷落柱的距离； 定处理陷落柱的措施。 钻探； 物探； 巷探； 煤的氧化； 水的涌出量增加；陷落柱的探测=-A线方案徐州绕城西路经过采矿塌陷积水区扩展遥感分析 图 例87年塌陷区94年塌陷区00年塌陷区设计线路塌陷区扩展情况及其与设计线路的关系新河煤矿新河井田排供结合方案1、水资源评价（1）测定矿井总水量为37.1m3/min,其中可直接作为生活饮用水水量为31.1 m3/min(4.33万m3/y),且放水