工程地质之岩溶.ppt

第第 六六 章章 岩岩 溶溶 Chapter 6 Karst1一、概一、概 念念岩溶作用：岩溶作用：地下水和地表水对可溶性岩石地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用叫岩溶作用。的破坏和改造作用叫岩溶作用。岩岩 溶：溶：岩溶作用及其所产生的地貌现象和岩溶作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象总称为岩溶，国际上通称水文地质现象总称为岩溶，国际上通称喀斯特（喀斯特（karstkarst）。）。6.1 6.1 概概 述述2 二、岩溶现象二、岩溶现象 1 1、形成独特的地貌、形成独特的地貌 大的地貌形态及蚀变：峰丛（溶蚀）；峰林（溶盆）；大的地貌形态及蚀变：峰丛（溶蚀）；峰林（溶盆）；溶蚀平原溶蚀平原 地表形态地表形态 正形态：石林、石笋、峰林、孤峰。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、负形态：溶沟、溶孔、溶槽、溶水洞、漏斗、洼地、溶盆、溶原。洼地、溶盆、溶原。地下形态：溶洞、溶隙、暗河。地下形态：溶洞、溶隙、暗河。32 2、形成独特的水文地质现象、形成独特的水文地质现象 地表水系不发育，岩体的透水性增大，岩溶水地表水系不发育，岩体的透水性增大，岩溶水分布极不均匀，动态变化大，流态复杂多变，分布极不均匀，动态变化大，流态复杂多变，地下水的埋深一般较大。地下水的埋深一般较大。4石石林林5丽江黎明千龟山前的丽江黎明千龟山前的“情人柱情人柱”67891011121314 贵州省毕节县的织金洞。位于县城东北贵州省毕节县的织金洞。位于县城东北2323公里处织公里处织金洞是一个金洞是一个多格局、多层次、多类型多格局、多层次、多类型的高位旱洞。全的高位旱洞。全洞洞长长12.112.1公里，两壁最宽处公里，两壁最宽处173173米，垂直高度多在米，垂直高度多在5050至至6060米，最高处达米，最高处达150150米，米，全洞容积达全洞容积达500万立方米万立方米。洞洞内空间开阔，地形起伏迭宕，囊括了世界溶洞所有的内空间开阔，地形起伏迭宕，囊括了世界溶洞所有的形态类别。形态类别。151617钟乳状钟乳状集合体集合体181920 “天坑天坑”是岩溶是岩溶(又称又称“喀斯特喀斯特”)地区地下河地区地下河运行形成大面积塌陷造成的，天坑则是运行形成大面积塌陷造成的，天坑则是四壁岩石四壁岩石峭立峭立，深度百米至数百米以上深度百米至数百米以上，犹如一个巨大无，犹如一个巨大无比的比的“桶桶”。这个。这个“桶桶”，口径从近百米至数百，口径从近百米至数百米不等，容积从米不等，容积从1010万立方米至万立方米至1 1亿立方米以上。亿立方米以上。天坑在国内外均有发现。我国重庆开隆县、奉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。先后发现了天坑。212223三、我国岩溶分布特征三、我国岩溶分布特征 世界大陆世界大陆75%75%为沉积岩，为沉积岩，15%15%为碳酸盐岩，约为碳酸盐岩，约40004000万万kmkm2 2为可溶岩。我我国碳酸盐分布面积为可溶岩。我我国碳酸盐分布面积334334万万KmKm2 2 ，约占国土面积的，约占国土面积的36%36%。川、黥、桂、湘、川、黥、桂、湘、鄂鄂等是我国主要的岩溶区。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，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。形成不同气候区独特的岩溶类型及特征。242526我国南方地我国南方地区化学作用区化学作用为主为主,地貌地貌景观以景观以石芽、石芽、石柱峰丛、石柱峰丛、峰林、大峡峰林、大峡谷谷,溶洞溶洞等等为特色。为特色。27云台山位于河南省修武县云台山位于河南省修武县 我国北方地我国北方地区气温低，区气温低，溶蚀速度要溶蚀速度要慢很多慢很多,水不水不是参与作用是参与作用的主要原因，的主要原因，而是以而是以断裂、断裂、崩塌崩塌等物理等物理因素为主的因素为主的破坏。破坏。2829三、岩溶工程地质研究的意义三、岩溶工程地质研究的意义 一方面一方面,岩溶地区形成优美的岩溶地区形成优美的自然风自然风景景.充分利用岩溶洞穴作为充分利用岩溶洞穴作为地下工程地下工程等。等。另一方面另一方面,生态环境脆弱，水旱及地生态环境脆弱，水旱及地质灾害频繁发生。在该地区进行质灾害频繁发生。在该地区进行工程建工程建设设常常会遇到一些常常会遇到一些特殊的工程地质问题特殊的工程地质问题。主要有：岩溶渗漏，引发地面塌陷，造主要有：岩溶渗漏，引发地面塌陷，造成坑道涌水、突水、滑落。成坑道涌水、突水、滑落。30 据广西据广西3939个岩溶山地个岩溶山地县统计，在县统计，在已建的已建的260260座大水库中，座大水库中，有明显渗漏有明显渗漏的（设计效的（设计效益与实际效益与实际效益相比低于益相比低于8080者）有者）有9292座。座。1.1.水利水电工程：水利水电工程：渗漏、溃坝、诱发地震渗漏、溃坝、诱发地震渗漏、溃坝、诱发地震渗漏、溃坝、诱发地震 31 2.2.道路工程道路工程 路基、站场、桥梁地路基、站场、桥梁地路基、站场、桥梁地路基、站场、桥梁地基稳定性、地基塌陷基稳定性、地基塌陷基稳定性、地基塌陷基稳定性、地基塌陷 我国东部岩溶区，我国东部岩溶区，铁路铁路40104010公里，岩溶公里，岩溶塌陷塌陷376376处，近十年间处，近十年间中断车中断车18601860小时，颠小时，颠覆列车覆列车3 3次。次。323.3.地下工程地下工程 突水、岩溶冒落突水、岩溶冒落突水、岩溶冒落突水、岩溶冒落334.4.工民建工民建 地基稳定性、塌陷问题地基稳定性、塌陷问题地基稳定性、塌陷问题地基稳定性、塌陷问题 自自19771977年至今，武汉地区先后发生年至今，武汉地区先后发生6 6次岩溶地面塌陷：次岩溶地面塌陷：v19771977年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；v19881988年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；v19991999年，毛坦村小学塌陷；年，毛坦村小学塌陷；v20002000年年2 2月，武昌司法学校塌陷；月，武昌司法学校塌陷；v20002000年年4 4月，青菱乡烽火村塌陷月，青菱乡烽火村塌陷 19881988年年5 5月月1010日，武昌陆家街地面塌陷，圆形塌坑，直日，武昌陆家街地面塌陷，圆形塌坑，直径径22M22M，深深1010余米，十间民房、大树、电线杆等塌入坑中，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。引起附近工厂、学校、住宅墙体、地坪变形、开裂。34 20002000年年4 4月月6 6日下午日下午4 4时时8 8时，洪山区青菱乡烽火村地时，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑面塌陷。陷坑1818个，最大陷坑长个，最大陷坑长6363米、深米、深6 67 7米；最小陷米；最小陷坑坑长长1 12 2米，深小于米，深小于2 2米。陷坑带呈近东西向分布，散分在米。陷坑带呈近东西向分布，散分在东西东西300300米、南北米、南北250250米的范围内。有米的范围内。有2 2栋民房完全倒塌，有栋民房完全倒塌，有1616栋民房出现不同程度的开裂、破损。栋民房出现不同程度的开裂、破损。35 正在进行路基施工的桂林至梧州市高速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，近期发公路与桂林市外环高速路段相接处，近期发现大量现大量岩溶塌陷岩溶塌陷。这一罕见的岩溶地面塌陷群发生在位于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临桂县会仙镇马面村以南约2 2公里处正在施公里处正在施工的路基。目前已发现有工的路基。目前已发现有8585个塌陷溶洞，分个塌陷溶洞，分布在布在2 2公里长新辟的路基上，直径最小为公里长新辟的路基上，直径最小为1 1米，米，大至大至1010多米，最浅的为多米，最浅的为1 1米，最深的米，最深的3 3米多。米多。36 几乎所有的塌陷洞内都涌积清澈的地下水，几乎所有的塌陷洞内都涌积清澈的地下水，水位埋深水位埋深1 13 3米，可测水深达米，可测水深达3 3米多，不少塌米多，不少塌陷洞内可见基岩出露。洞内的水位抽几天都不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，仅在布密度惊人，仅在1 1处约处约100100多米多米长的路段，就长的路段，就发现有发现有3232个个。在今年。在今年4 4月修路基时就陆续发现月修路基时就陆续发现塌陷，修涵洞时就遇到过塌陷，修涵洞时就遇到过2 2个溶洞，投了个溶洞，投了100100多多立方石头才填满。现在看到的塌陷大部分都经立方石头才填满。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，近日又新出现了程施工铺开，近日又新出现了1010多个塌陷。多个塌陷。3738佛罗里达州温特帕克的落水洞佛罗里达州温特帕克的落水洞（a a）开）开始沉下去始沉下去不久，注不久，注意昂贵的意昂贵的赛车掉入赛车掉入坑内。坑内。（b b）从）从空中看，空中看，这个坑几这个坑几乎完全对乎完全对称。称。（c c）堵）堵塞后的景塞后的景观，落水观，落水洞地区现洞地区现在成了一在成了一个城市公个城市公园园。39 岩溶发育的的基本条件有四个：岩溶发育的的基本条件有四个：具有可溶性岩石；具有可溶性岩石；具有溶蚀能力的水；具有溶蚀能力的水；具有良好的水的循环交替条件；具有良好的水的循环交替条件；6.2 6.2 碳酸盐岩的溶蚀机理碳酸盐岩的溶蚀机理40 参与岩溶过程的主要营力是水，参与岩溶过程的主要营力是水，参与岩溶过程的主要营力是水，参与岩溶过程的主要营力是水，水的侵蚀、水的侵蚀、水的侵蚀、水的侵蚀、溶蚀作用溶蚀作用溶蚀作用溶蚀作用是经常性、缓慢的长期作用过程。是经常性、缓慢的长期作用过程。是经常性、缓慢的长期作用过程。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、主要作用有溶蚀、侵蚀、重力坍塌、堆积、主要作用有溶蚀、侵蚀、重力坍塌、堆积、主要作用有溶蚀、侵蚀、重力坍塌、堆积、沉陷等。如地表水沉陷等。如地表水沉陷等。如地表水沉陷等。如地表水侵蚀、剥蚀、堆积；地下侵蚀、剥蚀、堆积；地下侵蚀、剥蚀、堆积；地下侵蚀、剥蚀、堆积；地下水水水水溶蚀、机械潜蚀、堆积、沉陷；重力、气溶蚀、机械潜蚀、堆积、沉陷；重力、气溶蚀、机械潜蚀、堆积、沉陷；重力、气溶蚀、机械潜蚀、堆积、沉陷；重力、气压压压压坍塌、冲爆、吸蚀。坍塌、冲爆、吸蚀。坍塌、冲爆、吸蚀。坍塌、冲爆、吸蚀。41一、溶蚀过程一、溶蚀过程 碳酸盐为难溶盐，溶碳酸盐为难溶盐，溶解度很低，如解度很低，如25250 0C C 时，时，溶解度为溶解度为14.2mg/L14.2mg/L。由于。由于水的化学成分复杂，且随水的化学成分复杂，且随环境条件而复化，使得碳环境条件而复化，使得碳酸盐岩石处于长期、多变、酸盐岩石处于长期、多变、多种溶蚀效应，溶蚀反应多种溶蚀效应，溶蚀反应由表及里，地下溶蚀优先由表及里，地下溶蚀优先的复杂体之中。的复杂体之中。涉及三相体系：固、涉及三相体系：固、水、气。水、气。主要九个离子平衡体系：主要九个离子平衡体系：COCO2 2，H H2 2COCO3 3，HCOHCO3 3-，COCO3 32-2-，CaCa2+2+，CaHCOCaHCO3 3+，CaCOCaCO3 3，H H+，OHOH-42溶蚀过程如下：（以溶蚀过程如下：（以CaCOCaCO3 3 的溶解和沉积为例）的溶解和沉积为例）由由及及上述反应也可表示为离子平衡式：上述反应也可表示为离子平衡式：化简为：化简为：43 上述表明：上述表明：CaCOCaCO3 3 在水中溶解的实质是在水中溶解的实质是COCO3 32-2-与与H H+结合生成结合生成HCOHCO3 3-，因此，因此H H+的浓度的浓度是溶解的关键是溶解的关键。天然水中，。天然水中，H H+浓度很低，浓度很低，故故CaCOCaCO3 3 在天然纯水中溶解很少，形成岩溶在天然纯水中溶解很少，形成岩溶主要是因为水中含有主要是因为水中含有过量的过量的COCO2 2 ，与水结合，与水结合电离电离H H+，促使，促使CaCOCaCO3 3溶解。任何能在水中产溶解。任何能在水中产生生H H+的物质均可能使的物质均可能使CaCOCaCO3 3溶解。溶解。44 水中水中COCO2 2主要取决于外界环境的补给。如主要取决于外界环境的补给。如大气、土壤的生物作用等。大气、土壤的生物作用等。大气、生物、岩石、水构成一个岩溶动态大气、生物、岩石、水构成一个岩溶动态系统，岩溶是一个复杂的物理化学动态过程。系统，岩溶是一个复杂的物理化学动态过程。不平衡不平衡,CaCO,CaCO3 3溶解或溶解或COCO2 2逸出逸出 平衡，或析出平衡，或析出CaCOCaCO3 3 （沉淀）（沉淀）不平衡不平衡 ,CaCO,CaCO3 3溶解溶解 往复进行往复进行充充 CO245二、混合溶蚀效应二、混合溶蚀效应不同成分或不同温度的水不同成分或不同温度的水混合混合后，其溶蚀能力有所增强的效后，其溶蚀能力有所增强的效应应。1.1.两种不同饱和溶液的混合溶两种不同饱和溶液的混合溶蚀效应蚀效应 指两种或两种以上不同饱和度水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。的溶液较原来的溶液溶解性增强。有利于水混合的地带：有利于水混合的地带：垂直渗入水与地下水相混合的地垂直渗入水与地下水相混合的地下水面附近；大的溶蚀裂隙；不同方向的溶蚀裂隙交汇带；下水面附近；大的溶蚀裂隙；不同方向的溶蚀裂隙交汇带；河谷边岸地下水与地表水的混合带。河谷边岸地下水与地表水的混合带。462.2.不同温度溶液的混合溶蚀相效应不同温度溶液的混合溶蚀相效应 如果有如果有两种温度不同而饱和度相同的水相混合，或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一种水溶液由高温变为低温，都可以加大，都可以加大COCO2 2的溶解度，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从而加强溶液的溶蚀能力。这是因为温度由高降低时水对对COCO2 2吸收系数增大，以及用于饱和吸收系数增大，以及用于饱和CaCOCaCO3 3所需的平衡所需的平衡COCO2 2减少，多余的减少，多余的COCO2 2转化为游离转化为游离COCO2 2 。在地质条件特殊的部位，因上述原因，常使岩溶作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，用较之其他地方强烈。如，地下水面附近；断层交错等地下水面附近；断层交错等地下水下渗流汇合点；河谷岸坡附近；温泉出露点附近地下水下渗流汇合点；河谷岸坡附近；温泉出露点附近等。等。47三、其他离子的作用三、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，如与碳酸盐岩溶解产生的相同离子，如CaCa2+2+、MgMg2+2+、COCO3 32-2-等；另一类是不同的离子，如等；另一类是不同的离子，如NaNa+、ClCl-、SOSO4 42-2-等。这些离子等。这些离子对溶液的溶解性都有一定影响，即产生对溶液的溶解性都有一定影响，即产生离子效应离子效应，如下：，如下：1.1.酸效应（酸效应（acid effect)acid effect)任何酸解离出任何酸解离出H+后，溶液中后，溶液中H+浓度增加，浓度增加，H+和和CO32-结合生成结合生成HCO3-，从而加速，从而加速CaCO3 的溶解。如右反应式：的溶解。如右反应式：含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。482.2.同离子效应同离子效应(common ion effect)(common ion effect)3.3.离子强度效应离子强度效应(ionic strength effect)(ionic strength effect)加入加入Ca2+或或CO32-等同等离子后，减缓水对碳酸盐的溶蚀能等同等离子后，减缓水对碳酸盐的溶蚀能力力。水中增加与水中增加与CaCOCaCO3 3不相一致的强电解离子时，它们会以较不相一致的强电解离子时，它们会以较强的吸引力吸引强的吸引力吸引CaCa2+2+及及COCO3 32-2-离子，从而降低离子，从而降低CaCa2+2+与与COCO3 32-2-的引的引力，从而增大水对力，从而增大水对CaCOCaCO3 3的溶解性。的溶解性。496.3 6.3 影响岩溶发育的因素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凡是影响上述三个条件的因素均是影响岩溶发育的因素。发育的因素。具有可溶性岩石具有溶蚀能力的水具有良好的水循环交替条件岩溶发育的条件岩溶发育的条件50一、碳酸盐岩岩性的影响一、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，主碳酸盐岩能否被溶解或溶解程度如何，主要取决于要取决于岩石的性质岩石的性质，如物质成分、化学成分、，如物质成分、化学成分、矿物成分及结构。矿物成分及结构。碳酸盐岩是指碳酸盐矿物含量超过碳酸盐岩是指碳酸盐矿物含量超过50%50%的的一类沉积岩。一类沉积岩。主要化学成分是主要化学成分是CaCOCaCO3 3、MgCOMgCO3 3、SioSio2 2等等。常见的有：常见的有：灰岩、白云岩、白云质灰岩、灰岩、白云岩、白云质灰岩、硅质灰岩、泥质灰岩硅质灰岩、泥质灰岩等。等。1、碳酸盐岩化学成分与岩溶发育的关系、碳酸盐岩化学成分与岩溶发育的关系51 不同岩石，其溶解性是不同的，不同岩石，其溶解性是不同的，可用两个指标表示：可用两个指标表示：52准试样：方解石，要求试样尺寸相同，粉碎的准试样：方解石，要求试样尺寸相同，粉碎的粒度大小一样，溶蚀在高浓度粒度大小一样，溶蚀在高浓度COCO2 2的蒸馏水中。的蒸馏水中。K KV V及及K KCVCV越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度也越大。速度也越大。研究表明：研究表明：方解石含量越高，方解石含量越高，K KV V越大；反之白云石含量越大；反之白云石含量越高，越高，K KV V越小。越小。酸不溶物含量酸不溶物含量(如硅质含量）越高，如硅质含量）越高，K KV V及及K KCVCV越小。越小。5354 矿物结晶越小，矿物结晶越小，K KV V越大。一般而言，泥晶越大。一般而言，泥晶 粒屑粒屑 亮晶。亮晶。2、岩石结构与岩溶发育的关系、岩石结构与岩溶发育的关系55二、气候的影响二、气候的影响1.1.降水的影响：降水的影响：（1 1）水直接参与岩溶作用，充足的降水是）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。保证岩溶作用强烈进行的必要条件。（2 2）水是溶蚀作用的介质和载体，充足的）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。岩溶作用的强烈进行。562.2.温度的影响：温度的影响：（1 1）温度升高，）温度升高，水中的水中的COCO2 2的溶解度减小，不的溶解度减小，不利于岩溶作用。一般，水温升高利于岩溶作用。一般，水温升高20200 0-30-300 0 C C，溶，溶于水中的于水中的COCO2 2减少一半。减少一半。（2 2）温度升高，生物新陈代谢加快，释放更）温度升高，生物新陈代谢加快，释放更多的多的COCO2 2带入水中带入水中，同时温度升高，化学反映速，同时温度升高，化学反映速度大大加快，有利于岩溶作用。一般温度升高度大大加快，有利于岩溶作用。一般温度升高10100 0 C C，化学反应速度加快一倍。，化学反应速度加快一倍。总体上：总体上：温度的升高有利于岩溶作用的进行温度的升高有利于岩溶作用的进行。57温热潮湿的热带、亚热带地区：岩溶作用较强烈；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；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、类型都明不同气候条件下，岩溶速度、形态、类型都明显不同。显不同。我国气候分类我国气候分类副热带亚热带温 带三大特征地区三大特征地区青藏高寒地区西北干旱地区南部温热地区58如溶蚀速度：如溶蚀速度：广西：广西：0.12-0.13mm/a 0.12-0.13mm/a；湖北：湖北：0.06mm/a 0.06mm/a；河北：河北：0.02-0.03mm/a 0.02-0.03mm/a。岩溶形态差别：岩溶形态差别：v 广西副热带广西副热带溶蚀为主，地表地下岩溶充分强烈，形态诸全；溶蚀为主，地表地下岩溶充分强烈，形态诸全；v 湖北、湖南、四川等地湖北、湖南、四川等地 岩溶发育，以溶丘、溶洞、漏斗岩溶发育，以溶丘、溶洞、漏斗为特征。为特征。v 河北、山东、山西等地河北、山东、山西等地 不太发育，侵蚀为主，几乎不发不太发育，侵蚀为主，几乎不发育封闭溶蚀地形，以地下隐伏岩溶为主。育封闭溶蚀地形，以地下隐伏岩溶为主。59三、地形地貌的影响三、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响岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布规模、速度、类型及空间分布。例如：。例如：v 区域地貌格局区域地貌格局，宏观上控制了某地区的，宏观上控制了某地区的地表水文网地表水文网及地下水及地下水排泄基准面的性状，从而控制了排泄基准面的性状，从而控制了地表地下水的运动趋势地表地下水的运动趋势，进而，进而控制了岩溶发育的总体形式。控制了岩溶发育的总体形式。v 地形平缓地貌地形平缓地貌较之地形较陡地貌，地表径流缓慢，入渗量较较之地形较陡地貌，地表径流缓慢，入渗量较大，有利于岩溶发育。大，有利于岩溶发育。v 不同地貌条件不同地貌条件，因其垂直入渗带埋深和水平径流程度的不同，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。垂直岩溶形态及水平岩溶形态的明显差别。v 地形高差地形高差大大影响地下水补、排条件，影响岩溶发育的深度。大大影响地下水补、排条件，影响岩溶发育的深度。60四、地质构造的影响四、地质构造的影响1.1.断裂的影响断裂的影响 成岩、构造、风化、卸荷等作用形成的各种破成岩、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裂面，为地下水入渗和流动提供了通道提供了通道，同时为地，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。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，在一定程度上由于断裂构造的存在，在一定程度上控制了岩控制了岩溶的发育溶的发育。例如，沿断裂面岩溶发育强烈。例如，沿断裂面岩溶发育强烈。各组破裂面相互交织、延伸进而控制了岩溶发各组破裂面相互交织、延伸进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。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。明显，促进岩溶发育。612.2.褶皱的影响褶皱的影响 褶皱的类型和部位不同，裂隙发育程度不褶皱的类型和部位不同，裂隙发育程度不同，同，岩溶强度岩溶强度不同。如核部比翼部发育，背不同。如核部比翼部发育，背斜比向斜发育。斜比向斜发育。褶皱的形态、性质、尺寸和方向控制了可褶皱的形态、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。溶岩的空间分布从而控制了岩溶发育的特征。623.3.岩层组合特征的影响岩层组合特征的影响 可溶碳酸岩与非可溶岩可能在不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，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。如下形成复杂的岩溶现象。如下4 4中类型的中类型的组合形式，组合形式，岩溶发育岩溶发育明显不同。明显不同。63（1 1）厚而纯的碳酸）厚而纯的碳酸盐岩最有利于岩溶发育最有利于岩溶发育，按地下，按地下水动力特征剖面上分为四个水动力特征剖面上分为四个带：带：.包气带：多发育垂直岩包气带：多发育垂直岩溶形态，溶蚀通道溶形态，溶蚀通道 间连通间连通性差。性差。.地下水季节变动带：垂地下水季节变动带：垂直和水平两个方向岩溶均发直和水平两个方向岩溶均发育。育。.饱水带：有利于形成规饱水带：有利于形成规模大、连续性好的水平岩溶模大、连续性好的水平岩溶.深循环带：由于水循环深循环带：由于水循环交替迟缓，岩溶发育很弱。交替迟缓，岩溶发育很弱。64（2 2）碳酸盐岩夹非可溶性岩层）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（由于非可溶岩的存在影响地下水运动，岩溶发育没有（1 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，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。其程度因不可溶岩夹层的厚度和夹层多少而不同。（3 3）非可溶性岩层与碳酸盐岩互层）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下水系统，从而可能形成多层岩溶现象 。（4 4）非可溶性岩层夹碳酸盐岩）非可溶性岩层夹碳酸盐岩 岩溶发育极弱岩溶发育极弱 非可溶岩隔水作用，地下水循环交替条件很差，岩溶发育极非可溶岩隔水作用，地下水循环交替条件很差，岩溶发育极弱。弱。65五、新构造运动的影响五、新构造运动的影响 地壳的上升、下降、相对稳定运地壳的上升、下降、相对稳定运动的性质、幅度、速度和波及范围，动的性质、幅度、速度和波及范围，控制着控制着水循环交替条件水循环交替条件及其变化趋及其变化趋势，从而强烈的控制着岩溶发育的势，从而强烈的控制着岩溶发育的类型、规模、速度、空间分布及岩类型、规模、速度、空间分布及岩溶作用的变化趋势。溶作用的变化趋势。66v 地壳较快上升期：侵蚀基准面相对下降，地下水地壳较快上升期：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，以模小而少见，分带现象不明显，以垂直形态的岩溶垂直形态的岩溶为为主。主。v 地壳相对平稳期：侵蚀基准面和地下水面相对稳地壳相对平稳期：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，可形成较大规模的模大，可形成较大规模的水平岩溶和暗河水平岩溶和暗河，岩溶地貌，岩溶地貌较明显典型。较明显典型。v 地壳下降期：常形成覆盖型岩溶，地下水循环条地壳下降期：常形成覆盖型岩溶，地下水循环条件变差，件变差，岩溶作用受到抑制或停止岩溶作用受到抑制或停止。67从更长的地质历史时期来看：从更长的地质历史时期来看：（1 1）间歇性上升：上升）间歇性上升：上升 稳定稳定 再上升再上升 再稳定再稳定形成水平溶洞成层分布，高程与阶地相对应。形成水平溶洞成层分布，高程与阶地相对应。（2 2）振荡升降：岩溶作用由弱到强，由强到弱反复进行）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。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 3）间歇性下降：下降）间歇性下降：下降 稳定稳定 再下降再下降 再稳定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。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对年代6869 岩溶发育与水岩溶发育与水的循环交替条件的循环交替条件密不可分，这一密不可分，这一条件受条件受岩层组合、岩层组合、地质构造、地形地质构造、地形地貌地貌等诸因素控等诸因素控制。左图为几种制。左图为几种典型情况：典型情况：7071726.4 6.4 岩溶区水库渗漏问题岩溶区水库渗漏问题 在岩溶地区修建储水输水等建筑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周遍产生渗漏，有时会严重影响工程的的 正常使用。岩溶渗漏问题是水利水正常使用。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。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这里以水库渗漏为例介绍渗漏的一些基本问题。基本问题。73一、渗漏的形式一、渗漏的形式1.1.按渗漏通道分类按渗漏通道分类 裂隙分散渗漏裂隙分散渗漏 管道集中渗漏管道集中渗漏743.3.按渗漏部位分类按渗漏部位分类 绕坝渗漏：坝区绕坝渗漏：坝区 临谷渗漏：库区临谷渗漏：库区2.2.按库水漏失的特点分类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。和，渗漏停止。永久性渗漏：库水不断地通过岩溶通道向下伏河谷、永久性渗漏：库水不断地通过岩溶通道向下伏河谷、邻谷、低地等处流失。邻谷、低地等处流失。75二、岩溶渗漏条件分析二、岩溶渗漏条件分析1.1.查明岩溶发育、分布规律查明岩溶发育、分布规律 重点查明溶洞、暗河的展布位置、规模等，进行岩溶泉水流量、高程调查，确定通道的位置及可能影响程度。地面调查,地球物理勘探,连通试验(荧光示踪剂,放射性同位素,盐等),钻探等。762.2.分析地质条件分析地质条件（1 1）岩层组合：）岩层组合：当夹有非可溶岩地层时，可借助该层防止渗透当夹有非可溶岩地层时，可借助该层防止渗透（2 2）地质构造：）地质构造：褶皱褶皱 a.a.纵谷：与河流所处褶皱的部位有关纵谷：与河流所处褶皱的部位有关 b.b.横谷：修水库不利，但充分利用隔水层，可能防横谷：修水库不利，但充分利用隔水层，可能防止坝区渗漏。止坝区渗漏。c.c.斜交谷：具体分析斜交谷：具体分析77纵向谷，向斜，隔水层起到封闭纵向谷，向斜，隔水层起到封闭作用，库水不会向邻岩渗漏作用，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。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，纵向谷，背斜，地层产状较缓，库水沿岩溶通道向邻岩渗漏。库水沿岩溶通道向邻岩渗漏。纵向谷，背斜，地层产状较陡，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。库水不会由岩溶通道向邻岩渗漏。灰岩灰岩隔水层隔水层灰岩隔水层隔水层岩溶灰岩78断层错动，破坏了良好的隔水边界，断层错动，破坏了良好的隔水边界，形成间邻谷渗漏通道。形成间邻谷渗漏通道。河间地块存在诸如侵入岩体某相对隔水层，起到较好的隔水作用。河间地块存在诸如侵入岩体某相对隔水层，起到较好的隔水作用。断层错动，非岩溶地层搭接断层错动，非岩溶地层搭接形成良好隔水边界。形成良好隔水边界。岩溶层岩溶层非岩溶化地层断层：断层：既可有利于渗漏，又可不利于渗漏既可有利于渗漏，又可不利于渗漏岩体侵入：岩体侵入：相对隔水层的分布位置相对隔水层的分布位置79可将河谷分为补给型、排泄型、悬托型三种类型。3.3.查明查明河谷区水文地质条件河谷区水文地质条件80 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是悬托型，天然地下水位位于谷底以下，建库后肯定渗漏。81三、岩溶渗漏的防治措施三、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。由于岩溶洞体循环于水位变动与无水饱气等复杂状态，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。8283848586878889909192第五节第五节 岩溶地基稳定性问题岩溶地基稳定性问题一、变形破坏的主要形式一、变形破坏的主要形式1.地表塌陷地表塌陷：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.地基承载力不足地基承载力不足：或不均匀塌陷：覆盖岩溶区，因覆盖层强度较低，不能满足建筑荷载要求而出现破坏。或沉降不均匀导致建筑破坏。3.地基滑动地基滑动：较大的溶沟、溶洞等形成临空面，向临空面产生的滑动现象。在岩溶地基上进行建设时，由于荷载等原因，产生地基塌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。陷破坏，或失稳，这便是岩溶地质稳定性问题。9394 二、地基塌陷的成因二、地基塌陷的成因 形成塌陷的原因很多。如潜蚀、真空吸蚀、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，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，多种因素综合作也可能是以一种原因为主导，多种因素综合作用的结果。用的结果。951 1、潜蚀作用、潜蚀作用 潜蚀论是潜蚀论是18981898年俄国学者巴浦洛夫提出的，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水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时，水力或地下水位下降时，水力梯度增大梯度增大)。在一定的水压力作用下，地下水对土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体顶板处的土体开始形成土洞,随着土洞的不断扩随着土洞的不断扩大，最终引发动洞顶塌落。大，最终引发动洞顶塌落。当土层较厚或有一定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。稳定。当土堆较薄时，土洞不能形成平衡。96据太沙基（据太沙基（19331933年）公式：年）公式：式中：式中：临界水力梯度临界水力梯度 土颗粒密度土颗粒密度 n n 土体的孔隙度土体的孔隙度97据达西公式和动能公式，地下水侧向流时的动能：据达西公式和动能公式，地下水侧向流时的动能：式中：式中：F FH H地下水动能地下水动能 M M水的质量水的质量 K K渗透系数渗透系数 I I水力梯度水力梯度 n n岩土体的孔隙度岩土体的孔隙度 u u渗流速度渗流速度982 2 真空吸蚀效应真空吸蚀效应 真空吸蚀论是我国徐卫国等于真空吸蚀论是我国徐卫国等于19791979年提出的，年提出的，国内也普遍接受这一论点。国内也普遍接受这一论点。岩溶网络的封闭