岩溶地质特征与路基岩溶病害调查及治理研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 岩溶地质特征与路基岩溶病害调查及治理研究 姓名汤新福 申请学位级别硕士 专业构造地质学（构造与工程） 指导教师胡祥昭 20050518 摘要 论文从岩溶地区地下水发育特征的研究出发，结合路基岩溶病害 几种常见类型，认为其对路基稳定造成威胁的本质原因是岩溶水的 运动和长期运动所形成的结构特殊的岩土体；而这种特殊结构主要表 现在特殊的土石界面与空隙 - 1 - 洞和溶洞等 岩土体。这对路基岩溶 病害的调查及治理有重要的指导意义。 针对路基岩溶病害调查的特点，在研究各种常用调查方法之后， 结合许多工程实践，提出了一套综合调查方法，即由资料收集斗 地质测绘 工程物探啼2 1 2 程钻探啼综合分析及评价。 对路基岩溶病害本质原因的主要三种表现形式 路基岩溶水、路 基岩溶塌陷、岩溶路基不均匀沉降 分析方法及治理措施进行了探讨。 对路基岩溶水的治理强调宜疏不宜堵。将岩溶路基塌陷的原因分为两 种，即空隙岩土体与岩溶水运动造成的物质运移；对溶室稳定性分 析方法进行了归纳总结，对路基下溶洞提出了三种常用处理方法；对 于岩溶水长期运动造成的物质运移而出现的路基塌陷的注浆治理方 法进行了探讨，通过对检索文献中相关经验的总结，并结合工程实践， 对注浆工艺、注浆钻孔设计、注浆量的计算提出了经验性成果和计算 式；岩溶路基不均匀沉降的治理，则要结合路面设计标高、路基影响 深度、路基持力层来综合考虑，对于土中的岩石或岩石中的土采取相 应的处理措施，以满足沉降要求。 关键词岩溶地下水发育特征路基调查治理 A B S T R A C T F r o mr e s e a r c h i n gt h ed e v e l o p m e n t a la t t r i b u t eo fg r o u n d w a t e ra t k a r s ta r e a , c o m b i n e dw i t hs e v e r a lc o m m o nk a r s td i s e a s eo fr o a d b e d ，t h i s a n i c l eb e l i e v et h a tt h ee s s e n t i a lr e a s o nw h i c ht h r e a t e nt h es t a b i l i t yo f r o a d b e di St h em o v e m e n to fk a r s tw a t e ra n di t sf o r m a t i o nb o d yo fr o c k a n ds o i lw i t hs p e c i a ls t r u c t u r e ；a n dt h es p e c i a ls t r u c t u r em a i n l yi ni t s s p e c i a li n t e r f a c eo fs o i la n dr o c ka n di t sg a p ，s u c ha ss o f tc a v i t ya n d s o l u t i o nc a v i t y , w h i c hi si m p o r t a n tf o rU St Oi n v e s t i g a t ea n dt r e a tt h ek a r s t d i s e a s eo f r o a d b e d ． A i m e da tt h ep r o p e r t yo fk a r s td i s e a s ee x p l o r a t i o n , a f t e rs t u d i e d s e v e r a lc o m m o ni n v e s t i g a t i n gm e t h o d s ，c o m b i n e dw i t hm a n ye n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，t h i s a r t i c l e p u tf o r w a r das y n t h e t i ci n v e s t i g a t i n gm e t h o d r e s o u r ∞c o l l e c t i o n - - g e o l o g ys u r v e y - - g c o p h y s i ce x p l o r a t i o n - - s y n t h e t i ca n a l y s i sa n de v a l u a t i o n ． I td i s c u s s e dt h ea n a l y s i sm e t h o d sa n dt r e a t m e n to ft h r e ef o r m s r o a d b e d k a r s t w a t e r , k a r s tc o l l a p s e a n dk a r s tr o a d b e du n e v e n s e t t l e m e n t s ，w h i c ha r et h ee s s e n t i a lr e a s o nr e s u l t i n gi nk a r s td i s e a s e s ．I t p u tf o r w a r dt h a tw h e nc o m e st Ok a r s tw a t e r , i ti sb e t t e rt Of o ru st o o p e n i n gu pt h a ni m p e d i n gi t ；T h i sa r t i c l ea l s og e n e r a l i z e dt h ea n a l y s i s m e t h o d so ft h es t a b i l i t yo fc a v e r n , l i s tt h r e ec o m m o nt r e a t m e n tm e t h o d s ； I td i s c u s s e dt h er o a d b e dc o l l a p s eg r o u t i n gt r e a t m e n tm e t h o d sw h i c h c a u s e db ys u b s t a n c em o v e m e n t ，a n dw h i c hr e s u l tf r o mt h el o n g - t i m e m o v e m e n to fk a r s tw a t e r ．T h r o u g hg e n e r a l i z i n gs o m ee x p e r i e n c e , t o g e t h e rw i t hs o m ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r ds o m e e m p i r i c a la c h i e v e m e n t sa n df o r m u l aa b o u tg r o u t i n gt e c h n o l o g y , a b o u tt h e d e s i g no f i n j e c t e dh o l ea n dt h eq u a n t i t yo fg r o u t i n g ；W i t ht h et r e a t m e n to f u n e v e ns e t t l e m e n to fk a r s tr o a d b e d ，w es h o u l dc o n s i d e ri ts y n t h e t i c a l l yb y c o m b i n i n gw i t ht h e1 0 a ds u r f a c ed e s i g nm a r k ，r o a d b e di n f l u e n c ed e p t h a n dr o a d b e db e a r i n gc a p a c i t y , a n du s es o m ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d st o d i s p o s et h er o c ki nt h es o i lo rt h es o i li nt h er o c k , w h i c hc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fs e t t l e m e n t s ． 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名啦日期士必上月上细 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名丘逊导师签名日期翌年』 月篮五 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 岩溶地质现象一直是人们研究的对象，对其的发育过程及形态特征已经有深 刻的认识，然而，旧事物随着新事物的出现，会出现与之相关的新的研究领域。 路基中的岩溶一直是路基长期稳定的重大隐患，因其具有隐蔽性的特点，详细勘 察也很难对其发育规模有很准确的把握，这样，施工开挖时往往会出现意想不到 的岩溶发育状况，施工进程与路基稳定性就会受到影响，路基岩溶病害的调查治 理也就迫在眉睫；而且调查与治理的时间与空间条件具有特殊性。 1 ．1 论文的选题来源、研究现状及意义 1 ．1 ．1 选题来源 作者从2 0 0 3 年8 月- 2 0 0 4 年1 2 月在湖南常德至张家界高速建设项目中从事 施工阶段勘察及不良地质现象治理的实践工作；其中十六、十七、十八标段的路 基岩溶病害现象极为突出，给施工带来极大的难度，对路基的长期稳定性也构成 威胁。作者通过对这种不良地质现象的调查及治理，获得了大量的感性认识，也 感觉到把这种感性认识与已有的成功经验及理论相结合，再进一步提高实践能力 的必要性。 1 ．1 ．2 研究现状 岩溶问题涵盖的方面较为广泛。根据国内外研究的现状来看，主要包括以下 方面； 1 建筑物及构筑物基础与天然洞室的稳定性； 2 基坑与坑道水量的预测； 3 水利枢纽区与水库区的渗漏； 4 土地利用问题； 5 岩溶地下水资源的评价及利用； 6 石油及天然气的岩溶储集层； 7 古岩溶固体矿产； 8 岩溶空洞储集层的利用； 9 旅游事业。 就路基岩溶问题而言，文献检索表明，路基岩溶调查的手段及方法的学术论 文主要是有关物探新技术在探测岩溶地下水通道及溶洞中的应用。如地震波层析 成像 C T 法、瑞雷波法、电磁波层折成像法等；针对上述提到的路基岩溶调 查背景，采取怎样的调查方法较为迅速有效，并没有很多的探讨．路基岩溶治理 中南大学硕士学位论文第一章绪论 方法是多种多样的，选用主要因其发育特征而定，相关的文献主要介绍一些工程 实例，提出的病害分析及治理方法较多，但多拘于经验性，理论性不强，因此这 方面的总结与提高是很有必要的。 ， 1 ．1 ．3 研究意义 随着国家西部大开发政策的实施，作为基础设施建设的重头戏公路、铁 路建设，已经如火如荼的开展起来；如川藏铁路、渝怀铁路、渝黔高速公路等项 目，就湖南省而言，连接湘西、湘西北的常德．吉首、常德．张家界的高速公路也 处在紧张的施工之中；而这些线路工程所穿过地区的岩溶地貌均较为发育，加上 这种地质现象隐蔽性大，即使是详细勘察也很难对其发育规模估计的很准确，难 免在施工开挖后要进行补充勘察。而采取何种调查手段；怎样合理配套运用这些 调查手段才能快速、准确的查明路基影响范围内岩溶现象；怎样结合已查明岩溶 现象的发育特征，采取相应的治理措施；这些都是需要不断的实践与总结。本论 文的研究意义就在此处。 ‘ 1 ．2 研究的工作思路及内容 1 全面检索与本论文相关的文献和资料，对岩溶地质特征进行研究，为 路基调查及治理提供理论依据 2 通过对岩溶地质特征的研究，再结合路基岩溶病害的主要表现形式， 加深对路基岩溶的本质原因的认识，为其调查及治理提供指导思想．． 3 对岩溶调查的各种手段进行研究，寻找一条适合路基岩溶调查背景的 工作方法，并在实践中得到应用。 4 对路基岩溶病害的常见类型的分析及治理方法进行了探讨。 1 ．3 取得的主要研究成果及认识 1 通过对岩溶的地质特征分析，结合路基岩溶的几个主要表现方面，对 路基岩溶病害的本质有了更深刻的认识，对其调查及治理有重要的指导意义． 2 针对路基岩溶病害调查的特点，在研究各种常用调查方法之后，结合 许多工程实践，提出了一套综合调查方法。 3 对路基岩溶病害本质原因的主要三种表现形式 路基岩溶水、路基岩 溶塌陷、岩溶路基不均匀沉降 分析方法及治理措施进行了探讨。对路基岩溶水 的治理强调宜疏不宜堵。将岩溶路基塌陷的原因分为两种，即空隙岩土体与岩 溶水运动造成的物质运移；对溶洞稳定性分析方法进行了归纳总结，这对以后从 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 事该方面研究有重要的参考价值；对路基下溶洞提出了三种常用处理方法；对于 岩溶水长期运动造成的物质运移而出现的路基塌陷的注浆治理方法进行了探讨， 通过对检索文献中相关经验的总结，并结合工程实践，对注浆工艺，注浆钻孔设 计、注浆量的计算提出了经验性成果和计算式；岩溶路基不均匀沉降的治理，则 要结合路面设计标高、路基影响深度、路基持力层来综合考虑，对于土中的岩石 或岩石中的土采取相应的处理措施，以满足沉降要求． 3 中南大学硕士学位论文 第二章岩溶地区地下水的基本特征 第二章岩溶地区地下水的基本特征 岩溶地区地下水的分布和运动，与一般的孔隙水，裂隙水相比较，具有在分布 上更为不均匀，和地表水的相互转化较为迅速，以及时问有很大的变化特点． 上述特点主要是由岩溶的特性决定的．岩溶所形成的空洞和地下水通道，可以 比孔隙与裂隙大得多，所以岩溶水的运动速度一般远较孔隙与裂隙水为大，这就加快 了岩溶地区地下水与地表水之间的转化，并使岩溶水的水位、水量等在不同的时间 内发生巨大的差异，有些地方甚至在雨季形成涝灾，地下的洞穴、孔道全部被水充 满，而旱季则地表水、地下水全部流失，极为干旱。 由于岩溶发育的不均匀性，致使岩溶地区地下水的分布也极不均匀。而岩溶的 发育程度及其不均匀性，是受岩性和地质构造控制的。因此，在讨论岩溶地区地下 水的特征以前。首先应当研究岩性和构造条件对岩溶和岩溶地下水分布的控制。 2 ．1 岩性和构造条件对岩溶地下水分布的控制作用 ’ 总体来讲，岩溶只能在可溶岩层中发生。岩溶与非岩溶地层在水平和垂直方向 上的分布，受二个因素控制，一是岩层的沉积顺序，二是各种构造形迹 如向斜， 背斜，断层、不整合、火成岩侵入体等 。从我国各个岩溶地区的沉积顺序特点来 看，都存在着岩溶与非岩溶地层多次相互间隔的情况 图2 ．1 “1 。这种情况和各种 构造形迹相结合，就可以组成岩溶地层分布情况的无数种形式，它们都控制着岩溶 地下水的分布和运动形式。 2 ．1 ．1 岩石成分对岩溶地下水分布的影响 岩石成份对岩溶地下水分布的影响，反映在岩溶与非岩溶地层上是非常明显 的。至于可溶性岩石的成份，虽然也有难溶易溶之分，但是，它们对岩溶地下水分 布的控制作用，还要结合其他因素一起来考虑。人们知道，实验室中的化学试验证 明。1 ，在相同压力和2 0 “ 2 的温度下，方解石在水中的溶解量为1 4 ．3 3 毫克，升．而白云 石的溶解量仅3 ．3 3 ．4 ，7 4 毫克／升，同时从C a O 与M g O 含量比例愈高，其相对溶解 度也愈高，由此可以推论纯灰岩中岩溶应当更为发育，也应当更为富水．然而，野 外的具体情况并不这样简单，岩溶水文地质勘察的实践已经说明，不论在纯灰岩地 区，或者白云岩地区，都有丰富的地下水。 这种情况的出现，是由于岩溶地层的可溶性不单取决于各种化学成份 如C a O 、 M s O 、S i 0 2 ，灿2 0 3 等等 含量的相对比值，而且还取决于一系列其它因素，如岩 层的层理厚薄、结晶的粗细以及各种组份的共生形式 如包容的、镶嵌的等等 Ⅲ脚。 例如云南宜良柴石滩的上震旦统灯影组碳酸盐类岩层中，石灰岩呈细晶至显微晶 4 中南大学硕士学位论文第二章岩溶地区地下水的基本特征 图2 - 1 我国各地沉积顺序中岩溶与非岩溶地层相问隔的情况 质，抗溶蚀性较强，而且通过显微镜鉴定，得知其中含有5 - 1 0 ％的泥质物均匀地分 布在方解石晶体周围，使具有侵蚀性的地下水不能与方解石晶体广泛地接触。但是 该层的白云岩，虽然白云石含量达7 0 ．9 5 ％，而方解石含量仅5 ．1 5 ％，同时还含有 5 ％的泥质物，但是这种泥质物是呈条带状分布的，对白云石晶体不起阻水作用，同 时白云石晶体粗大，易沿碎裂面发生溶蚀。因此，该层白云岩中溶洞、漏斗、落水 洞甚多，规模也较大，岩溶反而比石灰岩更为发育嘲。 然而，当其它条件相同，在小范围内白云质灰岩或硅质灰岩和纯灰岩同时出现 时，那么一般说还是在纯灰岩中更为发育，因而也更富水。 2 ．1 ．2 构造形迹对岩溶、非岩溶地层间隔情况的影响 ， ． 前面提到，岩溶与非岩溶地层对岩溶地下水分布的影响是极其明显的，而我国 许多地区的沉积顺序特点是岩溶与非岩溶地层多次相互间隔。各种构造形迹，特别 是褶皱与断层，使岩溶地层和非岩溶地层的相互间隔呈现更为复杂的情况，从而也使 岩溶地下水的分布出现了各种不同的形式． r 1 褶皱的影响 中南丈学硕士学位论文第二章岩溶地区地下水的基本特征 开阔平缓的褶皱，当岩溶地层厚度较大时，使 得岩溶地层在水平或垂直方向都有较大的连续性， 故而岩溶地下水的分布可以基本上不受非岩溶“间 隔层”的影响，往往造成补给区面积达数千平方公 里，它是大暗河系 枯水流量可达几个秒立方米 发育的有利条件。例如，在广西山字型构造前弧西 翼挤压带外侧，有一个比较平缓的褶皱带，岩层倾 角一般为5 ．1 0 。，中泥盆统到下石炭统全部是岩溶 地层，分布面积达1 0 0 0 多平方公里，为地苏暗河 系的发育准备了有利条件 参看图2 - 1 0 ”1 ．又如 祁吕贺兰山字型构造前弧的东翼外侧，吕梁山东面 也是较平缓的褶皱，因此，产生了吕梁山东麓的十 多个大的岩溶泉，其补给面积达数百至二三千平方 公里，流量0 ．5 ．8 米 ，秒，动态也较稳定 参看图 2 ．3 l ，图2 ．3 2 ”。 紧密的高角度褶皱，与许多间隔层结合，就形 成了许多彼此平行的岩溶地层条带，与此相应，往 往出现许多彼此平行的暗河，使岩溶地下水的分布 具有明显的方向性 与构造线平行 其中各单个暗河 的补给区不大，地下水资源也较小．例如四川东南至 贵州东北一带的川黔南北向褶皱群，使得其中从震旦 系到中三叠统的六组岩溶地层 参看图2 ．1 成许多 彼此被间隔层分割的狭长条带出现旧。其对岩溶地下 水的分布情况的控制作用，可举四川东南彭水县至龚 潍一段乌江沿岸的许多暗河为例 图2 - 2 。这一段 的北北东向褶皱十分紧密，在横宽3 0 公里范围内跨 图2 2 川黔南北向褶皱群申 的条带状岩溶地层及平行暗河 示意图 ． 1 一岩溶地层；2 - 非岩溶间隔层； 3 一暗河流向及编号4 - 下寒武统 页岩夹灰岩；5 - 中寒武统厚层灰 岩；6 - 下奥陶统页岩；7 一中奥陶 统泥质灰岩；8 志留系页岩；9 - 二叠系灰岩；1 0 - 大冶灰岩；1 1 - 背井轴；1 2 - 温泉 过y _ - 个背斜轴 中寒武统组成 和二个向斜轴 三叠系大冶灰岩组成 ，岩层倾角在 背斜轴部一般为2 0 - 3 0 。。而在向背斜部一般为4 0 ．8 0 。，这种高角度褶皱使岩溶地 层和非岩溶地层多次重复，在龚潍彭水之间就出现了九个岩溶地层条带，其间被八 个非岩溶地层条带隔开。各个岩溶地层条带的宽度仅1 ．5 公里，长度为5 2 0 公里， 因此发育在其中的各条暗河的补给面积都较小，一般仅l O 余平方公里，最大的也 只有I O O 平方公里左右，因此暗河的流量都较小，而且动态不稳定。龚滩彭水之间 8 条较大暗河 表争1 ，其平水流量一般都仅o ．1 - o ．2 米3 ／秒，最大的也仅o ．8 米一秒”1 。 6 中南大学硕士学位论文第二章岩溶地区地下水的基本特征 表2 ．1彭水县至龚滩乌江沿岸暗河地质情况一览表 暗河出口高暗河平水 编 暗河口位置度与乌江平略河所在地层流量 号 水位关系 米3 ／秒 1 ．5 米 l 小元滩乌江右岸 2 0 米 中三叠统大冶灰 0 ．1 - - 个口 岩 2 鸡公滩乌江右岸一1 米中寒武统灰岩 O ．4 3 鸡公滩乌江左岸 1 0 米 中寒武统灰岩 O ．3 下二叠统阳新灰 4 大元滩下游1 公里乌江左岸．i 米 O ．2 石 中三叠统大冶灰 5 响水洞乌江右岸 8 米0 ．8 岩 下二叠统阳新灰 6 蚊鸡沱下游l 公里乌江左岸- t O ．5 米 O ．3 ．岩 7 万足下游2 公里乌江右岸 4 米 中寒武统灰岩 O ．1 5 8 彭水县城上游4 公里乌江左岸4 - 0 米中寒武统灰岩 O ．2 2 向斜层和背斜层的影响 在向斜层中，如果在岩溶层顶、底板有间隔层，往往产生自流水。如云南鲁甸 县西雀落海子，在海拔2 1 0 0 米的盆地 当地河流水面标高在1 0 0 0 米左右 中揭露 的上泥盆统岩溶自流水，钻孔涌水量1 6 ．4 升／秒。自流水的成因，就是因为项底板 都有间隔层，顶板是灰岩中的“硅化带”，底板是中泥盆统砂、页岩 图2 ．3 嘲。 在背斜层中，如果岩溶层的项板为非岩溶层，在条件适当时也可以造成背斜轴 部岩溶层中地下水富集的情况。例如，川东褶皱群的万县、江北、永州一带，那里 是开阔的向斜与北东向的狭长背斜交替，背斜两翼和向斜中心都是侏罗系红层及煤 系，仅在背斜轴部出露中三叠统嘉陵江灰岩，造成地下水富集的有利条件。在江北 龙王洞背斜打的一个坑道，在1 0 5 6 米处揭穿嘉陵江灰岩中的暗河，最大流量9 0 0 0 0 米3 ／时，以后逐渐减小，二个月后稳定在5 4 0 0 米3 ／时，统计从8 月到1 1 月的7 2 天 中总涌水量达1 6 8 0 万立方米。现已在坑道内7 2 0 米处筑坝建成蓄水达2 0 0 0 万立 方米以上的“地下水库” 图2 4 “1 。 3 单斜层的影响 一般来说，单斜层，特别是倾斜比较平缓时，对改变岩溶地层和非岩溶地层之 间的间隔关系，影响是不大的。但是结合其他因素，也可以造成一些特殊的水文地 质条件。 例如，广西南丹八圩，为向东倾斜的单斜层，石炭二叠系岩溶含水层的底板为 下石炭统间隔层．由于受打狗河排水影响，地下水也自西向东运动，因而地下水位 也大体上愈向东愈深 图2 5 删。 7 中南大学硕士学位论文第二章岩溶地区地下水的基本特征 图2 - 3 雀落海子上泥盆统岩溶自流水地质剖面示意图 图2 4 四川江北龙王洞背斜轴暗河示意图 ，△S V 图2 5 南丹八圩与打狗河之间地质剖面示意图 再如 图2 - 6 ，由于下伏下石炭页岩的间隔作用，使中石炭白云岩中的一条暗 河在5 0 米高的悬崖上流出，成为一个瀑布，暗河最枯流量6 0 升／秒“1 。 0 中南大学硕士学位论文第二章岩溶地区地下水的基本特征 河在5 0 米高的悬崖上流出，成为一个瀑布，暗河最枯流量6 0 升／秒“1 ． 4 穹窿的影响 如 图2 7 ，穹窿核部为中泥盆统白云石化灰岩，其外依次为下石炭硅质岩层， 石炭二叠系灰岩，三叠系砂岩、页岩。这里有二个间隔层 下石炭统硅质层，三叠 系砂岩、页岩 ，在下石炭统硅质层外，暗河或地表小河成放射状向东、西、南、 北流去，出现富水现象．但是在下石炭统硅质层之内，穹窿核部的泥盆系白云化灰 石中虽然岩溶发育，由于地势高，地下水位深达1 0 0 米余，水源缺乏M ． 5 断层的影响 断层改变了岩溶地层和非岩溶地层之间原来的间隔关系，使岩溶地层受到一些 新产生的间隔作用而形成某些水文地质现象，这种例子是很多很多的。 图2 - - 6 广西河池流水岩地质剖面示意图 图2 7 广西巴平穹隆地质构造略图 i - q 三叠统砂页岩夹泥灰岩；2 一中上是石炭绞石灰岩；3 - 下石炭统泥质灰岩； 4 一上泥盆统泥炭质灰岩；5 - 中．无盆统白云质灰岩；6 - 断层；7 一泉水及其标高； 8 一地下水流向 9 中南大学硕士学位论文 第二章岩溶地区地下术的基本特征 例如，云南个旧红河边上，断层使古老的变质岩系 片麻岩、片岩 和中三叠 统个旧灰岩发生接触。由于变质岩系的阻隔作用，灰岩中的暗河在标高4 6 0 米的半 山坡上流出 图2 - 8 ，高出当地的侵蚀基准面 红河水面。标高1 0 0 米 3 6 0 米． 暗河的最枯流量6 米3 ／秒，洪峰流量可达8 0 - 9 0 米3 ／秒⋯。 6 ．其他构造形迹的影响 其他构造形迹，诸如不整合、火成岩侵入体等，往往也对岩溶地层起闯隔作用。 例如，山东省济南市的中奥陶统灰岩中的岩溶自流水，即是由于火成岩的间隔作用 造成的 图2 ．9 ⋯。 图2 - 8 云南红河边一个大型暗河出口地质剖面示意图 图2 9 山东济南市中奥陶统灰岩自流水地质剖面示意图 2 ．1 ．3 不同力学性质的结构面对岩溶地下水分布的控制作用 1 ．褶皱轴部与岩溶地下水分布的关系 “褶皱轴面”是一种压性的“标志性”结构面，它“本身”并不能为地下水在 岩溶岩体中的活动以及岩溶的发育提供便利条件。但是在褶皱发生的形变过程中， 其轴部附近却可发生许多不同性质 压性、扭性、张性 不同方向 与褶皱轴平行、 垂直、斜交 不同序次 初次及派生的 的分划性结构面 节理、裂隙，裂缝、断 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章岩溶地区地下水的基本特征 裂等 。这就为地下水在褶皱轴部附近的运动和岩溶在褶皱轴部附近的发育提供了 的利条件。因此，许多暗河通道富水段都分布在褶皱轴部附近。 1 分布在向斜轴部的暗河或富水段 如保安一地苏暗河的干流位于向斜轴部的石炭系灰岩中 图2 - 1 0 。地苏西南 邻谷的六也华善暗河，也位于向斜轴部，暗河发育的地层为下二叠统茅口灰岩 图 2 1 1 。这二条暗河相距1 6 公里，流向都大致是西北向东南，与广西山字型构造前 弧西翼的构造线一致M 。 2 分布在背斜轴部的暗河或富水段 如广西来宾与武宣之间的南泗坡立谷，大致上位于背斜轴部附近的中石炭统白 云质灰岩中，岩溶地下水较丰富，有许多流量大于1 0 0 升／秒的岩溶泉水，南泗村 南面附近的1 6 号钻孔 图2 - 1 2 涌水量1 4 ．6 升／秒 降深2 ．7 7 米 。在来宾县石 牙谷地中，也是正好背斜轴部的古陆、古逢，马鞍，南阳一带，在上泥盆统灰岩中 露了一系列流量为1 5 1 3 2 升／秒的岩溶有泉水，构成一个背斜轴部富水带“。。 图2 1 0 保安一地苏暗河主流与地质构造关系剖面示意图 图2 1 1 六也华善地下河与向斜构造关系示意图 中南大学硕士学位论文第二章岩溶地区地下水的基本特征 图2 - 1 2 南泗坡立谷地地质构造剖面示意图 3 向斜轴部和背斜轴部的富水性比较 虽然向斜轴部和背斜部都可以富集岩溶地下水，但是根据安徽、浙江，旅大、 云南、广西以及国外一些地区勘探岩溶水的经验，一般说，还是向斜轴部更为富水。 例如旅大市附近，是一系列北西向的向斜和背斜，根据资料，辽宁省水文地质队在 该地区进行勘探后得出的结论是岩溶在“向斜”轴部比背斜轴部发育，倒转向斜 比不转向斜发育”，如P 9 号孔，位于一向斜北翼距轴5 0 0 米处 图2 1 3 ，钻孔揭 露岩溶率达1 8 ％，出水量达7 5 0 立方米／时“”。 向斜轴部更为富水的原因，这与褶皱形变过程中局部应力分布状况有关。横梁 弯曲实验的力学分析告诉我们，在褶皱形变过程中，有一个“中和面” 图2 - 1 4 在背斜轴部“中和面”以上受张应力，而其下受压应力，在向斜轴部则相反，“中 和面”以上受张压应力，而其下张受张应力。因此，在向斜轴部，深部有较多的张 裂隙，更有利于岩溶发育和岩溶水的富集。而在背斜轴部岩溶发育和岩溶水的富集 主要是在浅部，而且岩溶发育带有一部分可能已剥蚀掉了“”． 图2 - 1 3 旅大市P 9 号孔地质构造关系示意图 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章岩溶地区地下水的基本特征 图2 - 1 4 褶皱形变过程的应力分布状况示意图 当然，这只是就构造条件而论，向斜轴部是否富水，还与补给条件有关，有时 向斜轴部岩溶虽然很发育，但补给条件不好，钻孔出水量仍然很小。 2 ．张性或张扭性裂隙对岩溶地下水分布的控制作用 在岩溶地层受地应力作用而发生不同序次的形变时，会产生各种不同的方向、 不同力学性质的节理、裂隙，其中张性或张扭性裂隙往往可以控制暗河延伸的方向。 1 受张扭性节理、裂隙控制的暗河 这种暗河与主应力方向平行或斜交 亦即与褶皱轴方向垂直或斜交 。如广西 忻城的古蓬暗河 图2 - 1 5 ，就是沿初次的张扭性节理裂隙发育的，暗河正好切穿 了背斜轴部而成东西向延伸“目． 图2 1 5 古蓬暗河地质构造示意图 2 受张裂隙或层面裂隙控制的暗河 这种暗河与主应力方向垂直，亦即与褶皱方向平行。在褶皱形变过程中发生的 纵张性裂隙以及层间的滑动，都是与褶皱轴方向平行的。属于这种情况的实例甚多， 如图2 1 6 暗河则是沿层面裂隙发育的。三个暗河天窗所指出的暗河河段长3 4 0 米， 其延伸方向为南北向，与岩层走向平行；暗河通道的倾斜方向也和岩层层面倾斜方 向一致脚。 3 ．两侧都是岩溶地层的断层与岩溶地下水分布的关系 两侧都是岩溶地层的断层，对岩溶地下水分布的控制作用比较复杂。它们有时 是富水的有时则是相对阻水的，这取决于断层的力学性质、断层附近的伴生及派生 结构面的发育程度、破碎带的分布及其胶结情况等因素。现分别举一些实例来说明。 中南大学硕士学位论文第二章岩溶地区地下水的基本特征 图2 一1 6 沿层面裂隙发育暗河的示意图 例如，湖南宁乡煤炭坝向斜的南部，有二组断裂，一组是北东向的逆冲断层， 另一组是与其垂直的张性正断层。根据资料，湖南地质局4 0 1 队曾对二组断层分别 作了抽水试验，结果证明，张性的正断层是富水的，而压性的逆冲断层是相对的阻 水断层 图2 - 1 7 ㈣。 图2 - - 1 7 湖南煤炭坝向斜地质构造示意图 l - 壶天群；2 一乐平煤系；3 - 栖霞组；4 - 长兴灰岩；5 - 茅口组 再如广西武宣桐岭谷地，位于广西山字型构造前弧的东翼。那里也有二组不同 力学性质的断层，一组是与前弧挤压构造带平行的压性断层 北东向 ，另一组是 与其垂直的张扭性断层 北西向 ．在该区进行水文地质勘探中，有二个相距仅2 0 0 米的钻孔 Z 9 号孔，Z I O 号孔 ，分别打到了二个断层 图2 - 1 8 Z 9 号孔打在北东 1 4 中南大学硕士学位论文第二章岩溶地区地下水的基本特征 向的压性断层带上，孔深9 0 ．5 米，全部是断层角砾岩，但胶结很好，涌水量不到 0 ．5 升／秒；Z I O 号孔打在北西向的张扭性断层上，涌水量则达1 2 ．1 2 升／秒“”。 以上实例说明，压性断层是阻水的，张性或张扭性断层是富水的。但这只是说 的一般情况，断层带的富水性还与其破碎带的胶结情况，邻近的伴生派结构面的性 质有关。 例如，广西罗城谷地石炭系中的古耀逆断层，从结构面特征看，应属压性断层。 但此与断层相距1 4 0 0 米，有2 0 0 米宽的破碎带，因而仍然是富水的。据揭露此断 层的Z 1 1 号孔 图2 一1 9 ，孔深1 3 0 ．4 8 米，抽水试验结果，降深3 ．5 8 米，涌水量2 1 ．5 9 升／秒，单位涌水量为6 ．0 3 升／秒米。 图2 一1 8 桐岭Z 9 - 1 0 号孔地质剖面图 图2 - - 1 9 罗城古跃逆断层及Z l l 号孔剖面图 ● ． 综上所述，可见岩性与构造条件对岩溶地下水分布的控制作用是相当明显的。 因此，在实际的调查中，要密切注意构造形迹结合非岩溶地层的间隔作用，把岩溶 中南大学硕士学位论文 第二章岩溶地区地下水的基本特征 地层划分成不同方向、不同规模的条带或岩块的情况，也要注意研究岩溶地层内部 各种不同力学性质的结构面，特别是张性和张扭性结构面对岩溶地下水分布的控制 作用． 由于构造形迹在岩溶地层内的分布往往是不均匀的，具有明显的方向性，因而 岩溶地下水的分布也往往是非常不均匀的，在水力联系上也常常具有各向异性的特 点，这在下一节中，将作比较详细的论述。 2 ．2 岩溶地下水分布的不均匀性 岩溶地下水分布的最基本特点，就是这种水是在各种形态的岩溶通道中运动 在通道中有水，甚至水很大，在通道壁以外的岩层中水甚小，甚至无水。 岩溶地下水分布的“不均匀性”包括两个方面。一方面是，岩溶地下水的富水 性在水平和垂直方向上的差异性，这一点是人们熟悉的；另一方面是，岩溶岩体中 各个不同部位的地下水之间的水力联系的各向异性。 2 ．2 ．1 水力联系的各向异性 对于岩溶地层来说，无论是富水性还是水力联系上的各向异性，都是与岩溶通 道具有明显的方向性、岩溶的发育规模与联通程度在不同方向上有很大的差异是相 关连的。而这一切，又都是受构造形迹的方向性控制的。 水力联系的各向异性，受构造控制的情况可以从以下实例中明显地看出。例如 湖南宁乡煤炭坝煤矿，其西峰仑矿井的茅口灰岩，发育有一组北东8 0 。方向的张扭 性节理，这是控制茅口灰岩岩溶发育方向的主导裂隙，在矿井中揭露的许多溶洞裂 隙主要是沿这组节理发育的，如图 2 2 0 “”。因此，茅口灰岩中的岩溶地下水水 力联系的各向异性也受此组裂隙控制。根据资料，1 9 6 5 年1 月1 2 日西峰仑负3 l 巷 突№7 8 点出水，涌水量为1 7 0 立方米／时，五天后位于出水点南8 0 。西方向的C K l 3 孔水位突然下降l O ．1 5 米，而此时位于N 0 7 8 出水点东南的C K 3 0 孔水位未动。相反， 1 9 6 5 年3 月8 日西峰仑正2 5 巷南采区放垮数米煤巷，堵死其中的岩溶地下水，此 时位于垮塌处北8 0 。东方向的C K 3 0 孔水位由5 8 ．8 3 米上升8 3 ．3 4 米，而位于垮塌处 北西方向的C K l 3 孔水位未动。二个情况都说明岩溶水在北8 0 。东方向上易于互相 连系。 岩溶地下水不均匀分布的两个表现方面 富水性与水力联系 既是互相联系的， 又是互有区别的。大家知道，