第七章 岩溶工程地质研究.ppt

,第七章岩溶工程地质研究,概述碳酸盐岩的溶蚀机理影响岩溶发育的因素岩溶区水库渗漏问题岩溶地基稳定性问题,提要,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的改造和破坏地质作用以及由此产生的地貌及水文地质现象的总称。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。可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。,,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。,,,,贵州省毕节县的织金洞，原名打鸡洞。位于县城东北23公里处织金洞是一个多格局、多层次、多类型的高位旱洞，洞内岩溶生长独特，景物规模宏大，雄伟壮观，千姿百态，精妙绝伦。全洞初勘长12.1公里，面积达70平方米，两壁最宽处173米，垂直高度多在50至60米，最高处达150米。洞内空间开阔，地形起伏迭宕，岩溶堆积物达40多种，囊括了世界溶洞所有的形态类别。,“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。,据广西39个岩溶山地县统计，在已建的260座大水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于80％者）有92座。,1.水利水电工程渗漏、溃坝、诱发地震,,,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。,3.地下工程涌水、突水、岩溶冒落,4.工民建地基稳定性、塌陷问题自1977年至今，武汉地区先后发生6次岩溶地面塌陷1977年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；1988年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；1999年，毛坦村小学塌陷；2000年2月，武昌司法学校塌陷；2000年4月，青菱乡烽火村塌陷1988年5月10日，武昌陆家街地面塌陷，圆形塌坑，直径22M，深10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。,,2000年4月6日下午4时－8时，洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。陷坑18个，最大陷坑长63米、深6－7米；最小陷坑1－2长，深小于2米。陷坑带呈近东西向分布，散分在东西300米、南北250米的范围内。有2栋民房完全倒塌，有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。该村196户、990余名村民无一人伤亡。,,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，近期发现大量岩溶塌陷。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2公里处正在施工的路基。目前已发现有85个塌陷溶洞，分布在2公里长新辟的路基上，直径最小为1米，大至10多米，最浅的为1米，最深的3米多。,几乎所有的塌陷洞内都涌积清澈的地下水，水位埋深1～3米，可测水深达3米多，不少塌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，陷坑分布密度惊人，仅在1处约100多米长的路段，就发现有32个。在今年4月修路基时就陆续发现塌陷，修涵洞时就遇到过2个溶洞，投了100多立方石头才填满。现在看到的塌陷大部分都经挖掘机车清理，准备填充石料。据了解随着工程施工铺开，近日又新出现了10多个塌陷。,佛罗里达州温特帕克的落水洞,（a）开始沉下去不久，注意昂贵的赛车掉入坑内。（b）从空中看，这个坑几乎完全对称。（c）堵塞后的景观，落水洞地区现在成了一个城市公园。,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。如地表水侵蚀、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。,,一、溶蚀过程,,碳酸盐为难溶盐，溶解度很低，如250C时，溶解度为14.2mg/L，由于水的化学成分复杂，且随环境条件而复化，使得碳酸盐岩石处于长期、多变、多种溶蚀效应。溶蚀反应由表及里，地下溶蚀优先的复杂体之中。涉及三相体系固、水、气。,主要九个离子平衡体系CO2，H2CO3，HCO3，CO32，Ca2，CaHCO3，CaCO3，H，OH,溶蚀过程如下（以CaCO3的溶解和沉积为例）,①,②,由①及②,上述反应也可表示为离子平衡式,化简为,上述表明CaCO3在水中溶解的实质是CO32-与H结合生成HCO3-，因此H的浓度是溶解的关键。天然水中，H浓度很低，故CaCO3在天然纯水中溶解很少，形成岩溶主要是因为水中含有过量的CO2，与水结合电离H，促使CaCO3溶解。任何能在水中产生H的物质均可能使CaCO3溶解。,水中CO2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、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。,不平衡,CaCO3溶解或CO2逸出平衡，或析出CaCO3（沉淀）不平衡,CaCO3溶解往复进行,充CO2,,,,二、混合溶蚀效应,不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀能力有所增强的效应。1.两种不同饱和溶液的混合溶蚀效应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，混合后的溶液较原来的溶液溶解性增强。水的溶蚀能力取决于水中侵蚀CO2的的存在情况，右图中曲线表示平衡CO2与溶解CaCO3的关系。,,两溶液的溶解度相差越大，相混合后，侵蚀性越大。实际上，自然界中溶液大都比较接近，相混合一般能再溶解1-2的CaCO3。,2.不同温度溶液的混合溶蚀相效应,如果有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，都可以加大CO2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对CO2吸收系数增大，以及用于饱和CaCO3所需的平衡CO2减少，多余的CO2转化为游离CO2。实际上，温度降低同时又限制了溶液中分子的游动和扩散，减缓了溶解反应的速度。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，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；温泉出露点附近等。,,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与碳酸盐岩溶解产生的相同离子，如Ca2、Mg2、CO32-等；另一类是不同的离子，如Na1-、Cl1-、SO42-等。这些离子对溶液的溶解性都有一定影响，即产生离子效应，如下,1.酸效应任何酸解离出H后，溶液中H浓度增加，H和CO32-结合生成HCO31-，从而加速CaCO3的溶解。如右反应式,,地质上含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。,2.同离子效应,3.离子强度效应,加入Ca2或CO32-等同等离子后，减缓水对碳酸盐的溶蚀能力。,水中增加与CaCO3不相一致的强电解离子时，它们会以较强的吸引力吸引Ca2及CO32-离子，从而降低Ca2与CO32-的引力，从而增大水对CaCO3的溶解性。,第三节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发育的因素。,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。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。常见的有灰岩、白云岩、白云质灰岩、硅质灰岩、泥质灰岩等。,不同岩石，其溶解性是不同的，可用两个指标表示,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CO2的蒸馏水中。KV及KCV越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度也越大。研究表明★方解石含量越高CaO/MgO比值越大，KV及KCV越大；反之白云石含量越小。★酸不溶物含量越高，KV及KCV越小。,矿物结晶越小，KV越大。一般而言，泥晶粒屑亮晶。,二、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。,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，进而影响岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布。例如区域地貌格局，宏观上控制了某地区的地表水文网及地下水排泄基准面的性状，从而控制了地表地下水的运动趋势，进而控制了岩溶发育的总体形式。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。,,,,,四、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。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明显，促进岩溶发育。,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。,3.岩层组合特征的影响,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，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4中类型的组合形式，岩溶发育明显不同。,（1）厚而纯的碳酸盐岩最有利于岩溶发育，按地下水动力特征剖面上分为四个带Ⅰ.包气带多发育垂直岩溶形态，溶蚀通道间连通性差。Ⅱ.地下水季节变动带垂直和水平两个方向岩溶均发育。Ⅲ.饱水带有利于形成规模大、连续性好的水平岩溶Ⅳ.深循环带由于水循环交替迟缓，岩溶发育很弱。,,,,,,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（2）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（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，其程度因不可溶岩夹层的厚度和夹层多少而不同。（3）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。（4）非可溶性岩层夹碳酸盐岩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，岩溶发育极弱。,五、新构造运动的影响,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，控制着水循环交替条件及其变化趋势，从而强烈的控制着岩溶发育的类型、规模、速度、空间分布及岩溶作用的变化趋势。,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，规模小而少见，分带现象不明显，以垂直形态的岩溶为主。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，侧向岩溶规模大，可形成较大规模的水平岩溶和暗河，岩溶地貌较明显典型。地壳下降期常形成覆盖型岩溶，地下水循环条件变差，岩溶作用受到抑制或停止。,