第六章巖溶工程地質(zhì)研究

第六章巖溶工程地質(zhì)研究第一節(jié)概述第二節(jié)碳酸鹽巖的溶蝕機理第三節(jié)影響巖溶發(fā)育的因素第四節(jié)巖溶區(qū)水庫滲漏問題第五節(jié)巖溶地基穩(wěn)定性問題一、定義巖溶(Karst)：水對可溶性巖石進(jìn)行的以化學(xué)溶蝕作用為主的綜合地質(zhì)作用以及由此產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。1.巖溶作用：以化學(xué)溶蝕為主，同時還包括機械破碎、沉積、坍塌、搬運等作用，是一個化學(xué)－物理相結(jié)合的綜合作用。2.巖溶現(xiàn)象：巖溶地貌及水文、工程地質(zhì)條件。如石芽、石鐘乳、溶洞、地下暗河等?？扇苄詭r石包括碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、鹵化物等。第一節(jié)概述二、巖溶工程地質(zhì)研究的意義1.水利水電工程：滲漏、潰壩、塌陷、誘發(fā)地震據(jù)廣西39個巖溶山地縣統(tǒng)計，在已建的260座大水庫中，有明顯滲漏的（設(shè)計效益與實際效益相比低于80％者）有92座。二、巖溶工程地質(zhì)研究的意義2.道路工程路基、站場、橋梁地基穩(wěn)定性、地基塌陷在我國的主要干線鐵路中，巖溶地面塌陷災(zāi)害較為嚴(yán)重的有：京廣線、貴昆線、浙贛線，津浦線、沈大線、渝達(dá)線等。塌陷造成車站建筑物毀壞、路基沉降、道路懸空、橋涵開裂倒塌、隧道施工受阻等。鐵路斷道停車事故時有發(fā)生，甚至造成火車脫軌。有些路段列車長期限速慢行，損失巨大。二、巖溶工程地質(zhì)研究的意義3.工民建：地基穩(wěn)定性、塌陷問題自1977年至今，武漢地區(qū)先后發(fā)生10次巖溶地面塌陷：1977年，漢陽中南軋鋼常堆料場塌陷；1988年，武昌陸家街塌陷和阮家巷塌陷；1999年，毛坦村小學(xué)塌陷；2000年2月，武昌司法學(xué)校塌陷；2000年4月，青菱鄉(xiāng)烽火村塌陷；2006年4月，白沙洲阮家巷塌陷；2008年2月，漢南區(qū)長江干堤附近陡埠村塌陷；2009年12月22日，武昌白沙洲大道路面塌陷近百平方米。二、巖溶工程地質(zhì)研究的意義4.地下工程：涌水、突水、巖溶冒落1964年以來塌陷持續(xù)發(fā)展達(dá)20年之久，至今仍在繼續(xù)一、溶蝕過程CO2的來源：（1）大氣（2）土壤中生化作用、變質(zhì)作用（3）火山活動及巖層中某些化學(xué)作用產(chǎn)生的CO2第二節(jié)碳酸鹽巖的溶蝕機理二、混合溶蝕效應(yīng)不同成分或不同溫度的水混合后，其溶蝕能力有所增強的效應(yīng)。1.飽和溶液的混合溶蝕效應(yīng)指兩種或兩種以上已失去溶蝕能力的飽和水溶液，在碳酸鹽巖體內(nèi)相遇，混合后的溶液由原來的飽和狀態(tài)變成不飽和狀態(tài)，從而產(chǎn)生新的溶蝕作用，繼續(xù)溶解碳酸鹽巖。凡是有利于水混合的地帶，巖溶均較其它地帶發(fā)育。ABCDECO2CaCO32.不同溫度溶液的混合溶蝕相效應(yīng)如果有兩種溫度不同而飽和度相同的水相混合，或一種水溶液由高溫變?yōu)榈蜏兀伎梢约哟驝O2的溶解度，從而加強溶液的溶蝕能力，繼續(xù)溶蝕作用。包氣帶，潛水面附近或洞穴附近，溫泉地區(qū)三、其他離子的作用1.酸效應(yīng)2.同離子效應(yīng)3.離子強度效應(yīng)具有可溶性巖石巖石具有透水性水具有侵蝕能力水在巖石中應(yīng)是不斷地運動的可溶性巖石＋不斷運動的侵蝕性的水巖溶作用＋現(xiàn)象巖溶發(fā)育的條件：第三節(jié)影響巖溶發(fā)育的因素一、碳酸鹽巖巖性的影響：甲：純碳酸鹽巖1.灰?guī)r2.白云質(zhì)灰?guī)r（云灰?guī)r）3.灰質(zhì)白云巖（灰云巖）4.白云巖乙：（不純）質(zhì)碳酸鹽巖5.XX質(zhì)灰?guī)r6.XX質(zhì)云灰?guī)r7.XX質(zhì)灰云巖8.XX質(zhì)白云巖丙：不純碳酸鹽巖9.XX灰?guī)r10.XX白云巖非碳酸鹽巖1098765432150％30％10％白云石方解石80％50％20％甲乙丙酸不溶物標(biāo)準(zhǔn)試樣：方解石，要求試樣尺寸相同，粉碎的粒度大小一樣，溶蝕在高濃度CO2的蒸餾水中。KV及KCV越大，說明巖石的溶蝕強度和溶蝕速度也越大。研究表明：★方解石含量越高，KV越大；反之白云石含量越高，KV越小。

★酸不溶物含量越高，KV越小。二、氣候的影響：1.降水的影響：（1）水直接參與巖溶作用，充足的降水是保證巖溶作用強烈進(jìn)行的必要條件。（2）水是溶蝕作用的介質(zhì)和載體，充足的降水保證了水體的良好的循環(huán)交替條件，促進(jìn)巖溶作用的強烈進(jìn)行。2.氣溫的影響：（1）氣溫升高，生物新陳代謝加快，土壤中有更多的CO2富集，但水中的CO2的溶解度減小，不利于巖溶作用。（2）氣溫升高，溶蝕速率增大，有利于巖溶作用。總體上：氣溫升高有利于巖溶作用的進(jìn)行。溫?zé)岢睗竦臒釒?、亞熱帶地區(qū)：巖溶作用較強烈高寒干燥的極地、寒帶地區(qū)：巖溶現(xiàn)象不發(fā)育三、地形地貌的影響：影響地下水循環(huán)交替條件的重要因素，表征地表水文網(wǎng)的發(fā)育特點，反應(yīng)了侵蝕基準(zhǔn)面和地下水排泄基準(zhǔn)面的性質(zhì)和分布，控制了地下水的運動趨勢和方向，進(jìn)而控制了巖溶發(fā)育的規(guī)模、速度、類型及空間分布。1.平坦地區(qū)：地表徑流弱，入滲強烈，有利于巖溶發(fā)育2.陡峭地區(qū)：地表徑流強烈，入滲弱，不利于地下巖溶發(fā)育3.突起地區(qū)：地下水位深，包氣帶厚度大，垂直巖溶發(fā)育4.低洼地區(qū)：地下水位淺，匯水地帶，巖溶發(fā)育強烈，以水平巖溶為主。四、地質(zhì)構(gòu)造的影響：1.斷裂的影響：（1）沿斷裂面巖溶發(fā)育強烈：地下水的通道（2）各組破裂面相互交織、延伸進(jìn)而控制了巖溶發(fā)育的形態(tài)、規(guī)模、速度和空間分布。（3）各種破裂面相互交織，使地下水混合溶蝕效應(yīng)明顯，促進(jìn)巖溶發(fā)育。2.褶皺的影響：（1）褶皺的不同部位，裂隙發(fā)育不均勻，巖溶強度不同。(核部比翼部發(fā)育。)（2）大型褶皺控制了可溶巖的空間分布和地下水匯水范圍及徑流條件，影響著巖溶的發(fā)育。（如溶蝕洼地的長軸、溶洞和暗河的延伸方向常與褶皺軸向或翼部巖層的走向一致。）3.巖層組合的影響：（1）厚而純的碳酸鹽巖Ⅰ.包氣帶：（垂直循環(huán)帶)多發(fā)育垂直巖溶形態(tài)Ⅱ.地下水季節(jié)變動帶：兩方向巖溶均發(fā)育Ⅲ.飽水帶：（受當(dāng)?shù)厮木W(wǎng)排泄影響）ⅠⅡⅢⅣ河谷兩岸：水平運動，形成規(guī)模大、連續(xù)性好的水平巖溶河谷底部：收斂狀曲線運動，發(fā)育深巖溶Ⅳ.深循環(huán)帶(不受當(dāng)?shù)厮木W(wǎng)影響，受區(qū)域地貌和地質(zhì)構(gòu)造的控制)巖溶不很發(fā)育巖層組合的影響：（1）厚而純的碳酸鹽巖（2）碳酸鹽巖夾非可溶性巖層（3）非可溶性巖層與碳酸鹽巖互層：在同一時期，巖溶呈多層發(fā)育（4）非可溶性巖層夾碳酸鹽巖：巖溶發(fā)育極弱五、新構(gòu)造運動的影響：地殼運動的性質(zhì)、幅度、速度和波及范圍，控制著水循環(huán)交替條件及其變化趨勢，從而控制著巖溶發(fā)育的類型、規(guī)模、速度、空間分布及巖溶作用的變化趨勢。新構(gòu)造運動的基本形式有三種：1.上升期：侵蝕基準(zhǔn)面相對下降，地下水位逐漸下降，側(cè)向巖溶不發(fā)育，規(guī)模小而少見，分帶現(xiàn)象明顯，以垂直形態(tài)的巖溶為主。2.平穩(wěn)期：侵蝕基準(zhǔn)面相對穩(wěn)定，溶蝕作用充分進(jìn)行，分帶現(xiàn)象明顯，側(cè)向巖溶規(guī)模大，巖溶地貌較明顯典型。3.下降期：常形成覆蓋型巖溶，地下水循環(huán)條件變差，巖溶作用受到抑制或停止。（1）間歇性上升：上升→穩(wěn)定→再上升→再穩(wěn)定形成水平溶洞成層分布，高程與階地相對應(yīng)。從更長的地質(zhì)歷史時期來看：(a)地殼上升時深成巖溶階段;(b)地殼穩(wěn)定時的側(cè)向巖溶階段;(c)地殼再上升時的側(cè)向巖溶轉(zhuǎn)成深成巖溶階段（2）振蕩升降：巖溶作用由弱到強，由強到弱反復(fù)進(jìn)行以垂直形態(tài)的巖溶為主，水平溶洞規(guī)模不大，而且成層性不明顯。（3）間歇性下降：下降→穩(wěn)定→再下降→再穩(wěn)定巖溶多被埋于地下，規(guī)模不大，但具成層性，洞穴中有松散物充填。從層狀洞穴的分布情況及充填物的性質(zhì)，可查明巖溶發(fā)育特點及形成的相對年代第四節(jié)巖溶區(qū)水庫滲漏問題一、滲漏的形式1.按滲漏通道分類裂隙分散滲漏管道集中滲漏2.按庫水漏失的特點分類（滲漏持續(xù)時間）暫時性滲漏：包氣帶永久性滲漏3.按滲漏部位分類繞壩滲漏：壩區(qū)臨谷滲漏：庫區(qū)二、巖溶滲漏的研究內(nèi)容1.查明巖溶發(fā)育、分布規(guī)律重點查明溶洞、暗河的展布位置、規(guī)模等，進(jìn)行巖溶泉水流量、高程調(diào)查，確定通道的位置及可能影響程度。2.分析地質(zhì)條件（1）巖層組合：當(dāng)夾有非可溶巖地層時，可借助該層防止?jié)B透（2）地質(zhì)構(gòu)造：★褶皺

a.縱谷（河流流向與巖層走向一致）：與河流所處褶皺的部位有關(guān)b.橫谷（河流流向與巖層走向垂直）：修水庫不利，但充分利用隔水層，可能防止壩區(qū)滲漏。c.斜交谷：具體分析★斷層：既可有利于滲漏，又可不利于滲漏★巖體侵入：相對隔水層的分布位置3.查明河間地塊的水文地質(zhì)條件建庫河流河水及庫水位與河谷兩岸地下水及鄰谷河水位的組合關(guān)系（1）補給型：滲漏與否視蓄水后庫水位與地下水位的補給關(guān)系而定。若建庫后仍為補給型，不永久滲漏。若建庫后為排泄型，則滲漏。（2）排泄型：建庫后肯定會產(chǎn)生永久滲漏（3）懸托型：一定滲漏在深厚碳酸鹽巖地層中，地下水排泄通暢，地殼上升，侵蝕基準(zhǔn)面不斷下降，始終保持地下水位低于河水位，形成懸托河。若河谷沉積物覆蓋層較厚，顆粒較細(xì)，則滲漏微弱些，否則滲漏嚴(yán)重。三、巖溶滲漏的防治措施1.降低巖體的透水性，截斷滲漏通道灌（垂直河流和地下水等水位線）鋪堵截2.導(dǎo)水導(dǎo)氣當(dāng)洪水期地下水位上升，可能形成較高的水、氣壓力，破壞堵體或形成新的洞穴和塌陷當(dāng)枯水期地下水位下降，在被堵或天然封閉條件較好的洞穴中可能形成負(fù)壓，“真空吸蝕’，破壞堵體或形成新的洞穴和塌陷第五節(jié)巖溶地基穩(wěn)定性問題一、變形破壞的主要形式1.不均勻沉降2.地表塌陷3.地基承載力不足4.地基滑動二、地表塌陷1.巖溶洞穴對工程的危害1）建筑物基礎(chǔ)懸空2）對建筑物穩(wěn)定性的影響2.地表塌陷的形成潛蝕論是1898年俄國學(xué)者巴浦洛夫提出的，在國內(nèi)外地質(zhì)界長期被接受并加以應(yīng)用。地下水位下降時，水力梯度也隨之增大，地下水流速加快，動水壓力增強，當(dāng)動水壓力大于土體內(nèi)聚力與顆粒間摩擦力，土顆粒開始被滲流帶動遷移，這一現(xiàn)象稱為潛蝕或管涌。對上覆第四紀(jì)土層和洞穴、溶隙中的充填物進(jìn)行沖蝕、淘空，并將土顆粒隨水?dāng)y走，這時在與碳酸鹽巖體頂板接觸處的土層中開始形成土洞。

■土洞形成的條件：（1）下伏基巖中巖溶發(fā)育（2）水動力條件變化大（3）上覆土層較松散且具有一定的厚度（a）土洞未形成以前（b）土洞初步形成（c）土洞向上發(fā)展（d）地表塌陷（e）形成碟形洼地1.覆蓋型巖溶區(qū)極限狀態(tài)時：Hk=h+Z+D式中：Hk：極限狀態(tài)時上覆土層的厚度

h：土洞高度

D：基礎(chǔ)砌置深度

Z：基礎(chǔ)底板以下建筑荷載的

有效影響深度當(dāng)H>Hk時，地基是穩(wěn)定的當(dāng)H<Hk時，地基是不穩(wěn)定的，是建筑荷載和土洞共同作用的結(jié)果當(dāng)H<h時，僅土洞的發(fā)展就可導(dǎo)致地表塌陷三、巖溶地基穩(wěn)定性評價2.裸露型巖溶區(qū)：溶洞頂板穩(wěn)定性問題：巖性、巖體結(jié)構(gòu)面的分布、組合關(guān)系、連通性能、頂板厚度、溶洞形態(tài)、大小、充填情況、水文地質(zhì)條件等。分為：完整頂板與不完整頂板兩種情況：完整頂板指未被節(jié)理裂隙切割或雖被切割但膠結(jié)良好的情況。（1）、完整頂板按剪力概念計算按彎矩概念計算（2）、不完整頂板頂板坍塌堵塞法塌落拱理論分析法頂板坍塌堵塞法四、巖溶地基的防治措施1、繞避選址或選線時注意以下原則：①在可溶性巖石分布區(qū)，宜選擇在溶蝕強度較低的巖石地區(qū)。②在可溶性巖石分布地區(qū)，路線方向不宜與巖層構(gòu)造線方向平行，而應(yīng)與之斜交或垂直通過，因為暗河的主要通過方向多平行于巖層構(gòu)造線方向。③在巖溶地區(qū)，應(yīng)避開較大的斷層破碎帶，或使路線方向與其成直交或外交，以避免或減少由于斷層帶巖石破碎、巖溶發(fā)育強烈和巖溶水豐富而威脅到地基的穩(wěn)定性。④應(yīng)盡可能避開可溶巖與非可溶巖相接觸的地帶，因為這種地帶有利于地下水的活動，巖溶發(fā)育比較強烈，巖溶泉往往成群分布。⑤應(yīng)盡可能避開碳酸鹽類巖石同某些金屬礦床（如鐵黃礦FeS2）相接觸的地帶，因為這種地帶往往巖溶發(fā)育比較強烈。2、疏導(dǎo)對巖溶水只宜疏導(dǎo)為主，采取因地制宜，因勢利導(dǎo)的方法，不宜堵塞。疏導(dǎo)建筑物一般可采用明溝、泄水洞等。例1：巖溶水成群出露于某大橋橋頭公路岔道處的石灰?guī)r山坡上。為經(jīng)常性懸掛式接觸下降泉，有較大的泉眼3處，流量很大，除供附近公社用水外，部分泄入江中。公路由右側(cè)坡腳通過，建有混凝土排水明溝，將巖溶水導(dǎo)向涵洞排出，路基無損害。而左側(cè)的簡易公路只