[工学]第六章岩溶工程地质研究.ppt

第六章 岩溶工程地质研究,第一节 概述第二节 碳酸盐岩的溶蚀机理第三节 影响岩溶发育的因素第四节 岩溶区水库渗漏问题第五节 岩溶地基稳定性问题,一、定义岩溶(Karst)：水对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的综合地质作用以及由此产生的各种现象。,1.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。,2.岩溶现象：岩溶地貌及水文、工程地质条件。如石芽、石钟乳、溶洞、地下暗河等。,可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。,第一节 概述,石钟乳、石笋、石芽,蘑菇石芽,石钟乳、石笋、石芽,石林,石林,溶洞(地下暗河),溶洞,石幕,地下暗河,石柱,我国有超过23个省广泛发育岩溶地层，据报道大部分是易溶灰岩和岩溶地层地区。据估计，我国960万平方公里的土地上分布着约超过130万平方公里的碳酸盐岩，他们出露于近地表或浅埋地下。如果包括埋藏较深的碳酸盐岩，将近三分之一的土地被这种沉积物覆盖。,二、岩溶工程地质研究的意义,1.水利水电工程：渗漏、溃坝、塌陷、诱发地震,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。,岩溶渗漏,湖北宜昌王家坝水库，1975年建成蓄水后，随即出现坝肩渗漏，继而出现迎水坡产生一陷坑，直径D4M，深H24M。,上部为白垩系砾岩，砾石为灰岩；下部为寒武系灰岩，有溶洞发育，本次塌陷原因系石灰岩中洞穴上部塌陷引起土石坝体陷坑现象。,二、岩溶工程地质研究的意义,2.道路工程路基、站场、桥梁地基稳定性、地基塌陷在我国的主要干线铁路中，岩溶地面塌陷灾害较为严重的有：京广线、贵昆线、浙赣线，津浦线、沈大线、渝达线等。塌陷造成车站建筑物毁坏、路基沉降、道路悬空、桥涵开裂倒塌、隧道施工受阻等。铁路断道停车事故时有发生，甚至造成火车脱轨。有些路段列车长期限速慢行，损失巨大。,贵昆线413公里处的三次重大塌陷，先后造成两列货车颠覆，中断行车71小时，已投入的治理费用达1700万元,京广线南岭隧道全长6.1km，灰岩占总长的92%，是典型的岩溶隧道。地面塌陷造成已建铁路下沉、运输中断、隧道施工受阻。,津浦线上泰安车站的地面塌陷，陷坑直径8米，可见深度5米（1979年1月），造成路基下沉，路轨架空、行车一度中断，整治费用达2000万元以上,天生桥隧道开挖至中部时，遇到长90米，宽120米，高约100米（路基以下高度大于50米）的岩溶大厅，线路悬空。,曾作过高填方与桥跨方案比较，由于技术及造价上的原因，不得不在隧道内再加弯道，于右侧绕避，降低了线路技术条件，损失达60 万元。,贵昆线的多乐段经过岩溶洼地区，在勘测设计时采用了一般的非岩溶地区的做法圈定汇水面积，将线路经过的A、B、C洼地作为独立的汇水区，分别作排水设计处理。,但由于A洼地的水经地下岩溶通道流入B洼地，再流入C洼地，使得C洼地的排洪能力远远低于实际排洪量，造成雨季路基被淹。,二、岩溶工程地质研究的意义,3.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10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；2006年4月，白沙洲阮家巷塌陷；2008年2月，汉南区长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。,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。,地面塌陷造成房屋倒塌,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67米最小陷坑12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。,1号坑,2008年2月29日下午开始，武汉汉南区长江干堤附近一在建小区内发生大面积地表塌陷。这一地表塌陷灾害发生在离长江干堤100余米处，沿长江干堤形成了一条近300米长的地陷带。地陷中心形成了长约105米、宽达47米、最深处约6米的坑道。,3#塌陷坑,1#塌陷坑,1#塌陷坑弧形拉张裂缝,二、岩溶工程地质研究的意义,4.地下工程：涌水、突水、岩溶冒落,1964年以来塌陷持续发展达20年之久，至今仍在继续,一、溶蚀过程,CO2的来源：（1）大气（2）土壤中生化作用、变质作用（3）火山活动及岩层中某些化学作用产生的CO2,第二节 碳酸盐岩的溶蚀机理,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.饱和溶液的混合溶蚀效应,指两种或两种以上已失去溶蚀能力的饱和水溶液，在碳酸盐岩体内相遇，混合后的溶液由原来的饱和状态变成不饱和状态，从而产生新的溶蚀作用，继续溶解碳酸盐岩。凡是有利于水混合的地带，岩溶均较其它地带发育。,A,B,C,D,E,CO2,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，继续溶蚀作用。包气带，潜水面附近或洞穴附近，温泉地区,三、其他离子的作用,1.酸效应,2.同离子效应,3.离子强度效应,具有可溶性岩石岩石具有透水性水具有侵蚀能力水在岩石中应是不断地运动的,可溶性岩石不断运动的侵蚀性的水,岩溶作用现象,岩溶发育的条件：,第三节 影响岩溶发育的因素,一、碳酸盐岩岩性的影响：,甲：纯碳酸盐岩1.灰岩 2.白云质灰岩（云灰岩）3.灰质白云岩（灰云岩）4.白云岩乙：（不纯）质碳酸盐岩5.XX质灰岩 6.XX质云灰岩7.XX质灰云岩 8.XX质白云岩丙：不纯碳酸盐岩9.XX灰岩 10.XX白云岩,非碳酸盐岩,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,50,30,10,白云石,方解石,80,50,20,甲,乙,丙,酸不溶物,标准试样：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，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、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.气温的影响：（1）气温升高，生物新陈代谢加快，土壤中有更多的CO2富集，但水中的CO2的溶解度减小，不利于岩溶作用。（2）气温升高，溶蚀速率增大，有利于岩溶作用。总体上：气温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燥的极地、寒带地区：岩溶现象不发育,三、地形地貌的影响：影响地下水循环交替条件的重要因素，表征地表水文网的发育特点，反应了侵蚀基准面和地下水排泄基准面的性质和分布，控制了地下水的运动趋势和方向，进而控制了岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布。,1.平坦地区：地表径流弱，入渗强烈，有利于岩溶发育2.陡峭地区：地表径流强烈，入渗弱，不利于地下岩溶发育,3.突起地区：地下水位深，包气带厚度大，垂直岩溶发育4.低洼地区：地下水位浅，汇水地带，岩溶发育强烈，以水平岩溶为主。,四、地质构造的影响：,1.断裂的影响：（1）沿断裂面岩溶发育强烈：地下水的通道（2）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。（3）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：（1）褶皱的不同部位，裂隙发育不均匀，岩溶强度不同。(核部比翼部发育。)（2）大型褶皱控制了可溶岩的空间分布和地下水汇水范围及径流条件，影响着岩溶的发育。（如溶蚀洼地的长轴、溶洞和暗河的延伸方向常与褶皱轴向或翼部岩层的走向一致。）,3.岩层组合的影响：,（1）厚而纯的碳酸盐岩.包气带：（垂直循环带)多发育垂直岩溶形态.地下水季节变动带：两方向岩溶均发育.饱水带：（受当地水文网排泄影响）,河谷两岸：水平运动，形成规模大、连续性好的水平岩溶河谷底部：收敛状曲线运动，发育深岩溶.深循环带(不受当地水文网影响，受区域地貌和地质构造的控制)岩溶不很发育,岩层组合的影响：,（1）厚而纯的碳酸盐岩（2）碳酸盐岩夹非可溶性岩层（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（4）非可溶性岩层夹碳酸盐岩：岩溶发育极弱,几种典型的水循环交替条件,厚层灰岩裸露补给河谷排泄,薄层灰岩裸露补给排泄,透水盖层渗入分散补给河谷排泄,河流洪水倒灌补给,河流集中补给邻谷排泄,河谷水经断层间接补给邻谷排泄,单斜层裸露补给远谷排泄,向斜层裸露补给远谷排泄,五、新构造运动的影响：地壳运动的性质、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。,新构造运动的基本形式有三种：,1.上升期：侵蚀基准面相对下降，地下水位逐渐下降，侧向岩溶不发育，规模小而少见，分带现象明显，以垂直形态的岩溶为主。,2.平稳期：侵蚀基准面相对稳定，溶蚀作用充分进行，分带现象明显，侧向岩溶规模大，岩溶地貌较明显典型。,3.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。,（1）间歇性上升：上升稳定再上升再稳定形成水平溶洞成层分布，高程与阶地相对应。,从更长的地质历史时期来看：,(a)地壳上升时深成岩溶阶段;(b)地壳稳定时的侧向岩溶阶段;(c)地壳再上升时的侧向岩溶转成深成岩溶阶段,（2）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。,（3）间歇性下降：下降稳定再下降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。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,第四节 岩溶区水库渗漏问题,一、渗漏的形式,1.按渗漏通道分类 裂隙分散渗漏 管道集中渗漏,二、岩溶渗漏的研究内容,1.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。,2.分析地质条件（1）岩层组合：当夹有非可溶岩地层时，可借助该层防止渗透,（2）地质构造：褶皱 a.纵谷（河流流向与岩层走向一致）：与河流所处褶皱的部位有关,b.横谷（河流流向与岩层走向垂直）：修水库不利，但充分利用隔水层，可能防止坝区渗漏。,c.斜交谷：具体分析,断层：既可有利于渗漏，又可不利于渗漏,岩体侵入：相对隔水层的分布位置,3.查明河间地块的水文地质条件建库河流河水及库水位与河谷两岸地下水及邻谷河水位的组合关系,三、岩溶渗漏的防治措施,1.降低岩体的透水性，截断渗漏通道灌（垂直河流和地下水等水位线）铺堵截,2.导水导气当洪水期地下水位上升，可能形成较高的水、气压力，破坏堵体或形成新的洞穴和塌陷当枯水期地下水位下降，在被堵或天然封闭条件较好的洞穴中可能形成负压，“真空吸蚀，破坏堵体或形成新的洞穴和塌陷,第五节 岩溶地基稳定性问题,一、变形破坏的主要形式1.不均匀沉降 2.地表塌陷 3.地基承载力不足 4.地基滑动,二、地表塌陷1.岩溶洞穴对工程的危害1）建筑物基础悬空 2）对建筑物稳定性的影响,2.地表塌陷的形成潜蚀论是1898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。地下水位下降时，水力梯度也随之增大，地下水流速加快，动水压力增强，当动水压力大于土体内聚力与颗粒间摩擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移，这一现象称为潜蚀或管涌。对上覆第四纪土层和洞穴、溶隙中的充填物进行冲蚀、淘空，并将土颗粒随水携走，这时在与碳酸盐岩体顶板接触处的土层中开始形成土洞。,土洞形成的条件：（1）下伏基岩中岩溶发育（2）水动力条件变化大（3）上覆土层较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）土洞向上发展（d）地表塌陷（e）形成碟形洼地,真空吸蚀论是我国徐卫国等于1979年提出的，国内也普遍接受这一论点。在相对密闭的承压岩溶水中，由于地下水位大幅度下降，当地下水位低于覆盖层底板(或岩溶洞穴的表面)时，地下水由承压转为无压状态，在地下水面与覆盖层底板之间形成低气压状态的“真空腔”(或“负压腔”)，在真空腔内的水面如同“吸盘”一样，强有力地抽吸着覆盖层底板的土颗粒，使土体遭受“吸蚀掏空”，形成土洞。同时，随着地下水位的不断下降，因真空腔内外压差效应不断加剧，引起腔外大气压对覆盖层表面产生一种无形的“冲压”作用，加速了覆盖层结构的宏观破坏，土层强度降低，地面突然发生变形和破坏。,真空吸蚀论,问题探讨：自然地质环境中，很难具备封密的岩溶空腔条件；真空吸蚀的极限是一个大气压，真空吸蚀力不大；一旦塌陷发生，封闭状态破坏，在一次塌陷发生的中后期，则不可能连续发生塌陷，这与许多事例不符；一旦发生漩吸漏斗吸蚀作用，则不存在真空吸蚀，因为此时盖层已破坏；真空吸蚀同样难以解释同步塌陷。,真空吸蚀论强调真空压差的内吸外压的作用；潜蚀论强调了渗透压力的作用。,1.覆盖型岩溶区,极限状态时：Hk=h+Z+D式中：Hk：极限状态时上覆土层的厚度 h：土洞高度 D：基础砌置深度 Z：基础底板以下建筑荷载的 有效影响深度,当H Hk时，地基是稳定的当H Hk时，地基是不稳定的，是建筑荷载和土洞共同作用的结果当H h时，仅土洞的发展就可导致地表塌陷,三、岩溶地基稳定性评价,2.裸露型岩溶区：溶洞顶板稳定性问题：岩性、岩体结构面的分布、组合关系、连通性能、顶板厚度、溶洞形态、大小、充填情况、水文地质条件等。,分为：完整顶板与不完整顶板两种情况：完整顶板指未被节理裂隙切割或虽被切割但胶结良好的情况。,（1）、完整顶板按剪力概念计算按弯矩概念计算（2）、不完整顶板顶板坍塌堵塞法塌落拱理论分析法,顶板坍塌堵塞法,四、岩溶地基的防治措施,1、绕避,选址或选线时注意以下原则：在可溶性岩石分布区，宜选择在溶蚀强度较低的岩石地区。在可溶性岩石分布地区，路线方向不宜与岩层构造线方向平行，而应与之斜交或垂直通过，因为暗河的主要通过方向多平行于岩层构造线方向。在岩溶地区，应避开较大的断层破碎带，或使路线方向与其成直交或外交，以避免或减少由于断层带岩石破碎、岩溶发育强烈和岩溶水丰富而威胁到地基的稳定性。应尽可能避开可溶岩与非可溶岩相接触的地带，因为这种地带有利于地下水的活动，岩溶发育比较强烈，岩溶泉往往成群分布。应尽可能避开碳酸盐类岩石同某些金属矿床（如铁黄矿FeS2）相接触的地带，因为这种地带往往岩溶发育比较强烈。,例子1,例子2,某线有左岸和右岸方案，各长1km，左岸路线顺直，占农田少，但该岸发育有许多网状的溶洞，洞内坍塌严重，暴雨时5处涌水成河，并出现新生漏斗，而且这一带埋藏的溶洞一时不易搞清，经研究比较，采取走右岸通过砂页岩地区的方案，避开了严重的溶洞区。,2、疏导对岩溶水只宜疏导为主，采取因地制宜，因势利导的方法，不宜堵塞。疏导建筑物一般可采用明沟、泄水洞等。,例1：岩溶水成群出露于某大桥桥头公路岔道处的石灰岩山坡上。为经常性悬挂式接触下降泉，有较大的泉眼3处，流量很大，除供附近公社用水外，部分泄入江中。公路由右侧坡脚通过，建有混凝土排水明沟，将岩溶水导向涵洞排出，路基无损害。而左侧的简易公路只控有边沟排水，雨季岩溶水漫过路面，路基受到严重损害。,例子2：某线经过溶蚀洼地，暴雨时汇水量大于溶洞消水量而形成积水，水位高于路基表面2m，淹没大片农田。如提高路线则需展线，工程量增加很大。因此，于两侧设泄水洞以排除积水，降低水位，效果较好。,3、跨越通过岩溶洞穴时，如跨越和施工条件较好时，采用跨越方法。跨越按结构形式不同，可分为：桥跨、梁跨、板跨、拱跨等。,4、换填当洞穴埋藏不深时，可挖除其中的软弱充填物，回填碎石、灰土、混凝土等，以增强地基强度。,5、灌注加固当基础下洞穴埋藏较深时，可通过钻孔灌注水泥砂浆、混凝土、沥青等，以堵填洞穴、溶隙，提高其强度，或防止洞穴进一步坍塌。,6、强夯覆盖型岩溶区上覆松软土，通过强夯的方法使其压缩性降低，强度提高。,7、桩基：当堆积物不易清除或不被冲失流走时，可根据建筑物需要作支承桩或摩擦桩,多种方法综合利用,岩溶塌陷综合治理图1一排水沟；2一防渗层；3一结构物加固；4一地基处理；5一报警装置。,