工程地质学基础第九章岩溶工程地质研究.ppt

,第九章 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,第九章 岩溶工程地质研究,第一节 概述,一、定义岩溶及岩溶现象：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,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。,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。我国碳酸盐分布面积334万Km2，约占国土面积的36%，出露面积90.7Km2，占9.4%。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。,三、岩溶工程地质研究的意义,我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷376处，近十年间中断行车1860小时，颠覆列车3次。,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,因其分布面积广，在？地区进行工程建设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。其与建设工程的关系密切。不同建筑引发不同的问题。主要有：岩溶渗漏，引发地区塌陷，造成坑道涌水、突水、滑落。充分利用岩溶洞穴作为地下工程？等。,第二节 碳酸盐岩的溶蚀机理,一、溶蚀过程,参与岩溶过程的营力及岩溶过程很复杂。主要营力是水。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。水的侵蚀、溶蚀作用是经常性、缓慢的长期作用过程。,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。,涉及之相体有：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）,由及得：,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。,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。,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,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。,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：,任何？离子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？硫酸和蚀质的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。,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？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：？岩、酚岩、酚质灰岩、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：,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，结晶粒屑亮晶。重结晶？。,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200 300 C，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100 C，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 0.120.13mm/a；湖北0.06mm/a；河北 0.020.03mm/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？、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,（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：.包气带：多发育垂直岩溶形态，溶蚀通道 间连通性差。.地下水季节变动带：垂直和水平两个方向岩溶均发育。.饱水带：有利于形成规模大、连续性好的水平岩溶.深循环带：由于水循环交替迟缓，岩溶发育很弱。,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。,（2）碳酸盐岩夹非可溶性岩层 由于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？，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。,总之，岩溶发育与水的循环交替条件密不可分，而这一条件又严格受岩层组合、地质构造、地形地貌等诸因素控制。自然界中，水循环交替条件很复杂。下表为几种典型情况：,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。,五、新构造运动的影响,从更长的地质历史时期来看：,（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。,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,2.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、邻谷、低地等处流失。,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周遍产生渗漏，有时会严重影响工程的 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。这里以水库渗漏为例介绍渗漏的一些基本问题。,裂隙分散渗漏 管道集中渗漏,二、影响渗漏的因素,1.岩溶的影响 地下水可以沿岩溶的裂隙及断层带产生渗漏，而更主要沿岩溶空隙如溶隙、溶洞、暗沟等渗漏。岩溶化程度高，岩溶通道的？。渗漏就严重。地下水能否沿通道有效渗漏，关键取决于岩溶通道的连通性。通常只发育溶孔、渗隙等弱岩溶化地区，通道规模小，连通概率小，渗漏量不会大；相反强岩溶化地区，可能出现？溶及地下暗河时，可能产生强烈渗漏。,影响岩溶地区水库渗漏的因素很多，如岩溶发育的程度及规律性、地层岩性、地质构造、水文地质条件等。实质上决定渗漏条件的主要是两个方面：一是渗漏通道，二是地下水位及动态。这两个方面也是进行渗漏研究的重点。,受岩性分布，构造影响，岩溶发育？分带性、分层性及局部？岩溶化特征。这些也决定了岩溶渗漏的空间差异性。,2.地质构造的影响 这里主要介绍褶皱及断层对岩溶渗漏宏观控制作用。由于其作用导致岩溶化地层与隔水层空间上呈现不同的条件组合形态，从而使得渗漏通道复杂化。从下图可以体会几种典型渗漏情况。,纵向岩，向斜，隔水层起到 封闭作用，库水不会向邻岩渗漏,横向岩，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。,纵向岩，背斜，地层产状较缓，库水沿岩溶通道向邻岩渗漏。,纵向岩，背斜，地层产状较陡，库水不会由岩溶通道向邻岩渗漏。,断层错动，破坏了良好的隔水边界，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。,断层错动，非岩溶地层搭接形成良好隔水边界。,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。并可将河谷分为补给型、排泄型、悬托型三种类型。,3.河谷区水文地质条件的影响,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。其中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。,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：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：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：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。,第五节 岩溶地基稳定性问题,一、变形破坏的主要形式1.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 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：较大的溶沟、溶洞等形成邻空面，？邻空面产生的滑 动现象。,在岩溶地基上进行建设时，由于荷载等原因，产生地基塌陷破坏，或失稳，这便是岩溶地质稳定性问题。,地基不均匀沉降,地基塌陷,地基滑动,二、地基塌陷的成因,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，多种因素综合作用的结果。下面简要介绍潜蚀和真空吸蚀作用：,1、潜蚀作用 在覆盖型岩溶区，下伏存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层的空洞渗流。在一定的水流作用下，地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空。从而在洞体顶板处的土体开始形成土洞。随着土洞的不断扩大，最终引发动洞顶塌落。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稳定。当土堆较薄时，土洞不能形成平衡。,2、真空吸蚀作用 在相对密封的承压岩溶水系统，当地下水位下降至覆盖层底版以下时，地下水由承压转为无压，在地下水位与底版之间形成低气压状态的“真空腔”，溶腔内水如图？一般吸蚀顶板的土颗粒，形成土洞。同时内外压作用，覆盖层表面出现一种“冲压”作用，从而加速土体破坏。,产生塌陷主要与以下条件有关：1、覆盖层厚度：覆盖层薄，易于塌陷且形成时间短，不易塌陷或形成时间 相对较长。90%塌陷出现在覆盖层厚度30m者很少产生塌陷。2、水的作用：常常因为地下水位下降或降雨期间产生，常出现于降落漏斗 中心，土体会水量达60%以上的状态。3、土质条件：砂性土比粘性土易于塌陷，结构愈散软愈易塌陷且速度愈快。4、覆盖层下伏有较大的溶蚀空洞是形成塌陷的有利条件。,三、塌陷地基稳定性评价 场地可否产生塌陷，在查明岩溶发育分布特征、覆盖层厚度及？作用等条件后，进行稳定性评价。,一般可根据如下情况作出定性评价：1、在地基受压层范围内，当下部基岩面？伏较大，而上部又有一定厚度软土层时，应考虑地基的不均匀沉陷问题。2、基础砌显于基岩上，且附近存在溶空体时，应考虑地基沿倾向邻空面滑动的可能性。3、基础底板以下土层厚度大于地基压缩层计算深度，同时又不具备水动力变化条件时，可以不考虑地基稳定性问题。反之，应视具体情况对覆盖层以下洞体特性作出评价。4、在地基受压层内，当洞体尺寸大于基础尺寸，顶板厚度小于洞跨，岩性较硬时，应考虑为不稳定溶洞。5、对于？以下（？）的一般性建筑物，无特重荷载等特征要求时，可不考虑溶洞对地基稳定性影响。,（1）覆盖型岩溶区计算模式如右图,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土洞塌陷至天然平衡拱的高度 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,结合岩溶地基稳定性分析评价，应作出定量计算评价。目前为止，评价的理论方法尚不成熟，原则上可以分如下二种情况考虑：,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,h的高度按普氏理论确定：,h为洞顶宽度之半f为？,无粘性土：,粘性土：,（为压应力，C、为土体强度）,（2）裸露型岩溶区：如图模型，假设基础以下存在溶洞。简单地按顶板塌陷堵塞法估算评价地基塌陷稳定性对建筑物的影响。,假设洞体体积为V0，产生塌陷部分的体积为V1。,V1的计算根据地质条件评估可能产生塌落的形状。一般有，柱体：棱锥体：（F为塌落体底面积）,假设塌陷发生后，塌落部分完全填塞所有空间，便有：（K为膨胀系数，一般可取1.2）,粗略估算时假设：便有：塌落锥体：塌落柱体：,判断：当基础底板距洞顶顶板距离h15h0（或5h0）时，认为存在塌落对基础的影响。,三、岩溶地基的处理措施,当岩溶地基不能满足要求时，必须进行处理。根据实际情况可考虑选择如下措施：,（1）挖填：浅埋洞体，可挖除软弱充填物，回填强度高的土石体。（2）跨盖：当基础下有小溶洞时，可以采用梁板跨越或柱？支架的办法 保证基础稳定性。（3）灌浆加固：对于洞体埋深较大时，可采用钻孔灌浆的办法堵填洞穴。（4）对于覆盖层堆可采用夯实等处理办法。此外，可以改变基础形式。如？基础，或采取绕避等措施。,（2）治理：挖填：垮越：灌注加固：压浆、旋喷桩桩基：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,强夯合理疏导水气,多种方法综合利用,