喀斯特及喀斯特地区的工程地质研究.ppt

第八章 喀斯特及喀斯特地区的工程地质研究,第3节、喀斯特地区的主要工程地质问题,第2节、喀斯特发育的基本条件和规律,第1节、基本概念及研究意义,第5节、喀斯特的防渗处理,第4节、喀斯特工程地质研究方法,第1节、基本概念及研究意义,喀斯特（karst），又称岩溶，是地下水和地表水对可溶岩以溶蚀为主的地质作用及其所产生地貌现象的总称。,岩溶作用（karstification）是指地表水和地下水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为主，机械侵蚀和重力崩塌作用为辅，引起岩石的破坏及物质的带出、转移和再沉积的综合地质作用。由岩溶作用所形成的地表形态、地下洞穴系统和沉积物，称为岩溶地貌（karst landforms）和岩溶堆积物。,广西玉林岩溶地面塌陷破坏农田,岩溶塌陷破坏高速公路,1988年6月，唐山市训练馆大厅产生岩溶塌陷,全国岩溶塌陷危险性分区图,第2节、喀斯特发育的基本条件和规律,1.喀斯特发育的基本条件,可溶性岩石（岩石的可溶性）岩石的透水性水的溶解能力（水的溶蚀性）水的运动状态（水的流动性）,(1)可溶性岩石（岩石的可溶性）,可溶性岩石的存在是喀斯特形成的物质基础。,卤化物类岩石 食盐、钾盐、镁盐等硫酸盐类岩石 石膏、芒硝等碳酸盐类岩石 石灰岩、白云岩、大理岩等,(2)水的溶解能力（水的溶蚀性）,水的溶蚀性是喀斯特发育的必要条件,水对碳酸盐岩的化学溶蚀过程,由上式可以看出，水中CO2含量越高，H+1也越多。由于H+1是非常活跃的离子，当和石灰岩作用时，H+1就会与CaCO3中的CO2结合成HCO3-1，分离出Ca+2，从而使CaCO3溶解于水。上述反应是可逆的，正反应速度取决于CO2的浓度。,CO2(溶解)+H2O+CaCO3 Ca+2+CO3-2+H+1+HCO3-1CO2（空气）Ca+2+2HCO3-1,可溶性岩石的裂隙度与以下因素有关:成分纯、刚性强的岩石透水性好厚层可溶性岩石较薄层可溶性岩石的透水性好构造发育的地段岩溶作用强,(3)岩石的透水性,只有当岩石具有透水性时，含CO2的水才能在岩石中流动，与岩石发生充分作用，进行溶蚀而不易饱和。岩石的透水性主要取决于岩石的孔隙度和裂隙度，后者比前者更为重要。,滞流的水，由于不能及时补给CO2，其溶解力是有限的，很容易被CaCO3所饱和。流动的水，由于水温、水量及气压条件的不断改变，可保持水的溶解性能。特别是不同CO2浓度的地下水混合，会大大提高水的溶解力。地下水的流动性，一方面取决于岩石的透水性，另一方面取决于降水量，而后者与气候相关。,(4)水的运动状态（水的流动性）,地层岩性-化学成分、结构气候条件-降水量、气温地形地貌-高差、侵蚀基准面地质结构-岩性组合、地质构造新构造运动-升、降、平,2.岩溶发育影响因素,岩性a.岩石化学成分灰岩越纯，岩溶越发育。比溶蚀度(Kv)表征溶蚀强度比溶解度(Kcv)表征溶蚀速度比溶蚀度Kv试样溶蚀量标准试样溶蚀量比溶解度Kcv 试样溶解速度标准试样溶解速度,按比溶蚀度Kv和比溶解度Kcv排序：灰岩云灰岩泥灰岩方解石大理石泥质灰岩灰云泥质灰云白云泥质白云,规律：方解石含量高于白云石，岩溶发育；酸不溶物含量高，岩溶不发育；含黄铁矿、石膏成分，有利于岩溶发育；含有机质、沥青，不利于岩溶发育。,碳酸盐岩的比溶蚀度与矿物成分相关图,b.岩石结构：岩石的结构制约了岩溶发育强度。按溶蚀性指标排序：泥晶-粒屑-亮晶（灰岩类）；泥晶-细晶-中晶-粗巨晶（白云岩类）。原因：岩石的孔隙度高，比溶蚀度、比溶解度值高，岩溶相应发育。,1-泥晶粒屑石灰岩2-泥晶石灰岩3-晶粒石灰岩4-粉晶白云岩5-细晶白云岩6-细一粗晶白云岩7-粗一巨晶白云岩8-不等粒晶白云岩,不同结构碳酸岩的Kv值,气候a.降水量：决定水量、水的性质（补给丰缺、化学成分），间接影响岩溶类型、发育规模、速度。水量-补给好、循环强烈，则岩溶发育；水质-进入系统的CO2及各种酸越多，岩溶越发育。b.气温：气温高、化学反应速度快，岩溶相应发育；温度高，生物代谢快、产生CO2增多，岩溶发育速度增。,我国不同气候区喀斯特溶蚀速率简表,地形地貌a.地形：高差大、渗径短、径流强、交替条件好、岩溶发育强；b.地貌：区域侵蚀基准面和排泄基准面取决于地貌形态，控制地下水的运动趋势和方向，进而控制岩溶发育程度。一般河谷两岸发育最强，谷坡段较弱，分水岭较强。,地质构造a.岩性组合：按易溶程度排序：厚而纯-可溶岩夹非可溶岩-互层-非可溶岩夹可溶岩。,b.地质构造：断裂提供地下水运移通道，水循环条件好则岩溶发育强烈；不同方向断裂交汇，混合溶蚀作用加强。褶皱轴部岩性破碎，岩溶发育；宽缓褶皱较紧闭型岩溶发育；其展布方向常控制岩溶的空间分布。,岩溶发育受地层岩性和地质构造控制,新构造运动 主要考虑地壳升降及稳定期。a.相对稳定：有充分的条件循环交替、溶蚀，垂向、水平岩溶均发育，规模较大。稳定期越长岩溶越发育。b.地壳上升：河谷深切，排泄条件好，垂直岩溶发育，侧蚀弱。c.地壳下降：循环弱、岩溶发育也弱。一般间歇性升降。升平、升平可形成多层水平溶洞，据以判断地壳相对运动期次。,制约岩溶发育类型、规模、速度、分布、发展趋势。,第二节 喀斯特发育的基本条件和规律,3.喀斯特发育的规律喀斯特发育随着深度的变化喀斯特发育的不均匀性喀斯特发育的阶段性与多代性溶洞的成层性喀斯特发育的地带性,第3节、喀斯特地区的主要工程地质问题,喀斯特地区的主要工程地质问题有三类：喀斯特渗漏问题；喀斯特地基稳定性问题；喀斯特地下洞室稳定和突然涌水、涌泥问题。,1.喀斯特渗漏问题喀斯特渗漏问题的工程地质研究内容主要有：是否漏水、漏水途径和去向、渗漏形式、渗漏量及防渗处理措施等。喀斯特渗漏条件分析应结合喀斯特河谷地质结构、喀斯特发育特征和地下水运动规律等几方面进行。,喀斯特河谷地质结构（geological structure of karst valley）喀斯特发育特征的研究喀斯特水文地质条件（hydrogeological conditions of karst）,喀斯特河谷地质结构根据岩层组合、埋藏条件及其与河谷的关系，可划分出四类河谷地质结构：无隔水层的河谷有隔水层的横谷和斜谷有隔水层的纵谷复杂地质结构的河谷,喀斯特发育特征的研究喀斯特发育的程度喀斯特发育的阶段喀斯特洞穴系统的空间分布喀斯特类型喀斯特发育的深度,喀斯特水文地质条件库区和坝区喀斯特地下水的类型、分布情况和埋藏条件、各含水层的透水性和富水性水的物理性质和化学性质及动态变化各含水层之间的水力联系以及与地表水的补排关系、分水岭地区地下水位与水库设计蓄水位的关系覆盖层特性和基岩喀斯特特征,2.喀斯特地基稳定性问题洞穴顶板单薄破碎而异致地基坍塌、沉陷或断裂喀斯特水的渗流、管涌、掏刷或因地下水位波动产生的真空吸蚀负压引起的地基塌陷溶洞、溶隙发育引起地基的不均匀沉陷和滑动各种溶蚀结构面的不利组合引起坝基的压缩变形和抗滑稳定问题,3.喀斯特区地下洞室的稳定性和突水、突泥问题洞室围岩的稳定性喀斯特水突袭和涌砂（泥）洞穴周期性冒水穿过巨大洞穴时洞穴塌方和建筑物基础悬空问题洞室围岩衬砌高外水压力问题地下洞室排水使洞顶地面井、泉、溪流干涸、人蓄饮水困难、农业生产困难等环境工程地质问题,抽汲岩溶水，武汉中南轧钢厂，1977年始出现成群塌陷，成坑700800个，最大23m，深10m；武汉陆家街，1988年，塌陷影响城市交通、水电、厂矿、居民，停课停产半个月；辽宁瓦房店抽岩溶水，塌陷4km2，成坑25个，达70m，深10m，影响长大铁路，路基破坏，轨道悬空，中断行车8小时，恢复后限速510km/h；开采岩溶水，山东泰安1977年开始塌陷，对津浦铁路产生影响，多次中断行车；,贵州水城是该省工业中心，1967年始，建地下水开采井16口，抽水强度0.643m3/S，水位降深10.42，至1990年，出现塌坑900余个，2030，深 10；广东凡口铅锌矿疏干岩溶水，19651981年间产生塌坑数千个，最大40m余，深30m余，危及房屋6800m2，铁路4000m余；恩口煤矿区疏干岩溶水，成5800个塌坑，毁9座水库，万亩农田；,第三节 岩溶（喀斯特）,第4节、喀斯特工程地质研究方法,喀斯特地貌及水文网分析法喀斯特地下水渗流场分析法喀斯特水化学场分析法喀斯特水温度场分析法地下水示踪试验（或称连通试验）,第5节、喀斯特防渗处理,喀斯特区水库坝址的选择 1周边有隔水层或弱透水层的向斜谷，防渗条件是最好的；2有隔水层的横向谷筑坝优于纵谷和斜谷筑坝；3有隔水层的纵谷地段，库区防渗条件好，而坝区会产生渗漏；4在相同地质条件下筑坝建库，负地形优于正地形。5堵洞筑坝（地下水库）和海子筑坝。防渗处理措施1堵；2截；3铺；4灌；5隔离；6导（排）。,