工程地质学基础第九章岩溶工程地质研究.ppt
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1、,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
2、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
3、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
4、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CO
5、2,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
6、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
7、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
8、-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:
9、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
10、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
11、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
12、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
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