工程地质学课件第三章 岩溶工程地质研究.ppt
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1、1,地下水知识补充,一.包气带与饱水带的划分 二.含水层与隔水层三.地下水分类四.地下水的补给、排泄与径流,2,一、包气带与饱水带的划分 地下水面:岩石中的空隙被重力水所充满,形成一个自由水面,称为地下水面。地下水位:地下水面至基准面的高度,一般用海拔高程来表示。地下水面通过打井或地下开挖来确定包气带:地表以下到地下水面之上,岩石中的空隙未被重力水所充满。饱水带:地下水面以下,岩石中的空隙被重力水所充满的带。,3,包气带特点:岩石空隙未被水充满是固、液、气三相介质并存水的存在形式多样:结合水、毛细水(各种)、重力水、气态水作用:包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道;“重力水”通过包
2、气带获得降水,地表水的入渗补给(补充),部分水又通过包气带将水分传输,蒸发,消耗出去。,土层含水量垂直分带,4,饱水带,特点:岩石空隙被水完全充满是二相介质(固相+液相水)空隙中水的存在形式:重力水,结合水重力水:连续分布(孔隙是连续的)传递压力 在水头差作用下,地下水(空隙中的水)可以连续运动。意义:地下开挖,坑道,巷道,基坑,打井在此带均有重力水涌出来!,5,二.含水层与隔水层,划分原则:在地下水位以下,饱水岩层中,根据岩层给水与透水能力而进行划分含水层:是能够透过并给出相当数量水的岩层,如各类砂土、砂岩等。隔水层:不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层,如裂隙不发育的基岩、页岩
3、、板岩、粘土(致密)弱透水层:渗透性很差,给出的水量微不足道,但在较大水力梯度作用下,具有一定的透水能力的岩层(驱动),如各种粘土,泥质粉砂岩。,6,概念的相对性,上述的含水层、隔水层与弱透水层的划分,有几个模糊概念“相当水量,微不足道,较大水力梯度”等。在“地质学”思考问题中,通常很难用严格的“是与非”的逻辑思维很多情况下是相对的和模糊的概念,这样更切合实际。,7,从实际应用角度来看划分是相对的,满足需要就可以了,在某处打一口井,出水量80m3/d,作为小规模的供水,不能满足需要,地层定为隔水层;但作为饮料厂的装瓶生产,水量又能够满足需要,该地层就会定为含水层。再如,某种岩层的渗透性比较低,
4、从供水的角度,它可能被看作隔水层,而从水库渗漏的角度,由于水库的周界长,渗漏时间长,此类岩层的渗漏水量不能忽视,这时又必须将它看作含水层。,8,严格地说,自然界中并不存在绝对不发生渗透的岩层,只不过某些岩层(如缺少裂隙的致密结晶岩)的渗透性特别低罢了。从这个角度说,岩层之是否透水(即地下水在其中是否发生具有实际意义的运移)还取决于时间尺度。当我们所研究的某些水文地质过程涉及的时间尺度相当长时,任何岩层都可视为可渗透的。,9,随着模拟技术的发展,现代水文地质学在分析与模拟时,不再将地层简单的划分为“含水或隔水层”的了,采用模糊数学的研究方法,给个相当于隶属度的1和0之间的任一个数,如0.8,0.
5、75,0.7,0.3等等;引用地层的“透水性”描述地层,具有重要的理论意义。,10,三.地下水分类,广义地下水:地表以下岩石空隙中的水称之,包括包气带中和饱水带中的所有水。狭义地下水:地表以下饱水岩层空隙中的水(饱水带中重力水)。地下水分类依据含水介质的类型(赋存空间):孔隙水、裂隙水和岩溶水 埋藏条件(赋存部位):包气带(上层滞水)、饱水带(潜水和承压水),11,地下水分类表,12,按含水介质(空隙)类型与埋藏条件划分地下水的图示,13,1.潜水及潜水含水层,地表以下,第一个具有自由表面的稳定含水层中的重力水。潜水的水面为自由水面,称作潜水面。潜水不承压,通常在重力作用下由位置高的地方向位置
6、低的地方作下降运动,发生径流。潜水含水层:赋存潜水的岩层。一般地,房屋建筑时的基坑排水,大堤堤角处的散浸渗漏多为潜水,14,15,潜水1含水层;2隔水层;3高水位期潜水面;4低水位期潜水面;5大气降水入渗;6蒸发;7潜水流向;8泉,16,潜水特征,1)补给:降水入渗,河湖入渗 2)排泄:泉,河,蒸发 3)动态:补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水!4)水循环交替迅速:水循环周期短,更新恢复快 5)影响因素:受气象,水文因素影响明显,变化快(水量、水位季节性变化)受人为因素影响也显著,易污染 潜水的基本特点是与大气圈、地表水圈联系密切,积极参与水循环;决定这一特点的根本原因是其埋藏特征位置浅
7、且上面没有连续的隔水层。潜水研究方法之一:绘制潜水等水位线,17,2.承压水,承压水:充满于两个隔水层(弱透水层)之间的含水层中的水。承压含水层:赋存承压水的岩层,18,19,基本要素与特征,承压含水层:赋存承压水的岩层 隔水顶板 隔水底板 承压含水层厚度(H)埋深(D)测压水位线(面):测压水位线的连线(面),此线是虚拟的(如图有压管)承压高度:含水层某点的承压高度数值上等于该点的测压高度 补给区:仅分布于出露区 承压区:含水层中具有承压高度的分布区 排泄区:自溢区测压水位线与地形等高线的交点连接区,20,1隔水层;2含水层;3潜水位及承压水测压水位;4地下水流向;5泉;6钻孔,虚线为进水部
8、分;7自喷井;8大气降水补给;H承压高度;M含水层厚度,21,主要特征(与潜水相比):,补给与排泄:有限区域与外界联系,水循环迟缓,水交替慢,平均滞留时间长(年龄老或长)恢复性差。水化学:变化较大,一般矿化度较高,可以保存很“古老”的水。动态:要稳定些,如果分布面积大,厚度稳定,则调节能力很强。承压含水层的厚度不变,储水与释水时,厚度是如何进行的?研究方法之一:绘制承压含水层的等测压水位线图(加地形等高线)承压水的基本特征是由于上部受到隔水层或弱透水层的隔离,承压水与大气圈、地表水圈的联系较差,水循环也缓慢得多。承压水不像潜水那样容易污染,但是一旦污染后则很难使其净化。,22,潜水与承压水的相
9、互转化,在自然或实际条件下,潜水与承压水的划分也是相对的。有时在复杂条件下很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水。如在山区多层地层结构时,强烈的切割作用,往往会形成多个地下水面 在厚度很大的含水层中,部分地段可能为承压水,部分段就会出现无压水(也有称层间水)一个封闭的含水层有时也很难给出是潜水?还是承压水?的划分,如图。开采前为潜水含水层;开采后转变为承压含水层。,23,1含水层;2隔水层;3阻水断层;4天然地下水位;5开采后的地下水位;6潜水流线;7承压水流线;8泉;9开采钻孔,24,上层滞水,上层滞水:分布在包气带,局部隔水层(弱透水层)上,积聚的具有自由水面的重力水。上层滞水是包气带中
10、有实际利用价值的重力水。特点:最接近地表,接受大气降水的补给,通过蒸发或向隔水底板(弱透水层底板)的边缘下渗排泄。雨季积存一定水量,旱季逐渐耗失;不能终年保持有水;动态变化显著。作用:只有在缺水地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源。上层滞水极易受污染,利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护,25,四.地下水的补给与排泄,1.地下水的补给2.地下水的排泄3.地下水的径流,26,1.地下水的补给,补给:含水层自外界获得水量的作用过程含水层的补给来源:大气降水地表水:河流、海洋、湖泊、水库凝结水灌溉回归水来自其它含水层的水人工补给,27,地表水与地下水的补给关系1基岩;2松散沉积物;3地表水位(
11、纵剖面);4地下水位;5地表水位(横剖面),28,2.地下水的排泻,排泄:含水层失去水量的作用过程。地下水排泄方式:泉(点状排泄)向河流泻流(线状排泄)蒸发(面状排泄)一个含水层向另一个含水层排泄人工排泄:井、钻孔、渠道,29,泉,泉是地下水的天然露头,在地形面与含水层或含水通道相交点地下水出露成泉。根据补给泉的含水层性质分类:上升泉和下降泉两大类。上升泉由承压含水层补给,下降泉由潜水或上层滞水补给。根据出露原因下降泉可分为:侵蚀泉、接触泉与溢流泉。沟谷切割潜水含水层时,形成侵蚀(下降)泉地形切割达到含水层隔水底板时,地下水被迫从两层接触处出露成泉,这便是接触泉,30,31,1透水层;2隔水层
12、;3坚硬基岩;4岩脉;5风化裂隙;6断层;7潜水位;8测压水位;9地下水流向;10下降泉;11上升泉,32,33,3.地下水的径流,地下水由补给区流向排泄区的作用过程称作径流。除某些构造封闭的自流水盆地及地势十分平坦地区的潜水外,地下水处于不断的径流过程中。径流是连接补给与排泄的中间环节,地下水的水量与盐量由补给区传递到排泄区;径流的强弱影响着含水层的水量与水质的形成过程。研究地下水的径流包括:径流方向、径流强度、径流量等,34,Ch3 岩溶工程地质研究,1 概述2 碳酸盐岩的溶蚀机理3 影响岩溶发育的因素4 岩溶区水库渗漏问题5 岩溶地基稳定问题6 岩溶区环境问题,35,36,1 概述,定义
13、岩溶:地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用.这种作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总称叫作岩溶,国际上通称喀斯特(Karst).,37,岩溶作用的表现,1.形成地下和地表的各种奇特的地貌形态2.形成特殊的水文地质现象,38,岩溶湖形成过程,1、岩溶地区,地表上长草并有沙碎石覆盖,草和沙碎石底下是很厚的一层碳酸盐类地层。2、岩溶-碳酸盐类地层很容易受水的溶蚀,无论来自地表渗透下来的水,还是地下水,迂到此类地层都会起着溶蚀作用。3、岩层经溶蚀后成空洞,溶蚀愈来愈严重,空洞相应就愈来愈大,大到一定程度,因承受不了地上植被与泥沙碎石的压力时,便发生溶洞崩塌。4、崩塌后的溶洞,逐
14、渐的积水、储水,从而形成岩溶湖。典型的岩溶湖是由碳酸盐类地层经流水的长期溶蚀所产生的岩溶,39,岩溶湖泊排列无一定方向,形状或圆形或椭圆形,有时也可呈长条形。岩溶湖一般面积不大,水深也较浅。我国岩溶湖大多分布在岩溶地貌较发育的黔、桂和滇等省(区)。,40,草海,贵州省咸宁的草海,它原是一个构造下陷而成的盆地,早期的湖泊大约形成于15万年以前,当时湖面面积达90km2以上。此后,湖面开始收缩,大约距今12000年前,湖面缩小到60km2;至距今约5900年前,湖面又缩小至30-40km2;大约距今2000-4000年间,因湖水从地下暗河流出,湖泊消亡。据史料记载,明洪武年间“诏卫兵屯兵其中”、“
15、迄今鞠为牧草,郡民牧草其中”,说明当时已成可耕可牧的坝区。19世纪50年代,草海又重现。据称“清咸丰七年(1857),七月落雨40余昼夜,山洪暴发,夹沙抱木,大部落水洞被堵,洪水无法宣泄,盆地东部被掩成湖”。因湖中滋生繁茂的水生植物,故名草海。当湖水位为海拔2170米时,水深为2-5米,湖面积为45.5km2,容积为1.4108米3。草海是我国湖面面积最大的构造岩溶洞,素有高原明珠之称。,41,路南石林,素有“天下第一奇观”之称的石林风景区。位于路南县境内,距昆明市100公里,景区由大、小石林、乃古石林、大叠水、长湖、月湖、芝云洞、奇风洞7个风景片区组成。全县共有石林面积400平方公里,是一个
16、以岩溶地貌为主体的,在国内外知名度较高的风景名胜区。,42,新疆岩溶地貌,在阿尔金山自然保护区的阿尔格山中,有一片古老的岩溶地貌,东起布喀达坂山峰,西止阿其克库勒湖,长350公里,宽2030公里,面积约1万平方公里,深藏在海拔4400米5000米的崇山峻岭之中。那一片古老的石灰岩山经过千百年的风吹雨打,溶解分化,呈现出千奇百怪的形状。林立的石峰,有的拔地而起,直插蓝天,有的像“骆驼”、“大象”、“苍龙”、“卧虎”、“笔架”、“天桥”、“庙宇”、“点将台”、“仙人掌”、“石旗杆”、“拴马桩”,维妙维肖;还有那溶沟、石芽、甬道、走廊,更是千姿百态。更有意思的是,阿尔格山的岩溶地貌,由于局部地区受到
17、第四纪冰川的影响,形成了“静扫群山出,突兀撑青空”的角峰。保护区的岩溶地貌套叠冰川地貌,崖壁奇峭,幽谷深壑,冰川悬挂,气象万千。,43,地下岩溶,地下的岩溶地貌是各种溶洞,地下水中含有的碳酸钙在过饱和条件下沉积而成各种化学堆积物:从洞顶往下悬挂的叫石钟乳;从洞底往上生长的叫石笋;石钟乳和石笋相接叫石柱;洞壁上的片状沉积叫石幕。,44,统计资料,可溶性岩石在地球上的分布以碳酸盐岩最广我国碳酸盐岩的分布面积2*106km2,占国土面积的1/5其中裸露于地表的约1.3*106km2,1/7分布位置:西南,华南,华北等地.西藏,新疆等省区四川,贵州,广西,云南,湖南,湖北等省连续分布,面积达5*105
18、km2,是我国主要的岩溶区,45,贵州黄果树瀑布,黄果树瀑布是我国最大的瀑布,地处贵州省镇宁县,为打帮河上源白水河上黄果树地段九级瀑布中的最大一级瀑布。瀑布宽约20米(夏季水大时可达30米40米),从60米高处的悬崖上直泻犀牛潭 黄果树瀑布坐落在石灰岩地区,附近岩溶地貌发育,众多的岩溶洞穴内不仅有各种形态的钟乳石,且多暗河和地下瀑布。,46,岩溶与工程建设的关系,(1)水利水电建设中,库坝位置选择不当,岩溶洞穴导致库水渗漏(2)隧道,地下洞库,采矿,可能遭遇岩溶突水现象(3)地下硐室施工中遭遇巨大溶洞,必须改线(4)覆盖型岩溶区,土洞的发育及地表塌陷对农田和建筑物的破坏,47,2 碳酸盐岩的溶
19、蚀机理,岩溶营力地下水和地表水的溶蚀和沉淀地表水的侵蚀,剥蚀和堆积地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀地下水的机械潜蚀,冲蚀和堆积地下洞穴的重力崩坍,塌陷与堆积,48,一.碳酸盐岩溶蚀过程,前南学者Bogli,把石灰岩的溶蚀过程分为4个阶段(1)与水接触的石灰岩,在偶极水分子作用下发生溶解CaCO3 Ca2+CO32-(1)溶解很快,并立即达到平衡,49,第二阶段,(2)原溶解于水中的CO2与水的反应H2O+CO2 H2CO3 H+HCO3-(2)这时碳酸电离的H+与CO32-化合成重碳酸根H+CO32-HCO3-(3)使右边的CO32-不断减少而破坏平衡,进而促使CaCO3的再度溶解,50
20、,(1),(2)阶段最终反应,CaCO3+H2O+CO2 Ca2+2HCO3-,51,第三阶段,(3)水中溶解的CO2一部分转为化学溶解,即水中部分游离CO2与水化合成为新的碳酸(即H2O+CO2 H2CO3),并不断补充H+的消耗及促使CaCO3的溶解,52,第四阶段,水中CO2减少,必然吸收外界的CO2以便使水中CO2达到新的平衡封闭系统中:石灰岩的溶解总量取决于水中最原始的CO2含量开放系统中:水中CO2因溶解石灰岩而减少后,可由外界不断得到补充,53,二.混合溶蚀效应,定义:不同成分的水混合后,对碳酸盐岩的溶蚀性有所增强,这种作用叫做混合溶蚀效应。即便两种或两种以上已失去溶蚀能力的饱和
21、水溶液,在碳酸盐岩体内相遇,混合后的溶液则变成不饱和状态,从而产生新的溶蚀作用。,2 碳酸盐岩的溶蚀机理,54,岩溶发育强烈地带,凡是有利于水混合的地带,岩溶发育总是比其他地带强烈。包括:垂直渗入水与地下水相混合的地下水面附近地下水面以下能使不同成分的水向它汇集的强径流带,如断层破碎带大的构造裂隙溶蚀裂隙或溶蚀管道,2 碳酸盐岩的溶蚀机理,55,不同方向裂隙交汇带地下水的排泄区如河谷边岸的地下水与河水的混合带等处,56,三、其他离子的作用,1酸效应 任何酸所解离出的H+离子,都能与碳酸钙溶解后所形成的CO32-结合成HCO3-,从而增加碳酸钙的溶解度。在自然界中,除了CO2溶于水所形成的碳酸外
22、,还有各种地球化学作用和生物新陈代谢过程中所产生的各种无机酸和有机酸。,2 碳酸盐岩的溶蚀机理,57,特别是在硫化矿床氧化带中这种效应最为显著.在某些铁细菌作用下,黄铁矿通过以下反应生成硫酸4FeS2+15O2+14H2O 4Fe(OH)3+8H2SO4,58,新生成的硫酸与碳酸钙相互作用,一方面加强碳酸钙的溶解,同时生成新的CO2,使水中侵蚀性CO2增加CaCO3+H2SO4 CaSO4+H2CO3H2CO3 H2O+CO2,59,2同离子效应,水中如溶有与碳酸盐相同的某种离子的物质,例如CaCl2,则由于Ca2+离子浓度增加,就会使碳酸钙的溶解度按质量作用定律而有所减小,从而抑制了碳酸钙的
23、溶蚀。,60,3.离子强度效应,溶液中有与碳酸钙不相关的强电解质离子时,这些离子就会以较强的吸引力吸引Ca2+与CO32-离子,实质上是使Ca2+与CO32-之间的引力有所降低。这时,Ca2+与CO32-的实际浓度超过其在纯水中的溶度积时仍不沉淀出来,亦即其溶解度有所增大,故可溶解更多的碳酸钙。,61,3 影响岩溶发育的因素,岩溶发育的基本条件(索科洛夫 1962)具有可溶性岩石岩石是透水的水必须具有侵蚀性水在岩石中应处于不断运动状态中,62,归纳为3类:具可溶性岩石具溶蚀能力的水具良好的水的循环交替条件,即具有良好的地下水的补给、径流和排泄条件。其中最为活跃而积极的是地下水的循环交替条件,它
24、受控于气候、地形地貌、地质结构、地表非可溶性岩石覆盖及植被发育条件等。,63,一、碳酸盐岩岩性的影响,1碳酸盐岩成分与岩溶发育的关系 碳酸盐岩是碳酸盐矿物含量超过50的岩石,其成分比较复杂,主要由方解石、白云石和酸不溶物(泥质、硅质等)组成。由于各组分含量不同,可构成性质不同的各种岩性。,64,碳酸盐岩分类命名,碳酸盐类岩石通常以其组分不同划分为灰岩和白云岩两大类型岩石中所含方解石在50以上的属灰岩类含有50以上白云石的属白云岩类当酸不溶物含量超过10时,以实测的物质,如泥质或硅质等参与碳酸盐岩的命名当酸不溶物大于50时为非碳酸盐类,65,碳酸盐岩详细划分和命 名,灰岩(CaCO380%,酸不
25、溶物80%,酸不溶物10%)泥(硅)质灰岩,66,泥(硅)质云灰岩泥(硅)质灰云岩泥(硅)质白云岩泥(硅)灰岩(30%泥(硅)50%)泥(硅)云岩不同类型的碳酸盐岩,其溶解度相差甚大。直接影响岩石的溶蚀强度和溶蚀速度。,67,对研究成果的共识,溶蚀性排序:灰岩云灰岩泥灰岩方解石大理岩泥质灰岩灰云岩泥质灰云岩白云岩泥质白云岩,68,方解石含量比白云石多的碳酸盐岩,其岩溶发育强烈酸不溶物质含量愈大,特别是硅质含量愈高且呈分散状态时,岩石愈不易溶蚀含有石膏、黄铁矿等的碳酸盐岩,对岩溶发育有利含有机质、沥青等杂质的碳酸盐岩,不利于岩溶发育。,69,2岩石结构与岩溶发育的关系,实践表明,有些地区的白云岩
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