第八章喀斯特及喀斯特地区的工程地质研究

授课题目第八章喀斯特及喀斯特地区的工程地质研究教学目的要求掌握岩溶发育的基本条件、影响水循环交替条件的因素、喀斯特发育karstupgrowth的规律；掌握喀斯特地区的主要工程地质问题；同时了解喀斯特工程地质研究方法、喀斯特的防渗处理。主要内容第一节基本概念及研究意义第二节喀斯特发育的基本条件和规律一、岩溶发育的基本条件二、影响水循环交替条件的因素三、喀斯特发育karstupgrowth的规律orderliness第三节喀斯特地区的主要工程地质问题一、岩溶渗漏karstleakage问题二、喀斯特地基karstfoundation稳定性问题第四节喀斯特工程地质研究方法，第五节喀斯特的防渗处理重难点握岩溶发育的基本条件、喀斯特发育的规律，喀斯特地区的主要工程地质问题。教学方法手段（教具）多媒体参考资料1戚筱俊．工程地质及水文地质．北京：中国水利水电出版社，19972陈德基主编．水利工程勘测分册．北京：中国水利水电出版社，20043崔冠英主编，水利工程地质，北京：中国水利水电出版社，1999．4左建，郭成久等主编．水利工程地质．北京：中国水利水电出版社，20045孙文怀．工程地质与岩石力学．北京：中央广播电视大学出版社，20026李智毅，杨裕云主编．工程地质学概论．武汉：中国地质出版社，19947张倬元，王士天，王兰生编著．工程地质分析原理．北京：地质出版社，19818胡厚田．土木工程地质．北京：高等教育出版社，2001课后作业与思考题第八章课后思考题与练习题1、2、6、7、9题。教学后记讲稿教学过程时间分配第八章岩溶及岩溶区的工程地质问题engineeringgeologicalproblem第一节基本概念及研究意义岩溶作用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karstlandforms和岩溶堆积物。岩溶则是岩溶作用及由此所产生的现象的统称。有的岩溶区地表水贫乏，石山树少，土层薄，但地下水丰富。奇特景观是重要的旅游资源。岩溶也称喀斯特(Karst)。岩溶地貌在我国分布非常广泛第二节岩溶发育的基本条件和规律一、岩溶发育的基本条件(一)水的溶蚀性（侵蚀性）etchityofwater1．水对碳酸盐岩的化学溶蚀过程水的溶解力，主要取决于水中CO2的含量，纯水的溶蚀力是极其微弱的，只有含有CO2的水才具有溶解性。CO2的含量越高，其溶解性越强，其作用过程如下：CO2（溶解）十H2O十CaCO3→Ca+2十CO3-2十H-1十HCO3-1‖CO2（空气）→Ca+2十2HCO3-1由上式可以看出，水中CO2含量越高，H+也越多。由于H+是非常活跃的离子，当和石灰岩作用时，H+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。2．影响碳酸盐岩的化学溶蚀反应的因素（1）气候和生物因素气候因素对喀斯特作用的影响主要表现为降水、气温和气压。①降水量多，入渗量也大，有利于地下水的循环和更新，水的溶蚀能力就强。②水中CO2的含量和CaCO3的溶解度均随温度升高而降低。但是，温度高，水的电离度大，水中H+和OH-增多，对溶蚀作用有利。同时由于温度升高，化学反应的速度也会加快。③气压与水中CO2的含量成正比，在相同温度下，气压增高，水中CO2的含量也增加。（2）有利于喀斯特发育的主要地球化学作用1）酸效应（生硫酸作用）：碳酸岩盐和硫矿床接触的地方，由于生硫酸作用，促使喀斯特强烈发育。2）强（异）离子效应（盐效应）；当CaCO3溶解中加入另一种含不同离子的盐类时，由于离子强度的增大，可使CaCO3的溶解度有所提高，这就是强（异）离子效应。3）水的混合溶蚀作用4）温度混合溶蚀作用；如果两股饱和度相同，温度不同的水相混合，表现出温度降低，溶解相同数量CaCO3所需要的CO2的含量减少，就有相应的CO2变成游离CO2，其中一部分成为侵蚀性CO2，使溶蚀性增强，这种温度与CaCO3溶蚀间的反比关系称为温度混合溶蚀作用。5）次生溶蚀效应；静水压力使水中溶解的CO2的含量增高，从而提高水溶蚀CaCO3的能力，称为次生溶蚀效应。（3）导致地下水丧失（或降低）溶蚀能力的地球化学作用1）温度生高或压力降低引起的脱碳酸作用（碳酸溶蚀的逆反应）；2）厌氧细菌参与下的脱硫酸作用；3）同离子效应(二)岩石的可溶性solublerock：岩石的可溶性主要取决于岩石成分和结构、构造。1．岩石成分对溶蚀率的影响可溶性岩石有三类：碳酸盐类岩石(石灰岩、质灰岩、泥质灰岩)，硫酸盐类岩石(石膏、芒硝)，卤盐类岩石(石盐和钾盐)。溶解度依次为：卤盐硫酸盐碳酸盐。卤素盐类及硫酸盐类岩石在地表分布有限，石分布很广，且岩体规模大，所以本节主要讲发育在碳酸盐类岩石中岩溶。一般来说，碳酸盐类岩石溶解度，从大一小依次为：石灰岩白云岩硅质灰岩泥灰岩。在各种碳酸盐类岩石互层情况下，岩溶发育取决于优势易溶岩石的含量。实验表明，碳酸盐类岩石的相对溶解度，与岩石中CaO／MgO比值密切相关。溶蚀作用karstification取决于溶解度与溶解速度。2．岩石结构对溶蚀率的影响岩石结构对溶蚀率的影响主要体现在岩石结晶颗粒的大小、结构类型及原生孔隙性。1）结晶岩石的晶粒：晶粒愈小，相对溶解速度愈大，隐晶结构一般具有较高的溶蚀率2）岩石的结构类型：据对广西碳酸盐岩的试验表明，岩石的结构类型对溶解速度有较明显的影响，鲕状结构与隐晶一细晶质结构的石灰岩有较大的溶解速度；不等粒结构石灰岩比等粒结构石灰岩的相对溶解度要大。3）岩石的原生孔隙度：对岩溶的影响甚大。孔隙度越高，愈有利于岩溶的发育。(三)岩层的透水性permeablelayer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。(1)成分纯、刚性强的岩石透水性好，如纯灰岩刚性强，裂隙开扩，长而深，因而透水性好，可形成大型溶洞；而泥质灰岩刚性弱，节理比较紧闭，经溶蚀后又会残留很多粘土，常阻塞裂隙，因而透水性差。(2)厚层的可溶性岩石较薄层可溶性岩石的透水性好，这是由于前者的隔水层较少，岩性均一，往往形成深而宽的裂隙。(3)构造发育的地段岩溶作用强，褶皱和断裂作用使岩石的破裂程度加大，从而使岩石透水性大大增强。所以构造线的方向，往往控制了溶洞的延伸方向。(四)水的流动性flowofwater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。二、影响水循环交替条件的因素1．自然地理环境对水循环交替条件的影响（1）自然地理环境对喀斯特发育的影响以气候、植被、土壤和地形地貌较为显著1）气候climate①在湿热地区，雨量丰富，地表水不断渗入地下，地下水经常得到补充，使溶液不易饱和，常保持较高的溶蚀力。②在干旱地区，降水很少，地下水常年得不到补充，流动缓慢，溶液容易饱和，溶蚀力较低。③在寒冷区，由于以固体降水为主并发育冻土，阻碍了地下水的流动。2）植被vegetation溶蚀作用与水中含有的各种有机酸和无机酸有关。而有机酸来自动植物的生命过程。3）土壤soil①土壤发育可阻碍地下水的流动，这对喀斯特发育是不利的；②我国南方：温度越高、雨量越多，有机质分解越快，土壤的酸度就越大，溶蚀性也越大。③我国北方：温度较低、雨量较少，有机质分解越慢，土壤是抑制微生物活动和植物生长的碱性土壤，成为了地下可溶性岩石的保护层。4）地形地貌hypsography①平坦地形：有利于喀斯特的发育；②地形坡度越陡，河网密度越大，入渗量越小，喀斯特越不发育；③补给区和排泄区高差越大，喀斯特越发育。（2）喀斯特水动力分带和喀斯特发育的垂直分带I．垂直循环带又称包气带zoneofaeration——垂直喀斯特发育带当遇到局部隔水层时，形成局部上层滞水，当上层滞水在谷坡上出露时形成“悬挂泉”。Ⅱ．季节变化带seasonvarietyzone——垂直与水平喀斯特交替发育带水流呈垂直运动及水平运动交替出现。Ⅲ．饱水带zoneofsaturation为在最低岩溶水位以下，受主要排水河道所控制的饱水层。根据水流方向不同可分2个亚带：上部为水平流动亚带(Ⅲ1)——水平喀斯特发育带地下水流向河谷方向，大致呈水平方向运动，水流以管流及脉流形式为主，水平岩溶通道发育；下部为虹吸管式流动亚带(Ⅲ2)——放射状喀斯特发育带大致位于河床以下，地下水具承压性质，水流以虹吸管式沿裂隙向谷底减压区排泄。Ⅳ．深部循环带circulatingzoneofdeepgroundwater——溶孔和溶隙发育带此带地下水的流动方向不受附近水文网排水作用的直接影响，而是由地质构造决定。深部水流运动缓慢，岩溶作用一般微弱，但有时也强烈。2．地质结构条件对水循环交替条件的影响（1）地质构造：1）褶皱构造fold；2）断裂构造fault；3）区域构造体系（2）岩层的成层组合特征：1）均质厚层状；2）互层状；3）间层状（3）岩层的产状attitudeoflayer和厚度thickness三、喀斯特发育karstupgrowth的规律orderliness1．喀斯特发育随着深度的变化喀斯特基准面karstbaselevel——喀斯特发育的下界面。地下河袭夺现象——图8-122．喀斯特发育的不均匀性nonhomogeneity是指喀斯特发育的速度、程度及空间分布的不一致性。3．喀斯特发育的阶段性developmentarystageofkarst与多代性1）阶段性：幼年期infancystage、青年期youngstage、中年期maturestage、老年期oldstage。2）多代性：不同时期的喀斯特过程是迭加的，喀斯特形态也是迭加的、积累的，早期形成的地貌景观经过后期地质作用的改造而产生组合地貌，这就是多代性。4．溶洞的成层性multilayerkarstcave5．喀斯特发育的地带性第三节岩溶区karstarea的主要工程地质问题engineeringgeologicalproblem一、岩溶渗漏karstleakage问题1）当水库区存在下列情况之一时，存在库区渗漏问题：①②③2）当坝址区存在下列情况之一时，存在较严重的坝区渗漏问题：①②③3）有下列情况之一时，不存在水库向邻谷的渗漏问题：①②③（一）喀斯特河谷地质结构geologicalstructureofkarstvalley的研究1．无隔水层aguiclude的河谷2．有隔水层的横谷transversevalley和斜谷obliquevalley3．有隔水层的纵谷longitudinalvalley4．复杂地质结构的河谷（二）喀斯特发育特征的研究1．喀斯特发育的程度点喀斯特率pointkarstity、线喀斯特率linekarstity、面喀斯特率planekarstity、钻孔可见喀斯特率、体积喀斯特率。1）极强烈喀斯特化岩层2）强烈喀斯特化岩层3）中等喀斯特化岩层4）微弱喀斯特化岩层2．喀斯特发育的阶段3．喀斯特洞穴系统的空间分布4．喀斯特类型1）裸露型喀斯特barekarst2）覆盖型喀斯特coveredkarst3）埋藏型喀斯特buriedkarst5．喀斯特发育的深度：确定防渗帷幕深度的重要依据。（三）喀斯特水文地质条件hydrogeologicalconditionsofkarst的研究河谷地带地下径流，按流向可分为以下两类：1．横向径流transverserunoff（可以引起库区渗漏leakageofreservoirregion）1）补给型rechargetype：不产生渗漏；2）排泄型outflowtype：产生渗