CH9岩溶工程地质研究.

工程地质学ENGINEERINGGEOLOGY主讲人：刘岁海lecturer：LiuSuihai第九章岩溶工程地质研究Engineeringgeologystudyofkarst引入—岩溶广泛分布，问题无法回避。岩溶问题可以说是各类工程动力地质问题中最复杂、最难的。问题的特殊性--岩溶空间分布不均，地下岩溶发育，影响因素多变，对于工程而言是个隐函数。主要工程地质问题：♥房屋建筑----岩溶地表塌陷♥地下工程----岩溶突涌水♥水利工程----岩溶渗漏解决思路：第一步，据岩溶形成条件、影响因素找规律；第二步，分析岩溶与工程的相互关系；第三步，针对问题特殊性，得出解决方案。关键：预测准确→→对策切实可行。概述Outline碳酸盐岩的溶蚀机理Dissolvedprocessofcarbonaterock影响岩溶发育的因素Factorsofaffectingkarst岩溶区水库渗漏问题Reservoirseepage岩溶地基稳定性问题Groundworkstability主要内容第一节概述一、概念岩溶：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作用以及由此产生的地貌及水文地质现象的总称。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、独特的地貌现象大的地貌形态及蚀变：峰丛（溶蚀）；峰林（溶盆）；溶蚀平原地表形态：正形态：石林、石笋、峰林、孤峰负形态：溶沟、溶孔、溶槽、溶水洞、漏斗、洼地、溶盆、溶原地下形态：溶洞、溶隙、暗河2、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。地表岩溶景观a.、b：峰丛；c：岩溶湖abc地表岩溶景观溶蚀地貌a：峰丛谷地；b：石芽ab溶蚀地貌植被覆盖的溶槽。溶蚀地貌掏挖后的溶蚀宽缝充填的溶沟岩溶充填情况：溶沟、溶隙和溶蚀宽缝、落水洞多有粘性土充填溶蚀地貌充填的溶槽正在掏挖的落水洞地表岩溶无充填的落水洞岩溶充填情况：部分落水洞、溶蚀宽缝和溶隙无充填，某些直接与地下岩溶沟通。地下岩溶景观地下岩溶景观贵州省毕节县的织金洞，原名打鸡洞。位于县城东北23公里处。织金洞是一个多格局、多层次、多类型的高位旱洞，洞内岩溶生长独特，景物规模宏大，雄伟壮观，千姿百态，精妙绝伦。全洞长12.1公里，面积达70万平方米，两壁最宽处173米，垂直高度多在50至60米，最高处达150米。洞内空间开阔，地形起伏迭宕，岩溶堆积物达40多种，囊括了世界溶洞所有的形态类别。“天坑”是岩溶(又称“喀斯特”)地区地下河运行形成大面积塌陷造成的，它与常说的“岩溶漏斗”不同。岩溶漏斗一般是斜坡，上宽下窄，天坑则是四壁岩石峭立，深度百米至数百米以上，犹如一个巨大无比的“桶”。这个“桶”，口径从近百米至数百米不等，容积从10万立方米至1亿立方米以上。天坑形状奇特，地处僻壤，坑上坑下林木葱郁，如果能进入“桶”底，更觉神奇。天坑在国内外均有发现。我国重庆开县、奉节县，四川兴文县，广西乐业县、巴马县等地都先后发现了天坑，当地人分别称其为“石围”、“石院”、“岩湾”、“漩坑”、“龙缸”等，国外说法也不一样，一般称为Greatdoline(大漏斗)。我国有关专家认为称其为“天坑”最确切，故取名为“岩溶天坑”(Karsttiankeng)，简称“天坑”。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%。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。全国可溶岩分布图我国岩溶塌陷分布图全国岩溶塌陷危险性分区图我国南方地区以化学作用为主，地貌景观以石芽、石柱、峰丛、峰林,大峡谷,溶洞等为特色。云台山地处位于河南省修武县我国北方地区气温低，溶蚀速度要慢很多，水不是参与作用的主要原因，而是以断裂、崩塌等物理因素为主的破坏。三、岩溶工程地质研究的意义一方面，岩溶地区形成优美的自然风景。充分利用岩溶洞穴作为地下工程等。另一方面，生态环境脆弱，水旱及地质灾害频繁发生。在该地区进行工程建设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。主要有：岩溶渗漏，塌陷，坑道涌水、突水、滑落。据广西39个岩溶山地县统计，在已建的260座大水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于80％者）有92座。1、水利水电工程渗漏、溃坝、诱发地震2、道路工程路基、站场、桥梁地基稳定性，地基塌陷我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷376处，近十年间中断车1860小时，颠覆列车3次。3、地下工程涌水、突水、岩溶冒落4、工民建地基稳定性、塌陷问题自1977年至今，武汉地区先后发生5次岩溶地面塌陷：1977年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；1988年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；1999年，毛坦村小学塌陷；2000年2月，武昌司法学校塌陷；2000年4月，青菱乡烽火村塌陷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。陷坑18个，最大陷坑长63米、深6－7米；最小陷坑1－2米长，深小于2米。陷坑带呈近东西向分布，分散在东西300米、南北250米的范围内。有2栋民房完全倒塌，有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。该村196户、990余名村民无一人伤亡。桂林至梧州市高速公路与桂林市外环高速路段相接处，发现有大量岩溶塌陷。这一罕见的岩溶地面塌陷群发生在位于临桂县会仙镇马面村以南约2公里处正在施工的路基。发现有85个塌陷溶洞，分布在2公里长的路基上，直径最小为1米，大至10多米，最浅的为1米，最深的3米多。佛罗里达州温特帕克的落水洞（a）、开始沉下去不久，昂贵的赛车掉入坑内。（b）、从空中看，这个坑几乎完全对称。（c）、堵塞后的景观，落水洞地区现在成了一个城市公园。塌陷使房屋公路破坏武汉洪山区塌陷（2000.4.06）唐山市岩溶地面塌陷1988年6月，训练馆大厅产生岩溶塌陷，两根水泥柱陷入坑内，发展至建筑物垮塌贵阳市岩溶地面塌陷贵州省博物馆岩溶塌陷造成损失武汉市岩溶地面塌陷武汉市陆家街岩溶地面塌陷毁坏房屋广东阳春塌陷（2003.8.4)建筑破坏塌陷造成基础破坏（广西玉林莲塘塌陷，1998.11.21）建筑破坏塌陷造成基础破坏建筑破坏桂林体育场塌陷1996建筑破坏塌陷危及房屋安全建筑破坏泰安岩溶地面塌陷泰安车站内地面塌陷坑，可见深度5m，直径8m道路破坏贵昆铁路岩溶地面塌陷降雨入渗引起，导致货车颠覆道路破坏长大铁路瓦房店岩溶地面塌陷瓦房店三家子，因抽汲岩溶水加连降暴雨，产生塌坑25个，路基毁坏道路破坏贵昆线铁路岩溶塌陷1985道路破坏塌陷破坏高速公路道路破坏塌陷破坏公路道路破坏桂林市岩溶地面塌陷1986年11月，榕城饭店旁发生塌陷，坑深3.5m，直径10m，阻断公路道路破坏钻井过程中发生塌陷桂林构件厂抽水塌陷1993.5.2贵州六盘水塌陷1992环境破坏广西玉林岩溶地面塌陷岩溶地面塌陷破坏农田环境破坏黄石-大冶矿区岩溶地面塌陷矿区铁路路基塌陷、铁轨悬空环境破坏黄石-大冶矿区岩溶地面塌陷余华寺矿区皮带送矿廊下沉，围墙垮塌环境破坏恩口矿区岩溶地面塌陷恩口矿区岩溶地面塌陷毁坏农田和水渠环境破坏水口矿区岩溶地面塌陷水口矿区岩溶地面塌陷破坏田地环境破坏风景区岩溶地面塌陷犀牛海岩溶地面塌陷环境破坏第二节碳酸盐岩的溶蚀机理参与岩溶过程的营力及岩溶过程很复杂。主要营力是水，水的侵蚀、溶蚀作用是经常、缓慢的长期作用过程。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。一、溶蚀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。涉及三相体系：固、水、气。主要九个离子平衡体系：CO2，H2CO3，HCO3—，CO32—，Ca2+，H+，CaHCO3+，CaCO3，OH—溶蚀过程如下（以CaCO3的溶解和沉积为例）22-33CaCOCaCO22233COHOHCOHHCO23223CaCOCOHOCa2HCO222333CaCOHHCOCa2HCO233COHHCO①②由①及②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。不平衡,CaCO3溶解或CO2逸出平衡，或析出CaCO3（沉淀）不平衡,CaCO3溶解往复进行充CO2二、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。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。三、其他离子的作用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。1、酸效应（acideffect）任何酸解离出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。23322CaCOHCaHCO地质上含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。2、同离子效应(commonioneffect)3、离子强度效应(ionicstrengtheffect)2233CaCOCaCO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不相一致的强电解离子时，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。具有可溶性岩石具有溶蚀能力的水具有良好的水循环交替条件岩溶发育的条件岩溶发育主要受地层岩性和地质构造控制顺层（NE）发育的溶沟NW向裂隙溶坑岩溶发育规律地面岩溶形态落水洞溶洞溶坑溶蚀宽缝溶槽地面岩溶发育规律--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：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。