巖溶和巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害

巖溶和巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害一、概述

(一)巖溶的定義巖溶(Karst)：水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行的以化學(xué)溶蝕作用為主的綜合地質(zhì)作用以及由此產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。

1.巖溶作用：以化學(xué)溶蝕為主，同時(shí)還包括機(jī)械破碎、沉積、坍塌、搬運(yùn)等作用，是一個(gè)化學(xué)－物理相結(jié)合的綜合作用。

2.巖溶現(xiàn)象：巖溶地貌及水文、工程地質(zhì)條件。如石芽、石鐘乳、溶洞、地下暗河等?？扇苄詭r石包括碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、鹵化物等。（二）巖溶工程地質(zhì)研究的意義1.水利水電工程：滲漏、潰壩、誘發(fā)地震2.道路工程路基、站場(chǎng)、橋梁地基穩(wěn)定性、地基塌陷我國(guó)東部巖溶區(qū)，鐵路4010公里，巖溶塌陷376處，近十年間中斷行車1860小時(shí)，顛覆列車3次。3.工民建地基穩(wěn)定性、塌陷問(wèn)題1988年5月10日，武昌陸家街地面塌陷，圓形塌坑，直徑22M，深10余米，十間民房、大樹(shù)、電線桿等塌入坑中，引起附近工廠、學(xué)校、住宅墻體、地坪變形、開(kāi)裂。據(jù)廣西39個(gè)巖溶山地縣統(tǒng)計(jì)，在已建的260座大水庫(kù)中，有明顯滲漏的（設(shè)計(jì)效益與實(shí)際效益相比低于80％者）有92座。2000年4月6日下午4時(shí)－8時(shí)，洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)烽火村地面塌陷。自1977年至今，武漢地區(qū)先后發(fā)生6次巖溶地面塌陷：1977年，漢陽(yáng)中南軋鋼常堆料場(chǎng)塌陷；1988年，武昌陸家街塌陷和阮家巷塌陷；1999年，毛坦村小學(xué)塌陷；2000年2月，武昌司法學(xué)校塌陷；2000年4月，青菱鄉(xiāng)烽火村塌陷4.地下工程涌水、突水、巖溶冒落陷坑18個(gè)，最大陷坑長(zhǎng)63米、深6－7米最小陷坑1－2長(zhǎng)，深小于2米。陷坑帶呈近東西向分布，散分在東西300米、南北250米的范圍內(nèi)。有2棟民房完全倒塌，有16棟民房出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂、破損。該村196戶、990余名村民無(wú)一人傷亡。（三）影響巖溶發(fā)育的因素巖溶發(fā)育的條件：具有可溶性巖石巖石具有透水性水具有侵蝕能力水在巖石中應(yīng)是不斷地運(yùn)動(dòng)的可溶性巖石＋不斷運(yùn)動(dòng)的侵蝕性的水巖溶作用＋現(xiàn)象1、碳酸鹽巖巖性的影響：非碳酸鹽巖1098765432150％30％10％80％50％20％甲乙丙酸不溶物白云石方解石甲：純碳酸鹽巖1.灰?guī)r2.白云質(zhì)灰?guī)r（云灰?guī)r）3.灰質(zhì)白云巖（灰云巖）4.白云巖乙：（不純）質(zhì)碳酸鹽巖5.XX質(zhì)灰?guī)r6.XX質(zhì)云灰?guī)r7.XX質(zhì)灰云巖8.XX質(zhì)白云巖丙：不純碳酸鹽巖9.XX灰?guī)r10.XX白云巖2、氣候的影響(1)降水的影響：水直接參與巖溶作用，充足的降水是保證巖溶作用強(qiáng)烈進(jìn)行的必要條件。水是溶蝕作用的介質(zhì)和載體，充足的降水保證了水體的良好的循環(huán)交替條件，促進(jìn)巖溶作用的強(qiáng)烈進(jìn)行。(2)氣溫的影響：氣溫升高，生物新陳代謝加快，土壤中有更多的CO2富集，但水中的CO2的溶解度減小，不利于巖溶作用。氣溫升高，溶蝕速率增大，有利于巖溶作用?？傮w上：氣溫升高有利于巖溶作用的進(jìn)行。3、地形地貌的影響(1).平坦地區(qū)：地表徑流弱，入滲強(qiáng)烈，有利于巖溶發(fā)育(2).陡峭地區(qū)：地表徑流強(qiáng)烈，入滲弱，不利于地下巖溶發(fā)育(3).突起地區(qū)：地下水位深，包氣帶厚度大，垂直巖溶發(fā)育(4).低洼地區(qū)：地下水位淺，匯水地帶，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，以水平巖溶為主。4、地質(zhì)構(gòu)造的影響（1）.斷裂的影響：沿?cái)嗔衙鎺r溶發(fā)育強(qiáng)烈各組破裂面相互交織、延伸進(jìn)而控制了巖溶發(fā)育的形態(tài)、規(guī)模、速度和空間分布。各種破裂面相互交織，使地下水混合溶蝕效應(yīng)明顯，促進(jìn)巖溶發(fā)育。（2）.褶皺的影響：褶皺的不同部位，裂隙發(fā)育不均勻，巖溶強(qiáng)度不同。核部比翼部發(fā)育。大型褶皺控制了可溶巖的空間分布和地下水匯水范圍及徑流條件，影響著巖溶的發(fā)育。（3）.巖層組合的影響厚而純的碳酸鹽巖Ⅰ.包氣帶：多發(fā)育垂直巖溶形態(tài)Ⅱ.地下水季節(jié)變動(dòng)帶：兩方向巖溶均發(fā)育Ⅲ.飽水帶：規(guī)模大、連續(xù)性好的水平巖溶Ⅳ.深循環(huán)帶：巖溶不很發(fā)育ⅠⅡⅢⅣ碳酸鹽巖夾非可溶性巖層非可溶性巖層與碳酸鹽巖互層：在同一時(shí)期，巖溶呈多層發(fā)育非可溶性巖層夾碳酸鹽巖：巖溶發(fā)育極弱5、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響地殼運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)、幅度、速度和波及范圍，控制著水循環(huán)交替條件及其變化趨勢(shì)，從而控制著巖溶發(fā)育的類型、規(guī)模、速度、空間分布及巖溶作用的變化趨勢(shì)。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的基本形式有三種：（1）.上升期：侵蝕基準(zhǔn)面相對(duì)下降，地下水位逐漸下降，側(cè)向巖溶不發(fā)育，規(guī)模小而少見(jiàn)，分帶現(xiàn)象明顯，以垂直形態(tài)的巖溶為主。（2）.平穩(wěn)期：侵蝕基準(zhǔn)面相對(duì)穩(wěn)定，溶蝕作用充分進(jìn)行，分帶現(xiàn)象明顯，側(cè)向巖溶規(guī)模大，巖溶地貌較明顯典型。（3）.下降期：常形成覆蓋型巖溶，地下水循環(huán)條件變差，巖溶作用受到抑制或停止。從更長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期來(lái)看：（1）間歇性上升：上升穩(wěn)定再上升再穩(wěn)定形成水平溶洞成層分布，高程與階地相對(duì)應(yīng)。（2）振蕩升降：巖溶作用由弱到強(qiáng)，由強(qiáng)到弱反復(fù)進(jìn)行以垂直形態(tài)的巖溶為主，水平溶洞規(guī)模不大，而且成層性不明顯。（3）間歇性下降：下降穩(wěn)定再下降再穩(wěn)定巖溶多被埋于地下，規(guī)模不大，但具成層性，洞穴中有松散物充填。從層狀洞穴的分布情況及充填物的性質(zhì)，可查明巖溶發(fā)育特點(diǎn)及形成的相對(duì)年代二、巖溶水庫(kù)滲漏（一）滲漏的形式1.按滲漏通道分類裂隙分散滲漏管道集中滲漏2.按庫(kù)水漏失的特點(diǎn)分類（滲漏持續(xù)時(shí)間）暫時(shí)性滲漏：包氣帶永久性滲漏3.按滲漏部位分類繞壩滲漏：壩區(qū)臨谷滲漏：庫(kù)區(qū)（二）巖溶滲漏的研究?jī)?nèi)容1.查明巖溶發(fā)育、分布規(guī)律重點(diǎn)查明溶洞、暗河的展布位置、規(guī)模等，進(jìn)行巖溶泉水流量、高程調(diào)查，確定通道的位置及可能影響程度。2.分析地質(zhì)條件（1）巖層組合：當(dāng)夾有非可溶巖地層時(shí)，可借助該層防止?jié)B透（2）地質(zhì)構(gòu)造：

★褶皺

a.縱谷：與河流所處褶皺的部位有關(guān)b.橫谷：修水庫(kù)不利，但充分利用隔水層，可能防止壩區(qū)滲漏。c.斜交谷：具體分析★斷層：既可有利于滲漏，又可不利于滲漏★巖體侵入：相對(duì)隔水層的分布位置3.查明河間地塊的水文地質(zhì)條件（1）補(bǔ)給型：滲漏與否視蓄水后庫(kù)水位與地下水位的補(bǔ)給關(guān)系而定。若建庫(kù)后仍為補(bǔ)給型，不永久滲漏。若建庫(kù)后為排泄型，則滲漏。（2）排泄型：建庫(kù)后肯定會(huì)產(chǎn)生永久滲漏（3）懸托型：一定滲漏在深厚碳酸鹽巖地層中，地下水排泄通暢，地殼上升，侵蝕基準(zhǔn)面不斷下降，始終保持地下水位低于河水位，形成懸托河。若河谷沉積物覆蓋層較厚，顆粒較細(xì)，則滲漏微弱些，否則滲漏嚴(yán)重。（三）巖溶滲漏的防治措施1.截?cái)酀B漏通道灌鋪堵截2.導(dǎo)水導(dǎo)氣三、巖溶地基穩(wěn)定性（一）變形破壞的主要形式1.不均勻沉降2.地表塌陷3.地基承載力不足4.地基滑動(dòng)（二）巖溶地基的處理措施1、避開(kāi)2、治理：挖填：垮越：灌注加固：壓漿、旋噴樁樁基：當(dāng)堆積物不易清除或不被沖失流走時(shí)，可根據(jù)建筑物需要作支承樁或摩擦樁強(qiáng)夯合理疏導(dǎo)水氣多種方法綜合利用四、巖溶地面塌陷1、巖溶地面塌陷的概念在巖溶地區(qū)，由于下部洞穴擴(kuò)大而導(dǎo)致頂板巖體塌陷，或上覆土層中的土洞頂板因自然或人為因素失去平衡產(chǎn)生下沉或塌陷的通稱。2、塌陷分類正確的分類，反映學(xué)科發(fā)展的水平，又能促進(jìn)學(xué)科的發(fā)展。國(guó)內(nèi)的分類多以成因和影響因素為依據(jù)。一級(jí)（按塌陷成因）二級(jí)（按誘發(fā)塌陷因素）三級(jí)（按塌陷坑數(shù)量）自然塌陷地震、河水位升降大量n1000中量100n<1000少量10n<100個(gè)別1n<10自然—人為塌陷降雨入滲、表水滲漏、干旱灌溉人為塌陷排水塌陷、滲水塌陷、抽水塌陷、荷載塌陷、蓄水塌陷、振動(dòng)塌陷巖溶地面塌陷分類表：3、國(guó)外巖溶地面塌陷的研究與技術(shù)狀況國(guó)外巖溶塌陷分布甚廣，據(jù)已有資料，美國(guó)、法國(guó)、南斯拉夫、德國(guó)、波蘭、南非、希臘、俄羅斯、英國(guó)、比利時(shí)、土耳其、以色列、加拿大、西班牙、捷克、保加利亞以及多米尼加等國(guó)家都有巖溶塌陷。美國(guó)巖溶塌陷最多，尤以東部較為普遍。原蘇聯(lián)研究最早，1771~1809年間的刊物上就有巖溶塌陷的問(wèn)題。南非受害最大，金礦關(guān)閉、人員傷亡。（1）巖溶塌陷的狀況古巖溶塌陷古巖溶塌陷指屬于自然因素作用下的結(jié)果，如地表雨水和地下水以及地震的作用等。各地質(zhì)時(shí)期，只需具備溶蝕的可溶巖和覆蓋土體、松軟巖體，在地表雨水和地下水的作用下，都可形成古巖溶塌陷。如南斯拉夫第納爾高原（寬180Km）的巖溶區(qū)，紅湖（直徑200m，深518.9m）和蘭湖（直徑2000m，深245m）均形成于中生代的塌陷產(chǎn)物。現(xiàn)代巖溶塌陷現(xiàn)代巖溶塌陷是指認(rèn)為因素作用下的結(jié)果。如開(kāi)挖坑道、公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、工程場(chǎng)地、修建水庫(kù)、抽取地下水、載重、振動(dòng)等作用。（2）巖溶塌陷的危害人身傷亡建設(shè)與公共設(shè)施遭致破壞地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)平衡遭致破壞（3）學(xué)術(shù)研討原蘇聯(lián)的學(xué)術(shù)研討1771~1809年；1914年蘇潘關(guān)于巖溶塌陷帶來(lái)的環(huán)境變遷；1933年全蘇喀斯特會(huì)議。以美國(guó)為主的學(xué)術(shù)研討1930年Brige報(bào)道密蘇里州的巖溶塌陷；

1941年Gramer巖溶塌陷分類。

1973年在德國(guó)的漢諾威首次舉行了“巖溶塌陷與沉陷——與可溶巖有關(guān)的工程地質(zhì)問(wèn)題”國(guó)際討論會(huì)四個(gè)議題：塌陷和沉陷形成的地質(zhì)和地球化學(xué)條件塌陷與沉陷的機(jī)理塌陷區(qū)的區(qū)劃和地下洞穴位置的探測(cè)方法工程實(shí)例和工程措施4、成因機(jī)制巖溶塌陷的機(jī)制較為復(fù)雜，由于試驗(yàn)與實(shí)際觀察難度較大，許多學(xué)者只能從理論驚進(jìn)行分析、推斷，故對(duì)巖溶塌陷的機(jī)制眾說(shuō)紛紜。（1）潛蝕效應(yīng)潛蝕論是1898年俄國(guó)學(xué)者巴浦洛夫提出的，在國(guó)內(nèi)外地質(zhì)界長(zhǎng)期被接受并加以應(yīng)用。地下水位下降時(shí)，水力梯度也隨之增大，地下水流速加快，動(dòng)水壓力增強(qiáng)，當(dāng)動(dòng)水壓力大于土體內(nèi)聚力與顆粒間摩擦力，土顆粒開(kāi)始被滲流帶動(dòng)遷移，這一現(xiàn)象稱為潛蝕或管涌。

使土顆粒開(kāi)始滲流時(shí)的水力梯度稱為臨界水力梯度。據(jù)太沙基（1933年）公式：式中：Ip—臨界水力梯度

rs—土顆粒密度

n—土體的孔隙度據(jù)達(dá)西公式和動(dòng)能公式，地下水側(cè)向流時(shí)的動(dòng)能：式中：FH—地下水動(dòng)能

M—水的質(zhì)量

K—滲透系數(shù)

I—水力梯度

n—巖土體的孔隙度

u—滲流速度（2）真空吸蝕效應(yīng)真空吸蝕論是我國(guó)徐衛(wèi)國(guó)等于1979年提出的，國(guó)內(nèi)也普遍接受這一論點(diǎn)。在形成巖溶網(wǎng)絡(luò)的封閉空腔（溶洞或土洞）中，當(dāng)?shù)叵滤淮蠓认陆档娇涨簧w層底面下時(shí)，空腔上部便形成真空，產(chǎn)生抽吸力。真空吸蝕產(chǎn)生下列三種作用：吸盤(pán)吸蝕作用空腔吸蝕作用漩吸漏斗吸蝕作用問(wèn)題探討：自然地質(zhì)環(huán)境中，很難具備封密的巖溶空腔條件；真空吸蝕的極限是一個(gè)大氣壓，真空吸蝕力不大；一旦塌陷發(fā)生，封閉狀態(tài)破壞，在一次塌陷發(fā)生的中后期，則不可能連續(xù)發(fā)生塌陷，這與許多事例不符；一旦發(fā)生漩吸漏斗吸蝕作用，則不存在真空吸蝕，因此時(shí)蓋層已破壞；真空吸蝕同樣難以解釋同步塌陷。（3）壓強(qiáng)差效應(yīng)壓強(qiáng)差是指巖溶空腔與松散介質(zhì)（或土洞）接觸面上下側(cè)水、氣流體，因巖溶管道水位變化而產(chǎn)生相應(yīng)的壓強(qiáng)差值。（4）垂直滲壓效應(yīng)當(dāng)?shù)乇碛晁霛B時(shí)，水在孔隙中運(yùn)動(dòng)，對(duì)土顆粒施加一種垂向滲透壓力，從而改變了土體的力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)滲透壓力達(dá)到一定值時(shí)，使土體結(jié)構(gòu)破壞，土顆粒隨水流產(chǎn)生運(yùn)移，即流土或管涌，進(jìn)而形成土洞，直至發(fā)生地面變形或塌陷。