第6章 巖溶工程地質(zhì)研究

《工程地質(zhì)學(xué)概論》

第六章巖溶工程地質(zhì)研究溶巖的概念巖溶發(fā)育的基本條件巖溶地貌巖溶發(fā)育規(guī)律巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施溶巖的概念概念：巖溶是指地表水和地下水對(duì)可溶巖以溶蝕為主的長(zhǎng)期地質(zhì)作用，及其形成的各種巖溶現(xiàn)象的總稱(chēng)。南斯拉夫的喀斯特高原是巖溶現(xiàn)象的典型地區(qū)，國(guó)際上最早在此開(kāi)展全面研究，并用此地名代表巖溶現(xiàn)象，稱(chēng)為喀斯特。我國(guó)在1966年第二屆全國(guó)巖溶會(huì)議上，按成因確定用巖溶一詞取代喀斯特。溶巖的概念溶巖的概念溶巖的概念分布：可溶巖中以碳酸鹽巖分布最為廣泛。在我國(guó)廣西(13.9萬(wàn)km2)、貴州(15.6萬(wàn)km2)、云南(24.1萬(wàn)km2)、四川(36.0萬(wàn)km2)、湖南(11.3萬(wàn)km2)、湖北(7.8萬(wàn)km2)等地，都有大面積連續(xù)分布的碳酸鹽巖，如貴州面積的51%，廣西面積的33%，都是出露的碳酸鹽巖。這些都是著名的巖溶地區(qū)。此外，在我國(guó)華南、華東、華北以及青海(19.0萬(wàn)km2)、西藏(86.3萬(wàn)km2)等地，也有大量碳酸鹽巖分布。因此，我國(guó)是一個(gè)巖溶發(fā)育的國(guó)家。全國(guó)陸地碳酸鹽巖分布面積344.3萬(wàn)km2，出露面積90.7萬(wàn)km2。溶巖的概念研究意義：巖溶與工程建設(shè)關(guān)系密切。巖溶造成的庫(kù)水滲漏，輕則造成水資源或水能損失，重則使水庫(kù)完全不能蓄水而失效。在巖溶地區(qū)開(kāi)挖隧道，常遇到溶洞充填物坍塌，暗河和溶洞封存水突然涌入，溶洞充填物不均勻沉降導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂等問(wèn)題。當(dāng)遇到大型溶洞時(shí)，洞中高填方或橋跨施工困難，造價(jià)昂貴，不僅延誤工期，有時(shí)甚至需改變線路方案。如天生橋隧道開(kāi)挖到山體內(nèi)部，遇到一個(gè)高100m(路基下高度大于50m)、寬120m、長(zhǎng)90m的大洞穴，建筑物懸空，技術(shù)上很難處理，被迫加設(shè)彎道繞避。溶巖的概念研究意義：此外，巖溶地面塌陷，風(fēng)化表土不均勻沉降或巖溶漏斗覆蓋土潛移，也對(duì)工程建筑造成危害。因此，充分認(rèn)識(shí)巖溶作用及巖溶現(xiàn)象，對(duì)巖溶地區(qū)修建工程建筑有著重要意義。巖溶發(fā)育的基本條件①可溶性巖石：可溶巖可分為易溶的鹵素鹽類(lèi)（如巖鹽）、中等溶解度的硫酸鹽類(lèi)（石膏、硬石膏、芒硝）和難溶的碳酸鹽類(lèi)（石灰?guī)r、白云巖）。鹵素鹽類(lèi)及硫酸鹽雖易溶解，但分布面積有限，對(duì)巖溶的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如分布廣泛的碳酸鹽類(lèi)巖石。巖溶發(fā)育的基本條件②巖石的透水性：完整巖石或節(jié)理不發(fā)育的巖石，地下水不易滲透到巖石內(nèi)部，溶蝕只是在巖石表面進(jìn)行，故巖溶發(fā)育速度相對(duì)較低。節(jié)理發(fā)育的巖石，尤其是構(gòu)造節(jié)理發(fā)育的巖石，節(jié)理深達(dá)巖體內(nèi)部，互相連通形成滲透裂隙網(wǎng)絡(luò)，巖溶發(fā)育速度相對(duì)較快。因此，巖溶主要發(fā)育在節(jié)理裂隙發(fā)育的部位，如褶曲軸部，斷層破碎帶及其影響帶等。巖溶發(fā)育的基本條件③水的溶蝕性：水對(duì)可溶巖的溶蝕作用是巖溶發(fā)育的主要原因。碳酸鹽巖在純水中的溶解度是很小的，在16℃時(shí)僅為1.31mg/L，在25℃時(shí)僅為14.3mg/L，所以純水中巖溶難以發(fā)育。

當(dāng)?shù)叵滤泻治g性CO2時(shí)，CO2與方解石的CaCO3反應(yīng)，最終生成Ca2+離子，使碳酸鹽巖的溶解度高達(dá)幾百mg/L，大大提高了巖溶發(fā)育速度。其化學(xué)反應(yīng)式為CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2=Ca2++2HCO3-巖溶發(fā)育的基本條件④水的流動(dòng)性：水的溶蝕性與水的流動(dòng)性密切相關(guān)。在水流停滯的條件下，地下水中CO2不斷消耗而達(dá)到平衡狀態(tài)，使水喪失溶蝕能力。當(dāng)含侵蝕CO2的地下水流通時(shí)，一方面源源不斷地補(bǔ)充新的侵蝕性CO2，另一方面不斷帶走生成的Ca2+離子和HCO3-離子，使化學(xué)反應(yīng)不斷向右進(jìn)行，巖溶得以繼續(xù)。巖溶地貌巖溶水：貯藏和運(yùn)動(dòng)在可溶巖孔隙、裂隙及溶洞中的地下水稱(chēng)為巖溶水。巖溶發(fā)育以地下水流動(dòng)為前提，地下水流強(qiáng)度大的地方，也常常是巖溶發(fā)育較強(qiáng)的地方。

按含水層性質(zhì)，巖溶水可分為孔隙水、裂隙水和溶洞水。由巖溶水刻蝕出來(lái)的巖溶地貌（地表巖溶地貌和地下巖溶地貌）與巖溶水的分布和運(yùn)動(dòng)方式有著成因上的聯(lián)系。主要表現(xiàn)在水平方向和垂直方向上。巖溶地貌水平方向：巖溶地貌由溶蝕平原，向溶蝕谷地、石林、溶溝、石芽、巖溶剝蝕面依次過(guò)渡。巖溶地貌垂直方向：1.在地表：地表片流或土壤底層水，在可溶巖表面順坡向低洼處流動(dòng)并沿巖石裂隙向下滲流，對(duì)巖石進(jìn)行化學(xué)溶蝕和水力剝蝕，使洼地或裂隙擴(kuò)大。在地表上形成的溝槽稱(chēng)做溶溝，深幾厘米到幾十米，溶溝之間凸起的石脊稱(chēng)做石芽，溶溝和石芽相間出現(xiàn)。在坡度較大的地面，它們順著最大傾斜方向排列，在平坦地面，它們縱橫交錯(cuò)。當(dāng)溶溝和石芽加深擴(kuò)大（有時(shí)伴隨落水洞擴(kuò)大連通），使石芽高達(dá)十幾米到幾十米，并成片出露時(shí)，遠(yuǎn)望之有如樹(shù)林，稱(chēng)做石林。如云南石林高達(dá)50余米，石峰林立，千姿百態(tài)，蔚為奇觀。巖溶地貌垂直方向：巖溶地貌垂直方向：2.在地下：巖溶水在地下可分為四個(gè)運(yùn)動(dòng)特征明顯帶，即垂直循環(huán)帶、季節(jié)循環(huán)帶、水平循環(huán)帶和深部循環(huán)帶。各帶巖溶發(fā)育特征也不相同。巖溶地貌垂直循環(huán)帶：指可溶巖區(qū)地表面到雨季潛水位之間的地帶。地下水主要沿節(jié)理、裂隙向下滲透。并將裂隙溶蝕擴(kuò)大，形成落水洞，多與溶洞或暗河連通，是地表水滲向地下的通道，有時(shí)可以將地表河流部分或全部導(dǎo)入地下，形成伏流或暗河。落水洞附近地面，常被暫時(shí)性流水和地下水侵蝕成漏斗狀洼池，稱(chēng)做溶蝕漏斗。當(dāng)?shù)孛媛┒啡翰粩鄶U(kuò)大匯合，可在地表形成溶蝕洼地，面積由數(shù)十平方米至數(shù)萬(wàn)平方米不等。大型的封閉洼地稱(chēng)為溶蝕盆地，面積由數(shù)平方公里到數(shù)百平方公里不等，進(jìn)一步發(fā)展則成為溶蝕平原。巖溶地貌季節(jié)循環(huán)帶：指雨季潛水位與旱季潛水位之間的地帶。在雨季，該帶充滿地下水，地下水向河床方向沿巖層面、節(jié)理面或斷裂帶作近水平運(yùn)動(dòng)。并不斷將裂隙溶蝕擴(kuò)大，形成近水平方向的洞穴，稱(chēng)為溶洞。在旱季、潛水位下降，重力水在該帶向下滲透，形成落水洞。由于季節(jié)循環(huán)帶內(nèi)溶洞和落水洞交錯(cuò)連接，形成復(fù)雜的、高低曲折的、時(shí)寬時(shí)窄的地下洞穴系統(tǒng)。巖溶地貌水平循環(huán)帶：指旱季潛水位至河床下一定深度范圍內(nèi)的地帶。該帶常年有水，地下水主要向河床方向做水平運(yùn)動(dòng)，將可溶巖溶蝕成水平方向的溶洞，這些溶洞常常相互貫通形成暗河，溶洞形態(tài)各異，有時(shí)寬如大廳、有時(shí)窄如長(zhǎng)廊。溶洞中常有后期滲流水中碳酸鈣沉積形成的石鐘乳、石筍、石柱和石幕等。有時(shí)還伴有大量的溶洞洞頂坍塌堆積。巖溶地貌水平循環(huán)帶：巖溶地貌水平循環(huán)帶：在溶洞發(fā)育的地區(qū)，隨著溶洞的擴(kuò)展，成片溶洞因上部巖層失去支撐而坍塌，在地表形成大片洼地，也稱(chēng)為溶蝕洼地。巖溶地貌深部循環(huán)帶：位于水平循環(huán)帶之下，地下水向更深更遠(yuǎn)的侵蝕基面運(yùn)動(dòng)。由于深部基巖裂隙一般不發(fā)育地下水運(yùn)動(dòng)緩慢，巖溶一般不發(fā)育，僅有蜂窩狀小洞。巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施地基不均勻沉降：由于地表巖溶深度不一致，基巖巖面起伏、導(dǎo)致上覆土層厚度不均勻，使建筑物地基產(chǎn)生不均勻沉降。在巖溶發(fā)育地區(qū)，水平方向上相距很近(如1~2m)的兩點(diǎn)，有時(shí)土層厚度相差可達(dá)4~6m，甚至十余米。在土層較厚的溶槽（溝）底部，往往又有軟弱土存在，更加劇了地基不均勻性。此外，在一些溶洞中，有溶洞坍塌堆積物，在上面修筑路堤或橋墩等建筑物時(shí)，也會(huì)不均勻沉降，特別是隧道一半在基巖中，一半在溶洞中，而隧道底部高于溶洞底部時(shí)，需進(jìn)行填補(bǔ)支護(hù)，溶洞土層不均勻沉降常導(dǎo)致軌面傾斜和襯砌開(kāi)裂。巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施地基不均勻沉降：在工程上，當(dāng)土層較淺時(shí)，可挖掉大部分土層，然后打掉一定厚度的石芽，再鋪以褥墊材料，也可采用換填法或灌漿法加固。當(dāng)土層較厚時(shí)，可設(shè)樁基，使基底荷載傳至基巖上。也可挖掉部分溶溝中較厚土層，將基底做成階梯狀，使相鄰點(diǎn)可壓縮層厚度相對(duì)一致或呈漸變狀態(tài)。巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施地面塌陷：當(dāng)建筑物（如橋梁墩臺(tái)、隧道等）位于溶洞上方，溶洞頂板厚度不足時(shí)，常產(chǎn)生溶洞洞頂坍塌陷落。當(dāng)隧道從溶洞中通過(guò)，由于風(fēng)化作用，有時(shí)也產(chǎn)生洞頂坍塌。在工程上，溶洞頂板厚度是否屬于安全范圍應(yīng)予以驗(yàn)算。1.溶洞頂板抗彎厚度驗(yàn)算：所需頂板安全厚度z為巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施地面塌陷：當(dāng)溶洞頂板不安全時(shí)，常用加固方法有：灌漿、加鋼墊板等方法加固頂板；擴(kuò)大基礎(chǔ),減輕頂板單位荷載；填死溶洞等。巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施基坑和洞室涌水：在建筑物基坑或地下洞室開(kāi)挖中，若挖穿了暗河、蓄水溶洞、高壓巖溶管道水、富水?dāng)鄬悠扑閹У榷伎赡墚a(chǎn)生突然涌水，給工程施工帶來(lái)嚴(yán)重困難，甚至淹沒(méi)坑道。如大瑤山隧道通過(guò)斑谷坳地區(qū)石灰?guī)r地段時(shí)，遇到斷層破碎帶，發(fā)生大量涌水，豎井一度被淹沒(méi)，造成停工。襄渝線中梁山隧道，1972年6月涌水量為26000t/d，10年后增加到54000t/d。此外，當(dāng)開(kāi)挖的洞室與地表或地下暗河有溶蝕管道聯(lián)通，在暴雨時(shí)，也可能產(chǎn)生突然涌水。巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施基坑和洞室涌水：在工程上，當(dāng)涌水量較小時(shí)，可用注漿堵水，也可利用洞室中心溝或側(cè)溝排水。當(dāng)涌水量較大時(shí)，可用平行導(dǎo)坑排水，有時(shí)只能繞避。此外，還可修建截水盲溝、截水墻和截水盲洞等攔截地下水。但因巖溶地區(qū)地下水分布極不均勻，排水時(shí)還應(yīng)考慮地面居民的生活環(huán)境等問(wèn)題。巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施巖溶滲漏：在巖溶發(fā)育地區(qū)修筑水壩時(shí)，庫(kù)水常沿溶蝕裂隙、巖溶管道、溶洞、地下暗河等產(chǎn)生滲漏，嚴(yán)重時(shí)可造成水庫(kù)不能蓄水。由于滲漏形式錯(cuò)綜復(fù)雜，防滲工程處理難度大，所以，慎重選址，詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察是十分必要的。巖溶地區(qū)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及防治措施地表土潛移：地表土潛移主要發(fā)生在溶蝕漏斗的上覆土層以及溶蝕斜