巖溶及巖溶水

關(guān)于巖溶及巖溶水學習要求1、巖溶的形成條件和影響因素2、巖溶地貌類型3、對工程影響及處理措施第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖溶作用基本概念與研究意義

凡是以地下水為主，地表水為輔，以化學過程（溶解與沉淀）為主，機械過程（流水侵蝕和沖積、重力崩塌和堆積）為輔的

對可溶性巖石的破壞和改造作用都叫巖溶作用。這種作用改造成的地表形態(tài)和地下形態(tài)就叫巖溶地貌。巖溶作用及其新產(chǎn)生的水文現(xiàn)象和地貌現(xiàn)象統(tǒng)稱巖溶。又稱喀斯特(Karst)。19世紀末，南斯拉夫?qū)W者J.Cvijic研究了南斯拉夫喀斯特高原的這種地貌，故得名。第3頁,共28頁，2024年2月25日，星期天可溶性巖石在世界上分布很廣，占全球面積的10.2％。在我國裸露的可溶性巖(碳酸鹽類)面積為90.7萬／km2，占全國面積的9.4％，主要分布于廣西、云南及貴州等地，是世界上喀斯特地貌最發(fā)育的地區(qū)之一，如桂林山水和路南石林皆著名于世。在巖溶地區(qū)，由于存在大量的地下空洞，進行水庫修建是要注意防止?jié)B漏問題，在開挖隧道和建設(shè)礦井時要注意涌水排水問題，在建筑鐵路、橋梁和廠房時要注意地基的塌陷問題。

第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天喀斯特地貌第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖溶發(fā)育的基本條件和影響因素巖溶發(fā)育的基本條件：①可溶巖層的存在②可溶巖層必須是透水的③具有侵蝕能力的水④水是流動性的影響巖溶發(fā)育的因素：①氣候②地層的組合、厚度及產(chǎn)狀的影響③構(gòu)造的影響第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖石的可溶性

可溶性巖層時發(fā)生溶蝕作用的必要前提，它必須具有一定的透水性，使水能進入巖層內(nèi)部進行溶蝕巖石的可溶性按巖性成分可分為三類①易溶的鹵素鹽類，如巖鹽②中等溶度的硫酸鹽類，如石膏和硬石膏③難溶的碳酸鹽類，如石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖石的透水性巖溶要發(fā)展，巖石必須具有透水性。一般在斷層破碎帶、裂隙密集帶和褶皺軸部附近，因為巖石裂隙發(fā)育且連通性好，有利于地下水的運動，從而促進了巖溶的發(fā)育，并且往往沿此方向發(fā)育著溶洞、地下河等。另外，地表附近嗎，由于風化裂隙增多，所以巖溶一般比較發(fā)育。

——裂隙發(fā)育（初始裂隙）→巖溶系統(tǒng)

——斷層發(fā)育決定了溶洞的形成第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天水的溶蝕性水對碳酸鹽類巖石的溶解能力，主要取決于水中侵蝕性CO2的含量。水中侵蝕性CO2的含量越多，水的溶蝕能力也越強。其化學方程式：CaCO2+H2O+CO2==Ca2++2HCO3-

該反應(yīng)是可逆的反應(yīng)，當空氣中的CO2減少，或者水中游離CO2減少時，化合的CO2就要向相反的方向轉(zhuǎn)化，使水中碳酸含量減少，這時CaCO3就要發(fā)生沉淀作用。第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天水的流動性地下水的循環(huán)交替式巖溶發(fā)育的充分必要條件水的流動性反映了水在可溶巖層中的交替程度。只有水循環(huán)交替條件好，水的流動速度快，才能將溶解物質(zhì)帶走，同時又促使含有大量CO2的水源源不斷地得到補充，則巖溶發(fā)育速度就快。反之，巖溶發(fā)育就慢，甚至處于停滯狀態(tài)。第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖溶的發(fā)育和分布規(guī)律：

1水平方向

2垂直方向：①垂直循環(huán)帶②水平循環(huán)帶③過渡循環(huán)帶④深部循環(huán)帶第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

Ⅰ-垂直循環(huán)帶；Ⅱ-過渡循環(huán)帶；

Ⅲ-水平循環(huán)帶；Ⅳ-深部循環(huán)帶第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖溶水存與運移于可溶巖的空隙、裂隙以及溶洞中的地下水叫巖溶水。巖溶含水介質(zhì)是多級次的空隙系統(tǒng)。一般情況下，包含下列尺寸不等的空隙：①巖溶管道，通常直徑數(shù)十厘米到數(shù)米，其中還包括體積十分巨大的溶洞；②各級構(gòu)造裂隙；③成巖過程中形成的各種原生孔隙與裂隙；充填溶洞的松散沉積物。第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖溶地貌根據(jù)它們出露的情況分為地表巖溶地貌、地下巖溶地貌以及它們的組合地貌。

1地表巖溶地貌：石芽與溶溝；漏斗；豎井；落水洞；溶蝕洼地；坡立谷；干谷和盲谷

2地下巖溶地貌：溶洞；地下河

3落水洞、豎井、地下通道組合；河谷和暗河組合；塌陷與地下通道組合；溶洞與地下通道組合；溶洞與階地組合；分水嶺風口與溶洞組合巖溶地貌第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖溶區(qū)的主要工程問題由于巖溶的發(fā)育致使建筑物和地基的工程地質(zhì)條件大為惡化，因此在巖溶地區(qū)修建各類工程建筑物時必須對巖溶進行工程地質(zhì)研究，以預(yù)測和解決因巖溶而引起的各種工程地質(zhì)問題。歸結(jié)起來，巖溶區(qū)的工程地質(zhì)問題主要有兩類。

1地基穩(wěn)定性及塌陷問題

2滲漏和突水問題第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天溶洞地基溶洞地基的穩(wěn)定性取決于溶洞的規(guī)模、埋深及充填情況。當溶洞的規(guī)模大、埋深淺、溶洞頂板承受不了建筑物的荷載時，就會使溶洞頂板坍塌、地基失穩(wěn)。當建筑物地基直接遇到溶洞時，可視溶洞的規(guī)模及充填物情況，進行適當處理。規(guī)模小，可采用清除或堵塞，或蓋板跨越；規(guī)模大，則不宜作為建筑物的地基。為了確保溶洞地基的穩(wěn)定性，必須根據(jù)溶洞的規(guī)模、溶洞頂板巖層的性質(zhì)確定洞穴離地面的安全深度，即溶洞頂板的安全厚度。當溶洞埋深大于安全厚度時，地基是穩(wěn)定的；否則地基不穩(wěn)定，必須進行處理。第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天實踐中，對溶洞頂板安全厚度的確定常采用以下方法a.對洞頂完整的溶洞，頂板安全厚度采用厚跨比法確定。認為當溶洞頂板厚度h與建筑物跨過溶洞的長度L之比h/L>0.5時，溶洞頂板安全。b.對頂板不完整、洞頂坍塌的溶洞，頂板安全厚度洞頂板坍塌堵塞計算法。所需塌落高度(H)按下式計算：

H=H0/(K-1)式中H0——洞體最大高度（m）；

K——巖體松散（漲余）系數(shù)，石灰?guī)rK=1.2，粘土K=1.05。c.若溶洞頂板不完整，裂隙、節(jié)理發(fā)育，則可按裂隙節(jié)理分布特征采用受力的梁（板）計算彎矩，根據(jù)彎矩和巖體應(yīng)力求洞頂板的厚度。第20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天土洞地基在覆蓋型巖溶地區(qū)，可溶巖的上覆土層中常常發(fā)育著空洞，一般叫土洞。當土洞頂板在建筑物荷載作用下失去平衡而產(chǎn)生下陷或塌落時，則危及建筑物的安全。因此，凡是巖溶地區(qū)有第四紀土層分布的地段，都要注意土洞發(fā)育的可能性，應(yīng)查明土洞的成因、形成條件，土洞的位置、埋深、大小，以及與土洞發(fā)育有關(guān)的溶洞、溶溝的分布。由于溶洞的形成與地表水和地下水的關(guān)系極為密切，土洞的處理首先措施是治水，然后根據(jù)具體情況，可采取以下方法處理：第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天a.當土洞埋深較淺時，可采用挖填和梁板跨越；b.對直徑較小的深埋土洞，因其穩(wěn)定性好，危害性小，故可不處理洞體，而僅在洞頂上部采取梁板跨越；c.對直徑較大的深埋土洞，可采用頂部鉆孔灌砂（礫）或灌碎石混凝土以充填空間。第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天滲漏和突水問題地區(qū)的巖體中有許多裂隙、管道和溶洞，在進行水庫、大壩、隧道、基坑等工由于巖溶程活動時，如存在承壓水并有富水優(yōu)勢斷裂作為通道，則可能會遇到地下突水而導致基坑、隧道等工程的排水困難甚至淹沒，也可能因巖溶滲漏而造成水庫無法蓄水。庫區(qū)應(yīng)選在地勢低洼，四周地下水位較高，上游有大泉出露而下游無大泉出露，上下游流量沒有顯著差異的河段上，要避免鄰區(qū)有深谷大河。如果發(fā)現(xiàn)庫底有滲漏，可采用堵（堵落水洞）、鋪（鋪蓋粘土）、截（筑截水墻）、圍（在落水洞四周建圍墻）、引（引入庫內(nèi)或?qū)С鰩焱猓┑确椒ㄟM行處理。對巖溶突水的處理，原則上以疏導為主。對隧道中的巖溶水，可用水管引入隧道邊溝或中心排水溝排出。水量過大時，可用平行導坑排水。第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天巖溶地基變形破壞主要形式有：

地基承載力不足、不均勻沉降、地基滑動、地表坍塌等。目前對巖溶洞體穩(wěn)定性評價方法有定性、半定量和定量之分。對穩(wěn)定圍巖,將洞體頂板視作結(jié)構(gòu)自承重體系,可用結(jié)構(gòu)力學分析法;對不穩(wěn)定圍巖,一般用散體理論分析法。巖溶地基處理方法視具體情況采取“不處理（觀場合）”、“繞避（3種）”、“處理（4種）”三類措施。第24頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1巖溶地基可不加處理的場合屬于下列情況的,巖溶地基可不加處理:巖溶在基礎(chǔ)影響范圍以外;溶洞處于地基壓縮層深度以下或垂直附加應(yīng)力與洞頂?shù)貙幼灾貞?yīng)力之比≤10%時,洞頂板無破碎現(xiàn)象,受力地基邊緣無土洞、漏斗、落水洞地段;基礎(chǔ)位于微風化硬質(zhì)巖表面且寬度小于1m的豎向洞隙旁,洞隙被密實充填且無被水沖蝕可能地段;洞體厚跨比大于1,圍巖完整性好或洞體小于基礎(chǔ)底面。第25頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2可采取繞避措施的場合當遇到以下情況時,宜采取“繞避”措施:巖溶區(qū)。斷裂、孔隙發(fā)育,寬度和密度較大,其底與溶洞、暗河相通的地段;溶洞、暗河發(fā)育地區(qū),溶洞的洞徑大、頂板薄、裂隙發(fā)育、基巖破碎,暗河水流較大且洞內(nèi)無或少充填物的地段;巖溶水以表流和暗流交替出現(xiàn),巖溶發(fā)育復(fù)雜無規(guī)律;落水洞分布較密且漏水嚴重,塌陷時常發(fā)生的地段;基巖起伏、流塑或可塑軟土分布廣且厚度變化大、地下水活動強烈地段;地基處理費用太高的地段。土洞區(qū)。土層薄、裂隙發(fā)育且地表水入滲條件好,其下伏基巖有通道、暗河或呈負巖面的地段;石芽或出露巖體與上覆土體交接處,巖體裂隙、通道發(fā)育為地表水集中入滲的地段;地層下巖體兩組結(jié)構(gòu)面交匯或處于寬大裂隙帶上的地段;隱伏深大巖溶洞、隙、溝、槽、漏斗等,其臨近基巖面以上有軟弱土層分布地段;人工降水降落漏斗的中心地段及地面低洼、地面