第五章岩溶工程地质研究

第五章岩溶工程地质研究概述碳酸盐岩的溶蚀机理影响岩溶发育的因素岩溶区水库渗漏问题岩溶地基稳定性问题提要第一节概述岩溶：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地质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、形成独特的地貌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、形成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。孤峰峰林峰丛喀斯特平原溶隙溶蚀沟谷溶洞地下暗河天坑天坑二、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、黔、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。三、岩溶工程地质研究的意义•岩溶区水库渗漏问题；•岩溶区修建隧道、地下洞库和开采矿产等突水问题；•岩溶地基塌陷问题。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：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6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长，深小于2米。陷坑带呈近东西向分布，散分在东西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。正在进行路基施工的桂林至梧州市高速公路与桂林市外环高速路段相接处，近期发现大量岩溶塌陷。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。至少有85个塌陷溶洞，分布在2公里长新辟的路基上，直径最小为1米，大至10多米，最浅的为1米，最深的3米多。几乎所有的塌陷洞内都涌积清澈的地下水，水位埋深1～3米，可测水深达3米多，不少塌陷洞内可见基岩出露。洞内的水位抽几天都不见下降。经压路机碾压过的泥土路基，陷坑分布密度惊人，仅在1处约100多米长的路段，就发现有32个。在今年4月修路基时就陆续发现塌陷，修涵洞时就遇到过2个溶洞，投了100多立方石头才填满。现在看到的塌陷大部分都经挖掘机车清理，准备填充石料。据了解随着工程施工铺开，近日又新出现了10多个塌陷。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、溶蚀作用是经常性、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，且随环境条件而变化，使得碳酸盐岩石处于长期、多变、多种溶蚀效应。涉及三相体系：固、水、气。主要九个离子平衡体系：CO2，H2CO3，HCO3—，CO32—，Ca2+，CaHCO3+，CaCO3，H+，OH-溶蚀过程如下：-2323COCaCaCO33222HCOHCOHOHCO32223HCO2CaOHCOCaCO323232HCO2CaHCOHCOCa323HCOHCO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。H+含量多少用PH表示，当PH小于6.36时，具强烈侵蚀性；PH=10以上时，不具侵蚀性。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相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Na-、Cl-、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，如下：1.酸效应任何酸解离出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。如右反应式：地质上含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。2323COCaCaCO2.同离子效应3.离子强度效应加入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。碳酸盐岩是指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。常见的有：灰岩、白云岩、白云质灰岩、硅质灰岩、泥质灰岩等。碳酸盐岩三角分类图不同岩石，其溶解性是不同的，可用两个指标表示：（单位时间的溶蚀量）标准试样溶解速度试验溶解速度＝比溶解度（试验前后的质量差）标准试样溶蚀量试样溶蚀量＝比溶蚀度CrrKK标准试样：方解石，要求试样尺寸相同，粉碎的粒度大小一样，溶蚀在高浓度CO2的蒸馏水中。Kr及Kcr越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度也越大。研究表明：(1)方解石含量越高CaO/MgO比值越大，Kr及Kcr越大；反之白云石含量越小。(2)酸不溶物含量越高，Kr及Kcr越小。二、气候的影响气候是岩溶发育的一个重要因素，它直接影响着参与岩溶作用的水的溶蚀能力，控制着岩溶发育的类型、规模和速度。1.降水的影响：（1）降水通过空气，尤其是通过土壤渗透补给地下水的过程中所获得的游离CO2,能够大大加强水对碳酸岩的溶蚀能力。（2）水是溶蚀作用的介质和载体，充足的降水保证了水体的良好的循环交替条件，促进岩溶作用的强烈进行。2.温度的影响：（1）温度升高，水中的CO2的溶解度减小，不利于岩溶作用。一般，水温升高20-30℃，溶于水中的CO2减少一半。（2）温度升高，生物新陈代谢加快，释放更多的CO2带入水中，同时温度升高，化学反映速度大大加快，有利于岩溶作用。一般温度升高10℃，化学反应速度加快一倍。总体上：温度的升高有利于岩溶作用的进行。温热潮湿的热带、亚热带地区：岩溶作用较强烈高寒干旱的地区：岩溶不发育如溶蚀速度：广西：0.12-0.13mm/a；湖北：0.06mm/a；河北：0.02-0.03mm/a。岩溶形态差别：广西亚热带—溶蚀为主，地表地下岩溶充分强烈，形态诸全；湖北、湖南、四川等地—岩溶发育，以溶丘、溶洞、漏斗为特征。河北、山东、山西等地—不太发育，侵蚀为主，几乎不发育封闭溶蚀地形，以地下隐伏岩溶为主。总之，降水量大，气温高的地区，植物繁茂，死亡的植物在土壤中微生物的作用下，能产生大量的CO2及各种有机酸。同时，各种化学反应速度较快。因此，湿热气候区比其他气候区的岩溶发育规模和速度要大。三、地形地貌的影响地形地貌条件通过影响水的入渗，循环交替条件，进而影响岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布。区域地貌格局，宏观上控制了某地区的地表水文网及地下水排泄基准面的性状，从而控制了地表地下水的运动趋势，进而控制了岩溶发育的总体形式。地形平缓地貌较之地形较陡地貌，地表径流缓慢，入渗量较大，有利于岩溶发育。不同地貌部位上发育的岩溶形态也不相同。地形地貌所构成的补给区与排泄区的高差越大，距离越短，则地下水循环交替条件越好，岩溶发育强烈，深度也越大。地形地貌条件还影响小气候及区域气候的变化。四、地质构造的影响1.断裂的影响成岩、构造、风化、卸荷等作用形成的各种破裂面，为地下水入渗和流动提供了通道，同时为地下水有效向深部渗入并形成深部岩溶提供了条件。由于断裂构造的存在，在一定程度上控制了岩溶的发育。例如，沿断裂面岩溶发育强烈。各组破裂面相互交织、延伸进而控制了岩溶发育的形态、规模、速度和空间分布，使得岩溶发育宏观不均一性。各种破裂面相互交织，使地下水混合溶蚀效应明显，促进岩溶发育。2.褶皱的影响褶皱的类型和部位不同，裂隙发育程度不同，岩溶强度不同。如核部比翼部发育，背斜比向斜发育。褶皱的形态、性质、尺寸和方向控制了可溶岩的空间分布从而控制了岩溶发育的特征。3.岩层组合特征的影响可溶碳酸岩与非可溶岩可能在不同地段形成十分复杂的各种组合形式，因而岩石溶蚀性存在显著差异，从而形成复杂的岩溶现象。如下4种类型的组合形式，岩溶发育明显不同。（1）厚而纯的碳酸盐岩最有利于岩溶发育，按地下水动力特征剖面上分为四个带：Ⅰ.包气带：多发育垂直岩溶形态，溶蚀通道间连通性差。Ⅱ.地下水季节变动带：垂直和水平两个方向岩溶均发育。Ⅲ.饱水带：有利于形成规模大、连续性好的水平岩溶Ⅳ.深循环带：由于水循环交替迟缓，岩溶发育很弱。（2）碳酸盐岩夹非可溶性岩层由于非可溶岩的存在影响地下水运动，岩溶发育没有（1）充分，不一定具备上述四个分带特点。但也常有岩溶现象发育，其程度因不可溶岩夹层的厚度和夹层多少而不同。（3）非可溶性岩层与碳酸盐岩互层在同一时期，岩溶呈多层发育。一般岩溶作用较弱，往往因非可溶岩隔水作用，形成局部地下水系统，从而可能形成多层岩溶现象。（4）非可溶性岩层夹碳酸盐岩岩溶发育极弱非可溶岩隔水作用，地下水循环交替条件很差，岩溶发育极弱。五、新构造运动的影响地壳的上升、下降、相对稳定运动的性质、幅度、速度和波及范围，控制着水循环交替条件及其变化趋势，从而强烈的控制着岩溶发育的类型、规模、速度、空间分布及岩溶作用的变化趋势。地壳较快上升期：侵蚀基准面相对下降，地下水位适应排泄基准面而逐渐下降，侧向岩溶不发育，规模小而少见，分带现象不