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工程地质学主讲：李肖锋职称：讲师2009年9月第五节岩溶和土洞一、岩溶的基本概念在漫长的地质历史时期内，水溶性的碳酸盐类岩石（主要是石灰岩、白云岩）长期遭遇地表水和地下水而发生的以溶蚀为主的地质作用或由此产生的地质作用现象统称为岩溶。岩溶现象在国外又被称为喀斯特现象。原南斯拉夫与意大利交界处的狄纳尔里克山西北部的一处高原名为喀斯特高原，那里是石灰岩区域，发育着各种奇特的溶蚀和侵蚀作用所形成的地形地貌，喀斯特一词即得名于此并为国际所通用。1966年2月我国第二次喀斯特学术会议确定将其更名为岩溶。常见的岩溶现象有溶洞、溶槽、溶沟、孤峰、石林、天生桥、漏斗、落水洞、暗河、钟乳石、石柱、石芽、石笋等。我国的碳酸盐类岩石分布面积很广，出露地表的面积就有120多万平方公里，被埋覆于地下的面积更大，主要分布在云贵高原、广西、广东丘陵地带、四川盆地边远、湖南湖北西部以及山西、山东、河北的山地和丘陵地带。图8-8为李尚宽绘制的岩溶地貌示意块体图。其中：Ⅰ—岩溶侵蚀面；Ⅱ—溶沟、溶槽等地表溶隙发育区；Ⅲ—地表强烈溶蚀区；Ⅳ—石林丘陵区；Ⅴ—峰丛洼地；Ⅵ—峰林谷地；Ⅶ—孤峰平原区；Ⅷ—残丘平原区；Ⅸ—溶蚀沉积平原；10—裂隙；11—溶沟；12—溶蚀漏斗；13—地表溶洞；14—溶蚀洼地；15—盲谷；16—干河谷，17—溶蚀峡谷，18—坡立谷；19—地表石芽；20—半棵石芽；21—溶柱；22—峰丛；23—峰林；24—孤峰；25—残丘；26—天生桥；27—泉华阶地；28—河流阶地；29—落水洞；30—溶蚀竖井；31—地下溶洞；32—地下廊道；33—洞厅；34—钟乳石；35—石笋；36—石柱；37—石幕；38—石盘；39—洞内阶地；40—埋藏石芽，41—溶沟暂时流水；42—地表常年河；43—地表间歇河；44—伏流；45—喷泉；46—山麓泉；47—泉口湿草地；48—湖底泉；49—溶斗湖；50—断陷湖；51—地下河出口；52—岩溶裂隙水和层间水；53—滴流；54—地下河；55—地下瀑布；56—地下湖；57—隔水层；58—洞穴化石；59—洞穴砂矿；60—油气苗等矿产露头。图8-8岩溶地貌示意块体图有关岩溶产生的微观机理已在风化作用一章中作了介绍。岩溶的产生和发育破坏了岩体原有的完整性，降低了岩体本身的强度、增大了岩体透水性及含水性，往往会对工程建设及建设工程的使用造成许多不利影响甚至重大灾害。例如在俄罗斯捷尔仕斯克市，有300km2的面积内共有3000个岩溶漏斗。自1935至1959年，在那里发生了54次岩溶坍陷。其中一个最大的坍陷坑直径近90m，深约28m。地表坍陷引起了许多建(构)筑物发生变形和破坏；在我国黔昆铁路某隧道施工中，曾遇到一个长80～lOOm，宽15～30m，高10～20m的溶洞，因无法进行适当处理而被迫将隧道改线；岩溶还常常给矿山开采带来很大的危害，1956年江西省某矿山在一个斜井的爆破掘进过程中揭穿了一个岩溶溶洞，超过1000m3的岩溶水突然涌入斜井，并造成了重大的人身死亡事故；岩溶地区的公路、铁路线路常因岩溶的存在而发生路基塌陷事故，对交通安全构成极大隐患。二、岩溶的形成条件岩溶地形是在一定的条件下天然发育而成的一种奇特的自然地貌景观，对大量岩溶发育地区进行分析、统计和研究后发现，岩溶地貌的形成必须具备四个基本条件，缺少其中的任何一个条件，岩溶地貌都不可能形成。1．可溶性的岩石地下和地表水对岩体产生溶蚀溶解的前提是构成岩体的岩石是水溶性的，可溶性岩石的存在是某个地区形成岩溶地貌的自身必备物质基础。自然界中的水溶性岩石主要有石灰岩、白云岩、石膏和岩盐等。在这几种可溶性岩石中，以岩盐的溶解度为最大，石膏次之，石灰岩和白云岩的最小。但是就分布面积来看，石灰岩和白云岩的分布极为广泛，而石膏和岩盐则极小，岩溶主要也分布在石灰岩和白云岩地层中。因此，一般情况下岩溶主要是指由石灰岩和白云岩构成的地层中的发育的岩溶。资料分析表明，石灰岩中的杂质对其溶解性有着和大影响，岩质愈纯（或含量愈高）溶解性愈强，岩溶也就愈容易形成。2．具有溶解能力的水“具有溶解能力的水”的存在，是导致岩溶现象发生的外部原因，没有水对岩石的长期溶解溶蚀，岩溶现象当然也不会出现。试验研究发现，纯净的水对石灰岩地层的溶解溶蚀能力是极其有限的，但是当水中的等酸性物质含量提高时，其对碳酸类岩石的溶蚀性就明显增大。这一点从碳酸钙溶于水的化学反应过程不难看出：水中的主要来自于土壤和大气。大气中含有大量的，地表的土壤受动植物活动的影响也含有一定量的，水与大气接触或在土壤中流动时，其中的一部分就会溶入水中，形成对碳酸类岩石“具有溶解能力的水”。水中的含量愈高，对碳酸类岩石的溶蚀性就愈强。地下水对岩石产生溶解溶蚀的同时，会不断消耗，水的溶蚀性就会减弱，因此地下水的溶蚀性会随着深度的增加而减小。另外必须指出，水中的含量会随着压力的增大而增加。32232HCOCaCOOHCaCO3．岩石的透水性岩石具有透水性是岩溶向地壳内部发育的必要条件。如果可溶性岩石不透水，岩溶作用只能在地表发生，岩溶地貌中的落水洞、溶蚀竖井、地下溶洞、地下廊道、洞厅、钟乳石、石笋、石柱、石幕、石盘、洞内阶地、埋藏石芽等地下岩溶现象就不会产生，地表岩溶现象也将大幅度减弱，其中的地表石芽、石林等地表岩溶地貌也会大量消失，工程中也只需要考虑如何防止地表水对可溶性岩石的局部冲蚀，其它岩溶灾害将不复存在。例如石膏和岩盐的溶解度远大于碳酸类岩石，但由于这类岩石中的裂隙一般较少，透水性差，因此其中的岩溶现象相比石灰岩区域反而十分微弱。碳酸盐中的孔隙非常少，岩石的透水性主要取决于其裂隙性，褶皱轴部、断层附近、构造复杂地带等裂隙发育区，也是岩溶发育相对强烈的区域。还必须指出，碳酸盐的溶解速度是非常缓慢的，我国即使在岩溶作用最为强烈的广西中部地区，水对岩石的溶蚀速度也仅有12～30mm/百年。目前存在于地球上的岩溶形态和景观乃是漫长地质历史时期中的岩溶作用结果。4．水的运动水的运动是岩溶不断发育、发展的根本保证。在水流长期运动过程中，岩体裂隙周围的岩石被溶解溶蚀，裂隙发育成溶隙，并不断扩大，裂隙的扩大为水流的运动提供了更大的空间，增大了流水和岩石的接触面积，进一步加强了对岩石的溶解溶蚀作用。运动空间的增大使运动水量的增加成为可能，运动水量的增加不仅会加速流水对岩石的溶解溶蚀作用，而且会增大水流对周围岩石的机械冲蚀能力，促使岩溶的发展并最终形成各种岩溶地貌单元。三、影响岩溶发生、发展的主要因素影响岩溶发生、发展的因素很多，但其中最主要的有以下几种：1．地层岩性及可溶性岩层厚度地层岩性和岩溶的发育速度直接相关，岩盐的溶解溶蚀速度大于硫酸盐的石膏，石膏的大于碳酸类岩石；碳酸类岩石中质地纯的大于含杂质量大的。可溶性岩层的厚度越厚，岩溶发育得越强烈、发展的规模愈大。2．地质构造和岩石的微观构造地质构造会严重影响岩体的裂隙性和岩体中的裂隙分布，因而会影响到岩溶的发生和发展。岩石的微观构造也会影响岩溶的发展速度，颗粒结晶愈大，水对岩石的溶蚀和冲蚀速度愈快。3．新构造运动地壳强烈上升的地区，岩溶发育以垂直方向为主；地壳运动相对稳定的地区，岩溶发育以水平方向为主；地壳下降的区域，原来垂直发育为主的岩溶会改变为以水平方向发育为主的岩溶。4．地形地貌在地形陡峻、地表径流大的地区，各种地表岩溶形态丰富、密集，地下岩溶形态不发育；而在地形相对平缓，地下水运动活跃的地区，地下岩溶形态则较为发育。5．气候条件地区气候条件直接决定着该地区地表水和地下水的补给量，而地表水、地下水的流量和运动情况则流量关系着岩溶的发育发展速度。在气候湿润、多雨的都区，地表水和地下水充沛，岩溶易发育、发展。四、岩溶的类型岩溶的类型划分方法有多种，各种方法都采用不同的依据来进行类别划分。岩溶的类型划分主要有：1．按埋藏条件分类按可溶性岩石的埋藏条件可将岩溶划分为裸露型岩溶、覆盖型岩溶和埋藏型岩溶。从工程角度出发，这种类别划分结果与工程建设的关系更为密切，因为岩溶的埋藏条件与建筑工程场地的适宜性和稳定性直接相关。裸露型岩溶的可溶性岩石基本上都出露地表，仅有零星的小片为洼地所覆盖。各种地表和地下的岩溶形态均较为发育，地下水和地表水直接相连、相互转化，地下水位变化幅度大，岩溶形成的地下空洞也大，对工程的危害极大。我国大部分岩溶均属此类。覆盖型岩溶的可溶性岩石表面大部分为第四纪沉积物所覆盖。其中覆盖厚度小于30m的为浅覆盖型岩溶。当覆盖层较薄时，石芽、石针等常出露于地表；当覆盖层较厚时，由于下伏基岩中发育有各种岩溶空洞，地表的覆盖层中也常发育有各种空洞、漏斗、洼地和浅水塘，也是一种对工程危害较大的岩溶类型。埋藏型岩溶的可溶岩大面积埋藏于不溶性基岩之下，岩溶发育在地下深处，在地下千余米的奥陶纪灰岩中也有发育，岩溶形态以溶孔、溶隙为主，也有规模较大的溶洞存在。一般而言，埋藏型岩溶对地面工程的危害不大，但对采矿工程却有较大危害，井下洞室或巷道若遭遇岩溶水，就会发生淹井等严重透水事故。2．按区域气候状况分类按区域气候状况可将岩溶分为热带岩溶、亚热带岩溶、温带岩溶、干旱地区岩溶和海岸岩溶。热带岩溶形成于气温高、湿度大、雨量充沛、植被茂密的湿热气候带地区，如早期发育在我国的云南、贵州、广西等地的岩溶即属此类型，大气降水常通过以消水点为中心的洼地潜入地下并形成地下河系。但现在这些地方的气候已经改变为亚热带气候。亚热带岩溶在我国主要发育在川、鄂、湘、皖一带，大致以秦岭、淮河为北界，岩溶地貌以丘陵洼地为典型特征。温带岩溶在我国主要分布在晋、冀、鲁、豫一带，由于这里气温较低、降雨量也少，故岩溶多发生在地层深部，而地表的岩溶形态则较为少见甚至没有。岩溶以干谷和岩溶泉为其特征。在我国的内蒙、新疆等干旱地区，年降雨量极少，年均降雨量在300mm一下，有的局部地区则更少，这里植被稀少、气温变化大、地表岩石在温度作用下的机械（物理）风化严重，但岩溶发育则非常微弱，常见的岩溶形态仅为一些溶隙、溶沟和小型的岩溶漏斗。海岸岩溶除受气候带的影响之外，更多是受到海水水质、水温、海水面升降等因素的影响，岩溶作用也较为强烈。此外，还有按形成时代、水文地质标志等进行的岩溶类别划分方法。五、土洞的概念土洞一般是特指存在于岩溶地区的可溶性岩层之上的第四纪覆盖层中的空洞。其形成和发生发展均与岩溶有关。受其下可溶性岩体中的岩溶洞隙影响，覆盖型岩溶之上的第四系松散堆积物或在地表水的冲蚀下顺着土体的裂隙向其下的溶洞、溶隙中排泄，在土体中形成冲蚀空洞；或由于其下存在较大的空穴而发生塌陷，形成塌陷洞穴。六、岩溶土洞工程地质问题的处理1、查明岩溶洞隙和土洞的分布状况、发育规模、埋置深度、有无岩溶堆填物、堆填物的性状、地表水与地下水的水力关系、地下水特征和岩溶土洞的工程危害大小，给工程设计、施工和岩溶土洞灾害防治提供可靠的分析、治理依据。2．建筑物场址或铁路公路线路尽量避开岩溶发育区当岩溶发育强烈、治理困难或治理费用过高时，在建筑物场址或铁路公路线路选址时尽量避开岩溶发育地段。3．避开或跨越当场地大多数区域稳定，场地（线路）中仅存在个别溶洞或溶隙影响工程稳定性时可采用局部避开（避绕）或跨越的方法。例如建筑工程可通过调整柱距或设置梁板、桁架等来避开或跨越个别溶洞、溶隙；道路可通过局段绕线或架桥来避绕或跨越个别溶洞或溶隙。4．清、爆、挖、填对于埋深不大的浅层或薄顶岩溶洞体，可采用清、爆、挖、填的方法进行处理，即清开表层覆盖浮土、爆裂溶洞薄顶、挖出洞内淤积软土或烂泥、用块石、碎石、砂、粘土等分层回填夯实，或用毛石混凝土砌筑填实。有时还可视具体情况通过设置柱体、桩体等穿越空洞，将上部结构荷载传递给下部完整稳定的岩体。5．灌浆、冲填对于埋深较大，空间有限的岩溶裂隙或洞穴，可通过灌浆的方法或冲填的方法对裂隙或洞穴进行充填处理。6．支顶或加固洞体当岩溶洞体过大，但顶板及围岩较为稳定时可采用支顶的办法或加固洞体围岩的办法来保证洞体不产生垮塌，并进而保证其上的工程建设设施或道路的安全。7．水工建