第七章-不良地质现象的工程地质问题2

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出现在温暖、潮湿、化学风化强烈的南方地区。例如我国泥石流的高发地区:西藏波密、四川西昌、云南东川、贵州遵义等地区的泥石流。3.泥水流型泥石流所含固体物质以粘土、粉土为主(约占80%~90%),仅有少量岩屑碎石。泥水流的粘度大,呈不同稠度的泥浆状。主要分布在我国黄土高原地区。7.4.2泥石流的形成条件泥石流的形成必须具备有丰富的松散泥石物质来源,山坡陡峻和较大沟谷以及能大量集中水源的地形、地质和水文气象条件。1.地形条件典型的泥石流的流域可划分为形成区、流动区和堆积区。(1)形成区(上游)多为三面环山,一面出口的半圆形宽阔地段,周围山坡陡峻,多为30°~60°的陡坡。面积大者可达数平方公里至数十平方公里。坡体往往光秃破碎,无植被覆盖。斜坡常被冲沟切割,且有崩塌,滑坡发育。这样的地形条件,有利于汇集周围山坡上的水流和固体物质。(2)流通区(中游)泥石流流通区是泥石流搬运通过地段。多为狭窄而深切的峡谷或冲沟,谷壁陡峻而坡降较大,且多陡坎和跌水。泥石流进入本区后具有极强的冲刷能力,将沟床和沟壁上的土石冲刷下来携走。当流通区纵坡陡长而顺直时,泥石流流动畅通,可直泻而下,造成很大危害。反之。则由于易堵塞停积或改道,削弱了能量。(3)堆积区(下游)泥石流堆积区是为泥石流物质的停积场所,一般位于山口外或山间盆地边缘、地形较平缓之地。由于地形豁然开阔平坦,泥石流的动能急剧变小,最终停积下来,形成扇形、锥形或带形的堆积体,冲积洪积扇。当洪积扇稳定而不再扩展时,泥石流对其破坏力减缓而至消失。2.地质条件凡是泥石流发育的地方,都是岩性软弱,风化强烈,地质构造复杂,褶皱、断裂发育,新构造运动强烈,地展频繁的地区。由于这些原因,导致岩层破碎,崩塌、滑坡等各种不良地质现象普通发育,为形成泥石流提供了丰富的固体物质来源。我国的一些著名的泥石流沟群,如云南东川、四川西昌、甘肃武都和西藏东南部山区大都是沿着构造断裂带分布的。3.水文气象条件(1)短时间内突然性的大量流水:强度较大的暴雨;冰川、积雪的强烈消融;冰川湖、高山湖、水库等的突然溃决;(2)水的作用:浸润饱和山坡松散物质,使其摩阻力减小,滑动力增大,以及水流对松散物质的侧蚀掏空作用。上述条件概括起来为:(1)有陡峻便于集水、集物的地形;(2)有丰富的松散物质;(3)短时间内有大量水的来源。此三者缺一便不能形成泥石流。7.4.3泥石流的防治措施防治泥石流的原则是以防为主,兼设工程措施。泥石流的防治措施有:(1)预防:在上游汇水区,做好水土保持工作。主要措施为封山育林、植树种草、修筑梯田、修筑地表排水系统和支挡工程等措施;(2)拦截:在中游流通区设置拦截构筑物,以阻挡泥石流挟带的物质。用改变沟床坡降降低流速的方法,防止沟床下切;(3)排导:在泥石流的下游设置排导措施使泥石流顺利排出。§7.5岩溶与土洞7.5.1岩溶岩溶(Karst):可溶性岩石以被水溶解为主的化学溶蚀作用,并伴随以机械作用而形成沟槽、裂隙、洞穴,以及由于洞顶塌落而使地表产生陷穴等一系列现象和作用的总称。1.岩溶及其主要形态岩溶形态是可溶岩被溶蚀过程中的地质表现。可分为地表岩溶形态和地下岩溶形态。地表岩溶形态有溶沟(槽)、石芽、漏斗、溶蚀洼地、坡立谷、溶蚀平原等;地下岩溶形态有落水洞(井)、溶洞、暗河、天生桥等。各种岩溶形态示意剖面图溶沟间突起的石脊岩溶漏斗是由地面凹坑汇集的地表水沿垂直裂隙下渗,溶蚀扩展发育而成的漏斗状凹地。由于石灰岩的溶蚀或溶洞小幅度的陷落,在地表形成近圆形、椭圆形的负向地貌单元,溶蚀洼地一般地形平坦、开阔。坡立谷是一种大型的封闭洼地,也称溶蚀盆地。面积由几平方公里到数百平方公里,坡立谷再发展而成溶蚀平原。溶洞是由地下水长期溶蚀、冲刷相塌陷作用而形成的近于水平方向发育的岩溶形态。地下水从洞内渗出时,滞留在洞顶上的小水滴中的CaCO3逐渐沉积并向下伸展悬挂,形似钟乳,称为石钟乳。石笋是从洞顶滴落下来的水溅到洞底,其中CaCO3逐渐沉积形成的,它形似竹笋,称石笋。石钟乳和石笋各自向相对方向伸展,最后连结起来,成为石柱。天生桥是溶洞或暗河洞道塌陷直达地表而局部洞道顶板不发生塌陷,形成的一个横跨水流的石桥。2.岩溶的形成条件岩溶的发生与发展,受多种因素的影响。总的来说,岩溶发育的基本条件有:岩石的可溶性和透水性,水的溶蚀性和流动性前者是产生的内在因素,后者是岩溶发生的外部动力。(1)岩石的可溶性岩溶的发育必须有可溶性岩石的存在。根据岩石的溶解度,能造成岩溶的岩石可分三大组:碳酸盐类岩石,如石灰岩、白云岩和泥灰岩;硫酸岩类岩石,如石膏和硬石膏;卤素岩,如岩盐(2)岩石的透水性岩溶要发展,岩石必须具有透水性。一般在断层破碎带、裂隙密集带和褶皱轴部附近,因为岩石裂隙发育且连通性好,有利于地下水的运动,从而促进了岩溶的发育,并且往往沿此方向发育着溶洞、地下河等。另外,在地表附近,由于风化裂隙增多,所以岩溶一般比深部发育。(3)水的溶蚀性水对碳酸盐类岩石的溶解能力,主要取决于水中侵蚀性CO2的含量。水中侵蚀性CO2的含量越多,水的溶蚀能力也越强。(4)水的流动性水的流动性反映了水在可溶岩层中的循环交替程度。只有水循环交替条件好,水的流动速度快,才能将溶解物质带走,同时又促使含有大量CO2的水,源源不断地得到补充,则岩溶发育速度就快。反之,岩溶发育就慢,甚至处于停滞状态。3.岩溶的垂直分带在岩溶地区地下水流动有垂直分带现象,因而所形成的岩溶也有垂直分带的特征。(1)包气带(垂直循环带)及其喀斯特作用该带范围在地面之下至丰水期潜水面之间,平时干涸,降雨或冰雪融化时才有水流,流态为垂直向下运动。该带厚度在地壳强烈上升区较大,如我国桂西北及贵州高原地区厚达数百米至千米。这里以垂直性喀斯特为主,多发育出垂直性落水洞、管道、溶隙等。(2)季节变动带(过渡带)及其喀斯特作用季节变动带位于包气带之下,在丰水期与枯水期潜水面之间,是上部包气带与下部饱水带之间的过渡带。水流流态随季节而变化:丰水期地下水位上升,水流作水平方向流动;枯水期地下水位下降,水流作垂直方向流动。所以喀斯特作用有时是垂直的,有时是水平的。造成的地貌有落水洞及水平溶洞等。(3)饱水带及其喀斯特作用位于最低地下水位之下,常年充满着水,地下水作水平流动或往河谷排泄。因而本带形成水平的通道,称为溶洞。如溶洞中有水流,则称为地下暗河。但是往河谷底向上排泄的岩溶水,具有承压性质。因而岩溶通道常常呈放射状分布。目前世界上许多大型而著名的水平溶洞都产生在该带。(4)深循环带本带内地下水的流动方向取决于地质构造和深循环水。由于地下水很深,它不向河底流动而排泄到远处。这一带中水的交替强度极小,岩溶发育速度与程度很小,但可在很长的地质时期中缓慢地形成岩溶现象,这种岩溶形态一般为蜂窝状小洞,或称溶孔。7.5.2土洞土洞:岩溶地层上覆盖的土层被地表水冲蚀或地下水潜蚀所形成的洞穴。进一步发育形成地表塌陷。1.土洞的形成土洞的形成主要是潜蚀作用导致的。潜蚀是指地下水流在土体中进行溶蚀和冲刷的作用。如果土体内不含有可溶成分,则地下水流仅将细小颗粒从大颗粒间的孔隙中带走,这种现象我们称之为机械潜蚀。其实机械潜蚀也是冲刷作用之一,所不同者是它发生于土体内部,因而也称内部冲刷。如果土体内含有可溶成分,例如黄土,含碳酸盐、硫酸盐或氯化物的砂质土和粘质土等,地下水流先将土中可溶成分溶解,而后将细小颗粒从大颗粒间的孔隙中带走,因而这种具有溶滤作用的潜蚀称之为溶滤潜蚀。溶滤潜蚀主要是因溶解土中可溶物而使土中颗粒间的联结性减弱和破坏,使颗粒分离和散开,为机械潜蚀创造条件。2.土洞的类型土洞可以分为由地表水下渗发生机械潜蚀作用形成的土洞和岩溶水流潜蚀作用形成的土洞。由地表水下渗发生机械潜蚀作用形成的土洞这种土洞的主要形成因素有三点:(1)土层的性质:土层的性质是造成土洞发育的根据。最易发育成土洞的土层性质和条件是含碎石的亚砂土层内。这样给地表水有向下渗入到碎石亚砂土层中,造成潜蚀的良好条件。(2)土层底部必须有排泄水流和土粒的良好通道;在这种情况下,可使水流挟带土粒向底部排泄和流失。上部复盖有土层的岩溶地区,土层底部岩溶发育是造成水流和土粒排泄的最好通道。在这些地区土洞发育一般较为剧烈。(3)地表水流能直接渗入土层中:地表水渗入土层内有三种方式:第一种是利用土中孔隙渗入;第二种是沿土中的裂隙渗入;第三种是沿一些洞穴或管道流入。其中以第二种渗入水流造成土洞发育的最主要方式。由由岩溶水流潜蚀作用形成的土洞这类土洞与岩溶水由水力联系,塌分布于岩溶地区基岩面与上覆土层(一般是饱水的松软土层)接触处。当地下水在岩溶的基岩表面附近活动时,水位升降可使软土层软化,地下水的流动能在土层中产生潜蚀和冲刷将软土层中的颗粒带走,于是在基岩表面处被冲刷成洞穴,从而形成土洞。随着土洞的继续扩大,导致顶板不能负担上部压力时,地表就发生塌陷。此类土洞发育的快慢取决于:(1)基岩面上覆土层性质如为软土或高含水量的稀泥则基岩面上容易被水流潜蚀和冲刷,如果基岩面上土层为不透水的和很坚硬的粘土层,则土洞发育缓慢;(2)地下水的活动强度水位变化大,容易产生土洞。地下水位以下的土洞发育速度较快,多为上面小,下面大形状。当地下水为在土层以下时,土洞发育多为渗入水的作用,发育缓慢,多呈竖井状。(3)基岩面附近岩溶和裂隙发育程度当基岩面与土层接触面附近,如裂隙和溶洞溶沟溶槽等岩溶现象发育较好时,则地下水活动加强,造成潜蚀的有利条件,土洞一般发育较快。7.5.3岩溶与土洞的工程地质问题岩溶和土洞地区对建筑物稳定性和安全性有很大影响。1.溶蚀岩石的强度大为降低。岩溶水在可溶岩体中溶蚀,可使岩体发生孔洞(最常见的是岩体中有溶孔或小洞),结构松散,从而降低岩石强度和增大透水性能。2.造成基岩面不均匀起伏。因石芽、溶沟溶槽的存在,使地表基岩参差不整、起伏不均匀。这就造成了地基的不均匀性以及交通的难行。因而,如利用石芽或溶沟发育的地区作为地基,则必须作出处理。3.漏斗对地面稳定性的影响。漏斗是在包气带中与地表接近部位所发生的岩溶现象。当漏洞是由于土洞或溶洞顶板的塌落而形成的,塌落的岩块堆于洞穴底部成一漏斗状洼地。这类漏斗因其塌落的突然性,使地表建筑物的安全受到威胁。4.溶洞对地基稳定性的影响溶洞对地基稳定性应考虑如下三个问题:(1)溶洞分布密度和发育情况一般认为,对于溶洞分布密度大,且溶洞发育处在地下水交替最活跃的循环带内,则洞径较大、顶板薄、裂隙发育,此地不宜选择为建筑场地和地基。若溶洞是早期形成的,已被第四纪沉积物所充填,并证实已不再活动。可根据洞的顶板承压性能,决定其作为地基。此外,石膏或岩盐溶洞地区不宜选择作为天然地基。(2)溶洞或土洞的埋深对地基稳定性影响一般认为,溶洞特别是土洞如埋置很浅,则溶洞的顶板可能不稳定,甚至会发生地表塌落。如若洞顶板厚度H大于溶洞最大宽度的1.5倍时,而同时溶洞顶板岩石比较完整、裂隙较少,岩石也较坚硬,则该溶洞顶板作为一般地基是安全的。如若溶洞顶板岩石裂隙较多,岩石较为破碎,则上覆岩层的厚度如能大于溶洞最大宽度的三倍时,则溶洞的埋深是安全的。上述评定是对溶洞和一般建(构)筑物的地基而言,不适用于土洞、重大建(构)筑物和震动基础。对于这些地质条件和特殊建筑物基础所必须的稳定土洞或溶洞顶板的厚度,须进行地质分析和力学验算,以确定顶板的稳定性。(3)抽水对土洞和溶洞顶板稳定的影响一般认为,在有溶洞或土洞的场地,特别是土洞大片分布,如果进行地下水的抽取,由于地下水位大幅度下降,使保持多年的水位均衡遭到急剧破坏,大大地减弱了地下水对土层的浮托力。再者,由于抽水时加大了地下水的循环,动水压力会破坏一些土洞顶板的平衡,因而引起了一些土洞顶板的破坏和地表塌陷。一些土洞顶板塌落又引起土层震动,或加大地下水的动水压力,结果震波或动水压力传播于近处的土洞,又促使附近一些土洞顶板破坏,以致地表塌陷危及地面的建(构)筑物的安全。7.5.4岩溶与土洞地基的防治在进行建(构)筑物布置时,应先将岩溶和土洞的位置勘察清楚,然后针对实际情况做出相应的防治措施。当建(构)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