岩溶工程地质研究(基础工程地质学)

基础工程地质学工程动力地质作用上篇基础工程地质学绪论第一章活断层工程地质研究第二章地震工程地质研究第三章斜坡变形破坏工程地质研究第四章岩溶工程地质研究第五章泥石流工程地质研究基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第1节概述第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理第3节岩溶发育影响因素第4节岩溶地表塌陷研究第5节岩溶地基稳定性问题基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第1节概述问题岩溶特殊性研究思路？关键何在？基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第1节概述引入—岩溶问题可以说是各类工程动力地质问题中最复杂、最难的。岩溶广泛分布，问题无法回避。问题的特殊性--岩溶空间分布不均，地下岩溶发育，影响因素多变，对于工程而言是个隐函数。主要工程地质问题：♥房屋建筑----岩溶地表塌陷♥地下工程----岩溶突涌水♥水利工程----岩溶渗漏解决思路：第一步，据岩溶形成条件、影响因素找规律；第二步，分析岩溶与工程的相互关系；第三步，针对问题特殊性，得出解决方案。关键：预测准确→→对策切实可行。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第1节概述岩溶作用—定义、特征形成条件--三个基本条件影响因素—五个影响因素稳定性问题—四种破坏类型岩溶塌陷—形成条件、分布规律稳定性评价—定性、定量研究内容基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第1节概述岩溶—岩溶作用及其产生的地貌现象和水文地质现象，又称喀斯特。岩溶作用—地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用。岩溶发育区特征：形成各种岩溶地貌；冲沟少、地表水系不发育；岩体透水性增大；地下水空间分布不均、变化大、流态复杂；地表水、地下水分水岭不一致。岩溶分布：碳酸盐岩占国土总面积的1/5，地表约1/7，其中：贵州：51%；广西：33%；湖南、湖北、云南：20%强。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第1节概述岩溶形成基本条件：具有可溶性的岩石；具有溶蚀能力的水；具有良好的水循环交替条件。水循环交替条件是其中最活跃的因素。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理岩溶作用机理复杂，包括：地表、地下水溶蚀；地表水侵蚀；地下水机械潜蚀、冲蚀；地下洞穴高压水气冲爆。其中以溶蚀作用为主、为始端。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理一、碳酸盐岩溶蚀过程：①CaCO3水解↔Ca2++CO32-②CO2溶于水，即：H2O+CO2↔H2CO3↔H++HCO3-③前两步结合：CO32-+H+↔HCO3-由于CO32-减少，反应朝正方向发展，即：④CaCO3+H2O+CO2↔Ca2++2HCO3-基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理二、系统中二氧化碳来源：问题：CaCO3为难溶盐，岩溶为何强烈发育？混合溶液、无机酸成分、侵蚀性CO2的存在。大气中CO2含量较低，土壤中CO2含量较高，因土壤中微生物化学作用很强，有机物分解各种有机酸并产生大量CO2，降雨、地表水经土壤进入岩体，将大气和土壤中的CO2带入。侵蚀性二氧化碳：系统（Ca2+、CO32-、HCO3-、CO2、H2CO3）平衡，化学反应不朝某方向进行，CO2加入将打破平衡，使CaCO3再溶解。超出系统平衡所需的那部分CO2称之。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理三、混合溶蚀效应及其他：1、混合溶蚀效应：不同化学成分（不同温度）的溶液（两种以上饱和或非饱和溶液）混合，对CaCO3的溶蚀性有所增强。有利于混合溶蚀作用的部位：垂直与水平径流交汇处；各成分水汇合处（强径流带、裂隙交汇带）；地下水排泄区；地下水与地表水混合处（河岸带）。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理2、离子效应：酸效应-混合溶液中含各种有机酸，即H+加入促进CaCO3溶蚀量增加；盐效应-加入不同化学成分的溶液，其中强电解质溶液与Ca2+和CO32-结合，使溶蚀增加；同离子效应-当与CaCO3成份相同的离子加入时，起到抑制溶蚀的作用，溶液中Ca2+和CO32-增加，导致析出CaCO3。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第3节岩溶发育影响因素地层岩性--化学成分、结构气候条件--降水量、气温地形地貌--高差、侵蚀基准面地质结构--岩性组合、地质构造新构造运动--升、降、平基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第3节岩溶发育影响因素一、岩性—主控基本条件①1、岩石化学成分—灰岩越纯，岩溶越发育。比溶蚀度Kv表溶蚀强度、比溶解度Kcv表溶蚀速度。比溶蚀度Kv＝试样溶蚀量／标准试样溶蚀量比溶解度Kcv＝试样溶解速度／标准试样溶解速度按比溶蚀度Kv和比溶解度Kcv排序：灰岩-云灰岩-泥灰岩-方解石-大理石-泥质灰-灰云-泥质灰云-白云-泥质白云规律：①方解石含量高于白云石，岩溶发育；②酸不溶物含量高，岩溶不发育；③含黄铁矿、石膏成分，有利于岩溶发育；④含有机质、沥青，不利于岩溶发育。图示→基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第3节岩溶发育影响因素2、岩石结构：问题：环境、岩性相同的岩石，其岩溶发育程度有很大差异？岩石的结构制约了岩溶发育强度。按溶蚀性指标排序：泥晶-粒屑-亮晶（灰岩类）；泥晶-细晶-中晶-粗巨晶（白云岩类）。原因：岩石的孔隙度高，比溶蚀度、比溶解度值高，岩溶相应发育。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第3节岩溶发育影响因素二、气候—主控基本条件②、③1、降水量：决定水量、水的性质（补给丰缺、化学成分），间接影响岩溶类型、发育规模、速度。水量-补给好、循环强烈，则岩溶发育；水质-进入系统的CO2及各种酸越多，岩溶越发育。2、气温：气温高、化学反应速度快，岩溶相应发育；温度高，生物代谢快、产生CO2增多，岩溶发育速度增。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第3节岩溶发育影响因素三、地形地貌--主控基本条件③。1、地形：高差大、渗径短、径流强、交替条件好、岩溶发育强；2、地貌：区域侵蚀基准面和排泄基准面取决于地貌形态，控制地下水的运动趋势和方向，进而控制岩溶发育程度。一般河谷两岸发育最强，谷坡段较弱，分水岭较强。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第3节岩溶发育影响因素四、地质构造--主控基本条件③1、岩性组合：按易溶程度排序：厚而纯-可溶岩夹非可溶岩-互层-非可溶岩夹可溶岩。2、地质构造：断裂—提供地下水运移通道，水循环条件好则岩溶发育强烈；不同方向断裂交汇，混合溶蚀作用加强。褶皱—轴部岩性破碎，岩溶发育；宽缓褶皱较紧闭型岩溶发育；其展布方向常控制岩溶的空间分布。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第3节岩溶发育影响因素五、新构造运动--主控基本条件③，主要考虑地壳升降及稳定期。1、相对稳定：有充分的条件循环交替、溶蚀，垂向、水平岩溶均发育，规模较大。稳定期越长岩溶越发育。2、地壳上升：河谷深切，排泄条件好，垂直岩溶发育，侧蚀弱。3、地壳下降：循环弱、岩溶发育也弱。一般间歇性升降。升平、升平可形成多层水平溶洞，据以判断地壳相对运动期次。制约岩溶发育→类型、规模、速度、分布、发展趋势。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第4节岩溶地表塌陷研究岩溶地表塌陷—覆盖型岩溶，当地基主要受力层范围内有溶洞暗河、土洞等时，上部荷载或抽排地下水引起洞顶坍塌。岩溶地表塌陷现状—全球广泛分布◈岩溶塌陷是全球性地质灾害，据统计，已有中国、美国、南非、法国、英国、德国、俄罗斯、波兰、捷克、南斯拉夫、比利时、土耳其、加拿大、意大利及以色列等17国发生过严重岩溶地面塌陷。◈我国有24个省(市、自治区)300多个市县共发生过岩溶塌陷1400例以上，塌陷坑总数超过4万个，其中以桂、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区最为严重。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第4节岩溶地表塌陷研究岩溶塌陷分布特征—人类活动强烈地区◈有包括武汉、深圳、唐山、杭州、桂林等在内的30多个大中城市、420个县市处于塌陷高风险区。岩溶塌陷主要诱发因素--人类活动◈在已有岩溶塌陷灾害中，约70%为人类活动所诱发，过量开采地下水，是产生岩溶塌陷的主要原因，其它如拦蓄地表水、基础工程、铁路公路施工以及爆破作业等，也会诱发岩溶塌陷。抽汲岩溶水，武汉中南轧钢厂，1977年始出现成群塌陷，成坑700~800个，最大23m，深10m；武汉陆家街，1988年，塌陷影响城市交通、水电、厂矿、居民，停课停产半个月；辽宁瓦房店抽岩溶水，塌陷4km2，成坑25个，达70m，深10m，影响长大铁路，路基破坏，轨道悬空，中断行车8小时，恢复后限速5~10km/h；开采岩溶水，山东泰安1977年开始塌陷，对津浦铁路产生影响，多次中断行车；贵州水城是该省工业中心，1967年始，建地下水开采井16口，抽水强度0.643m3/S，水位降深10.42ｍ，至1990年，出现塌坑900余个，20~30ｍ，深10ｍ；广东凡口铅锌矿疏干岩溶水，1965~1981年间产生塌坑数千个，最大40m余，深30m余，危及房屋6800m2，铁路4000m余；恩口煤矿区疏干岩溶水，成5800个塌坑，毁9座水库，万亩农田；基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第4节岩溶地表塌陷研究一、岩溶地表塌陷1、岩溶地表塌陷机理—地下水位变化形成动水压力，在土层中产生潜蚀，下伏溶洞提供运移空间，潜蚀形成土洞，成拱隐伏于地下（或直接塌至地表），后期水动力条件变化引起塌陷。2、土洞形成条件—下伏基岩中垂直(开口）岩溶发育（运移）；上覆土层较松散有一定厚度（成拱）；水动力条件变化大（动因）。灾害后果：地面工程设施严重受损；使脆弱的岩溶环境更加恶化，使土地资源遭受破坏。形成机理：潜蚀、真空吸蚀、压强差、地下水气冲爆。研究内容土洞产生条件与地表塌陷机理；地表塌陷发生条件及地表塌陷分布规律。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第4节岩溶地表塌陷研究3、塌陷产生条件—覆盖型岩溶区，下部岩溶发育、上部土洞已形成（二元结构），水动力条件变化大（动因）。4、塌陷分布规律：岩溶发育程度覆盖层性质及厚度水文地质条件覆盖型岩溶区，上覆土层厚度小（＜10m：严重塌；＞30m：难塌）；岩溶发育强烈地带（断裂带、硫化矿带）；抽排地下水降落漏斗中心附近；地下水主要径流方向；地下水排泄区（地下水位随河水位变化）；地形低洼处。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第4节岩溶地表塌陷研究二、塌陷预测与防治：1、塌陷预测：⑴内容：◈塌陷地点、时间、强度、可能的后果⑵方法：方法◈据发生条件及分布特征确定可能的范围、判定强度；◈据水动力条件及其变化预测发生时间（定性）；◈运用数学方法预测－模糊评判（定量）建立塌陷与水位降深的关系；基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第4节岩溶地表塌陷研究1、塌陷预测：⑶步骤◈查明场地条件、岩溶发育规律；◈进行岩溶发育程度及地下水条件分区；◈据已有塌陷分布特征确定综合预测指标；◈考虑影响因素及发展趋势进行塌陷分区；◈编制分区预测图。基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第4节岩溶地表塌陷研究2、塌陷防治：◈⑴预防ａ-找出致塌动因－水位动态（降雨、人工抽排）、动静荷载（列车振动、建筑荷载）；ｂ-消除或合理控制－供排水方案设计（浅层停抽，改用深层水；禁止强抽强排，使水位缓慢变化，）、建筑物位置选择。◈⑵治理－回填、强夯加固、跨越、深基础基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究第5节岩溶地基稳定性问题一、岩溶地基稳定性问题1、地基承载力不足—覆盖型岩溶，盖层松软、强度低，荷载过大时引起剪切破坏。2、地基不均匀下沉—覆盖型岩溶，下浮石芽、落水洞、漏斗，造成基岩面起伏，导致不均匀下沉。3、岩溶地表塌陷—覆盖型岩溶，当地基主要受力层范围内有溶洞暗河、土洞等时，上部荷载或抽排地下水引起洞顶坍塌。4、地基滑移—裸露型岩溶，当基础靠近落水洞、漏斗、垂直岩溶