工程地质学基础 第九章 岩溶工程地质研究

第 九 章 岩 溶 工 程 地 质 研 究第 一 节 概 述第 二 节 碳 酸 盐 岩 的 溶 蚀 机 理第 三 节 影 响 岩 溶 发 育 的 因 素第 四 节 岩 溶 区 水 库 渗 漏 问 题第 五 节 岩 溶 地 基 稳 定 性 问 题 第 九 章 岩 溶 工 程 地 质 研 究第 一 节 概述 一 、 定 义岩 溶 及 岩 溶 现 象 ： 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 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 地 下 形 态 ： 溶 洞 、 溶 隙 、 暗 河 。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 ： 磷 、 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 。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 。 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%， 出 露 面 积 2 ， 占 9.4%。川 、 黥 、 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 义我 国 东 部 岩 溶 区 ， 铁 路 4010公 里 ， 岩 溶 塌 陷 376处 ， 近 十 年 间 中 断 行 车1860小 时 ， 颠 覆 列 车 3次 。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 因 其 分 布 面 积 广 ， 在 ？ ？ 地 区 进 行工 程 建 设 常 常 会 遇 到 一 些 特 殊 的 工 程 地 质 问题 。 其 与 建 设 工 程 的 关 系 密 切 。 不 同 建 筑 引发 不 同 的 问 题 。 主 要 有 ： 岩 溶 渗 漏 ， 引 发 地区 塌 陷 ， 造 成 坑 道 涌 水 、 突 水 、 滑 落 。 充 分利 用 岩 溶 洞 穴 作 为 地 下 工 程 ？ ？ ？ 等 。 第 二 节 碳 酸 盐 岩 的 溶 蚀 机 理一 、 溶 蚀 过 程 参 与 岩 溶 过 程 的 营 力 及 岩 溶 过 程 很 复 杂 。 主 要 营 力 是 水 。 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 。 水的 侵 蚀 、 溶 蚀 作 用 是 经 常 性 、 缓 慢 的 长 期 作 用 过 程 。 碳 酸 盐 为 难 溶 盐 ， 溶 解 度 很 低 ， 如 250C 时 ， 溶 解 度 为 ， 由 于 水 的化 学 成 分 复 杂 ， 且 随 环 境 条 件 而 复 化 ， 使 得 碳 酸 盐 岩 石 处 于 长 期 、 多 变 、多 种 溶 蚀 效 应 。 溶 蚀 反 应 由 表 及 里 ， 地 下 溶 蚀 优 先 的 复 杂 体 之 中 。涉 及 之 相 体 有 ： 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 （ 以 CaCO3 的 溶 解 和 沉 积 为 例 ）-2323 COCaCaCO 33222 HCOHCOHOHCO 32223 HCO2CaOHCOCaCO 323232 HCO2CaHCOHCOCa 323 HCOHCO 由 及 得 ： 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 。 水 中 CO2主 要 取 决 于 外 界 环 境 的 补 给 。 如 大 气 、 土 壤 的 生 物 作 用 等 。 大 气 、 生 物 、 岩 石 、 水 构 成 一 个 岩 溶 动 态 系 统 ， 岩 溶 是 一 个 复 杂 的 物 理 化 学 动 态 过 程 。不 平 衡 CaCO 3溶 解 或 CO2逸 出 平 衡 ， 或 析 出 CaCO3（ 沉 淀 ） 不 平 衡 CaCO3溶 解 ， 往 复 进 行补 充 CO2 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 CaCO 3 。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 。 三 、 其 他 离 子 的 作 用1.酸 效 应 323 22 HCOCaHCaCO2.同 离 子 效 应3.离 子 强 度 效 应 2323 COCaCaCO 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 。 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 Na1- 、Cl1- 、 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 ： 任 何 ？ ？ 离 子 H+ 后 ， 溶 液 中 H+ 浓 度 增 加 ， H+ 和 CO 32- 结 合 生 成HCO31- ， 从 而 加 速 CaCO3 的 溶 解 。 如 右 反 应 式 ： 地 质 上 ？ 硫 酸 和 蚀 质 的 岩 层 渗 出 的 地 下 水 有 较 大 溶 蚀 性 。 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 ？ 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 ： ？ 岩 、 酚 岩 、 酚 质 灰 岩 、 硅 质 灰 岩 、 泥 质 灰 岩 等 。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 CVVKK 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 。KV及 KCV越 大 ， 说 明 岩 石 的 溶 蚀 强 度 和 溶 蚀 速 度 也 越 大 。研 究 表 明 ： 方 解 石 含 量 越 高 CaO/MgO比 值 越 大 ， KV及 KCV越 大 ； 反 之 白 云 石 含 量 越 小 。 酸 不 溶 物 含 量 越 高 ， KV及 KCV越 小 。 矿 物 结 晶 越 小 ， KV越 大 。 一 般 而 言 ， 结 晶 粒 屑 亮 晶 。 重 结 晶 ？ ？ 。 二 、 气 候 的 影 响1.降 水 的 影 响 ： （ 1） 水 直 接 参 与 岩 溶 作 用 ， 充 足 的 降 水 是 保 证 岩 溶 作 用 强 烈 进 行 的 必 要条 件 。 （ 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 CO 2的 溶 解 度 减 小 ， 不 利 于 岩 溶 作 用 。 一 般 ， 水 温升 高 200 300 C， 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 100 C， 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 育不 同 气 候 条 件 下 ， 岩 溶 速 度 、 形 态 、 类 型 都 明 显 不 同如 溶 蚀 速 度 ： 广 西 ； 湖 北 ； 河 北 。我 国 气 候 分 类 副 热 带亚 热 带温 带 三 大 特 征 地 区 青 藏 高 寒 地 区西 北 干 旱 地 区南 部 温 热 地 区岩 溶 形 态 差 别 ： 广 西 副 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 ？ 、 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 。 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 。 例 如 ： 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 条 件 ， 因 其 垂 直 入 渗 带 埋 深 和 水 平 径 流 程 度 的 不 同 ， ？ ？垂 直 岩 溶 形 态 及 水 平 岩 溶 形 态 的 明 显 差 别 。 地 形 高 差 大 大 影 响 地 下 水 补 、 排 条 件 ， 影 响 岩 溶 发 育 的 深 度 。 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（ 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 ： .包 气 带 ： 多 发 育 垂 直 岩 溶 形 态 ， 溶 蚀 通 道 间 连 通 性 差 。 .地 下 水 季 节 变 动 带 ： 垂 直 和 水 平 两 个 方 向 岩 溶 均 发 育 。 .饱 水 带 ： 有 利 于 形 成 规 模 大 、 连 续 性 好 的 水 平 岩 溶 .深 循 环 带 ： 由 于 水 循 环 交 替 迟 缓 ， 岩 溶 发 育 很 弱 。 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中类 型 的 组 合 形 式 ， 岩 溶 发 育 明 显 不 同 。 （ 2） 碳 酸 盐 岩 夹 非 可 溶 性 岩 层 由 于 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 ？ ？ ？ ？ ， 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 。 总 之 ， 岩 溶 发 育 与 水 的 循 环 交 替 条 件 密 不 可 分 ， 而 这 一 条 件 又 严格 受 岩 层 组 合 、 地 质 构 造 、 地 形 地 貌 等 诸 因 素 控 制 。 自 然 界 中 ， 水 循 环 交替 条 件 很 复 杂 。 下 表 为 几 种 典 型 情 况 ： 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 明 显 ， 以 垂 直形 态 的 岩 溶 为 主 。地 壳 相 对 平 稳 期 ： 侵 蚀 基 准 面 和 地 下 水 面 相 对 稳 定 ， 溶 蚀 作 用 充 分 进 行 ，分 带 现 象 明 显 ， 侧 向 岩 溶 规 模 大 ， 可 形 成 较 大 规 模 的 水 平 岩 溶 和 暗 河 ，岩 溶 地 貌 较 明 显 典 型 。地 壳 下 降 期 ： 常 形 成 覆 盖 型 岩 溶 ， 地 下 水 循 环 条 件 变 差 ， 岩 溶 作 用 受 到抑 制 或 停 止 。五 、 新 构 造 运 动 的 影 响 从 更 长 的 地 质 历 史 时 期 来 看 ：（ 1） 间 歇 性 上 升 ： 上 升 稳 定 再 上 升 再 稳 定形 成 水 平 溶 洞 成 层 分 布 ， 高 程 与 阶 地 相 对 应 。（ 2） 振 荡 升 降 ： 岩 溶 作 用 由 弱 到 强 ， 由 强 到 弱 反 复 进 行以 垂 直 形 态 的 岩 溶 为 主 ， 水 平 溶 洞 规 模 不 大 ， 而 且 成 层 性 不 明 显 。（ 3） 间 歇 性 下 降 ： 下 降 稳 定 再 下 降 再 稳 定岩 溶 多 被 埋 于 地 下 ， 规 模 不 大 ， 但 具 成 层 性 ， 洞 穴 中 有 松 散 物 充 填 。 从 层 状 洞 穴 的 分 布 情 况 及 充 填 物 的 性 质 ， 可 查 明 岩 溶 发 育 特 点 及 形 成 的 相对 年 代 第 四 节 岩 溶 区 水 库 渗 漏 问 题一 、 渗 漏 的 形 式1.按 渗 漏 通 道 分 类 2.按 库 水 漏 失 的 特 点 分 类 暂 时 性 渗 漏 ： 饱 和 包 气 带 的 洞 、 隙 消 耗 的 水 量 一 旦 饱 和 ， 渗 漏 停 止 。 永 久 性 渗 漏 ： 库 水 不 断 地 通 过 岩 溶 通 道 向 下 伏 河 谷 、 邻 谷 、 低 地 等 处 流 失 。 在 岩 溶 地 区 修 建 储 水 输 水 等 建 筑 物 如 水 库 ， 水 体 可 能 沿 其 岩 溶 通 道向 周 遍 产 生 渗 漏 ， 有 时 会 严 重 影 响 工 程 的 正 常 使 用 。 岩 溶 渗 漏 问 题 是 水 利水 电 等 工 程 中 的 主 要 工 程 地 质 问 题 之 一 。 这 里 以 水 库 渗 漏 为 例 介 绍 渗 漏 的 一些 基 本 问 题 。 裂 隙 分 散 渗 漏 管 道 集 中 渗 漏 二 、 影 响 渗 漏 的 因 素1.岩 溶 的 影 响 地 下 水 可 以 沿 岩 溶 的 裂 隙 及 断 层 带 产 生 渗 漏 ， 而 更 主 要 沿 岩 溶 空 隙 如溶 隙 、 溶 洞 、 暗 沟 等 渗 漏 。 岩 溶 化 程 度 高 ， 岩 溶 通 道 的 ？ ？ ？ ？ ？ 。 渗 漏 就 严重 。 地 下 水 能 否 沿 通 道 有 效 渗 漏 ， 关 键 取 决 于 岩 溶 通 道 的 连 通 性 。 通 常 只发 育 溶 孔 、 渗 隙 等 弱 岩 溶 化 地 区 ， 通 道 规 模 小 ， 连 通 概 率 小 ， 渗 漏 量 不 会 大 ；相 反 强 岩 溶 化 地 区 ， 可 能 出 现 ？ ？ 溶 及 地 下 暗 河 时 ， 可 能 产 生 强 烈 渗 漏 。 影 响 岩 溶 地 区 水 库 渗 漏 的 因 素 很 多 ， 如 岩 溶 发 育 的 程 度 及 规 律 性 、 地层 岩 性 、 地 质 构 造 、 水 文 地 质 条 件 等 。 实 质 上 决 定 渗 漏 条 件 的 主 要 是 两 个 方 面 ：一 是 渗 漏 通 道 ， 二 是 地 下 水 位 及 动 态 。 这 两 个 方 面 也 是 进 行 渗 漏 研 究 的 重 点 。 受 岩 性 分 布 ， 构 造 影 响 ， 岩 溶 发 育 ？ ？ ？ 分 带 性 、 分 层 性 及 局 部 ？ ？岩 溶 化 特 征 。 这 些 也 决 定 了 岩 溶 渗 漏 的 空 间 差 异 性 。 2.地 质 构 造 的 影 响 这 里 主 要 介 绍 褶 皱 及 断 层 对 岩 溶 渗 漏 宏 观 控 制 作 用 。 由 于 其 作 用 导致 岩 溶 化 地 层 与 隔 水 层 空 间 上 呈 现 不 同 的 条 件 组 合 形 态 ， 从 而 使 得 渗 漏 通 道 复杂 化 。 从 下 图 可 以 体 会 几 种 典 型 渗 漏 情 况 。 纵 向 岩 ， 向 斜 ， 隔 水 层 起 到 封 闭 作 用 ， 库 水 不 会 向 邻 岩 渗 漏 横 向 岩 ， 岩 层 褶 皱 ， 不 利 于 库 区 防 渗 ， 对 于 坝址 充 分 利 用 隔 水 层 可 有 效 隔 渗 。纵 向 岩 ， 背 斜 ， 地 层 产 状 较 缓 ，库 水 沿 岩 溶 通 道 向 邻 岩 渗 漏 。 纵 向 岩 ， 背 斜 ， 地 层 产 状 较 陡 ，库 水 不 会 由 岩 溶 通 道 向 邻 岩 渗 漏 。灰 岩 灰 岩隔 水 层 隔 水 层灰 岩隔 水 层隔 水 层 岩 溶 灰 岩 断 层 错 动 ， 破 坏 了 良 好 的 隔 水 边 界 ，形 成 间 邻 谷 渗 漏 通 道 。 河 间 地 块 存 在 诸 如 侵 入 岩 体 某 相 对 隔 水 层 ， 起 到 较 好 的 隔 水 作 用 。断 层 错 动 ， 非 岩 溶 地 层 搭 接形 成 良 好 隔 水 边 界 。 岩 溶 层 岩 溶 层非 岩 溶 化 地 层 库 水 位 与 两 岸 地 下 水 位 相 对 高 程 关 系 ， 直 接 关 乎 库 水 能 否 向 邻 谷 渗 漏 ，两 者 关 系 可 概 括 为 如 下 图 各 种 情 况 。 并 可 将 河 谷 分 为 补 给 型 、 排 泄 型 、 悬 托 型三 种 类 型 。3.河 谷 区 水 文 地 质 条 件 的 影 响 1 建 库 前 地 下 水 位 2 建库 后 地 下 水 位 图 a、 b、 c、 d、 e为 补 给 型 河 谷 。 建 库 前 地 下 水 补 给 河 水 。 其 中 a、 b、 d三 种 情 况 下 ， 建 库 前 地 下 水 位 仍 高 于 库 水 位 ， 不 产 生 渗 漏 ； c、 e建 库 前 ， 库水 位 高 于 地 下 水 位 ， 产 生 渗 漏 。 图 g、 f属 于 排 泄 型 ， 建 库 前 河 水 补 给 地 下 水 ， 建 库 后 肯 定 渗 漏 。 图 h是 悬 托 型 ， 天 然 地 下 水 位 位 于 谷 底 以 下 ， 建 库 后 肯 定 渗 漏 。 三 、 岩 溶 渗 漏 的 防 治 措 施 归 纳 起 来 有 两 方 面 措 施 ： 一 是 降 低 岩 体 透 水 性 ； 二 是 封 堵 渗 漏 通 道 。常 用 灌 、 铺 、 堵 、 截 等 措 施 。 1、 灌 浆 ： 通 过 钻 孔 向 岩 体 灌 注 水 泥 、 沥 青 、 粘 土 等 浆 液 ， 充 填 裂 隙 、洞 穴 ， 降 低 岩 体 的 透 水 性 ， 形 成 防 渗 墙 ， 达 到 防 渗 目 的 。 2、 铺 盖 ： 在 地 表 水 （ 如 库 水 ） 入 渗 地 层 （ 如 坝 上 伏 ） 铺 设 一 定 高 度 的粘 土 等 隔 水 层 ， 阻 止 水 体 向 地 下 入 渗 。 3、 堵 截 ： 用 块 石 、 混 凝 土 等 材 料 对 规 模 较 大 的 渗 漏 通 道 进 行 填 塞 封 堵 ，截 断 水 流 。 由 于 岩 溶 洞 体 循 环 于 水 位 变 动 与 无 水 饱 气 等 复 杂 状 态 ， 有 时 封 堵 不 当 ，在 洪 水 期 水 位 突 然 上 升 情 况 下 ， 形 成 较 高 的 水 气 压 力 ， 或 下 水 位 下 降 形 成 负 压 ，即 可 能 对 堵 体 及 洞 体 产 生 破 坏 作 用 ， 形 成 塌 陷 等 ， 从 而 加 剧 渗 漏 作 用 。 对 此 ， 常 常 还 可 以 采 取 疏 导 措 施 。 第 五 节 岩 溶 地 基 稳 定 性 问 题一 、 变 形 破 坏 的 主 要 形 式1.地 表 塌 陷 ： 地 基 受 力 层 范 围 内 ， 存 在 较 大 的 空 洞 （ 如 溶 洞 ） 。 在 自 然 条 件下 或 建 筑 荷 载 作 用 下 ， 产 生 洞 体 坍 塌 ， 引 发 地 面 塌 陷 而 导 致 建 筑 物 破 坏 。 2.地 基 承 载 力 不 足 或 不 均 匀 塌 陷 ： 覆 盖 岩 溶 区 ， 因 覆 盖 层 强 度 较 低 ， 不 能 满足 建 筑 荷 载 要 求 而 出 现 破 坏 。 或 沉 降 不 均 匀 导 致 建 筑 破 坏 。 3.地 基 滑 动 ： 较 大 的 溶 沟 、 溶 洞 等 形 成 邻 空 面 ， ？ ？ ？ ？ ？ ？ 邻 空 面 产 生 的 滑 动 现 象 。 在 岩 溶 地 基 上 进 行 建 设 时 ， 由 于 荷 载 等 原 因 ， 产 生 地 基 塌 陷 破 坏 ， 或 失稳 ， 这 便 是 岩 溶 地 质 稳 定 性 问 题 。 地 基 不 均 匀沉 降 地 基 塌 陷 地 基 滑 动 二 、 地 基 塌 陷 的 成 因 形 成 塌 陷 的 原 因 很 多 。 如 潜 蚀 、 真 空 吸 蚀 、 振 动 、 土 体 软 化 、 建 筑荷 载 。 目 前 认 识 尚 不 一 致 。 因 当 地 条 件 不 同 ， 产 生 塌 陷 的 原 因 而 不 同 ， 也 可能 是 以 一 种 原 因 为 主 导 ， 多 种 因 素 综 合 作 用 的 结 果 。 下 面 简 要 介 绍 潜 蚀 和 真 空 吸 蚀 作 用 ：1、 潜 蚀 作 用 在 覆 盖 型 岩 溶 区 ， 下 伏 存 在 溶 蚀 空 洞 ， 地 下 水 经 覆 盖 层 的 空 洞 渗 流 。在 一 定 的 水 流 作 用 下 ， 地 下 水 对 土 体 或 空 隙 中 的 充 填 物 进 行 冲 蚀 、 掏 空 。 从而 在 洞 体 顶 板 处 的 土 体 开 始 形 成 土 洞 。 随 着 土 洞 的 不 断 扩 大 ， 最 终 引 发 动 洞顶 塌 落 。 当 土 层 较 厚 或 有 一 定 深 度 时 ， 可 以 形 成 塌 落 拱 而 维 持 上 伏 土 层 的 整 体 稳 定 。 当 土 堆 较 薄 时 ， 土 洞 不 能 形 成 平 衡 。 2、 真 空 吸 蚀 作 用 在 相 对 密 封 的 承 压 岩 溶 水 系 统 ， 当 地 下 水 位 下 降 至 覆 盖 层 底 版 以 下时 ， 地 下 水 由 承 压 转 为 无 压 ， 在 地 下 水 位 与 底 版 之 间 形 成 低 气 压 状 态 的 “ 真空 腔 ” ， 溶 腔 内 水 如 图 ？ ？ ？ 一 般 吸 蚀 顶 板 的 土 颗 粒 ， 形 成 土 洞 。 同 时 内 外压 作 用 ， 覆 盖 层 表 面 出 现 一 种 “ 冲 压 ” 作 用 ， 从 而 加 速 土 体 破 坏 。产 生 塌 陷 主 要 与 以 下 条 件 有 关 ：1、 覆 盖 层 厚 度 ： 覆 盖 层 薄 ， 易 于 塌 陷 且 形 成 时 间 短 ， 不 易 塌 陷 或 形 成 时 间 相 对 较 长 。 90%塌 陷 出 现 在 覆 盖 层 厚 度 30m者 很 少 产 生 塌陷 。2、 水 的 作 用 ： 常 常 因 为 地 下 水 位 下 降 或 降 雨 期 间 产 生 ， 常 出 现 于 降 落 漏 斗 中 心 ， 土 体 会 水 量 达 60%以 上 的 状 态 。 3、 土 质 条 件 ： 砂 性 土 比 粘 性 土 易 于 塌 陷 ， 结 构 愈 散 软 愈 易 塌 陷 且 速 度 愈 快 。4、 覆 盖 层 下 伏 有 较 大 的 溶 蚀 空 洞 是 形 成 塌 陷 的 有 利 条 件 。 三 、 塌 陷 地 基 稳 定 性 评 价 场 地 可 否 产 生 塌 陷 ， 在 查 明 岩 溶 发 育 分 布 特 征 、 覆 盖 层 厚 度及 ？ ？ ？ ？ 作 用 等 条 件 后 ， 进 行 稳 定 性 评 价 。一 般 可 根 据 如 下 情 况 作 出 定 性 评 价 ：1、 在 地 基 受 压 层 范 围 内 ， 当 下 部 基 岩 面 ？ 伏 较 大 ， 而 上 部 又 有 一 定 厚 度 软土 层 时 ， 应 考 虑 地 基 的 不 均 匀 沉 陷 问 题 。2、 基 础 砌 显 于 基 岩 上 ， 且 附 近 存 在 溶 空 体 时 ， 应 考 虑 地 基 沿 倾 向 邻 空 面 滑动 的 可 能 性 。3、 基 础 底 板 以 下 土 层 厚 度 大 于 地 基 压 缩 层 计 算 深 度 ， 同 时 又 不 具 备 水 动 力变 化 条 件 时 ， 可 以 不 考 虑 地 基 稳 定 性 问 题 。 反 之 ， 应 视 具 体 情 况 对 覆 盖 层 以下 洞 体 特 性 作 出 评 价 。4、 在 地 基 受 压 层 内 ， 当 洞 体 尺 寸 大 于 基 础 尺 寸 ， 顶 板 厚 度 小 于 洞 跨 ， 岩 性较 硬 时 ， 应 考 虑 为 不 稳 定 溶 洞 。 5、 对 于 ？ ？ 以 下 （ ？ ？ ？ ） 的 一 般 性 建 筑 物 ， 无 特 重 荷 载 等 特 征 要 求 时 ，可 不 考 虑 溶 洞 对 地 基 稳 定 性 影 响 。 （ 1） 覆 盖 型 岩 溶 区 计 算 模 式 如 右 图极 限 状 态 时 ： Hk=h+Z+D式 中 ： Hk 极 限 状 态 时 上 覆 土 层 的 厚 度 h 土 洞 塌 陷 至 天 然 平 衡 拱 的 高度 D 基 础 砌 置 深 度 Z 基 础 底 板 以 下 建 筑 荷 载 的 有效 影 响 深 度 结 合 岩 溶 地 基 稳 定 性 分 析 评 价 ， 应 作 出 定 量 计 算 评 价 。 目 前 为 止 ，评 价 的 理 论 方 法 尚 不 成 熟 ， 原 则 上 可 以 分 如 下 二 种 情 况 考 虑 ： 当 H Hk时 ， 地 基 是 稳 定 的当 H Hk时 ， 地 基 是 不 稳 定 的 ， 是 建 筑 荷 载 和 土 洞 共 同 作 用 的 结 果当 H h时 ， 仅 土 洞 的 发 展 就 可 导 致 地 表 塌 陷h的 高 度 按 普 氏 理 论 确 定 ：fbh h为 洞 顶 宽 度 之 半f为 ？ ？无 粘 性 土 ： 粘 性 土 ： tgf VV Ctgf （ 为 压 应 力 ， C、 为 土 体强 度 ）V （ 2） 裸 露 型 岩 溶 区 ： 如 图 模 型 ， 假 设 基 础 以 下 存 在 溶 洞 。 简 单 地 按 顶 板 塌 陷 堵 塞 法 估 算 评 价 地基 塌 陷 稳 定 性 对 建 筑 物 的 影 响 。0P V1V0 假 设 洞 体 体 积 为 V0 ， 产 生 塌 陷 部 分 的体 积 为 V1 。 V1的 计 算 根 据 地 质 条 件 评 估 可 能 产 生 塌落 的 形 状 。 一 般 有 ，柱 体 ： 棱 锥 体 ：（ F为 塌 落 体 底 面 积 ） 假 设 塌 陷 发 生 后 ， 塌 落 部 分 完 全 填 塞 所 有 空 间 ， 便 有 ： （ K为 膨 胀 系 数 ， 一 般 可 取 ）粗 略 估 算 时 假 设 ： 便 有 ：塌 落 锥 体 ： 塌 落 柱 体 ： 判 断 ： 当 基 础 底 板 距 洞 顶 顶 板 距 离 h15h0 （ 或 5h0 ） 时 ， 认 为 存 在 塌落 对 基 础 的 影 响 。 11 hFV 11 31 hFV 101 VVKV 00 hFV 001 1513 hKhh 001 51 hKhh 三 、 岩 溶 地 基 的 处 理 措 施当 岩 溶 地 基 不 能 满 足 要 求 时 ， 必 须 进 行 处 理 。 根 据 实 际 情 况 可 考 虑 选择 如 下 措 施 ：（ 1） 挖 填 ： 浅 埋 洞 体 ， 可 挖 除 软 弱 充 填 物 ， 回 填 强 度 高 的 土 石 体 。（ 2） 跨 盖 ： 当 基 础 下 有 小 溶 洞 时 ， 可 以 采 用 梁 板 跨 越 或 柱 ？ 支 架 的 办 法 保 证 基 础 稳 定 性 。（ 3） 灌 浆 加 固 ： 对 于 洞 体 埋 深 较 大 时 ， 可 采 用 钻 孔 灌 浆 的 办 法 堵 填 洞 穴 。（ 4） 对 于 覆 盖 层 堆 可 采 用 夯 实 等 处 理 办 法 。 此 外 ， 可 以 改 变 基 础 形 式 。 如 ？ ？ 基 础 ， 或 采 取 绕 避 等 措 施 。 （ 2） 治 理 ：挖 填 ：垮 越 ：灌 注 加 固 ：压 浆 、 旋 喷 桩桩 基 ：当 堆 积 物 不 易 清除 或 不 被 冲 失 流走 时 ， 可 根 据 建筑 物 需 要 作 支 承桩 或 摩 擦 桩 强 夯合 理 疏 导 水 气多 种 方 法 综 合 利 用