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1、岩溶与工程一、 岩溶地质现象的基本理论知识（一） 定义、类型、成因定义：岩溶（喀斯特）是指碳酸盐类可溶岩岩石（石灰岩、白云岩、大理岩、碳酸盐质砂岩或砾岩等）在地表、地下水的作用下，在漫长的地质历史中形成（溶解CaCO3及冲蚀）各种形态的沟槽、溶隙、空洞、管道等的地质现象。大型溶洞的形成还伴随崩塌作用。类型： 地表溶沟、溶槽、石芽、石林、溶蚀洼地 地下 垂直类型落水洞、天然井、漏斗、天坑等 水平类型溶洞、管道、地下河、钟乳石、石笋等成因：有节理、裂隙的岩体本身含有一定数量的CaCO3和水中含有的CO2和H+离子是产生溶解作用的主因。碳酸盐岩的溶解作用1、（主要是水中的CO2，在水中导出H+离子）
2、CaCO3在CO2水溶液中的电离CaCO3+CO2+H2O DCa2+2HCO3 （1）（Ca离子被溶解、分离溶蚀）2、CaCO3在水中分离：CaCO3DCa2+CO32 （2）CO2溶入水形成碳酸后电离：CO2+H2ODH2CO3DH+HCO3 （3）3、（1）式可写作：Ca2+ +CO32+ H+ +HCO3D Ca2+ +2HCO3其本质是CO2的作用在水中导出H+离子后才造成碳酸盐的溶解。所以，水中H+增加（PH值减小），CaCO3的溶解度也相应增大。理论研究表明：PH6.36时，水具强侵蚀性；PH值从6.368.33时，水侵蚀性由强变弱；PH接近或10时，水中H+已减少，渐失对CaC
3、O3的侵蚀能力。CO2是岩溶的主要因素，H+离子源（其他）也要考虑。4、溶解作用中的影响因素（1）温度效应：碳酸盐岩在不同温度时，溶解度是不同的白云岩溶解速度有一部分在60C时最大，另一部分在40C最大；石灰岩、大理岩在40C时溶速最大；高温（80C）或低温（0.5C）溶速较低，可见4060C岩溶发育最有利。统计表明，温带区碳酸盐溶解最强；白云岩溶解需要更高温度（因为CaCO3 与MgCO3）温带区白云岩岩溶差。湿热带CO2含量高，所以溶蚀快；极寒带、高山区CO2含量低，所以溶蚀慢；（2）流速和浓度梯度岩、水界面处首先溶解，饱和后如不散开即形成保护膜，所以流速大小决定溶速，流速小时，浓度梯度起
4、作用。（3）离子效应：a、在同一容积溶液中加入相同离子盐时（在HCO3中加入白云岩，CaCO3析出，CaCO3的溶解度降低）同离子效应；b、溶液中加入不同离子盐（FS2或SO42）溶解更强烈，所以黄铁矿含量高时岩溶发育强烈（如乌江渡三叠系深岩溶相邻砂页岩含黄铁矿）异离子效应。总之，温度、流速、离子等因素相互消长的复杂作用要综合分析。（一） 岩溶发育的基本规律（岩性、构造、水循环）1、岩性：（易溶性）随CaO增加而提高，随MgO增加而降低（当CaO20%时呈线性）CaO/MgO比值愈大，愈易溶。如北方奥陶系马家沟组灰岩CaO达50%，方解石占95%100%，最易溶。2、构造：因为地下水在裂隙内流
5、动过程也是岩溶作用过程裂隙溶蚀扩大（1）沿断裂张、张扭、充填隔水，或断层一盘地层阻水。（2）沿褶皱轴背斜纵向张性带（管道），向斜横张带发育倒虹吸状管道。（3）沿层面和非可熔岩界面3、河流排水基准面：（现代河）（1）成层性阶地对应，如：乌江干流五级阶地对应5层水平洞，湖北恩施腾龙洞上下两层地下河（为河流下切过程中形成的）；南盘江的纳贡暗河（19km），三个出口（440m、473m、520m）对应三个相对稳定期，大溶洞（深140m）有5个台阶（对应5级阶地侵蚀基准面），湖北恩施清江腾龙洞有两层，上层干涸，下层水洞。（2）深岩溶随河流纵剖面中地下水比降，比降大，水动压大、水循环深、则岩溶深；（乌江渡
6、电站左岸深岩溶在河床下230m长江中下游则相反）4宏观不均一性（相对概念）相对均一：（1）溶隙密布地段；（2）发育十分强烈地段，各种溶隙、管道密布，形成网络状不均一：其他情况如透水性不均（K值相差很大）即强、弱岩溶蚀密布5、岩溶水运动规模的基本类型（1）溶隙型溶隙5cm以上，延续好，近似达西定律；（2）脉管型溶隙520cm，不符合达西定律；（3）管道型溶隙大于20cm，汇流面为非渗流，不符合达西定律；6、岩溶率及发育强度划分岩溶率：是指一定范围内岩溶空间的规模和密度。岩溶率在一定程度上反映岩溶发育的强度及方式，分为：点岩溶率：单位面积内岩溶空间形态的个数；线岩溶率：单位长度上岩溶空间形态的百分
7、比；面岩溶率：单位面积上岩溶空间形态面积的百分比；体岩溶率：孔洞体积占测量可溶岩体积之百分比钻孔岩溶揭露率：在一定深度或层位的条件下，揭露到孔洞的钻孔占勘探钻孔总数的百分比。以上5种岩溶率指标，主要适用于高原或高山峡谷区、岩层大部分裸露、溶洞形态可见或可进入的岩溶区。而对于第四系下的隐伏岩溶，、两种比较适用。尤其是线岩溶率应作为主要指标，而钻孔岩溶揭露率往往夸大岩溶发育程度。如武汉地区，见洞率多超过70%，但线岩溶率多小于10%，且大部分充填或半充填，故应属中等发育或弱发育。贵州省公路规程的划分见下表：按岩溶分布与发育强度的岩溶地基分级 岩溶形态级 不利别 影响岩溶洞隙土洞与塌陷岩溶水岩面起伏
8、覆土厚薄不均地基稳定地基稳定施工及施工条件不均匀变形强烈地表个体岩溶密度5/km2、勘探点见洞隙率60%、钻孔线岩溶率10%、洞隙中有水活动，未或半充填，有近期塌落物。属覆盖型强烈发育岩溶路段，地下水位波动于岩面附近，雨季变幅大流速快，地表见塌坑洼地近期有发展和新生。类型多并具水力联系，水位高、水量大随季节变得明显、水流具较大的渗透力。岩面起伏大时有外露、隐伏的溶沟（槽）分布密度大、宽大于2.0m，深大于5.0m，且底部有软弱土分布。中等介于上、下两类之间微弱地表岩溶密度1/km2、勘探点见洞隙率30%、钻孔线岩溶率3%、洞体充填，无地下水活动，属中等或弱发育的岩溶路段、地下常水位低于岩面、地
9、表未见塌坑，土层厚、无软弱土水位及季节变幅均再岩面以下，水力坡度平缓，水量小（小于0.5l/s）。岩面埋藏浅、起伏平缓或上覆土层厚（大于10m），且无软弱土。要指出的是，岩溶发育强度的划分是相对的。应当根据工程类型（隧道、地基或场地稳定性）的要求进行有针对性的划分。（二） 岩溶水动力的垂直分带岩溶水动力分带必然对应着某些岩溶类型，这是一个问题的两个方面，而岩溶水及其动力特征是人们最关注的重要问题，因此通常以岩溶水动力的垂直和水平分带来表达岩溶的空间分布规律。1、 岩溶水动力的垂直分带2、 两种表达方式河流两岸和河间地块的分带，其规律基本一致。图1 岩溶水的垂直分带示意图岩溶类型以垂向类型如溶隙
10、、漏斗、落水洞或溶沟、溶槽为主地下水以垂向渗流为主，水平联系很弱地下水以水平运动为主，水平联系很强水平溶洞或地下河1.表层岩溶带 2.包气带 3.季节交替带 4.浅饱水带5.压力饱水带 6.深部缓流带 7.季节性下渗管流水 8. 季节性有压管流水9.有压管流涌水 10.有压裂隙水 11.隧道水 12.地下河图2 分水岭（河间地块）岩溶水动力分带与隧道涌水图1（摘自地貌学及第四纪地质学1981.1.地质出版社）为河谷两岸的岩溶水垂直分带图示；图2（摘自隧道岩溶涌水预报与处治2010.5.广西师范大学出版社）为河间地块岩溶水动力分带与隧道涌水图示。两图时隔30年，人们对岩溶及岩溶水的空间分布规律的
11、基本认识并无本质区别。表明20世纪80年代以前地貌学中对岩溶水的分带是科学、合理的。为此，我们不妨仍以1980年代以前地貌学中“岩溶水垂直分带”为基本分带来认识岩溶水的分布规律。垂直循环带（又称充气带、含表层岩溶带）：位于地表以下，最高岩溶水位以上。为降水（雨、雪）垂直下渗带，水流以垂直运动为主。其岩溶主要为垂直形态（溶沟、溶槽、竖向溶隙、落水洞、天然井等）。如有局部隔水层时可形成上层滞水，相应形成局部水平通道，出露时可形成悬挂泉。此带厚度取决于当地排水（侵蚀）基准面，其深度大时，此带厚度也大。如鄂西山区此带厚度达数百米，而平原区仅数十米。季节变化带：为最高岩溶水位与最低岩溶水位之间的地带（旱
12、季为充气带，雨季为饱和带）；水流呈垂直运动和水平运动交替出现；岩溶形态和岩溶水通道也是垂直与水平交替出现；其厚度，在滨河地带受河流高低水位控制。在分水岭地带则受岩溶化程度控制，岩溶化程度强则此带厚度小，反之则大；全饱和带：为岩溶最低水位以下，受主要排水河道所控制的饱和层。按水流方向不同可分为两个亚带，即：上部水平循环亚带大致位于河床以上，地下水流向河谷方向，大致呈水平方向运动（亦称浅饱水带）。水平岩溶通道发育，水流形式以脉状流或管道流（地下河）方式流动。此带厚度有从补给区向排泄区加大的现象；下部虹吸管式循环亚带（压力饱水带）大致位于河床以下，地下水具承压性，水流以虹吸管式顺裂隙向谷底减压带缓慢
13、排泄。此带深度受岩溶水位的水力坡度影响，水力坡度越大，此带深度越大。因此，在弱岩溶化地区（水力坡度大）地带深度较大，而强岩溶化地区（水力坡度小）情况则相反。深循环带（深部缓流带）：此带水流方向不受附近水文网排水作用直接影响，而是由地质构造决定。水流运动缓慢，岩溶作用也很微弱。在漫长的地质时期中形成小溶洞和蜂窝状溶孔。由上述各带地下水运动方式、方向及强度的差别可知，岩溶作用最强烈的地方在地方在地下水水面附近。因此，季节变化带和水平循环带是岩溶作用最强烈的地方，也是岩溶带水最活跃的地方。（三） 岩溶水动力的水平分带在一片较大范围地区，针对某一河流（湖、海）的侵蚀基准面而言的岩溶水系统而言，水平方向
14、上可划分为补给区、补给径流区和排泄区。具体特征如下：补给区多处于分水岭地带，常有岩溶洼地，强降水使洼地积水，可造成季节性突水、涌泥（季节性）补给径流区地下水埋深增大，浅饱水带岩溶发育强烈，岩溶发育深度较浅，产生管道状涌水，受降水影响明显（如无雨期1000方/d，大雨期7200方/d野山关白岩洞暗河）排泄区包气带厚度大、饱水带水平管道发育。特别是岩溶深度加大，可在暗河口以下或河水面以下形成倒虹汲循环带，随钻孔深度加深，钻孔水头升高说明地下水有向上运动的趋势，此带岩溶发育深度可达暗河口以下百米至数百米。隧道在暗河排泄区下面通过，往往会遇到高压涌水，导致暗河口干涸。综上所述，岩溶发育及其水动力分带所代表的岩溶形态、发育强弱程度和岩溶水动力特征是非常明显的。掌握这些宏观规律至关重要。我们所在地区和某类工程所涉及的深度内，只要确认了所处的水平及垂直分带的归属也就掌握了岩溶的基本规律，在此基础上再进行具体、深入的研究，就可以得出合理的评价和可靠的工程措施。（四） 岩溶不良地质现象对工程影响的主要方面1、覆盖层下伏岩溶所导致的地面（表）塌陷。这是影响施工和破坏环境最严重的一种灾害；2、地下洞施工中，溶洞、管道、地下河突水、冒泥，洞穴充填物冒顶、片帮、底板下沉或脱空等是隧道、洞室施工中的主要障
