9第八章 不良地质作用和地质灾害的勘察

《9第八章 不良地质作用和地质灾害的勘察》由会员分享，可在线阅读，更多相关《9第八章 不良地质作用和地质灾害的勘察（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第八章第八章 不良地质作用和地质灾害的勘察不良地质作用和地质灾害的勘察第一节第一节 岩溶与土洞岩溶与土洞 一、概述一、概述 岩溶又称喀斯特（Karst） ，指地表中可溶性岩石（主要是石灰岩）受 水的溶解而发生溶蚀、沉淀、崩塌、陷落、堆积等现象形成各种特殊的地 貌，如石芽、石林、溶洞等，这些现象就总称为岩溶地貌。喀斯特是南斯 拉夫西北部一个石灰岩高原的地名，19 世纪末，南斯拉夫学者司威杰 (J.Cvijic)首先对该地区进行研究，并借用喀斯特一词作为石灰岩地区一系 列作用过程的现象的总称，到 1966 年我国第二次喀斯特学术会建议将“喀 斯特”一词改为“岩溶”。所以，喀斯特地貌亦称岩溶地貌。

2、岩溶地形的地面往往是石骨嶙峋、奇峰林立，地表崎岖不平，地下洞 穴交错，地下河发达，有特殊的水文网。我国石灰岩分布面积约有 130 万 平方公里，广西、贵州等省都有典型的岩溶地貌。我国的岩溶无论是分布 地域还是气候带，以及形成时代上都有相当大的跨度，使得不同地区岩溶 发育各具特征。但无论是何种类型岩溶，其共同点是：由于岩溶作用形成 了地下架空结构，破坏了岩体完整性，降低了岩体强度，增加了岩石渗透 性，也使得地表面强烈地参差不齐，以及碳酸盐岩极不规则的基岩面上发 育各具特征的地表风化产物红粘土，这种由岩溶作用所形成的复杂地基 常常会由于下伏溶洞顶板坍塌、土洞发育大规模地面塌陷、岩溶地下水的 突袭、

3、不均匀地基沉降等，对工程建设产生重要影响。在岩溶地貌地区， 地表水系比较缺乏，影响农业生产。近年来，我国岩溶地貌的许多地方开 辟为旅游胜地，如广西的桂林山水、云南的路南石林甘肃武都的万象洞等 都很有名。 土洞是岩溶地区的一种特殊的不良地质现象，是覆盖型岩溶区在特定 的水文地质条件作用下，基岩面以上的部分土体随水流迁移携失而形成的 土洞和洞内塌落堆积物，并引起地面变形破坏的作用和现象。 土洞对地面工程设施的不良影响，主要是土洞的不断发展而导致地面 塌陷，对场地和地基都造成危害。由于土洞较之岩溶洞穴来说，具有发育 速度快，分布密度大的特点，所以它往往较溶洞危害大得多。土洞及由此 引起的地面塌陷严重

4、危害工程建设安全，是覆盖型岩溶区的一大岩土工程 问题。 岩溶场地可能发生的岩土工程问题有如下几个方面： (1)地基主要受压层范围内，若有溶洞、暗河等存在，在附加荷载或振 动作用下，溶洞顶板坍塌引起地基突然陷落。本章重点：本章重点：本章介绍了不良地质作用和地质灾害的基本知识，包 括岩溶与土洞、崩塌和滑坡、泥石流、场地和地基的地震效应。重点 为不良地质作用和地质灾害的勘察要求。 学习要求：学习要求：通过学习，要明确不良地质作用和地质灾害的形成条 件、类型和特点,掌握勘察要点及方法，并结合实际预测其危害并提出 预防和处理的措施，保证工程建筑和生命财产的安全。(2)地基主要受压层范围内，下部基岩面起伏

5、较大，上部又有软弱土体 分布时，引起地基不均匀下沉。 (3)覆盖型岩溶区由于地下水活动产生的土洞，逐渐发展导致地表塌陷， 造成对场地和地基稳定的影响。 (4)在岩溶岩体中开挖地下洞室时，突然发生大量涌水及洞穴泥石流灾 害。从更广泛的意义上，还包括有其特殊性的水库诱发地震、水库渗漏、 矿坑突水、工程中遇到的溶洞稳定、旱涝灾害、石漠化等一系列工程地质 和环境地质问题。 二、溶蚀作用二、溶蚀作用 （一）溶蚀作用机理 溶蚀作用是指水通过化学作用对矿物和岩石的破坏作用。化学作用主 要有溶解、水解、水合、碳酸化及氧化等。其中水对可溶岩的溶解和水解十分普遍，即使在纯水中，一部分水分子也常离解成 H+离子和

6、OH-离子， 使水具有酸性或碱性反应，其化学活动性很强。OH-离子很容易夺取盐类 矿物中的 K+，Na+，Ca+和 Mg+等阳离子，促使矿物结构破坏，分解为单个 离子或分子扩散于水中。实际上自然界中的各种水体如雨水、河、湖或地 下水都不是纯水，而是含有酸类如碳酸、硫酸、硝酸等的水溶液，它们都 会加速岩石的破坏，特别是碳酸对石灰岩的碳酸化作用就更为普遍。原因 是大气中的 CO2与水化合后即成为碳酸： CO2H2OH2CO3 （8- 1）碳酸电离后产生 H+和 HCO3-离子即： H2CO3H+HCO3- （8- 2） 当 H+与石灰岩（CaCO3）作用时，H+从 CaCO3中离解出 CO2-3，

7、结合 成 HCO-3，从而分解出 Ca2+，CaCO3也就溶解于水即：CaCO3 CO2H2OCa2+2HCO-3 （8- 3） 可溶岩的溶蚀结果：一是所有组分全部溶解，即称为“全溶解”，例如 对质纯的石灰岩溶解；二是只有部分组分溶解，称为“不全溶解”，如对含 有杂质的石灰岩溶解，包括泥质石灰岩、硅质石灰岩和铁质石灰岩等。不 溶或难溶的物质会残留在岩石表面或裂隙中，阻碍溶解作用。 此外，由硫化铁氧化时产生的硫酸，生物活动或死亡后分解而产生的 有机酸，闪电时产生的二氧化氮溶入水后形成的硝酸等强酸类，对石灰岩 都会产生强烈的溶蚀，如式： CaCO3H2SO4CaS4CO2H2O （8- 4） Ca

8、CO32HNO3Ca（NO3）2CO2H2O （8- 5） CaCO3CH3COOH（CH3COO）2CaCO2H2O （8-6） （二）影响溶蚀作用的主要因素溶蚀作用能否进行及其溶蚀速度主要受水的溶蚀力、岩石的可溶性及 岩石的透水性等因素影响。 1.水的溶蚀能力。 水的溶蚀力取决于水的化学成分、温度、气压、水的流动性及流量等方 面。 （1）水的化学成分。水含酸类是岩石溶蚀的关键，而酸的含量多少则 影响岩石的溶蚀速度，酸的含量越高，溶蚀力也越强。酸的来源除了少部 分来自矿物的分解和生物活动而直接产生之外，大多数是由大气中的 CO2 溶入水中而成，CO2对岩石的溶解起着重要作用。 （2）水的温度

9、。水中 CO2的含量与温度成反比，一般温度越高，CO2 的含量越少，温度越低，CO2的含量越多。温度高的水，CO2的含量虽然 减少了，但水分子的离解速度加快，水中 H+和 OH-离子增多，溶蚀力反而 得到加强。据测验气温每增加 10，水的化学反应速度增加一倍，故高温 地区的岩溶速度较快。 （3）气压的影响。气压会影响水中的 CO2的含量，一般大气中 CO2 的含量占空气体积的 0.03，因此在自由大气下，空气中 CO2的分压力 PCO20.0003 大气压。水中 CO2的含量与气压成正比，在温度条件不变的 情况下，局部分压力越高，水中 CO2的含量也越多，CaCO3的溶解度也越 大。 （4）水

10、的流动性及流量。经常流动的水体，能较大地提高水的溶蚀 力，原因：流动的水处于开放系统，从降水（补给）地表水及地下水 （流动）排泄过程中，水经常与空气保持接触，能不断地补充因溶蚀岩 石所消耗的 CO2，使水体不易达到饱和。由于地球上的热带、亚热带地区 雨量多，雨期长，水流量大和水的循环快，加上气温高及生物作用强，所 以 CaCO3溶蚀量比其他降水量少的寒、温带与干旱地区大。处于流动状 态的水，有时虽然达到饱和，但当几种不同浓度的饱和溶液混合后，可变 为不饱和而重新获得溶蚀能力，这种混合溶液的溶蚀现象有三种：一是温 度相同，但 CaCO3含量不同的两种饱和溶液混合，变成不饱和溶液的溶蚀， 称为“浓

11、度混合溶蚀”；二是 CaCO3含量相同，但温度不同的两种饱和溶液， 混合变成不饱和溶液的溶蚀，称为“温度混合溶蚀”；三是海岸带的淡水与 咸水混合，由于海水渗入，使混合水中的镁离子大增，当它的含量增加到 大于 10时，造成异离子效应，从而提高钙离子的溶解度，使混合水溶蚀 石灰岩。如墨西哥的尤卡坦，测得混合水对石灰岩的溶蚀力为 120 毫克/升， 我国海南岛岸礁及南海珊瑚礁岛上的“礁塘”地貌，其生成亦与此有关。此 外有些 CaCO3饱和溶液，因温度降低，使 CO2含量增加而变为不饱和溶液 的溶蚀，称为“冷却溶蚀”。 2.岩石的可溶性。 岩石的可溶性是岩溶地貌发育的最基本的物质条件，可溶性主要取决

12、于岩石的化学成分与岩石结构。可溶岩按化学成分可分为三大类：即卤盐 类如钾盐、石盐；硫酸盐类如硬石膏、石膏、芒硝等；碳酸盐类如石灰岩 和白云岩等。在三类岩石之中，溶解度最大的是卤盐类，其次是硫酸盐类， 最小是碳酸盐类。但地球上卤盐类和硫酸盐类岩石分布不广，厚度小，加 上溶解速度快，地貌不易保存，故地貌意义不大。碳酸盐类岩石溶解度虽小，但分布广，岩体大，地貌保存较好，所以最有地貌意义，世界上绝大 多数岩溶地貌都发生在该类岩石中，特别以石灰岩为突出。 但碳酸盐岩类中，又因 CaCO3含量不同而溶解度也有较大的差别。一 般来说，CaCO3的含量越高，其他杂质（如 MgO,A12O3，SiO2，Fe2O

13、3等） 含量越少的岩石，其溶解度就越大。因此碳酸盐岩石的溶蚀强度顺序为： 质纯的石灰岩白云岩硅质石灰岩泥质石灰岩。 岩石的结构与溶解度有密切关系，试验表明，结晶的岩石，晶粒越小， 溶解度也越大，隐晶质微粒结构的石灰岩相对溶解度为 1.12，而中、粗粒 结构为 0.32，比前者少 2.5 倍。此外，不等粒结构的石灰岩比等粒结构石 灰岩的相对溶解度大。 3.岩石的透水性。 岩石的透水性对岩石的溶蚀速度和地下岩溶的发育有着重大影响。透 水性不良的岩石，溶蚀作用只限于岩石表面，很难深入岩石内部。透水性 好的岩石，地表和地下溶蚀都很强，地貌发育也好。透水性强弱取决于岩 石的孔隙和裂隙大小和多少。按孔隙及

14、裂隙的生成先后，可分出原生透水 性与次生透水性二种，其透水性能差别较大。 原生透水性指在成岩时生成的孔隙及裂隙与其所产生的透水性能。在 碳酸盐岩石中，除由生物遗体造成的岩石（如白垩岩、珊瑚礁）孔隙度较 大（孔隙度 4070）之外，一般结晶的石灰岩孔隙度都很小，只在 3 以下，所以透水性都较弱。 次生透水性指岩石生成后，由于构造运动、风化和侵蚀作用而成的裂 隙所产生的透水性能。其中由构造运动形成的张裂隙、断层裂隙和减荷裂 隙等对透水性影响最大，它们明显地控制着岩石的透水性。此外，溶蚀作 用本身也不断地改变着次生透水性，例如由溶蚀所成的管道、洞穴和溶隙 等地貌，它们极大地扩大了透水空间，增加了透水

15、性，从而加强了岩石的 溶蚀。这是地貌结果对地貌作用的一种正反馈。相反，如果堆积作用加强， 透水空间缩小，透水性则受到削弱，造成了一种负反馈。 三、土洞与潜蚀三、土洞与潜蚀 土洞因地下水或者地表水流入地下土体内，将颗粒间可溶成分溶滤， 带走细小颗粒，使土体被掏空成洞穴而形成。这种地质作用的过程称为潜 蚀。当土洞发展到一定程度时，上部上层发生塌陷，破坏地表原来形态， 危害建（构）筑物的安全和使用。 （一）土洞的形成条件 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

16、。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，从而 使颗粒分离和散开，为机械潜蚀创造条件。 （二）土洞的类型根据我国土洞的生长特点和水的作用形式，土洞可分为由地表水下渗 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。 1.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