ch3岩溶工程地质研究

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1、1,地下水知识补充,一.含水层与隔水层二.不同埋藏条件的地下水三.地下水的补给、排泄与径流,2,一.含水层与隔水层,地面以下一定深度上出现地下水面。地下水面以下是饱水带。饱水带的岩层空隙中充满了水，开发利用地下水或排出地下水，主要针对饱水带而言。 饱水带的岩层，根据其给出与透过水的能力，划分为含水层与隔水层。,3,1.含水层,指能够给出并透过相当数量水的岩层。 含水层不但储存有水，而且水可以在其中运移。,4,2.隔水层,指那些不能给出并透过水的岩层，或者这些岩层给出与透过水的数量是微不足道的。 在含水层与隔水层之间很难划出一条截然的界线，它的划分是相对的。,5,1.包气带与饱水带,从地面向下挖

2、井时可以看到：井的上部往往是干燥的，含水很少；向下岩石逐步变湿，但在井中仍然没有水；再向下挖，就见到井壁及井底有水渗出，井里很快出现水面，这就是地下水面，地下水面以上称作包气带，以下称作饱水带。 饱水带以上部分，岩石空隙没有充满液态水，包含有与大气连通的气体，因此称作包气带。,6,2.潜水,地表以下，第一个具有自由表面的稳定含水层中的重力水。 潜水的水面为自由水面，称作潜水面。 潜水不承压，通常在重力作用下由位置高的地方向位置低的地方作下降运动，发生径流。,7,3.承压水,充满于两个隔水层之间的水，叫作承压水。 承压水含水层上部的隔水层称作隔水顶板。 下部的隔水层称作隔水底板。 顶、底板之间的

3、距离为含水层厚度。,8,1.地下水的补给,补给：含水层自外界获得水量的作用过程 含水层的补给来源： 大气降水 地表水：河流、海洋、湖泊、水库 凝结水 灌溉回归水 来自其它含水层的水 人工补给,9,2.地下水的排泻,排泄：含水层失去水量的作用过程。 地下水排泄方式： 泉（点状排泄） 向河流泻流（线状排泄） 蒸发（面状排泄） 一个含水层向另一个含水层排泄 人工排泄：井、钻孔、渠道,10,3.地下水的径流,地下水由补给区流向排泄区的作用过程称作径流。 除某些构造封闭的自流水盆地及地势十分平坦地区的潜水外，地下水处于不断的径流过程中。 径流是连接补给与排泄的中间环节，地下水的水量与盐量由补给区传递到排

4、泄区； 径流的强弱影响着含水层的水量与水质的形成过程。 研究地下水的径流包括： 径流方向、径流强度、径流量等,11,12,Ch3 岩溶工程地质研究,1 概述 2 碳酸盐岩的溶蚀机理 3 影响岩溶发育的因素 4 岩溶区水库渗漏问题 5 岩溶地基稳定问题 6 岩溶区环境问题,13,1 概述,定义 岩溶:地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用.这种作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总称叫作岩溶,国际上通称喀斯特(Karst).,14,岩溶作用的表现,1.形成地下和地表的各种奇特的地貌形态 2.形成特殊的水文地质现象,15,岩溶湖,16,岩溶湖形成过程,1、岩溶地区，地表上长草并

5、有沙碎石覆盖，草和沙碎石底下是很厚的一层碳酸盐类地层。 2、岩溶-碳酸盐类地层很容易受水的溶蚀，无论来自地表渗透下来的水，还是地下水，迂到此类地层都会起着溶蚀作用。 3、岩层经溶蚀后成空洞，溶蚀愈来愈严重，空洞相应就愈来愈大，大到一定程度，因承受不了地上植被与泥沙碎石的压力时，便发生溶洞崩塌。 4、崩塌后的溶洞，逐渐的积水、储水，从而形成岩溶湖。典型的岩溶湖是由碳酸盐类地层经流水的长期溶蚀所产生的岩溶,17,岩溶湖泊排列无一定方向，形状或圆形或椭圆形，有时也可呈长条形。岩溶湖一般面积不大，水深也较浅。我国岩溶湖大多分布在岩溶地貌较发育的黔、桂和滇等省（区）。,18,草海,贵州省咸宁的草海，它原

6、是一个构造下陷而成的盆地，早期的湖泊大约形成于15万年以前，当时湖面面积达90km2以上。此后，湖面开始收缩，大约距今12000年前，湖面缩小到60km2；至距今约5900年前，湖面又缩小至30-40km2；大约距今2000-4000年间，因湖水从地下暗河流出，湖泊消亡。据史料记载，明洪武年间“诏卫兵屯兵其中”、“迄今鞠为牧草，郡民牧草其中”，说明当时已成可耕可牧的坝区。19世纪50年代，草海又重现。据称“清咸丰七年（1857），七月落雨40余昼夜，山洪暴发，夹沙抱木，大部落水洞被堵，洪水无法宣泄，盆地东部被掩成湖”。因湖中滋生繁茂的水生植物，故名草海。当湖水位为海拔2170米时，水深为2-5

7、米，湖面积为45.5km2，容积为1.4108米3。草海是我国湖面面积最大的构造岩溶洞，素有高原明珠之称。,19,路南石林,素有“天下第一奇观”之称的石林风景区。位于路南县境内，距昆明市100公里，景区由大、小石林、乃古石林、大叠水、长湖、月湖、芝云洞、奇风洞7个风景片区组成。全县共有石林面积400平方公里，是一个以岩溶地貌为主体的，在国内外知名度较高的风景名胜区。,20,21,22,23,24,新疆岩溶地貌,在阿尔金山自然保护区的阿尔格山中，有一片古老的岩溶地貌，东起布喀达坂山峰，西止阿其克库勒湖，长350公里,宽2030公里，面积约1万平方公里，深藏在海拔4400米5000米的崇山峻岭之中

8、。 那一片古老的石灰岩山经过千百年的风吹雨打，溶解分化，呈现出千奇百怪的形状。林立的石峰，有的拔地而起，直插蓝天，有的像“骆驼”、“大象”、“苍龙”、“卧虎”、“笔架”、“天桥”、“庙宇”、“点将台”、“仙人掌”、“石旗杆”、“拴马桩”，维妙维肖；还有那溶沟、石芽、甬道、走廊，更是千姿百态。更有意思的是，阿尔格山的岩溶地貌，由于局部地区受到第四纪冰川的影响，形成了“静扫群山出，突兀撑青空”的角峰。保护区的岩溶地貌套叠冰川地貌，崖壁奇峭，幽谷深壑，冰川悬挂，气象万千。,25,26,地下岩溶,地下的岩溶地貌是各种溶洞，地下水中含有的碳酸钙在过饱和条件下沉积而成各种化学堆积物：从洞顶往下悬挂的叫石钟

9、乳；从洞底往上生长的叫石笋；石钟乳和石笋相接叫石柱；洞壁上的片状沉积叫石幕。,27,北京房山 石花洞景区,28,统计资料,可溶性岩石在地球上的分布以碳酸盐岩最广 我国碳酸盐岩的分布面积2*106km2,占国土面积的1/5 其中裸露于地表的约1.3*106km2,1/7 分布位置:西南,华南,华北等地.西藏,新疆等省区 四川,贵州,广西,云南,湖南,湖北等省连续分布,面积达5*105km2,是我国主要的岩溶区,29,30,31,重庆武隆芙蓉洞,32,33,深切型峡谷,34,萍乡岩溶,35,贵州黄果树瀑布,黄果树瀑布是我国最大的瀑布，地处贵州省镇宁县，为打帮河上源白水河上黄果树地段九级瀑布中的最大

10、一级瀑布。瀑布宽约20米（夏季水大时可达30米40米），从60米高处的悬崖上直泻犀牛潭 黄果树瀑布坐落在石灰岩地区，附近岩溶地貌发育，众多的岩溶洞穴内不仅有各种形态的钟乳石，且多暗河和地下瀑布。,36,37,岩溶与工程建设的关系,(1)水利水电建设中,库坝位置选择不当,岩溶洞穴导致库水渗漏 (2)隧道,地下洞库,采矿,可能遭遇岩溶突水现象 (3)地下硐室施工中遭遇巨大溶洞,必须改线 (4)覆盖型岩溶区,土洞的发育及地表塌陷对农田和建筑物的破坏,38,39,2 碳酸盐岩的溶蚀机理,岩溶营力 地下水和地表水的溶蚀和沉淀 地表水的侵蚀,剥蚀和堆积 地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀 地下水的机械

11、潜蚀,冲蚀和堆积 地下洞穴的重力崩坍,塌陷与堆积,40,一.碳酸盐岩溶蚀过程,前南学者Bogli,把石灰岩的溶蚀过程分为4个阶段 (1)与水接触的石灰岩,在偶极水分子作用下发生溶解 CaCO3 Ca2+CO32- (1)溶解很快,并立即达到平衡,41,第二阶段,(2)原溶解于水中的CO2与水的反应H2O+CO2 H2CO3 H+HCO3- (2) 这时碳酸电离的H+与CO32-化合成重碳酸根 H+CO32- HCO3- (3) 使右边的CO32-不断减少而破坏平衡,进而促使CaCO3的再度溶解,42,(1),(2)阶段最终反应,CaCO3+ H2O+CO2 Ca2+2HCO3-,43,第三阶段

12、,(3)水中溶解的CO2一部分转为化学溶解,即水中部分游离CO2与水化合成为新的碳酸(即H2O+CO2 H2CO3),并不断补充H+的消耗及促使CaCO3的溶解,44,第四阶段,水中CO2减少,必然吸收外界的CO2以便使水中CO2达到新的平衡封闭系统中:石灰岩的溶解总量取决于水中最原始的CO2含量 开放系统中:水中CO2因溶解石灰岩而减少后,可由外界不断得到补充,45,二.混合溶蚀效应,定义:不同成分的水混合后，对碳酸盐岩的溶蚀性有所增强，这种作用叫做混合溶蚀效应。 即便两种或两种以上已失去溶蚀能力的饱和水溶液，在碳酸盐岩体内相遇，混合后的溶液则变成不饱和状态，从而产生新的溶蚀作用。,2 碳酸

13、盐岩的溶蚀机理,46,岩溶发育强烈地带,凡是有利于水混合的地带，岩溶发育总是比其他地带强烈。 包括： 垂直渗入水与地下水相混合的地下水面附近 地下水面以下能使不同成分的水向它汇集的强径流带， 如断层破碎带 大的构造裂隙 溶蚀裂隙或溶蚀管道,2 碳酸盐岩的溶蚀机理,47,不同方向裂隙交汇带 地下水的排泄区 如河谷边岸的地下水与河水的混合带等处,48,三、其他离子的作用,1酸效应 任何酸所解离出的H+离子，都能与碳酸钙溶解后所形成的CO32-结合成HCO3-，从而增加碳酸钙的溶解度。 在自然界中，除了CO2溶于水所形成的碳酸外，还有各种地球化学作用和生物新陈代谢过程中所产生的各种无机酸和有机酸 。

14、,2 碳酸盐岩的溶蚀机理,49,特别是在硫化矿床氧化带中这种效应最为显著. 在某些铁细菌作用下,黄铁矿通过以下反应生成硫酸 4FeS2+15O2+14H2O 4Fe(OH)3 +8H2SO4,50,新生成的硫酸与碳酸钙相互作用,一方面加强碳酸钙的溶解,同时生成新的CO2,使水中侵蚀性CO2增加 CaCO3+H2SO4 CaSO4+H2CO3 H2CO3 H2O+CO2,51,2同离子效应,水中如溶有与碳酸盐相同的某种离子的物质，例如CaCl2，则由于Ca2+离子浓度增加，就会使碳酸钙的溶解度按质量作用定律而有所减小，从而抑制了碳酸钙的溶蚀。,52,3.离子强度效应,溶液中有与碳酸钙不相关的强电

15、解质离子时，这些离子就会以较强的吸引力吸引Ca2+与CO32-离子，实质上是使Ca2+与CO32-之间的引力有所降低。这时， Ca2+与CO32-的实际浓度超过其在纯水中的溶度积时仍不沉淀出来，亦即其溶解度有所增大，故可溶解更多的碳酸钙。,53,3 影响岩溶发育的因素,岩溶发育的基本条件（索科洛夫 1962） 具有可溶性岩石 岩石是透水的 水必须具有侵蚀性 水在岩石中应处于不断运动状态中,54,归纳为3类： 具可溶性岩石 具溶蚀能力的水 具良好的水的循环交替条件，即具有良好的地下水的补给、径流和排泄条件。 其中最为活跃而积极的是地下水的循环交替条件，它受控于气候、地形地貌、地质结构、地表非可溶

16、性岩石覆盖及植被发育条件等。,55,一、碳酸盐岩岩性的影响,1碳酸盐岩成分与岩溶发育的关系 碳酸盐岩是碳酸盐矿物含量超过50的岩石，其成分比较复杂，主要由方解石、白云石和酸不溶物（泥质、硅质等）组成。由于各组分含量不同，可构成性质不同的各种岩性。,56,碳酸盐岩分类命名,碳酸盐类岩石通常以其组分不同划分为灰岩和白云岩两大类型 岩石中所含方解石在50以上的属灰岩类 含有50以上白云石的属白云岩类 当酸不溶物含量超过10时，以实测的物质，如泥质或硅质等参与碳酸盐岩的命名 当酸不溶物大于50时为非碳酸盐类,57,碳酸盐岩详细划分和命 名,灰岩(CaCO380%,酸不溶物80%,酸不溶物10%) 泥（硅）质灰岩,58,泥（硅）质云灰岩 泥（硅）质灰云岩 泥（硅）质白云岩 泥（硅）灰岩(30%泥（硅）50%) 泥（硅）云岩 不同类型的碳酸盐岩，其溶解度相差甚大。直接影响岩石的溶蚀强度和溶蚀速度。,