2018巖土工程師基礎知識點：巖溶工程地質

巖溶工程地質研究

1.溶蝕相關概念

巖溶：是巖溶作用及其所產生的地貌現(xiàn)象和水文地質現(xiàn)象的總稱。亦稱喀斯特。

巖溶作用：以化學溶蝕為主，同時還包括機械破碎、沉積、坍塌、搬運等作用，是一個化學-物理相結合的綜合作用。

混合溶蝕效應：不同成分或不同溫度的水混合后，其溶蝕性有所增強，這種增強的溶蝕效應叫做混合溶蝕效應。(兩種分別已經飽和的溶液，不再具有溶蝕能力;但這兩種溶液混合以后，可以重新具有溶蝕能力。)

其他離子的作用

(1)酸效應：氫離子能與碳酸根離子結合，從而增加碳酸鈣的溶解。

(2)同離子效應：抑制巖溶作用。

(3)離子強度效應：溶液中有與碳酸鈣不相關的強電解質離子時，將使碳酸鈣的溶解度增大，從而促進碳酸鈣的溶解。

2.巖溶發(fā)育的基本條件及影響因素

條件：

(1)具可溶性巖石;

(2)具溶蝕能力的水;

(3)具良好的水的循環(huán)交替條件，即具有良好的地下水的補給、徑流和排泄條件。

影響因素：

一、碳酸鹽巖巖性的影響：

方解石含量越高， KV(比溶蝕度)越大;反之白云石含量越高，Kv 越小。酸不溶物含量越高，Kv 越小。

二、氣候的影響：

降水：① 水直接參與巖溶作用，充足的降水是保證巖溶作用強烈進行的必要條件。

② 水是溶蝕作用的介質和載體，充足的降水保證了水體的良好的循環(huán)交替條件，促進巖溶作用的強烈進行。

氣溫：① 氣溫升高，生物新陳代謝加快，土壤中有更多的CO2 富集，但水中的CO2 的溶解度減小，不利于巖溶作用。

② 氣溫升高，溶蝕速率增大，有利于巖溶作用?？傮w上：氣溫升高有利于巖溶作用的進行。溫熱潮濕的熱帶、亞熱帶地區(qū)：巖溶作用較強烈;高寒干燥的極地、寒帶地區(qū)：巖溶現(xiàn)象不發(fā)育。

三、地形地貌的影響：

① 平坦地區(qū)：地表徑流弱，入滲強烈，有利于巖溶發(fā)育。

② 陡峭地區(qū)：地表徑流強烈，入滲弱，不利于地下巖溶發(fā)育。

③ 突起地區(qū)：地下水位深，包氣帶厚度大，垂直巖溶發(fā)育。

④ 低洼地區(qū)：地下水位淺，匯水地帶，巖溶發(fā)育強烈，以水平巖溶為主。

四、地質構造的影響：

斷裂的影響：

① 沿斷裂面巖溶發(fā)育強烈

② 各組破裂面相互交織、延伸進而控制了巖溶發(fā)育的形態(tài)、規(guī)模、速度和空間分布。

③ 各種破裂面相互交織，使地下水混合溶蝕效應明顯，促進巖溶發(fā)育。

褶皺的影響：

① 褶皺的不同部位，裂隙發(fā)育不均勻，巖溶強度不同。核部比翼部發(fā)育。

② 大型褶皺控制了可溶巖的空間分布和地下水匯水范圍及徑流條件，影響著巖溶的發(fā)育。

巖層組合的影響：

① 厚而純的碳酸鹽巖：Ⅰ. 包氣帶：多發(fā)育垂直巖溶形態(tài)。Ⅱ. 地下水季節(jié)變動帶：兩方向巖溶均發(fā)育。Ⅲ. 飽水帶：規(guī)模大、連續(xù)性好的水平巖溶。Ⅳ.深循環(huán)帶：巖溶不很發(fā)育。

② 碳酸鹽巖夾非可溶性巖層。

③ 非可溶性巖層與碳酸鹽巖互層：在同一時期，巖溶呈多層發(fā)育。

④ 非可溶性巖層夾碳酸鹽巖：巖溶發(fā)育極弱。

五、新構造運動的影響：

地殼運動的性質、幅度、速度和波及范圍，控制著水循環(huán)交替條件及其變化趨勢，從而控制著巖溶發(fā)育的類型、規(guī)模、速度、空間分布及巖溶作用的變化趨勢。

① 上升期：侵蝕基準面相對下降，地下水位逐漸下降，側向巖溶不發(fā)育，規(guī)模小而少見，分帶現(xiàn)象明顯，以垂直形態(tài)的巖溶為主。

② 平穩(wěn)期：侵蝕基準面相對穩(wěn)定，溶蝕作用充分進行，分帶現(xiàn)象明顯，側向巖溶規(guī)模大，巖溶地貌較明顯典型。

③ 下降期：常形成覆蓋型巖溶，地下水循環(huán)條件變差，巖溶作用受到抑制或停止。

④ 間歇性上升：形成水平溶洞成層分布，高程與階地相對應。

⑤ 振蕩升降：巖溶作用由弱到強，由強到弱反復進行，形成以垂直形態(tài)的巖溶為主，水平溶洞規(guī)模不大，而且成層性不明顯。

⑥ 間歇性下降：巖溶多被埋于地下，規(guī)模不大，但具成層性，洞穴中有松散物充填。

3.巖溶滲漏的類型、影響因素及水庫滲漏的研究內容

類型：

按滲漏通道分類：裂隙分散滲漏、管道集中滲漏。

按庫水漏失的特點分類：暫時性滲漏、永久性滲漏。

影響因素：

一、巖溶的影響

碳酸鹽巖經巖溶作用后，形成各種地下巖溶，如溶隙、溶洞、暗河等，使巖體的透水性加大，常構成水庫滲漏的主要通道。巖溶發(fā)育程度是決定滲漏通道大小的根本因素。

二、地質構造的影響

滲漏通道的連通性主要決定于地質構造的特點，同時褶皺和斷層對巖溶滲漏通道的影響十分復雜。

三、河谷區(qū)水文地質特征的影響

(1)補給型 兩岸地下水或兩岸地下水及鄰谷河水均勻補給建庫河流。

(2)排泄型 建庫前河水補給地下水，建庫后肯定會產生庫水永久滲漏。

(3)懸托型 因深成巖溶發(fā)育而形成區(qū)域性地下水位不斷下降，在這種河谷中修建水庫時，將沿整個庫底產生垂直滲漏，應盡量避免在懸托型河谷段修壩建庫。

水庫滲漏的研究內容

(1)查明巖溶發(fā)育、分布規(guī)律、重點查明溶洞、暗河的展布位置、規(guī)模等，進行巖溶泉水流量、高程調查，確定通道的位置及可能影響程度。

(2)分析地質條件

①巖層組合：當夾有非可溶巖地層時，可借助該層防止?jié)B透。

②地質構造：

褶皺： 縱谷：與河流所處褶皺的部位有關。

橫谷：修水庫不剎，但充分剎用隔水層，可能防止壩區(qū)滲漏。

斜交谷：具體分析。

斷層：既可有利于滲漏，又可不利于滲漏 。

巖體侵入：相對隔水層的分布位置。

(3)查明河間地塊的水文地質條件

①補給型：滲漏與否視蓄水后庫水位與地下水位的補給關系而定。若建庫后仍為補給型，不永久滲漏。若建庫后為排泄型，則滲漏。

②排泄型：建庫后肯定會產生永久滲漏。

③懸托型：一定滲漏。

4.巖溶區(qū)選擇庫壩位址的原則

(1) 在查明地層巖性、地質構造、水文地質條件和巖溶發(fā)育規(guī)律的基礎上，選擇良好的庫壩位置，切

忌單純以地形條件及工程要求選址，應預計和避免嚴重工程地質問題所帶來的后患。

(2) 中小型水庫的投資及防滲處理技術有限，應避免在懸托型及排泄型河谷上筑壩建庫。

(3) 在橫向河谷中選擇壩址時，一定要充分利用相對隔水層的天然防滲作用，選擇厚度較大，分布較

穩(wěn)定，傾向上游的隔水層為壩基。

(4) 若壩址選在溶洞泉或暗河口的上游河段時，應查明庫水與溶洞泉或暗河連通的可能性。在這種條件下壩址宜建在溶洞泉或暗河出口的下游河段處，以免滲漏及其它后患。

(5) 利用巖溶發(fā)育規(guī)律，來選擇庫壩位址及控制工程規(guī)模。

5.巖溶滲漏的防治措施

主要有兩個大方面的防治措施：一是降低巖體的透水性，截斷滲漏的通道;二是合理導水導氣。

(1)灌漿：借助鉆孔向地下滲漏通道灌注水泥、瀝青、粘土漿液，充填巖體中的洞穴、裂隙，以降

低巖體的透水性，形成灌漿帷幕，達到防滲的目的。

(2)鋪蓋：在壩上游或水庫某一部位，用透水性小的粘性土或混凝土填筑成人工鋪蓋，以處理地表

附近面積較大的分散性滲漏通道。

(3)堵洞：用塊石、砂、混凝土、粘性土等材料，堵塞規(guī)模較大的巖溶洞穴，如堵塞井狀落水洞、

漏斗等。

(4)截滲：系指在地下巖溶管道的集中漏水處，用混凝土或漿砌塊石等筑成截水墻，多用于截斷水

平集中滲漏通道，這叫截水墻。要求能足以承受地下水的水頭壓力。

(5)疏導：修建自動啟閉閘門、煙囪式調壓井、臥管式調壓井。

6.巖溶地基變形破壞的主要形式

(1)地基承載力不足：在覆蓋型巖溶區(qū)，上覆松軟土強度較低，或建筑荷載過大，引起地基發(fā)生剪切

破壞，進而導致建筑物的變形和破壞。

(2)地基不均勻下沉：覆蓋型巖溶區(qū)，下伏石芽、溶溝、落水洞、漏斗等造成基巖面的較大起伏，當

其上部有性質不同、厚度不等的粘性土分布時，在建筑物附加荷載作用下，產生地基不均勻下沉，從而導致建筑物的傾斜，開裂、傾倒及破壞。

(3)地基滑動：在裸露型巖溶區(qū)，當基礎砌置在溶溝、溶隙、落水洞、漏斗附近時，有可能使基礎下

巖體沿傾向臨空的軟弱結構面產生滑動，進而引起建筑物的破壞

(4)地表塌陷：地基主要受力層范圍內，如有溶洞、暗河、土洞等時，在自然條件下，或因建筑物的

附加荷載、抽排地下水等因素作用，產生洞頂坍塌，引起地面沉陷、開裂，以至使地基突然下沉，形成地表塌陷，進而導致建筑物的破壞。

7.巖溶塌陷的特征及其形成機理(潛蝕論、吸蝕論)

特征：

根據(jù)我國大量的實例分析，地表塌陷的分布具有以下特征。

(1)地表塌陷在裸露型巖溶區(qū)極為少見，主要分布在復蓋型巖溶區(qū)。當松散覆蓋層的 厚度較小時地表塌陷比厚度大時要嚴重。一般說，覆蓋層厚度小于10m者塌陷嚴重，厚度 大于30m者塌陷極少。

(2)地表塌陷多發(fā)生在:&溶發(fā)育強烈的地區(qū)，如在斷裂帶附近、褶皺核部、硫化礦床 的氧化帶、礦體與碳酸鹽巖接觸部位等。

(3)在抽、排地下水的降落漏斗中心附近，地表塌陷最為密集。

(4)地表塌陷常沿地下水的主要徑流方向分布。

(5)在接近地下水的排泄區(qū)，因地下水位變化受河水位的變化頻繁而強烈，故地表塌 陷亦較強烈。

(6)在地形低洼及河谷兩岸平緩處易于塌陷。

形成機理：

(1)潛蝕論：在覆蓋型巖溶區(qū)，由于下部碳酸鹽巖巖溶發(fā)育，存在落水洞、溶隙、溶洞等地下水的良好通道，當天然或人為原因使地下水位大幅度下降時，則地下水的流速和水力梯度亦相應加大，對上覆第四紀土層和洞穴、溶隙中的充填物進行沖蝕、淘空，并將土顆粒隨水攜走，這時在與碳酸鹽巖體頂板接觸處的土層中開始形成土洞。土制的形成改變了土層中的原始應力狀態(tài)，引起洞頂?shù)奶?。在地下水不斷潛蝕及土體重力坍落作用下，土洞不斷向上發(fā)展成拱形，當土層厚度較大時可以形成天然平衡拱，土洞停止發(fā)展而隱伏于地下。當土層較薄時，土洞不能形成天然平衡拱，其頂部不斷坍落，一直達到地表，形成地表塌陷。

(2)真空吸蝕論：在相對密閉的承壓巖溶水中，由于地下水位大幅度下降，當?shù)叵滤坏陀诟采w層底板(或巖溶洞穴的表面)時，地下水由承壓轉為無壓大狀態(tài)，在地下水面與覆蓋層底板之間形成促氣壓狀態(tài)的“真空腔”(或“負壓腔”)，在真空腔內的水面如同“吸盤”一樣，強有力地抽吸著覆蓋層底板的土顆粒，使土體遭受“吸蝕掏空”，形成土洞。同時，隨著地下水位的不斷下降，因真空腔內外壓差效應不斷加劇，引起腔外大氣壓對覆蓋層表面產生一種無形的“沖壓”作用，加速了覆蓋層結構的宏觀破壞，土層強度降低，地面突然發(fā)生變形和破壞。這種由于“真空壓差”效應對上覆土層所產生的“內吸外壓”作用叫做真空吸蝕。這種作用的發(fā)生很快，有時發(fā)生于瞬間，因而形成突發(fā)型塌陷。

8.巖溶地基穩(wěn)定性評價方法(覆蓋型巖溶區(qū)、裸露型巖溶區(qū))

覆蓋型巖溶區(qū)

極限狀態(tài)時：Hk=h+Z+D

式中：Hk：極限狀態(tài)時上覆土層的厚度;h：土洞高度;D：基礎砌置深度;Z：基礎底板以下建筑荷載

的有效影響深度;

(1)當H>Hk 時，地基是穩(wěn)定的。

(2)當H

(3)當H

9.巖溶地基的處理措施

主要從三個方面處理：一是提高巖體抗壓強度;二是提高地基的抗剪強度;三是增強壩基巖體抗?jié)B透能力。這三方面的處理措施則可分別概括為：溶蝕洞隙發(fā)育——挖、填、換、跨蓋;地基不穩(wěn)——錨、固、嵌、樁基;滲透變形——鋪、截、灌。

(1)挖填：當洞穴埋藏不深時，可挖除其中的軟弱充填物，回填碎石、灰土、混凝土等，以增強地基

強度。當基礎下溶洞埋藏不深，其頂板又不穩(wěn)定時，可炸開頂板，挖除充填物，回填碎石等。粘性土地基局部有石芽突出時，可將石芽鑿去，回填素土，以調整地基變形。

(2)跨蓋：當基礎下有小溶洞、溶溝，落水洞時，可采用鋼筋混凝土梁板跨越;或用剛性大的平板基

礎覆蓋，但支承點必須放在較穩(wěn)定性好的巖石上：也可調整柱形基礎的柱距。

(3)灌注加固：當基礎下洞穴埋藏較深時，可通過鉆孔灌注水泥沙漿、混凝土、瀝青等，以堵填洞穴，

溶隙，提高其強度，或防止洞穴進一步坍塌。

(4)錨、嵌:提高壩基抗剪強的錨是對壩基巖體進行錨固，嵌則是增加拱壩壩端嵌入深度。

(5)樁基：當基巖頂面起伏不平，其上覆土層性質較軟弱，厚度又較大，不易清除時，可視建筑物需

要作支承樁或摩擦樁。

(6)合理疏導水氣：①供水或采礦時，抽排地下水的井孔不要過于集中，不要快速大量集中抽排地下

水，應使地下水位均勻的緩慢下降，以免形成過大的水力梯度或真空腔。②不過量開采地下水，水位下降不應低于溶洞頂面，以保持巖溶水的承壓狀態(tài)。③開采地下水的方案合理，如有多個含水層時，盡量不采上部含水層的水。④在可能形成真空腔的部位，安置通氣管，利用充氣法及時補充巖溶空腔中的氣體，破壞其真空狀態(tài)，避免形成塌陷的條件。⑤在已產生部分塌陷的地區(qū)，要采取分流措施，作好地表水截流和堵漏防滲，防止地表水及降水大量灌入地下，引起土體沖蝕，并擴大和加劇塌陷的發(fā)生。

(7)繞避：對已查明的洞穴系統(tǒng)或巨大的溶洞和暗河分布區(qū)，其穩(wěn)定條件又很差時，在布置建筑物時

宜繞避，重新選擇地質條件良好的場地。

(8)強夯：覆蓋型巖溶區(qū)上覆松軟土，通過強夯法使其壓縮性降低，強度提高，能減少或避免土洞。及塌陷的形成。當土層中存在隱伏洞穴時，可用強夯法將其破壞，以消除隱患，達到事先處理的目的。