岩溶的工程地质问题ppt课件

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1、岩 溶 的 工 程 地 质 问 题 第 四 节 岩 溶 地 基 稳 定 性 问 题主 要 内 容第 一 节 概 述第 二 节 岩 溶 发 育 的 基 本 条 件 和 规 律 第 三 节 岩 溶 区 水 库 渗 漏 问 题 石林 坡立谷 溶洞 孤峰溶洞坡立谷 漓 江 胜 景 九 马 图峰丛 漓 江 胜 景 螺 蛳 峰峰丛 阳 朔 胜 景 月 亮 洞 石钟乳 暗河 第 一 节 概 述 一、定义 岩溶(karst，因南斯拉夫西北部喀斯特高原最典型，故名 )：水（包括地表水和地下水）对可溶性岩石进行的以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现象的总称。 岩溶作用：以化学溶蚀为主，

2、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。 1、 形 成 独 特 的 地 貌 大 的 地 貌 形 态 ： 峰 丛 ； 峰 林 ； 孤 峰 ； 溶 蚀 平 原 ； 干谷 地 表 形 态 石 林 、 石 笋 、 峰 林 、 孤 峰 。 溶 沟 、 落 水 洞 、 漏 斗 。 地 下 形 态 ： 溶 洞 、 溶 隙 、 暗 河 。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 及 不 均 匀性 增 大 等 。 岩 溶 现 象 ： 洞 内 奇 观

3、 石 钟 乳 石 幔 自 下 向 上 生 长 的 是 石 笋 ， 从 上 往 下 生长 的 是 石 钟 乳 。 石 笋 和 石 钟 乳 是 怎 样形 成 的 ？u溶洞都分布在石灰岩组成的山地中，石灰岩的主要成分是碳酸钙，当遇到溶有二氧化碳的水时，会反应生成溶解性较大的碳酸氢钙；溶有碳酸氢钙的水遇热或当压强突然变小时，溶解在水里的碳酸氢钙就会分解，重新生成碳酸钙沉积下来，同时放出二氧化碳。 渗流水中碳酸钙沿溶洞壁或倾斜的洞 顶向下沉淀成层状堆积而成,因形如布幔而得名,又称石帘、石帷幕。 贵 州 省 毕 节 县 的 织 金 洞 ， 原 名 打 鸡 洞 。 位 于 县 城 东 北 23公 里 处 织

4、 金 洞 是 一 个 多 格 局 、 多 层 次 、 多 类 型 的 高 位 旱 洞 ，洞 内 岩 溶 生 长 独 特 ， 景 物 规 模 宏 大 ， 雄 伟 壮 观 ， 千 姿 百 态 ，精 妙 绝 伦 。 全 洞 初 勘 长 12.1公 里 ， 面 积 达 70平 方 米 ， 两 壁最 宽 处 173米 ， 垂 直 高 度 多 在 50至 60米 ， 最 高 处 达 150米 。洞 内 空 间 开 阔 ， 地 形 起 伏 迭 宕 ， 岩 溶 堆 积 物 达 40多 种 ， 囊括 了 世 界 溶 洞 所 有 的 形 态 类 别 。 “天坑”是岩溶(又称“喀斯特”)地区地下河运行形成大面积塌陷

5、造成的，它与常说的“岩溶漏斗”不同，岩溶漏斗一般是斜坡，上宽下窄，天坑则是四壁岩石峭立，深度百米至数百米以上，犹如一个巨大无比的“桶”。这个“桶”，口径从近百米至数百米不等，容积从10万立方米至1亿立方米以上。天坑形状奇特，地处僻壤，坑上坑下林木葱郁，如果能进入“桶”底，更觉神奇。天坑在国内外均有发现。我国重庆开隆县、奉节县，四川兴文县，广西乐业县、巴马县等地都先后发现了天坑，当地人分别称其为“石围”、“石院”、”岩湾”、“漩坑”、“龙缸”等，国外说法也不一样，一般称为G reat doline(大漏斗)。我国有关专家认为称其为“天坑”最确切，故取名为“岩溶天坑” ，简称“天坑”。 二 、 我

6、 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K m2为可溶岩。 岩 溶 在 我 国 分 布 广 泛 ， 我 国 碳 酸 盐 分 布 面 积 334万 K m2 ， 约占 国 土 面 积 的 36%。 广 西 的 桂 林 、 云 南 的 石 林 ， 这 些 奇 观 都 发 育 在 碳 酸 盐 岩 地区 ； 广 西 碳 酸 盐 岩 出 露 的 面 积 占 全 区 面 积 的 60 ， 贵 州 和 云南 东 部 碳 酸 盐 岩 分 布 的 面 积 占 该 地 的 总 面 积 50 以 上 ， 整 个西 南 地 区 石 灰 岩 地 区 联 成 一 片 ， 面 积

7、共 550000km 2， 占 全 国的 13.2%。 岩 溶 地 区 ， 地 下 存 在 大 量 的 空 洞 ， 所 以 进 行 水 库 修 建 要 防止 渗 透 ， 在 开 凿 隧 道 和 建 设 矿 井 时 要 注 意 涌 水 、 排 水 问 题 ；在 建 设 铁 路 、 桥 梁 和 厂 房 时 要 注 意 地 基 的 塌 陷 问 题 。 我国南方地区化学作用为主，地貌景观以石芽、峰丛、峰林，大峡谷，溶洞等为特色。 云台山位于河南省修武县 我国北方地区气温低，溶蚀速度要慢很多，水不是参与作用的主要原因，而是以断裂、崩塌等物理因素为主的破坏。 三 、 岩 溶 工 程 地 质 研 究 的 意

8、 义u 一方面，岩溶地区形成优美的自然风景。充分利用岩溶洞穴作为地下工程等。u 另一方面，生态环境脆弱，水旱及地质灾害频繁发生。在该地区进行工程建设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。主要有：岩溶渗漏，引发地区塌陷，造成坑道涌水、突水、滑落。 据广西39个岩溶山地县统计，在已建的260座大水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于80者）有92 座。 1.水 利 水 电 工 程 2.道路工程我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷376处，近十年间中断车1860小时，颠覆列车3次。 3.地 下 工 程 自 1977年 至 今 ， 武 汉 地 区 先 后 发 生 6次 岩 溶 地 面 塌

9、陷 ：1977年 ， 汉 阳 中 南 轧 钢 常 堆 料 场 塌 陷 ；1988年 ， 武 昌 陆 家 街 塌 陷 和 阮 家 巷 塌 陷 ；1999年 ， 毛 坦 村 小 学 塌 陷 ；2000年 2月 ， 武 昌 司 法 学 校 塌 陷 ；2000年 4月 ， 青 菱 乡 烽 火 村 塌 陷 。4.工民建 一 .喀 斯 特 发 育 的 基 本 条 件 第 二 节 岩 溶 发 育 的 基 本 条 件 和 规 律 可 溶 性 岩 石 的 存 在 是 岩 溶 形 成 的 物 质 基 础 。 水 的 溶 蚀 性 是 岩 溶 发 育 的 必 要 条 件 1、 碳 酸 盐 岩 岩 性 的 影 响 碳

10、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 ： 灰 岩 、 白 云 岩 、 白 云 质 灰 岩 、 硅质 灰 岩 、 泥 质 灰 岩 等 。二 .岩 溶 发 育 影 响 因 素 2、 气 候 的 影 响1.降 水 的 影 响 ： （ 1） 水 直 接 参 与 岩 溶 作 用 ， 充

11、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 CO2的 溶 解 度 减 小 ， 不 利 于岩 溶 作 用 。 一 般 ， 水 温 升 高 20 30C， 溶 于 水 中 的CO2减 少 一 半 。 但 随 着 温 度 的 增 高 ， CO2扩 散 速 度 增加 。 （ 2） 温 度 升 高 ， 生 物

12、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 10C， 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 如溶蚀速度： 广西：0.12-0.13mm/a ； 湖北

13、：0.06mm/a ； 河北：0.02-0.03mm/a 。岩溶形态差别：v 广西副热带溶蚀为主，地表地下岩溶充分强烈，形态诸全；v 湖北、湖南、四川等地 岩溶发育，以溶丘、溶洞、漏斗为特征。v 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。 3、 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：v 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。v 地形平缓地貌较之地形较陡地貌，地表径流缓慢，入

14、渗量较大，有利于岩溶发育。v 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。 v 地形高差大大影响地下水补、排条件，影响岩溶发育的深度。 4、 地 质 构 造 的 影 响1.断裂的影响u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。u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。u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。u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

15、。 2.褶皱的影响u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。u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。 三 .岩 溶 发 育 的 规 律岩溶发育随着深度的变化岩溶发育的不均匀性岩溶发育的阶段性与多代性溶洞的成层性岩溶发育的地带性 第 三 节 岩 溶 区 水 库 渗 漏 问 题 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

16、 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 。 一 、 渗 漏 的 形 式按 渗 漏 通 道 分 类 裂 隙 分 散 渗 漏 管 道 集 中 渗 漏 1.查 明 岩 溶 发 育 、 分 布 规 律 重 点 查 明 溶 洞 、 暗 河 的 展 布 位 置 、 规 模 等 ， 进行 岩 溶 泉 水 流 量 、 高 程 调 查 ， 确 定 通 道 的 位 置 及 可能 影 响 程 度 。 地 面 调 查 ， 地 球 物 理 勘 探 ， 连 通 试 验 (荧 光 示踪 剂 ， 放 射 性 同 位

17、素 ， 盐 等 )， 钻 探 等 。二、岩溶渗漏条件分析 2.分 析 地 质 条 件（ 1） 岩 层 组 合 ： 当 夹 有 非 可 溶 岩 地 层 时 ， 可 借 助 该 层 防 止 渗 透（ 2） 地 质 构 造 ： 褶 皱二、岩溶渗漏条件分析 纵 向 谷 ， 向 斜 ， 隔 水 层 起 到 封闭 作 用 ， 库 水 不 会 向 邻 岩 渗 漏 横 向 谷 ， 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 谷 ， 背 斜 ， 地 层 产 状 较 缓 ，库 水 沿 岩 溶 通 道 向 邻 岩 渗 漏 。 纵 向 谷

18、 ， 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 断 层 ： 既 可 有 利 于 渗 漏 ， 又 可 不 利 于 渗 漏 岩 体 侵 入 ： 相 对 隔 水 层 的 分 布 位 置

19、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

20、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 。 第 四 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沉降：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、溶洞等形成临空面，向临空面产生的滑动现象。 在 岩 溶 地 基

21、 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 。 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。 1、 潜 蚀 作 用u潜蚀论是1898年俄国学者巴浦洛夫提出的，在国内外地质界长期被接受并加以应用。u在覆盖型岩溶区，下伏存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时，水力梯度增大)。在一定的水压力作用下，地下水对土

22、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。 二 、 地 基 塌 陷 的 成 因 2 真空吸蚀效应 真空吸蚀论是我国徐卫国等于1979年提出的，国内也普遍接受这一论点。 岩溶网络的封闭空腔（溶洞或土洞）中，当地下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时，地下水由承压转为无压，空腔上部便形成低气压状态的真空，产生抽吸力，吸蚀顶板的土颗粒。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。 二 、 地 基 塌 陷 的 成 因 3

23、 压强差效应 压强差是指岩溶空腔与松散介质（或土洞）接触面上下侧水、气流体，因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值.4 自重效应 雨水入渗后，盖层饱和容重比干容重一般增加30%40%。使土拱承受更大的重量，导致塌陷。5 浮力效应 岩土体位于地下水位之中，当地下水位下降时，除产生压强差效应外，土体的浮托力也随之减小，产生塌陷。 二 、 地 基 塌 陷 的 成 因 6 土体强度效应 土体吸水饱和后，土体抗剪强度降低，土拱抗塌力减小，产生塌陷。7 其他效应 振动效应 荷载效应 酸液效应 二 、 地 基 塌 陷 的 成 因 产 生 塌 陷 主 要 与 以 下 条 件 有 关 ：1、覆盖层厚度：覆盖层薄

24、，易于塌陷且形成时间短; 覆盖层厚,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，土体含水量达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 、 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

25、 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 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 桩 基 础 ， 或 采 取 绕 避 等 措 施 。 （ 1） 避 开 （ 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