岩土工程师

岩溶工程地质研究

1.溶蚀相关概念

岩溶：是岩溶作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总称。亦称喀斯特。

岩溶作用：以化学溶蚀为主，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。

混合溶蚀效应：不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀性有所增强，这种增强的溶蚀效应叫做混合溶蚀效应。(两种分别已经饱和的溶液，不再具有溶蚀能力;但这两种溶液混合以后，可以重新具有溶蚀能力。)

其他离子的作用

(1)酸效应：氢离子能与碳酸根离子结合，从而增加碳酸钙的溶解。

(2)同离子效应：抑制岩溶作用。

(3)离子强度效应：溶液中有与碳酸钙不相关的强电解质离子时，将使碳酸钙的溶解度增大，从而促进碳酸钙的溶解。

2.岩溶发育的基本条件及影响因素

条件：

(1)具可溶性岩石;

(2)具溶蚀能力的水;

(3)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。

影响因素：

一、碳酸盐岩岩性的影响：

方解石含量越高， KV(比溶蚀度)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、气候的影响：

降水：① 水直接参与岩溶作用，充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。

气温：① 气温升高，生物新陈代谢加快，土壤中有更多的CO2 富集，但水中的CO2 的溶解度减小，不利于岩溶作用。

② 气温升高，溶蚀速率增大，有利于岩溶作用。总体上：气温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;高寒干燥的极地、寒带地区：岩溶现象不发育。

三、地形地貌的影响：

① 平坦地区：地表径流弱，入渗强烈，有利于岩溶发育。

② 陡峭地区：地表径流强烈，入渗弱，不利于地下岩溶发育。

③ 突起地区：地下水位深，包气带厚度大，垂直岩溶发育。

④ 低洼地区：地下水位浅，汇水地带，岩溶发育强烈，以水平岩溶为主。

四、地质构造的影响：

断裂的影响：

① 沿断裂面岩溶发育强烈

② 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。

③ 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。

褶皱的影响：

① 褶皱的不同部位，裂隙发育不均匀，岩溶强度不同。核部比翼部发育。

② 大型褶皱控制了可溶岩的空间分布和地下水汇水范围及径流条件，影响着岩溶的发育。

岩层组合的影响：

① 厚而纯的碳酸盐岩：Ⅰ. 包气带：多发育垂直岩溶形态。Ⅱ. 地下水季节变动带：两方向岩溶均发育。Ⅲ. 饱水带：规模大、连续性好的水平岩溶。Ⅳ.深循环带：岩溶不很发育。

② 碳酸盐岩夹非可溶性岩层。

③ 非可溶性岩层与碳酸盐岩互层：在同一时期，岩溶呈多层发育。

④ 非可溶性岩层夹碳酸盐岩：岩溶发育极弱。

五、新构造运动的影响：

地壳运动的性质、幅度、速度和波及范围，控制着水循环交替条件及其变化趋势，从而控制着岩溶发育的类型、规模、速度、空间分布及岩溶作用的变化趋势。

① 上升期：侵蚀基准面相对下降，地下水位逐渐下降，侧向岩溶不发育，规模小而少见，分带现象明显，以垂直形态的岩溶为主。

② 平稳期：侵蚀基准面相对稳定，溶蚀作用充分进行，分带现象明显，侧向岩溶规模大，岩溶地貌较明显典型。

③ 下降期：常形成覆盖型岩溶，地下水循环条件变差，岩溶作用受到抑制或停止。

④ 间歇性上升：形成水平溶洞成层分布，高程与阶地相对应。

⑤ 振荡升降：岩溶作用由弱到强，由强到弱反复进行，形成以垂直形态的岩溶为主，水平溶洞规模不大，而且成层性不明显。

⑥ 间歇性下降：岩溶多被埋于地下，规模不大，但具成层性，洞穴中有松散物充填。

3.岩溶渗漏的类型、影响因素及水库渗漏的研究内容

类型：

按渗漏通道分类：裂隙分散渗漏、管道集中渗漏。

按库水漏失的特点分类：暂时性渗漏、永久性渗漏。

影响因素：

一、岩溶的影响

碳酸盐岩经岩溶作用后，形成各种地下岩溶，如溶隙、溶洞、暗河等，使岩体的透水性加大，常构成水库渗漏的主要通道。岩溶发育程度是决定渗漏通道大小的根本因素。

二、地质构造的影响

渗漏通道的连通性主要决定于地质构造的特点，同时褶皱和断层对岩溶渗漏通道的影响十分复杂。

三、河谷区水文地质特征的影响

(1)补给型 两岸地下水或两岸地下水及邻谷河水均匀补给建库河流。

(2)排泄型 建库前河水补给地下水，建库后肯定会产生库水永久渗漏。

(3)悬托型 因深成岩溶发育而形成区域性地下水位不断下降，在这种河谷中修建水库时，将沿整个库底产生垂直渗漏，应尽量避免在悬托型河谷段修坝建库。

水库渗漏的研究内容

(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。

(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： 纵谷：与河流所处褶皱的部位有关。

横谷：修水库不刹，但充分刹用隔水层，可能防止坝区渗漏。

斜交谷：具体分析。

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。

(3)查明河间地块的水文地质条件

①补给型：渗漏与否视蓄水后库水位与地下水位的补给关系而定。若建库后仍为补给型，不永久渗漏。若建库后为排泄型，则渗漏。

②排泄型：建库后肯定会产生永久渗漏。

③悬托型：一定渗漏。

4.岩溶区选择库坝位址的原则

(1) 在查明地层岩性、地质构造、水文地质条件和岩溶发育规律的基础上，选择良好的库坝位置，切

忌单纯以地形条件及工程要求选址，应预计和避免严重工程地质问题所带来的后患。

(2) 中小型水库的投资及防渗处理技术有限，应避免在悬托型及排泄型河谷上筑坝建库。

(3) 在横向河谷中选择坝址时，一定要充分利用相对隔水层的天然防渗作用，选择厚度较大，分布较

稳定，倾向上游的隔水层为坝基。

(4) 若坝址选在溶洞泉或暗河口的上游河段时，应查明库水与溶洞泉或暗河连通的可能性。在这种条件下坝址宜建在溶洞泉或暗河出口的下游河段处，以免渗漏及其它后患。

(5) 利用岩溶发育规律，来选择库坝位址及控制工程规模。

5.岩溶渗漏的防治措施

主要有两个大方面的防治措施：一是降低岩体的透水性，截断渗漏的通道;二是合理导水导气。

(1)灌浆：借助钻孔向地下渗漏通道灌注水泥、沥青、粘土浆液，充填岩体中的洞穴、裂隙，以降

低岩体的透水性，形成灌浆帷幕，达到防渗的目的。

(2)铺盖：在坝上游或水库某一部位，用透水性小的粘性土或混凝土填筑成人工铺盖，以处理地表

附近面积较大的分散性渗漏通道。

(3)堵洞：用块石、砂、混凝土、粘性土等材料，堵塞规模较大的岩溶洞穴，如堵塞井状落水洞、

漏斗等。

(4)截渗：系指在地下岩溶管道的集中漏水处，用混凝土或浆砌块石等筑成截水墙，多用于截断水

平集中渗漏通道，这叫截水墙。要求能足以承受地下水的水头压力。

(5)疏导：修建自动启闭闸门、烟囱式调压井、卧管式调压井。

6.岩溶地基变形破坏的主要形式

(1)地基承载力不足：在覆盖型岩溶区，上覆松软土强度较低，或建筑荷载过大，引起地基发生剪切

破坏，进而导致建筑物的变形和破坏。

(2)地基不均匀下沉：覆盖型岩溶区，下伏石芽、溶沟、落水洞、漏斗等造成基岩面的较大起伏，当

其上部有性质不同、厚度不等的粘性土分布时，在建筑物附加荷载作用下，产生地基不均匀下沉，从而导致建筑物的倾斜，开裂、倾倒及破坏。

(3)地基滑动：在裸露型岩溶区，当基础砌置在溶沟、溶隙、落水洞、漏斗附近时，有可能使基础下

岩体沿倾向临空的软弱结构面产生滑动，进而引起建筑物的破坏

(4)地表塌陷：地基主要受力层范围内，如有溶洞、暗河、土洞等时，在自然条件下，或因建筑物的

附加荷载、抽排地下水等因素作用，产生洞顶坍塌，引起地面沉陷、开裂，以至使地基突然下沉，形成地表塌陷，进而导致建筑物的破坏。

7.岩溶塌陷的特征及其形成机理(潜蚀论、吸蚀论)

特征：

根据我国大量的实例分析，地表塌陷的分布具有以下特征。

(1)地表塌陷在裸露型岩溶区极为少见，主要分布在复盖型岩溶区。当松散覆盖层的 厚度较小时地表塌陷比厚度大时要严重。一般说，覆盖层厚度小于10m者塌陷严重，厚度 大于30m者塌陷极少。

(2)地表塌陷多发生在:&溶发育强烈的地区，如在断裂带附近、褶皱核部、硫化矿床 的氧化带、矿体与碳酸盐岩接触部位等。

(3)在抽、排地下水的降落漏斗中心附近，地表塌陷最为密集。

(4)地表塌陷常沿地下水的主要径流方向分布。

(5)在接近地下水的排泄区，因地下水位变化受河水位的变化频繁而强烈，故地表塌 陷亦较强烈。

(6)在地形低洼及河谷两岸平缓处易于塌陷。

形成机理：

(1)潜蚀论：在覆盖型岩溶区，由于下部碳酸盐岩岩溶发育，存在落水洞、溶隙、溶洞等地下水的良好通道，当天然或人为原因使地下水位大幅度下降时，则地下水的流速和水力梯度亦相应加大，对上覆第四纪土层和洞穴、溶隙中的充填物进行冲蚀、淘空，并将土颗粒随水携走，这时在与碳酸盐岩体顶板接触处的土层中开始形成土洞。土制的形成改变了土层中的原始应力状态，引起洞顶的坍落。在地下水不断潜蚀及土体重力坍落作用下，土洞不断向上发展成拱形，当土层厚度较大时可以形成天然平衡拱，土洞停止发展而隐伏于地下。当土层较薄时，土洞不能形成天然平衡拱，其顶部不断坍落，一直达到地表，形成地表塌陷。

(2)真空吸蚀论：在相对密闭的承压岩溶水中，由于地下水位大幅度下降，当地下水位低于覆盖层底板(或岩溶洞穴的表面)时，地下水由承压转为无压大状态，在地下水面与覆盖层底板之间形成促气压状态的“真空腔”(或“负压腔”)，在真空腔内的水面如同“吸盘”一样，强有力地抽吸着覆盖层底板的土颗粒，使土体遭受“吸蚀掏空”，形成土洞。同时，随着地下水位的不断下降，因真空腔内外压差效应不断加剧，引起腔外大气压对覆盖层表面产生一种无形的“冲压”作用，加速了覆盖层结构的宏观破坏，土层强度降低，地面突然发生变形和破坏。这种由于“真空压差”效应对上覆土层所产生的“内吸外压”作用叫做真空吸蚀。这种作用的发生很快，有时发生于瞬间，因而形成突发型塌陷。

8.岩溶地基稳定性评价方法(覆盖型岩溶区、裸露型岩溶区)

覆盖型岩溶区

极限状态时：Hk=h+Z+D

式中：Hk：极限状态时上覆土层的厚度;h：土洞高度;D：基础砌置深度;Z：基础底板以下建筑荷载

的有效影响深度;

(1)当H>Hk 时，地基是稳定的。

(2)当H

(3)当H

9.岩溶地基的处理措施

主要从三个方面处理：一是提高岩体抗压强度;二是提高地基的抗剪强度;三是增强坝基岩体抗渗透能力。这三方面的处理措施则可分别概括为：溶蚀洞隙发育——挖、填、换、跨盖;地基不稳——锚、固、嵌、桩基;渗透变形——铺、截、灌。

(1)挖填：当洞穴埋藏不深时，可挖除其中的软弱充填物，回填碎石、灰土、混凝土等，以增强地基

强度。当基础下溶洞埋藏不深，其顶板又不稳定时，可炸开顶板，挖除充填物，回填碎石等。粘性土地基局部有石芽突出时，可将石芽凿去，回填素土，以调整地基变形。

(2)跨盖：当基础下有小溶洞、溶沟，落水洞时，可采用钢筋混凝土梁板跨越;或用刚性大的平板基

础覆盖，但支承点必须放在较稳定性好的岩石上：也可调整柱形基础的柱距。

(3)灌注加固：当基础下洞穴埋藏较深时，可通过钻孔灌注水泥沙浆、混凝土、沥青等，以堵填洞穴，

溶隙，提高其强度，或防止洞穴进一步坍塌。

(4)锚、嵌:提高坝基抗剪强的锚是对坝基岩体进行锚固，嵌则是增加拱坝坝端嵌入深度。

(5)桩基：当基岩顶面起伏不平，其上覆土层性质较软弱，厚度又较大，不易清除时，可视建筑物需

要作支承桩或摩擦桩。

(6)合理疏导水气：①供水或采矿时，抽排地下水的井孔不要过于集中，不要快速大量集中抽排地下

水，应使地下水位均匀的缓慢下降，以免形成过大的水力梯度或真空腔。②不过量开采地下水，水位下降不应低于溶洞顶面，以保持岩溶水的承压状态。③开采地下水的方案合理，如有多个含水层时，尽量不采上部含水层的水。④在可能形成真空腔的部位，安置通气管，利用充气法及时补充岩溶空腔中的气体，破坏其真空状态，避免形成塌陷的条件。⑤在已产生部分塌陷的地区，要采取分流措施，作好地表水截流和堵漏防渗，防止地表水及降水大量灌入地下，引起土体冲蚀，并扩大和加剧塌陷的发生。

(7)绕避：对已查明的洞穴系统或巨大的溶洞和暗河分布区，其稳定条件又很差时，在布置建筑物时

宜绕避，重新选择地质条件良好的场地。

(8)强夯：覆盖型岩溶区上覆松软土，通过强夯法使其压缩性降低，强度提高，能减少或避免土洞。及塌陷的形成。当土层中存在隐伏洞穴时，可用强夯法将其破坏，以消除隐患，达到事先处理的目的。

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