[工学]第六章岩溶工程地质研究.ppt

第六章第六章 岩溶工程地质研究岩溶工程地质研究第一节第一节 概述概述第二节第二节 碳酸盐岩的溶蚀机理碳酸盐岩的溶蚀机理第三节第三节 影响岩溶发育的因素影响岩溶发育的因素第四节第四节 岩溶区水库渗漏问题岩溶区水库渗漏问题第五节第五节 岩溶地基稳定性问题岩溶地基稳定性问题一、定义一、定义岩溶岩溶(KarstKarst)：水水对对可溶性可溶性岩石进行的以岩石进行的以化学溶蚀作用化学溶蚀作用为主的为主的综综合地质作用合地质作用以及由此产生的以及由此产生的各种现象各种现象。1.1.岩溶作用：以化学溶蚀为主，同时还包括机械破碎、沉积、坍岩溶作用：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，是一个塌、搬运等作用，是一个化学物理化学物理相结合的综合作用。相结合的综合作用。2.2.岩溶现象岩溶现象：岩溶地貌及水文、工程地质条件。如石芽、石钟乳、：岩溶地貌及水文、工程地质条件。如石芽、石钟乳、溶洞、地下暗河等。溶洞、地下暗河等。可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。第一节第一节 概述概述石钟乳、石笋、石芽石钟乳、石笋、石芽蘑菇石芽蘑菇石芽石钟乳、石笋、石芽石钟乳、石笋、石芽石林石林溶洞(地下暗河)溶洞石幕地下暗河石柱我国有超过23个省广泛发育岩溶地层，据报道大部分是易溶灰岩和岩溶地层地区。据估计，我国960万平方公里的土地上分布着约超过130万平方公里的碳酸盐岩，他们出露于近地表或浅埋地下。如果包括埋藏较深的碳酸盐岩，将近三分之一的土地被这种沉积物覆盖。二、岩溶工程地质研究的意义二、岩溶工程地质研究的意义1.1.水利水电工程水利水电工程：渗漏渗漏、溃坝、塌陷、诱发地震、溃坝、塌陷、诱发地震据据广西广西3939个岩溶山地县统计，在已建的个岩溶山地县统计，在已建的260260座大水库中，有明座大水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于8080者）有者）有9292座。座。湖北宜昌王家坝水库，湖北宜昌王家坝水库，1975年建成蓄水后，随即出现坝肩渗年建成蓄水后，随即出现坝肩渗漏，继而出现迎水坡产生一陷坑，直径漏，继而出现迎水坡产生一陷坑，直径D4M，深，深H24M。上部为白垩系砾岩，砾石为灰岩；下部为寒武系灰岩，有溶上部为白垩系砾岩，砾石为灰岩；下部为寒武系灰岩，有溶洞发育，本次塌陷原因系石灰岩中洞穴上部塌陷引起土石坝洞发育，本次塌陷原因系石灰岩中洞穴上部塌陷引起土石坝体陷坑现象。体陷坑现象。二、岩溶工程地质研究的意义二、岩溶工程地质研究的意义2.2.道路工程道路工程n路基、站场、桥梁地基稳定性、地基塌陷路基、站场、桥梁地基稳定性、地基塌陷在我国的主要干线铁路中，岩溶地面塌陷灾害较为在我国的主要干线铁路中，岩溶地面塌陷灾害较为严重的有：京广线、贵昆线、浙赣线，津浦线、沈严重的有：京广线、贵昆线、浙赣线，津浦线、沈大线、渝达线等。塌陷造成车站建筑物毁坏、路基大线、渝达线等。塌陷造成车站建筑物毁坏、路基沉降、道路悬空、桥涵开裂倒塌、隧道施工受阻等。沉降、道路悬空、桥涵开裂倒塌、隧道施工受阻等。铁路断道停车事故时有发生，甚至造成火车脱轨。铁路断道停车事故时有发生，甚至造成火车脱轨。有些路段列车长期限速慢行，损失巨大。有些路段列车长期限速慢行，损失巨大。贵昆线贵昆线413413公里处的三次重大塌陷，先后造成两列货车颠覆，公里处的三次重大塌陷，先后造成两列货车颠覆，中断行车中断行车7171小时，已投入的治理费用达小时，已投入的治理费用达17001700万元万元京广线南岭隧道全长京广线南岭隧道全长6.1km6.1km，灰岩占总长的，灰岩占总长的92%92%，是典型的岩，是典型的岩溶隧道。地面塌陷造成已建铁路下沉、运输中断、隧道施工溶隧道。地面塌陷造成已建铁路下沉、运输中断、隧道施工受阻。受阻。津浦线上泰安车站的地面塌陷，陷坑直径津浦线上泰安车站的地面塌陷，陷坑直径8 8米，可见深度米，可见深度5 5米米（19791979年年1 1月），月），造成路基下沉，路轨架空、行车一度中断，造成路基下沉，路轨架空、行车一度中断，整治费用达整治费用达20002000万元以上万元以上天生桥隧道开挖至中部时，遇到长天生桥隧道开挖至中部时，遇到长9090米，宽米，宽120120米，高约米，高约100100米（路基以下高度大于米（路基以下高度大于5050米）的岩溶大厅，线路悬空。米）的岩溶大厅，线路悬空。曾作曾作过高填方与桥跨方案比较，由于技术及造价上的原因，过高填方与桥跨方案比较，由于技术及造价上的原因，不得不在隧道内再加弯道，于右侧绕避，降低了线路技术条不得不在隧道内再加弯道，于右侧绕避，降低了线路技术条件，损失达件，损失达60 60 万元。万元。贵昆线的多贵昆线的多乐段经过岩溶洼地乐段经过岩溶洼地区，在勘测设计时采用了一般区，在勘测设计时采用了一般的非岩溶地区的做法圈定汇水的非岩溶地区的做法圈定汇水面积，将线路经过的面积，将线路经过的A A、B B、C C洼地作为独立的汇水区，分别洼地作为独立的汇水区，分别作排水设计处理。作排水设计处理。但但由于由于A A洼地的水经地下岩溶通洼地的水经地下岩溶通道流入道流入B B洼地，再流入洼地，再流入C C洼地，洼地，使得使得C C洼地的排洪能力远远低于洼地的排洪能力远远低于实际排洪量，造成雨季路基被实际排洪量，造成雨季路基被淹。淹。二、岩溶工程地质研究的意义二、岩溶工程地质研究的意义3.3.工民建：地基稳定性、塌陷问题工民建：地基稳定性、塌陷问题自自19771977年至今，武汉地区先后发生年至今，武汉地区先后发生1010次岩溶地面塌陷：次岩溶地面塌陷：19771977年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；19881988年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；19991999年，毛坦村小学塌陷；年，毛坦村小学塌陷；20002000年年2 2月，武昌司法学校塌陷；月，武昌司法学校塌陷；20002000年年4 4月，青菱乡烽火村塌陷；月，青菱乡烽火村塌陷；20062006年年4 4月，白沙洲阮家巷塌陷；月，白沙洲阮家巷塌陷；20082008年年2 2月，汉南区长江干堤附近陡埠村塌陷；月，汉南区长江干堤附近陡埠村塌陷；20092009年年1212月月2222日，武昌白沙洲大道路面塌陷近百平方米。日，武昌白沙洲大道路面塌陷近百平方米。19881988年年5 5月月1010日，日，武昌陆家街地面塌陷武昌陆家街地面塌陷圆形塌坑，直径圆形塌坑，直径22M22M，深深1010余米，十间民房、大树、电线杆等塌余米，十间民房、大树、电线杆等塌入坑中，引起附近工厂、学校、住宅墙体、地坪变形、开裂。入坑中，引起附近工厂、学校、住宅墙体、地坪变形、开裂。地面塌陷造成房屋倒塌地面塌陷造成房屋倒塌20002000年年4 4月月6 6日下午日下午4 4时时8 8时，洪山区青时，洪山区青菱乡烽火村菱乡烽火村地面塌陷地面塌陷：陷坑陷坑1818个，最大陷坑长个，最大陷坑长6363米、深米、深6 67 7米米最小陷坑最小陷坑1 12 2长，深小于长，深小于2 2米。米。陷坑带呈近东西向分布，散分在东西陷坑带呈近东西向分布，散分在东西300300米、南北米、南北250250米的范围内。米的范围内。有有2 2栋民房完全倒塌，有栋民房完全倒塌，有1616栋民房出现栋民房出现不同程度的开裂、破损。不同程度的开裂、破损。该村该村196196户、户、990990余名村民无一人伤亡。余名村民无一人伤亡。1 1号坑号坑 2008 2008年年2 2月月2929日下午开始，武汉汉南区长江干堤附近一在建日下午开始，武汉汉南区长江干堤附近一在建小区内发生大面积地表塌陷。这一地表塌陷灾害发生在离小区内发生大面积地表塌陷。这一地表塌陷灾害发生在离长江干堤长江干堤100100余米处，沿长江干堤形成了一条近余米处，沿长江干堤形成了一条近300300米长的米长的地陷带。地陷中心形成了长约地陷带。地陷中心形成了长约105105米、宽达米、宽达4747米、最深处约米、最深处约6 6米的坑道。米的坑道。3#塌陷坑 1#塌陷坑 1#塌陷坑弧形拉张裂缝二、岩溶工程地质研究的意义二、岩溶工程地质研究的意义4.4.地下工程：涌水、突水、岩溶冒落地下工程：涌水、突水、岩溶冒落1964年以来塌陷持续发展达20年之久，至今仍在继续 一、溶蚀过程一、溶蚀过程-33222323HCO HHCOOHCOCOCaCaCOCOCO2 2的来源：的来源：（1 1）大气）大气（2 2）土壤中生化作用、变质作用）土壤中生化作用、变质作用（3 3）火山活动及岩层中某些化学作用产生的）火山活动及岩层中某些化学作用产生的COCO2 2第二节第二节 碳酸盐岩的溶蚀机理碳酸盐岩的溶蚀机理二、混合溶蚀效应二、混合溶蚀效应不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀能力有所增强的效应。不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀能力有所增强的效应。1.1.饱和溶液饱和溶液的混合溶蚀效应的混合溶蚀效应指两种或两种以上已失去溶蚀能力指两种或两种以上已失去溶蚀能力的饱和水溶液，在碳酸盐岩体内相的饱和水溶液，在碳酸盐岩体内相遇，混合后的溶液由原来的饱和状遇，混合后的溶液由原来的饱和状态变成不饱和状态，从而产生新的态变成不饱和状态，从而产生新的溶蚀作用，继续溶解碳酸盐岩。溶蚀作用，继续溶解碳酸盐岩。凡是有利于水混合的地带，岩溶均凡是有利于水混合的地带，岩溶均较其它地带发育。较其它地带发育。A AB BC CD DE ECOCO2 2CaCOCaCO3 32.2.不同温度不同温度溶液的混合溶蚀相效应溶液的混合溶蚀相效应如果有两种温度不同而饱和度相同的水相混合，或一种水溶液如果有两种温度不同而饱和度相同的水相混合，或一种水溶液由高温变为低温，都可以加大由高温变为低温，都可以加大COCO2 2的溶解度，从而加强溶液的溶的溶解度，从而加强溶液的溶蚀能力，继续溶蚀作用。蚀能力，继续溶蚀作用。包气带，潜水面附近或洞穴附近，温泉地区包气带，潜水面附近或洞穴附近，温泉地区三、其他离子的作用三、其他离子的作用1.1.酸效应酸效应32322HCOCaHCaCO2.2.同离子效应同离子效应3.3.离子强度效应离子强度效应 2323COCaCaCO具有可溶性岩石具有可溶性岩石岩石具有透水性岩石具有透水性水具有侵蚀能力水具有侵蚀能力水在岩石中应是不断地运动的水在岩石中应是不断地运动的可溶性岩石不断运动的可溶性岩石不断运动的侵蚀性的水侵蚀性的水岩溶作用现象岩溶作用现象岩溶发育的条件：岩溶发育的条件：第三节第三节 影响岩溶发育的因素影响岩溶发育的因素一、碳酸盐岩岩性的影响：一、碳酸盐岩岩性的影响：甲：纯碳酸盐岩甲：纯碳酸盐岩1.1.灰岩灰岩 2.2.白云质灰岩（云灰岩）白云质灰岩（云灰岩）3.3.灰质白云岩（灰云岩）灰质白云岩（灰云岩）4.4.白云岩白云岩乙：（不纯）质碳酸盐岩乙：（不纯）质碳酸盐岩5.XX5.XX质灰岩质灰岩 6.6.XXXX质云灰岩质云灰岩7.7.XXXX质灰云岩质灰云岩 8.8.XXXX质白云岩质白云岩丙：不纯碳酸盐岩丙：不纯碳酸盐岩9.9.XXXX灰岩灰岩 10.10.XXXX白云岩白云岩非非碳酸盐岩碳酸盐岩10109 98 87 76 65 54 43 32 21 1505030301010白云石白云石方解石方解石808050502020甲甲乙乙丙丙酸不溶物酸不溶物（单位时间的溶蚀量）标准试样溶解速度试验溶解速度比溶解度（试验前后的质量差）标准试样溶蚀量试样溶蚀量比溶蚀度CVVKK标准试样：方解石，要求试样尺寸相同，粉碎的粒度大小一标准试样：方解石，要求试样尺寸相同，粉碎的粒度大小一样，溶蚀在高浓度样，溶蚀在高浓度COCO2 2的蒸馏水中。的蒸馏水中。K KV V及及K KCVCV越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度也越大。越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度也越大。研究表明：研究表明：方解石方解石含量越高，含量越高，K KV