1、第二章 岩溶渗漏与岩溶塌陷贾 洪 彪中国地质大学（武汉）工程学院2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪2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2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪3岩溶岩溶(Karst)：水对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主：水对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的综合地质作用以及由此产生的各种现象。的综合地质作用以及由此产生的各种现象。岩溶作用：以化学溶蚀为主，同时还包括
2、机械破碎、沉积、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。坍塌、搬运等作用，是一个化学物理相结合的综合作用。岩溶现象：岩溶地貌及水文、工程地质条件。如石芽、石岩溶现象：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。钟乳、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。一、岩溶的定义一、岩溶的定义2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪42022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪52022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪62022-11-1
3、6中国地质大学工程学院 贾洪彪72022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪82022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪92022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪101、水利水电工程、水利水电工程渗漏、溃坝、诱发地震渗漏、溃坝、诱发地震据广西据广西39个岩溶山地县统计，在已建的个岩溶山地县统计，在已建的260座大座大水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于比低于80者）有者）有92座。座。二、岩溶工程地质研究的意义2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪112022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪12我国东部岩
4、溶区，铁路我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷公里，岩溶塌陷376处，近处，近十年间中断行车十年间中断行车1860小时，小时，颠覆列车颠覆列车3次次2、道路工程2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪132022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪14自自1977年至今，武汉地区先后发生年至今，武汉地区先后发生6次岩溶地面塌陷：次岩溶地面塌陷：1977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；1988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；1999年，毛坦村小学塌陷；年，毛坦村小学塌陷；2000年年2月，武昌司法学校塌陷；月，武昌司法
5、学校塌陷；2000年年4月，青菱乡烽火村塌陷月，青菱乡烽火村塌陷3、工民建2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪152022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪162022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪174、地下工程2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪18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第五章 岩溶工程地质研究2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪19一、溶蚀
6、过程一、溶蚀过程-33222323HCO HHCOOHCO COCaCaCO CO2的来源：的来源：（1）大气）大气（2）土壤中生化作用、变质作用）土壤中生化作用、变质作用（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CO22022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪201、定义：、定义：不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀能力有所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。增强的效应。2、类型、类型饱和溶液的混合溶蚀效应饱和溶液的混合溶蚀效应不同温度溶液的混合溶蚀相效应不同温度溶液的混合溶蚀相效应二、混合溶蚀效应2022-11-16中国地质大学工
7、程学院 贾洪彪21饱和溶液的混合溶蚀效应n 指两种或两种以上已失去溶蚀指两种或两种以上已失去溶蚀能力的饱和水溶液，在碳酸盐能力的饱和水溶液，在碳酸盐岩体内相遇，混合后的溶液由岩体内相遇，混合后的溶液由原来的饱和状态变成不饱和状原来的饱和状态变成不饱和状态，从而产生新的溶蚀作用，态，从而产生新的溶蚀作用，继续溶解碳酸盐岩。继续溶解碳酸盐岩。n 凡是有利于水混合的地带，岩凡是有利于水混合的地带，岩溶均较其它地带发育。溶均较其它地带发育。ABCDECO2CaCO32022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪222.不同温度溶液的混合溶蚀相效应n 如果有两种温度不同而饱和度相同的水相混合，或一种水
8、溶液由高温变为低温，都可以加大CO2的溶解度，从而加强溶液的溶蚀能力，继续溶蚀作用。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪231.酸效应酸效应32322HCOCaHCaCO2.同离子效应同离子效应3.离子强度效应离子强度效应2323COCaCaCO三、其他离子的作用2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪24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第五章 岩溶工程地质研究2022-11-16中国地
9、质大学工程学院 贾洪彪25具有可溶性岩石岩石具有透水性水具有侵蚀能力水在岩石中应是不断地运动的可溶性岩石不断运动的侵蚀性的水岩溶作用现象岩溶发育的条件2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪26甲：纯碳酸盐岩1.灰岩 2.白云质灰岩（云灰岩）3.灰质白云岩（灰云岩）4.白云岩乙：（不纯）质碳酸盐岩5.XX质灰岩 6.XX质云灰岩7.XX质灰云岩 8.XX质白云岩丙：不纯碳酸盐岩9.XX灰岩 10.XX白云岩非碳酸盐岩10987654321503010白云石方解石805020甲乙丙酸不溶物一、碳酸盐岩岩性的影响2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪27（单位时间的溶蚀量）标准试
10、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，粉碎的粒度大小一样，溶蚀在高浓度CO2的蒸馏水中。KV及KCV越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度也越大。研究表明：方解石含量越高，KV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。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪281、降水、降水（1）水直接参与岩溶作用，充足的降水是保证）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。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）水是溶蚀作用的介质和载体，充
11、足的降水保证了水体的良好的循环交替条件，促进岩溶作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。用的强烈进行。二、气候的影响2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪292、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2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪301、平坦地区：地表径流弱，入渗强烈，有利于岩溶发育、平坦地区：地表径流弱，入渗强烈，
12、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、陡峭地区：地表径流强烈，入渗弱，不利于地下岩溶发育发育3、突起地区：地下水位深，包气带厚度大，垂直岩溶发、突起地区：地下水位深，包气带厚度大，垂直岩溶发育育4、低洼地区：地下水位浅，汇水地带，岩溶发育强烈，、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。以水平岩溶为主。三、地形地貌的影响2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪31：1、断裂的影响：、断裂的影响：（1）沿断裂面岩溶发育强烈）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）各组破裂面相互交织、延伸进而控制了岩溶发育的形
13、态、规模、速度和空间分布。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，）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。促进岩溶发育。四、地质构造的影响2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪322.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。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪33（1）厚而纯的碳酸盐岩）厚而纯的碳酸盐岩.包气带：多发育垂直岩溶包气带：多发育垂直岩溶形态形态.地下水季节变动带：地下水季节变动带：
14、两方向岩溶均发育两方向岩溶均发育.饱水带：饱水带：规模大、连续性好的水平岩规模大、连续性好的水平岩溶溶.深循环带：岩溶不很发育深循环带：岩溶不很发育3.岩层组合的影响2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪34（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2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪35地壳运动的性质、幅度、速度和波及范围，控制地壳运动的性质、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
15、布及岩溶作溶发育的类型、规模、速度、空间分布及岩溶作用的变化趋势。用的变化趋势。五、新构造运动的影响2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪36新构造运动的基本形式有三种：新构造运动的基本形式有三种：n 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。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。n 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。明
16、显，侧向岩溶规模大，岩溶地貌较明显典型。n 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。受到抑制或停止。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪37从更长的地质历史时期来看：（1）间歇性上升：上升 稳定 再上升 再稳定形成水平溶洞成层分布，高程与阶地相对应。（2）振荡升降：岩溶作用由弱到强，由强到弱反复进行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。（3）间歇性下降：下降 稳定 再下降 再稳定岩溶多被埋于地下，规模不大，但具成层性，洞穴中有松散物充填。从层状洞穴的分布情况及充填物的性质，可
17、查明岩溶发育特点及形成的相对年代2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪38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第五章 岩溶工程地质研究2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪39一、渗漏的形式1.按渗漏通道分类 裂隙分散渗漏 管道集中渗漏2.按库水漏失的特点分类（渗漏持续时间）暂时性渗漏：包气带 永久性渗漏3.按渗漏部位分类 绕坝渗漏：坝区 临谷渗漏：库区第四节 岩溶区水库渗漏问题2022-1
18、1-16中国地质大学工程学院 贾洪彪40二、岩溶渗漏的研究内容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 a.纵谷：与河流所处褶皱的部位有关2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪41b.横谷：修水库不利，但充分利用隔水层，可能防止坝区渗漏。c.斜交谷：具体分析2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪42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2022-11-16中国地质大学工程学院
19、 贾洪彪433.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：一定渗漏在深厚碳酸盐岩地层中，地下水排泄通畅，地壳上升，侵蚀基准面不断下降，始终保持地下水位低于河水位，形成悬托河。若河谷沉积物覆盖层较厚，颗粒较细，则渗漏微弱些，否则渗漏严重。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪442022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪45截断渗漏通道截断渗漏通道灌灌铺铺堵堵截截导水导气导水导气三、岩溶渗漏的防治措施2022-11-16中国地
20、质大学工程学院 贾洪彪46n 帷幕灌浆适用于裂隙性岩溶渗漏和规模不大的管道性岩溶渗漏n 一般在坝基和坝肩部位都设置灌浆帷幕，以防止绕坝渗漏1、帷幕灌浆2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪472022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪48n 以粘土层或钢筋混凝土板作成铺盖，覆盖漏水区，以防止渗漏。铺盖防渗主要适用于大面积的孔隙性或裂隙性渗漏。库底大面积渗漏，常用粘土铺盖；对于库岸斜坡地段的局都渗漏，用混凝土铺盖。2、铺盖2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪492022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪50选择集中漏水的洞口用适当的建材堵塞，是防止岩溶通道渗漏的
21、有效方法。3、堵洞2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪51n 在库岸基岩上修筑隔水围坝，将范围不大的集中渗漏区与库水隔离、以减少水量损失4、隔离2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪525.截水墙2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪536、导排2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪54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第五章 岩溶工程地质研究2022-11-16中国
22、地质大学工程学院 贾洪彪551.不均匀沉降 2.地表塌陷 3.地基承载力不足 4.地基滑动一、变形破坏的主要形式一、变形破坏的主要形式2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪561.岩溶洞穴对工程的危害1）建筑物基础悬空 2）对建筑物稳定性的影响2.地表塌陷的形成潜蚀论真空吸蚀论二、地表塌陷的工程地质评价二、地表塌陷的工程地质评价2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪57（1）潜蚀论）潜蚀论 潜蚀论是潜蚀论是1898年俄国学者巴浦洛夫提出的，在国内外地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。质界长期被接受并加以应用。地下水位下降时，水力梯度也随之增大，地
23、下水流速加地下水位下降时，水力梯度也随之增大，地下水流速加快，动水压力增强，当动水压力大于土体内聚力与颗粒间摩快，动水压力增强，当动水压力大于土体内聚力与颗粒间摩擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移，这一现象称为潜蚀或管擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移，这一现象称为潜蚀或管涌。涌。使土颗粒开始渗流时的水力梯度称为临界水力梯度。使土颗粒开始渗流时的水力梯度称为临界水力梯度。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪58（2）真空吸蚀论）真空吸蚀论n 真空吸蚀论是我国徐卫国等于真空吸蚀论是我国徐卫国等于1979年提出的，国内也普年提出的，国内也普遍接受这一论点。遍接受这一论点。n 在形成岩溶网络的封
24、闭空腔（溶洞或土洞）中，当地下在形成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，空腔上部便形成水位大幅度下降到空腔盖层底面下时，空腔上部便形成真空，产生抽吸力。真空，产生抽吸力。n 真空吸蚀产生下列三种作用：真空吸蚀产生下列三种作用：n 吸盘吸蚀作用吸盘吸蚀作用n 空腔吸蚀作用空腔吸蚀作用n 漩吸漏斗吸蚀作用漩吸漏斗吸蚀作用2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪59问题探讨：问题探讨：自然地质环境中，很难具备封密的岩溶空腔条件；自然地质环境中，很难具备封密的岩溶空腔条件；真空吸蚀的极限是一个大气压，真空吸蚀力不大；真空吸蚀的极限是一个大气压，真空吸蚀力
25、不大；一旦塌陷发生，封闭状态破坏，在一次塌陷发生的中后期，一旦塌陷发生，封闭状态破坏，在一次塌陷发生的中后期，则不可能连续发生塌陷，这与许多事例不符；则不可能连续发生塌陷，这与许多事例不符；一旦发生漩吸漏斗吸蚀作用，则不存在真空吸蚀，因此时盖一旦发生漩吸漏斗吸蚀作用，则不存在真空吸蚀，因此时盖层已破坏；层已破坏；真空吸蚀同样难以解释同步塌陷。真空吸蚀同样难以解释同步塌陷。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪60（3）压强差效应）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上下侧水
26、、气流体，因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值。压强差值。（4）垂直渗压效应）垂直渗压效应 当地表雨水入渗时，水在孔隙中运动，对土颗粒施当地表雨水入渗时，水在孔隙中运动，对土颗粒施加一种垂向渗透压力，从而改变了土体的力学性质。当加一种垂向渗透压力，从而改变了土体的力学性质。当渗透压力达到一定值时，使土体结构破坏，土颗粒随水渗透压力达到一定值时，使土体结构破坏，土颗粒随水流产生运移，即流土或管涌，进而形成土洞，直至发生流产生运移，即流土或管涌，进而形成土洞，直至发生地面变形或塌陷。地面变形或塌陷。由这种渗透力作用而产生的力学现象及过程，称为由这种渗透力作用而产生的力学现象及过程，称为渗压效应。
27、渗压效应。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪61（5）自重效应）自重效应 雨水入渗后，盖层饱和容重比干容重一般增加雨水入渗后，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。使土拱承受更大的重量，导致塌陷。（6）浮力效应）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。生压强差效应外，土体的浮托力也随之减小，产生塌陷。（7）土体强度效应）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
28、陷。小，产生塌陷。2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪62土洞形成的条件：土洞形成的条件：（1）下伏基岩中岩溶发育）下伏基岩中岩溶发育（2）水动力条件变化大）水动力条件变化大（3）上覆土层较松散且具有一定的厚度）上覆土层较松散且具有一定的厚度2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪632.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 影响深度当H Hk时，地基是稳定的当H Hk时，地基是不稳定的，是建筑荷载和土洞共同作用的结果当H h时，仅土洞的发展就可导致地表塌陷2022-11-16中
29、国地质大学工程学院 贾洪彪643.裸露型岩溶区：溶洞顶板稳定性问题：岩性、岩体结构面的分布、组合关系、连通性能、顶板厚度、溶洞形态、大小、充填情况、水文地质条件等。13,1,20.115.105.110113110001110001101KhhhFVhFVKhhhFVhFVKKKVVKVVKV塌体为锥体假设溶洞为圆柱体，坍假设为柱体，岩石土层岩石的涨余系数顶板坍塌堵塞法2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪65三、岩溶地基的处理措施三、岩溶地基的处理措施（1）避开2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪66（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2022-11-16中国地质大学工程学院 贾洪彪67强夯合理疏导水气多种方法综合利用
