导图社区 七岩溶工程地质研究
地大武汉考研881工程地质学基础,主要包含掌握岩溶区选择库坝位址的原则、 掌握岩溶渗漏的防治措施、 理解岩溶地基变形破坏的主要形式等内容。
编辑于2023-12-18 16:53:09七岩溶工程地质研究
1.理解溶蚀机理,包括溶蚀过程、混合溶蚀效应、其它离子的作用等;
1. 其他离子作用
(1)酸效应 (acid effect) 任何酸所解离出的 H+都能与碳酸钙溶解后所形成的CO结合成 HCO,,从而增加碳酸钙的溶解度。在自然界中,除了 CO溶于水所形成的碳酸对碳酸盐岩的溶蚀有强烈影响外,其次为硫酸的作用,特别是在硫化矿床氧化带中,这种效应最为显著。
(2)同离子效应 (common ion effect)水中如溶有与碳酸盐相同的某种离子的物质如CaC,则由于Ca2+浓度增加,会使碳酸钙的溶解度按质量作用定律而有所减小,从而抑制了碳酸钙的溶蚀
(3)离子强度效应(ionic strength effect) 当溶液中有与碳酸不相关的强电解质离子时,这些离子就会以较强的吸引力吸引Ca2+和CO,实质上也就使 Ca2+与CO3 之间的引力有所降低。这时,Ca2+与CO的实际浓度超过其在纯水中的溶度积时仍不沉淀出来,亦即其溶解度有所增大,故可溶解更多的碳酸钙
2. 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。它是地下洞六发育不均匀的重要原因,
(1)饱和溶液的混合溶蚀效应是指两种或两种以上已失去溶蚀能力的饱和水溶液,在碳酸盐岩体内相遇,并发生混合作用,混合后的溶液由原先的饱和状态变成不饱和状态,从而产生新生溶蚀作用,继续溶解碳酸盐岩石
(2)不同温度溶液的混合溶蚀效应 如果有两股温度不同而饱和度相同的水互相混合或一股水的温度由高温变为低温时,都可产生新的侵蚀性 COz,继续加强溶蚀作用,这种温度和碳酸钙之间的反比关系,称为温度混合溶蚀效应。
2.掌握岩溶发育的基本条件及影响因素;
具有可溶性岩石 具有溶蚀能力的水 具有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。
1. 碳酸盐岩岩性的影响
(1)碳酸盐岩化学成分与岩发育的关系碳酸盐岩是碳酸盐矿物含量超过 50%的沉积岩。其成分比较复杂,主要由方解石、白云石和酸不溶物(泥质、硅质等)组成不同类型的碳酸盐岩,其溶解度相差甚大。因此,直接影响岩体的溶蚀强度和溶蚀速度。
(2)岩石结构与岩溶发育的关系
2. 气候对岩溶发育的影响
气候是岩溶发育的一个重要因素,它直接影响着参与岩溶作用的水的溶蚀能力和速度控制着岩溶发育的规模和速度。因此,各气候带内岩溶发育的规模和速度、岩溶形态及其组合特征是大不相同的。气候类型的特征表现在气温、降水量、降水性质、降水的季节分配及蒸发量的大小和变化。其中以气温高低及降水量大小对岩溶发育的影响最大
3. 地形地貌的影响
地形地貌条件是影响地下水的循环交替条件的重要因素,间接影响岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布。区域地貌表征着地表水文网的发育特点,反应了局部的和区域性的侵蚀基准面和地下水排泄基准面的性质和分布,控制了地下水的运动趋势和方向,从而也控制了岩溶发育的总趋势。
4. 地质构造的影响
(1)断裂的影响
在可溶盐岩中,由于成岩、构造、风化、卸荷等作用所形成的各种破裂面,是地下水运动的主要通道。它使得岩石中原生孔隙互相沟通,使具有侵蚀能力的水深入可溶岩内部,为岩溶发育提供有利的条件。在各种成因的破裂面中,以构造作用所形成的断裂(断层和节理裂隙) 意义最大。
(2)褶皱的影响
褶皱的形态、性质及展布方向控制着可溶盐岩的空间分布。因此,也控制了岩溶发育的形态、规模、速度及空间分布。溶蚀洼地的长轴、溶洞和暗河的延伸方向常与褶皱轴向或翼部岩层的走向一致。褶皱核部的断裂比翼部的发育强烈。因此,核部的岩溶比翼部的发育强烈
(3)岩层组合特征的影响
厚而纯的碳酸盐岩
非可溶岩加碳酸盐岩
碳酸盐岩夹非可溶岩
碳酸盐岩与非可溶岩互层
5. 新构造运动的影响
相对稳定
地下水动力分带现象及剖面上岩溶垂直分带现象都十分明显,有利于侧向岩溶作用,岩溶形态的规模较大。在地表形成溶盆、溶原、溶洼及峰林地形;在地下名种岩溶通道十分发育,尤其在地下水面附近,可形成连通性较好、规模巨大的水平溶洞和暗河。当地壳相对稳定的时间愈长,则地表与地下岩溶愈强烈。
上升
悬托河
具有深厚的碳酸盐岩
地下水向排泄区运动过程中径流通畅
地下水排泄基准面不断下降
悬托河谷区地下水的排泄基准面可能包括海平面、内陆盆地或山前平原的河水位或湖水位、山区的干流河水位等。其下降原因可能是干流河水的垂直侵蚀速度大于支流,它与水文气象因素的变化有关;此外,新构造断陷或大陆区地壳不均衡上升,地下水的排泄区位于断陷的下降盘或相对上升微弱的地区,在断陷的上升盘或相对上升强烈的地区可能形成悬托河。
下降
3.掌握岩溶渗漏的类型、影响因素及工程地质研宄的主要内容;
按渗漏通道分类 (1)裂隙分散渗漏 (2)管道集中渗漏 按库水漏失的特点分类 (1)暂时性渗漏库 (2)永久性渗漏
1. 岩溶的影响
岩溶发育程度
岩溶平面分带性规律
岩溶垂向分期成层性
2. 地质构造
厚而纯的平缓碳酸盐岩分布区 无相对隔水层,或隔水层深埋于河床以下时,岩溶发育深度较大,地下水埋藏较深,尤其是在山区常构成严重的水库渗漏。
夹有相对隔水层的纵向谷 在向斜河谷两岸,岩溶虽较发育,当隔水层能起到较好的封闭作用时,则库水不会向邻谷渗漏。在背斜河谷中,当碳酸盐岩分布在库水位以下而岩层倾角较缓时,碳酸盐岩可能在邻谷出露,这时可能产生向邻谷渗漏;当岩层倾角较陡时,碳酸盐岩可能深埋于邻谷谷底以下,即便岩溶发育也不会产生向邻谷渗漏。在单斜河谷中修建水库时,渗漏问题将主要存在于岩层倾向库外的一岸。
横谷 修建水库常是不利的,因为在这种条件下库区的碳酸盐岩与邻谷联系起来,容易产生向邻谷渗漏。但是在坝址区,只要充分利用相对隔水层,坝基和绕坝肩的渗漏是可以避免或减少
断层 断层错动可以沟通或切断库区碳酸盐岩与邻谷的联系,造成复杂的渗漏条件
河间地块中 相对隔水层虽未出露地表,但其分布在库水位以上,如碳酸盐岩中有侵入的岩浆岩;或因褶皱使碳酸盐岩下部的砂页岩隆起并高于库水位时,均不会产生向邻谷渗漏。
3. 河谷区水文地质特征的影响
补给型
河间地下水分水岭高程与建库河的河水位与库水位关系
排泄型
邻谷渗漏
坝肩渗漏
悬托河
垂直渗漏
4.掌握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,应预测和避免严重工程地质问题所带来的问题。
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在北方干旱少雨地区尤应注意。为此,首先应查明建库河谷是否存在形成悬托河的三个基本条件。对于在厚而纯的碳酸盐岩分布区,岩溶发育强烈,地下水埋深大的河段上建坝时,一定要持慎重态度。
3. 碳酸盐岩中所夹的相对隔水层 砂页岩、泥质白云岩等,对岩溶发育和水库渗漏都有重要的作用。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. 河谷两岸有溶洞泉、暗河出口时 查明泉域及暗河水系的分布特点,尤应注意两岸顺河方向岩溶发育情况及其与溶洞泉或暗河的联系。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,以避免渗漏及其它后患。
5. 利用岩溶发育规律,来选择库坝位址及控制工程规模 河谷两岸早期岩溶十分发育,规模较大的水平溶洞呈层分布,但其位置较高,而近期河谷强烈深切,两岸无水平溶洞分布,以垂直溶隙为主。当设计库水位控制在最低一层水平溶洞以下,即在深切峡谷段时则可减少库坝区的渗漏
5.掌握岩溶渗漏的防治措施;
1. 灌浆 铺盖 堵洞 截渗 疏导 喷浆
自动启闭闸门 烟囱式调压井 卧管式调压井
6.理解岩溶地基变形破坏的主要形式;
1. 地(坝)基承载力不足 在覆盖型岩溶区,上覆松软土强度较低,或建筑载荷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(坝)基不均匀下沉 在覆盖型岩溶区,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,在建筑物附加载荷作用下,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(坝)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 在地(坝)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,或因建筑物的附加载荷、抽排地下水等因素作用,引起地面沉陷、开裂,以至使地(坝)基突然下沉,形成地表塌陷,进而导致建筑物的破坏。
7.掌握岩溶塌陷的特征及其形成机理(潜蚀论、吸蚀论);
分布特征
(1)地表塌陷在裸露型岩溶区极为少见,主要分布在覆盖型岩溶区。当松散覆盖层的厚度较小时,地表塌陷比厚度大时要严重。一般来说,覆盖层厚度小于 10m 者,塌陷严重;厚度大于 30m者,塌陷极少 (2)地表塌陷多发生在岩溶发育强烈的地区,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
形成条件
(1)出现在以一定厚度的松散土体为盖层的覆盖型岩溶区 (2)覆盖层以下可溶性基岩浅部岩溶发育 (3)具有引起土体变形、破坏的作用力 (4)具备上述条件的河床两侧平缓低阶地或地形低洼处
潜蚀论 强调了渗透压力的作用
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、溶隙中的填充物进行冲蚀、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 土洞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。 地表塌陷形成后,地面便成为地表径流汇集的场所,陷坑周壁不断陷落,同时还有地表水携带的物质的堆积作用,使陷坑逐渐形成碟形注地,土洞和塌陷暂时停止发展。
1.下伏基岩中岩溶发育 2.水动力条件变化大。 3.上覆土层较松散且具有一定的厚度,以保证土洞的产生并形成天然平衡拱
吸蚀论 真空压差的内吸外压
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力状态,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
岩溶塌陷的监测 直接监测法:监测地面沉降、地面和房屋开裂等常规方法,以及地质雷达和光导纤维等监测地下土体变形的非常规方法。 间接监测法:岩溶管道系统中水 (气)压力的动态变化传感器自动监测技术
岩溶地面塌陷预测
1.圈定出稳定区和可能塌陷区 2.塌陷严重危险区段 3.编制预测图 4.塌陷的发育程度划分为四个等级:严重塌陷区\显著塌陷区\微弱塌陷区\稳定区
9.掌握岩溶地基稳定性评价方法(覆盖型岩溶区、裸露型岩溶区);
岩溶地基稳定性定性评价
在地基主要受压层范围内,当下部基岩面起伏较大,其上部又有软土分布时,应考虑其对建筑物所产生的不均匀沉降的影响。 当基础砌置在基岩上,其附近因溶隙、落水洞的存在而可能形成临空面时,应考虑地基沿倾向临空面的软弱结构面产生滑动的可能性。 3当基础底板以下的层厚度大于地基压缩层的计算深度,同时又不具备形成土洞的条件时,如地下水动力条件变化不大,水力梯度小,可以不考虑基岩内的洞穴对地基稳定性的影响。若基础底板以下土层厚度小于地基压缩层的计算深度时;应根据溶洞的大小和形状、顶板厚度、岩体结构及强度、洞内填充情况、地下水活动特点等因素,并结合上部建筑载荷的特点进行洞体稳定性分析,直至作出定量评价。 4地基主要受压层范围内,当溶洞洞体的平面尺寸大于基础尺寸,溶洞顶板厚度小于 洞跨,岩性破碎,且洞内未被填充物填满或洞内有水流时,应考虑为不稳定溶洞。G对三层或三层以下的民用建筑,或建筑物载荷不大且无特殊工艺要求的单层厂房在下列条件下,可以不考虑溶洞对地基稳定性的影响。这些条件有:@溶洞已被填充密实又无被水冲蚀的可能性;@洞体较小,基础尺寸大于洞的平面尺寸;3在微风化硬质岩石中,洞体顶板厚度接近或大于洞跨
岩溶地基稳定性定量评价
岩溶地(坝)基岩体质量分级 以地基溶蚀程度为主的质量分级 以岩体力学性质为主的质量分级
10.掌握岩溶地基的处理措施。
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
溶蚀洞隙发育一一挖换填、跨盖 地基不稳一灌注加固、锚嵌、桩基 渗透变形一铺、截、灌、合理疏导水气 其他-绕避、强夯
a.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,应使地下水位均匀地缓慢下降,以免形成过大的水力梯度或真空腔。同时,井的进水管应作好反滤,以减少泥沙流失 b.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 c.合理开采地下水,如有多个含水层时,尽量不采上部含水层的水 d.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 e.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
地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用叫岩溶作用,这种作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象总称为岩溶,国际上通称喀斯特 (karst) 岩溶作用的结果表现在以下两方面。一方面形成地下和地表的各种地貌形态,如石芽溶沟、溶孔、溶隙、落水洞、漏斗、洼地、溶盆、溶原、峰林、孤峰、溶丘、干谷、溶洞、地下湖、暗河及各种洞穴堆积物。另一方面形成特殊的水文地质现象,如冲沟很少,地表水系不发育;喀斯特化岩体是溶隙-溶孔并存或管道-溶隙网-溶孔并存的高度非均质的介质,岩体的透水性增大,常构成良好的含水层,其中含有丰富的地下水,即喀斯特水;岩溶水空间分布极不均匀,动态变化大,流态复杂多变;地下水与地表水互相转化敏捷;地下水的埋深一般较大,山区地下水分水岭与地表分水岭常不一致等