12巖溶及巖溶滲漏的工程地質分析

1、第十二章 巖溶及巖溶滲漏的工程地質分析,工程地質分析原理,12.1 基本概念及研究意義 巖溶亦稱喀斯特(karst)，是在以碳酸鹽類為主的可溶性巖石分布區(qū)，由于水，其中特別是地下水，對巖石以溶蝕為主的作用所形成的諸現(xiàn)象的綜合。最主要的特點是缺乏完整的地表水系，而不相溝通的封閉洼地則很多，河流進入這類地區(qū)往往潛入地下轉化為伏流河，即使一些主要河道仍保持為地表河，也缺乏發(fā)育完整的支流體系，而是通過各種地下管道或裂隙與附近的封閉

2、洼地發(fā)生水文聯(lián)系。所以，地下溶蝕裂隙或管道非常發(fā)育也是它的主要特征。,巖溶最早是以其獨特景觀受到地貌工作者的重視與研究；而其獨特的溶洞體系則是洞穴學(speleology)的探測和研究的主要對象；由于巖溶區(qū)地表水系多轉為伏流河，研究和追索地下水流通道就成為巖溶水文地理學(karsthydrography)的研究內容；近年來更多的水文學者重視巖溶水文學(karsthydrology)的研究，以便掌握巖溶區(qū)地下水的運動、水文動態(tài)、水均衡等方

3、面的規(guī)律性。,巖溶地區(qū)也有其特有的工程地質問題。最突出的是由于其地下溶洞、溶蝕縫隙發(fā)育，修建水工建筑物往往會遇到強烈滲漏問題。巖溶區(qū)修建其它工程也有特有的工程地質問題。例如作為廠房地基有埋藏深溶蝕槽和軟弱土層以及土層塌陷問題；作為重型結構物基礎就有巖石因溶洞化而承載能力不足的問題；開挖礦山坑道、隧洞或地下廠房也有突然涌水、使隧道結構復雜化等問題。巖溶洞穴的地表塌陷是巖溶區(qū)常風的地質災害。所以巖溶研究在工程地質工作中占有重要地位。

4、 除碳酸鹽巖溶外，可溶硫酸鹽如石膏、硬石膏，以及巖鹽也可形成巖溶。但這兩類巖石在地表分布有限，所以這里不予論述。,研究內容： 本章首先闡述碳酸鹽巖溶蝕的物理化學原理，作為進一步探討巖溶發(fā)育規(guī)律的理論基礎，著重說明這種溶蝕作用是受到多種因素影響的復雜物理化學過程。其次分析作為巖溶發(fā)育基本條件的水在可溶性巖石中的循環(huán)和交替的條件，著重于分析這一基本條件對巖溶現(xiàn)象的空間分布和發(fā)育強度的控制作用。進而討論巖溶作為一

5、個緩慢地質作用的發(fā)育階段性，說明地質歷史分析在預測強巖溶化帶中的意義。再通過典型實例闡述巖溶滲漏的工程地質分析，最后討論巖溶區(qū)修建水工建筑的工程處理措施。,12.2 碳酸鹽溶蝕的物理化學原理 硫酸鹽和氯化物的溶蝕是一種純溶解過程，在一定溫度、壓力下，其溶解度為常數(shù)。只要達到飽和即不再進一步溶解。所以這類可溶鹽的溶蝕都是由地表向地下迅速減弱，在地面下很快消失。 碳酸鹽的溶蝕完全與上述兩種鹽類的溶蝕不同。

6、它不是純溶解而是涉及到幾個體系的化學平衡的復雜溶解過程，這使得碳酸鹽溶蝕并不僅有由表及里的發(fā)育，也還不容忽視地存在著深部先形成而后又經淺部作用改造的趨向。12.2.1 碳酸鹽溶蝕的復雜反應過程 碳酸鈣在純水中的溶解度是很低的。但是天然水中的碳酸鹽含量總是遠遠高于其溶解度值。這是因為水中總含有溶解的CO2 。,,純水中碳酸鈣的溶解： 任何酸所解離出來的離子加入，都會減少反應方程右側離子的濃度而使反應繼續(xù)不斷向

7、右方進行，亦即不斷減小CO3-離子和HCO3-離子的濃度，于是反應就必然不斷向右方進行，結果是碳酸鈣的溶解度比純水中的溶解度大為增加。,,,,12.2.2 影響碳酸鹽溶蝕反應的各種因素 空氣中CO2 的含量、溫度、壓力、溶液中的其它離子 、水及流動的水、巖性12.2.3 關于混合溶蝕效應 伯格利(Bogli)的大量洞穴調查工作證明，有些溶洞確形成于深飽水帶，并將其形成原因歸之于不同成分的水混合后侵蝕性有所增

8、強，他稱這種增強的溶蝕效應為混合溶蝕效應。 兩個不同來源的水中CO2含量相差愈大，則對混合溶蝕愈有利，兩者之一CO2含量很低時尤其如此。所以，灰?guī)r中碳酸鹽溶質飽和度很高的地下水排出地表與地表水混合處極有利于混合溶蝕效應的產生；地下深部地質作用產生的富含CO2的水上升與近地表含CO2低的水混合也會產生較強的混合溶蝕效應。,,,同理，兩個不同來源H2S含量不同的水相混合也能產生混合溶蝕效應。地下深部地質作用(如巖漿活動)產生的水

9、含有大量H2S，而近地表的地下水則H2S含量極低，二者相混合其混合溶蝕效應也相當顯著。 含鹽度不同的水混合，同樣也會有混合溶蝕效應。所以近海岸灰?guī)r含水層向海的排泄帶因淡咸水混合溶蝕作用也強烈。 典型地帶：垂直滲入水與灰?guī)r中地下水相匯合的地下水面附近地帶；地下水面以下能使不同成分的水向它匯集的強徑流帶，如大的溶蝕裂隙或溶蝕管道，不同方向的溶蝕裂隙交匯帶；以及灰?guī)r中地下水排出口地表與地下水的混合帶等。

10、由于混合溶蝕效應所造成的某些局部地帶溶蝕“超前”，其它廣大地帶溶蝕“滯后”，是造成巖溶發(fā)育“不均一”或“分異”的主要原因之一。,,,12.3 巖溶發(fā)育的基本條件 12.3.1 基本條件 （1）在可溶性巖石中具有一定的孔隙或裂隙系統(tǒng)，為水的循環(huán)提供通道。 （2）有適宜的地貌條件和地質結構條件，為水的向碳酸鹽巖中滲入提供補給途徑，并為水的排出碳酸鹽巖體之外提供通道。 （3）地表覆蓋層的厚度、滲

11、透性，影響補給量和補給是分散補給還是集中補給；降水及其年分配，影響滲入補給量及滲入補給的季節(jié)變化等。,12.3.2 垂直幾種典型的水循環(huán)交替條件,12.3.2 垂直幾種典型的水循環(huán)交替條件 （1）裸露灰?guī)r谷地排水型 圖12-14中的（a）、（b）均屬灰?guī)r在地表裸露，大氣降水直接補給，附近谷地排水型，補給排泄最為通暢，水交替強烈，所以巖溶最為發(fā)育。（a）與（b）的主要區(qū)別是（b）為薄層灰?guī)r下伏有不透水頁巖，因之流

12、線向頁巖層頂面聚斂，使溶洞主要發(fā)育于頁巖層面之上，而（a）則不受下伏不透水頁巖的明顯影響，以流線最短、排泄速度最大的帶巖溶最發(fā)育，也就是巖溶發(fā)育有垂直分帶和水平分帶的特點。,厚層碳酸鹽谷地排水型水循環(huán)交替條件在垂直方向上有四個循環(huán)帶，即垂直滲入帶，垂直水平交替帶，受當?shù)厮木W(wǎng)排水影響的水平循環(huán)帶和不受當?shù)厮木W(wǎng)影響的深循環(huán)帶。垂直循環(huán)帶主要發(fā)育漏斗、豎井、垂直溶蝕裂隙等垂直形態(tài)。垂直、水平交替帶即水位季節(jié)變動帶，有滲入水與地下水混合的有

13、利條件，巖溶發(fā)育強烈，有的研究者認為主要廊道發(fā)育于此帶，一般認為在巖溶發(fā)育早期其水位變動很大，溶蝕作用不集中，垂直水平形態(tài)都有。受當?shù)厮木W(wǎng)排泄的水平循環(huán)帶，在近河谷處由于流線短且流線聚斂，所以巖溶發(fā)育強烈。特別是還有地下水與河水相混合而造成的混合溶蝕效應，所以河水面附近巖溶最為發(fā)育，愈向深部由于流線很長，排泄速度很低，巖溶發(fā)育顯著減緩。隨著河水面附近溶蝕裂隙以至溶洞的形成，更多的水流集中于更通暢的通道中，深部排泄速度將更為減小，所以此

14、帶內巖溶發(fā)育隨深度明顯減弱。深循環(huán)帶水緩慢流向遠處排水面更低的排水網(wǎng)或湖海，交替很緩慢，溶蝕很微弱，一般只形成細微溶孔和溶隙。,循環(huán)交替條件有利于形成樹枝狀溶洞體系。這是因為裸露灰?guī)r在吸收降水和地表水的過程中，總是在條件有利的一些點發(fā)育成漏斗、豎井、陡立溶蝕裂隙等垂直“吸水結構”，有這些結構的集中“補給”，灰?guī)r中的裂隙就不能獲得均等的溶蝕機會，只能是使某些徑流排泄通暢的裂隙或斷層發(fā)育成主管道，主管道水位僅略高于河水位，較狹窄而排水效能較

15、低的管道排向主管道比排向較遠的河流水力梯度更陡，由于地下水流總是沿梯度更陡效能更高的途徑流動，所以它總是匯入較近的主管道，而形成樹枝狀溶洞體系。,（2）間接補給河谷排水型 圖12-14中的（c）、（d）屬此種情況。由于灰?guī)r不直接出露地表不能直接得到降水的補給，所以補給條件較差，但仍屬鄰近河谷排水，徑流途徑短，排泄通暢。圖12-14（c）灰?guī)r上覆透水砂巖，水通過砂巖均勻補給，亦即砂巖起水流調節(jié)的作用，向下伏灰?guī)r中每一個主要

16、裂隙分配同等量的水。圖12-14（d）中灰?guī)r上覆以不透水層不能從滲入得到補給，但河流季節(jié)性洪水位時使河水向灰?guī)r中回灌，此時灰?guī)r中各主要裂隙也接受同等數(shù)量的水，水位降落之后灰?guī)r中的水又向河流排泄。上述兩種情況下都有利于灰?guī)r中主要裂隙的均勻溶蝕，其結果是發(fā)展成網(wǎng)格狀(或迷宮型)溶洞。,（3）河谷集中補給鄰谷排水型 圖12-14中的（e）、（f）屬此種情況，由于灰?guī)r上覆有隔水層而只在深切河谷處出露，故不能接受降水補給，只有兩鄰谷有

17、水頭差的情況下一個河谷集中補給而由鄰谷排泄。（e）、（f）間的差別是前者直接補排而后者則通過斷層間接補排，顯然前者巖溶發(fā)育要比后者強烈得多。后者有兩層灰?guī)r，上層較下層發(fā)育要強烈得多。在這兩種條件下巖溶發(fā)育都隨滲徑縮短、水頭差增高和河谷切入灰?guī)r的時間增長而加強，最終可使高程較高的河水完全潛入地下。,（4）區(qū)域性循環(huán)遠谷排水型 圖12-14中的（g）、（h）屬此種情況，前者屬自流斜坡，后者屬向斜盆地。由于滲流途徑很長，交替緩

18、慢，一般只有因溶蝕而加寬到幾毫米的裂隙或溶孔。在補給區(qū)有可能發(fā)育網(wǎng)格狀溶洞，在排泄區(qū)主要是由于混合溶蝕效應溶蝕也較徑流帶為強?？磥磉@種巖溶滲漏是容易處理的。,12.4 巖溶發(fā)育的階段性及其發(fā)育歷史 （1）排水谷無明顯變化時巖溶發(fā)育的階段性 碳酸鹽裂隙未經水循環(huán)之前，滲透性低且較均一，沒有集中的徑流帶。水在其中循環(huán)的結果使巖體中的裂隙發(fā)生分化，那些有利于水循環(huán)的裂隙不斷溶蝕擴大。通道的變化必然引起水流的變化，水流不斷

19、向愈來愈通暢的管道集中，隨著通道變化，流線也就不斷調整，逐漸發(fā)育成裂隙網(wǎng)-溶洞體系。其發(fā)展過程大致可分為三個階段。 最初為裂隙溶蝕擴大階段，較有利于水循環(huán)的裂隙，可因溶蝕而擴大到幾毫米，在裂縫中滲流的水很分散，屬散漫滲流方式。由于流線在河邊集中和地下水與地表水混合，在一些對溶蝕敏感的地區(qū)就開始形成溶洞，進入了第二階段。隨溶洞開始形成，流線也調整為向溶洞頂端聚斂，促使溶洞向巖體內發(fā)展。當溶洞發(fā)育為主通道，水流就轉化成管道流

20、，地下水位顯著下降，水流也顯著集中于溶蝕強烈的較小范圍內，巖溶發(fā)育即進入第三階段。,12.4 巖溶發(fā)育的階段性及其發(fā)育歷史 （2）河谷下切情況下的巖溶發(fā)育史 河谷長期穩(wěn)定則裸露灰?guī)r谷地排水型巖溶可以從裂隙初期溶蝕擴大一直發(fā)展到形成溶洞體系。顯然，如果河流迅速下切，在水面附近尚未形成溶洞時地下水面已經下降，強烈溶蝕帶已經下移，其結果必然是溶蝕現(xiàn)象在垂直方向上比較分散，但發(fā)育的強烈程度卻比較一致和比較微弱，沒有發(fā)

21、育程度顯著不同的地帶，都處于裂隙溶蝕擴大的階段，如果河谷間斷性下切，即相對穩(wěn)定期與下切期相間，則相對穩(wěn)定期于河水位高程之上發(fā)育溶洞，而在下切期則無溶洞發(fā)育，至下一穩(wěn)定期又于新的河水位高程之上形成另一期溶洞。其結果是形成大致與階地高程相對應的多層溶洞。,12.5 巖溶滲漏分析 按滲漏途徑通常將滲漏分為壩區(qū)滲漏和庫區(qū)滲漏兩部分。前者包括壩基滲漏和繞壩滲漏。因為其范圍限于較小區(qū)域內，在壩區(qū)的詳細勘察中，產生這種滲漏的條件

22、是易于查清的，預防這種滲漏的措施也都包括于樞紐主體工程之中，通常采用的是防滲帷幕、截水墻、鋪蓋等。庫區(qū)滲漏包括向鄰谷或向遠排泄區(qū)的滲漏，或通過河灣或支谷向下游滲漏。因為可能產生滲漏的范圍很廣，所以必須先在廣大范圍內根據(jù)地質、地貌和水文地質條件預測滲漏可能地段，然后在可能地段中進行專門研究。可能產生滲漏的地段需具備以下條件，即：有透水巖層，地形地貌和地質構造的配合有利于透水巖層將庫水導向庫外，不具地下水分水嶺或地下水分水嶺低于水庫正常高水

23、位。,12.5 巖溶滲漏分析 巖溶區(qū)滲漏通道是巖溶發(fā)育過程中創(chuàng)造的，其通暢程度既取決于水循環(huán)交替條件也取決于巖溶發(fā)育歷史。例如，循環(huán)交替強烈而且溶蝕作用長期集中于某一帶，則有利于形成溶洞，這樣就會有通暢的管道流(conduit flow)，滲漏問題就會比其它任何情況都要嚴重；又如滲徑很長、交替緩慢，巖溶作用僅僅是造成較小溶孔和不寬的溶蝕裂隙，在這種條件下只形成散漫滲流(diffuse flow)，滲漏雖不可避免，但

24、問題并不嚴重，處理也容易得多。所以碳酸鹽巖石是一種特殊的透水性巖石，其滲透性能可以有極大的變化范圍，也可以極不均一，而這種特點又是緊密地與巖溶水的循環(huán)交替條件和巖溶發(fā)育史相聯(lián)系的。,12.5 巖溶滲漏分析 12.5.1 碳酸鹽巖的滲透性 碳酸鹽的原生滲透性(primary permeability)，即巖石的原生孔隙產生的滲透性，往往是很小的。而現(xiàn)場抽水測得的滲透性可以很高，這是由于有溶蝕裂隙而產生的次生滲透

25、性(secondary permeability)。次生孔隙度較原生孔隙度增大值很小，但次生孔洞的大小往往為原生孔洞的大小的10-100倍?？紫抖纫欢〞r，控制滲透性的主要因素是孔隙大小。對塊狀灰?guī)r來說，層面和裂隙的溶蝕擴大使?jié)B透系數(shù)增為原生滲透系數(shù)的10000倍。如果發(fā)育有溶洞，則使?jié)B透性可能增加10000000倍。,12.5 巖溶滲漏分析 12.5.2 喀斯特滲漏的水文地質條件 正是因為原生裂隙因溶蝕而強烈

26、分異，滲透性能極不均一，沿溶洞可以形成管道流， 所以灰?guī)r滲漏所特有的水文地質條件是：往往有集中滲漏的徑流帶，和兩河之間的河間地塊往往無地下水分水嶺或地下水分水嶺較低。,12.6 巖溶區(qū)修建水庫的措施與防滲處理 12.6.1 巖溶區(qū)庫壩址選擇原則 充分利用隔水層、巖溶發(fā)育微弱的巖層或有利的水文地質條件。 周邊有隔水層或弱透水層的向斜谷地區(qū)修建水庫，壩址建于隔水或弱透水層上，防滲條件是最好的。

27、 有隔水層的橫谷地段有利于壩區(qū)防滲。壩址的選擇和防滲方案的采取隨巖層產狀和壩型而有所不同?？偟脑瓌t性要求是：既要保證壩基有良好的持力層和排除可能產生深層滑動的滑移面，又要使隔水層能有效地成為截斷壩下滲漏通道的天然截水墻。在這種情況下庫區(qū)向鄰谷滲漏的可能性仍較大，所以壩址的選定還必須考慮庫區(qū)滲漏條件及防滲處理的難易。 有隔水層分布的縱谷地段，特別是巖層產狀較陡時，庫區(qū)向鄰谷滲漏的可能性較小。這時選擇弱巖溶化地段，盡

28、可能避開河彎地段、上下游有沖溝且分水嶺很單薄的地段、河床裂點或其它的河床比降大因而有利于縱向徑流的地段，以及有斷層因而溶蝕強烈的地段等。,12.6.2 防滲處理措施 對集中型滲漏應以“堵”，“截”為主；對分散型、滲漏應以“鋪”，“灌”為主。 （1）堵：是處理集中滲漏通道的有效辦法?？衫貌煌牧隙氯斩?。堵塞材料可因地制宜采用塊石、砂、混凝土或粘土等，其結構見圖12-39。底部應設反濾層，表面加粘土或混凝土蓋板

29、。堵洞前應查明漏水洞的規(guī)模、方向及其深部延伸情況，堵塞體應與周圍基巖及土體保持緊密結合。 （2）截：系指在地下管道的集中漏水處筑隔水墻截斷滲漏通路。 圖12-39 漏水洞的堵塞及堵體結構圖,12.6.2 防滲處理措施 （3）圍：庫區(qū)有個別大溶洞或反復泉，采用簡單的堵法不能見效，可以修筑高煙筒圓形圍墻，將其與水庫隔離以達

30、到防滲目的（圖12-40）。此法僅適用于水深不大的小水庫。,圖12-40 用粘土圍墻處理落水洞,12.6.2 防滲處理措施 （4）鋪：是處理地表呈面狀或帶狀的分散滲漏帶最常用的辦法。庫岸斜坡常用混凝土蓋板（圖12-41）或粘土斜墻。庫底則用粘土鋪蓋（圖12-42）。 鋪蓋長度應根據(jù)設計水頭及具體地質條件確定，有可利用的隔水層應盡可能與之銜接，以達到封閉或部分封閉庫盤的目的。鋪蓋厚度一般取水頭的十分之一。,圖1

31、2-41 庫岸混凝土土鋪示意圖,圖12-42 用粘土鋪蓋防滲示意圖,12.6.2 防滲處理措施 （5）灌：灌入漿液充塞孔洞和裂隙，并使經過灌漿的地帶連成一帷幕，以起到防止?jié)B漏的作用。最常用的漿液是水泥漿，有時也用粘土漿，近來也采用環(huán)氧樹脂、丙凝等化學漿液。帷幕的底最好與隔水層或相對隔水層相銜接，以便能有效地截斷滲流通道（圖12-43）。,12.7 巖溶區(qū)的地面塌陷災害 12.7.1 巖溶地面塌陷的形成條件

32、 在覆蓋巖溶區(qū)，由于自然及人為因素引起地下水快速重復波動。使上覆土層受到潛蝕、真空吸蝕等作用，與基巖接觸的土層中就會形成土洞，土洞繼續(xù)擴大，洞頂?shù)耐翆泳蜁粩嗨洌湟恢卑l(fā)展到地表就形成地表塌陷。1、上覆土層性質結構及厚度 上覆土層為砂性土或砂粘互層結構但與基巖接觸處為砂性土，或與基巖接觸處為不厚的裂隙發(fā)育的粘性土且上覆有砂性土，易于產生巖溶地面塌陷。 土層厚度小于10米者嚴重，大于30米者較少。

33、2、基巖巖溶發(fā)育，有溶洞或寬大溶蝕裂隙3、地下水位強烈下降或快速重復波動,12.7 巖溶區(qū)的地面塌陷災害 12.7.2 巖溶地面塌陷的形成機制 比較復雜，主要有：滲透變形（潛蝕）、真空吸蝕、高壓水氣沖爆、重力塌落、建筑物荷載等。1、滲透變形或潛蝕機制 在下伏碳酸巖鹽中發(fā)育有溶蝕洞隙等良好地下徑流通道的覆蓋型巖溶區(qū)，因天然或人為因素致使地下水水位大幅度下降時，地下水的流速、水力梯度即隨之增大，地下水

34、的滲流力也隨之而增強。上覆土層底部與基巖中溶蝕洞隙接觸處的土顆粒就會被滲透水流沖蝕和攜帶并隨水進入基巖洞隙之中，在這種土巖接觸處就會形成小型土洞。土洞一經出現(xiàn)，向土洞中匯集的水流的沖蝕力就會沖掏洞壁土顆粒使土洞不斷擴大，洞頂土層在重力作用下也會不斷塌落。若上覆土層厚度較大，可以形成天然拱，土洞可以不再擴展而隱伏地下；若較薄而不能形成天然拱，洞頂塌落可以直到地表形成地面塌陷坑。,2、真空吸蝕機制 若基巖中巖溶水為相對封閉的

35、承壓水，當測壓水位下降到上覆土層底面以下或巖溶洞穴表面以下時，地下水由有壓轉為無壓，在地下水面與覆蓋層底板之間形成低壓的真空腔。在真空腔內的水面如同吸盤一樣，強有力地抽吸著覆蓋層底板的土顆粒，使土體遭受吸蝕掏空，形成土洞。隨著水位不斷的快速下降，真空腔內外的壓差效應不斷加劇，引起腔內外大氣壓對覆蓋層表面產生沖壓作用，加速上覆土層的結構破壞，降低土層強度，導致地面涂層突然塌陷。,12.7 巖溶區(qū)的地面塌陷災害 12.7.3 巖溶

36、地面塌陷的防治 1、控制地下水開采量，減小巖溶水水位下降幅度；控制地下水開采過程，保持水位緩慢下降。2、通過鉆孔向上覆土層底部為砂層或裂隙性粘土層部位的土與基巖界面處灌漿，堵塞基巖中的滲流通道，削弱孔隙水向巖溶水的越流補給。3、加強地表排水，減少地表水向可能產生塌陷的地帶入滲。4、在對已形成塌陷坑填埋處理之前，最好用鉆孔向陷坑周邊灌漿，形成灌漿帷幕再填埋。5、采用鉆孔樁、挖孔樁等將高層建筑物基礎置于完整基巖之上。6、強化城市