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1、岩溶工程地质研究(基础工程地质学)Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学n绪论绪论n第一章第一章 活断层工程地质研究活断层工程地质研究n第二章第二章 地震工程地质研究地震工程地质研究n第三章第三章 斜坡变形破坏工程地质研究斜坡变形破坏工程地质研究n第四章第四章 岩溶工程地质研究岩溶工程地质研究n第五章第五章 泥石流工程地质研究泥石流工程地质研究基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学n 第四章第四章 岩溶工程地质研究
2、岩溶工程地质研究第第1节节 概述概述第第2节节 碳酸盐岩溶蚀作用机理碳酸盐岩溶蚀作用机理第第3节节 岩溶发育影响因素岩溶发育影响因素第第4节节 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究第第5节节 岩溶地基稳定性问题岩溶地基稳定性问题基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第1节节 概述概述问题问题岩溶特殊性岩溶特殊性研究思路？研究思路？关键何在？关键何在？基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第1节节 概述概述引入引入岩溶问题可以说是各类工程动力地质岩溶问题可以说是各类
3、工程动力地质问题中最复杂、最难的。岩溶广泛分布，问问题中最复杂、最难的。岩溶广泛分布，问题无法回避。题无法回避。问题的特殊性问题的特殊性-岩溶空间分布不均，地下岩岩溶空间分布不均，地下岩溶发育，影响因素多变，对于工程而言是个溶发育，影响因素多变，对于工程而言是个隐函数。隐函数。v 主要工程地质问题：主要工程地质问题：房屋建筑房屋建筑-岩溶地表塌陷岩溶地表塌陷 地下工程地下工程-岩溶突涌水岩溶突涌水 水利工程水利工程-岩溶渗漏岩溶渗漏解决思路：解决思路：第一步，据岩溶形成条件、影响因素找规律；第一步，据岩溶形成条件、影响因素找规律；第二步，分析岩溶与工程的相互关系；第二步，分析岩溶与工程的相互关
4、系；第三步，针对问题特殊性，得出解决方案。第三步，针对问题特殊性，得出解决方案。关键：预测准确关键：预测准确 对策切实可行。对策切实可行。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第1节节 概述概述岩溶作用岩溶作用定定义义、特征特征形成条件形成条件-三个基本条件三个基本条件影响因素影响因素五五个影响因素个影响因素稳定性问题稳定性问题四四种破坏类型种破坏类型岩溶塌陷岩溶塌陷形形成条件成条件、分布规律分布规律稳定性评价稳定性评价定性定性、定量定量研研究究内内容容基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工
5、 程程 地地 质质 研研 究究第第1节节 概述概述岩溶岩溶 岩溶作用及其产生的地貌现象和水文地质现岩溶作用及其产生的地貌现象和水文地质现象，又称喀斯特。象，又称喀斯特。岩溶作用岩溶作用 地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用。作用。岩溶发育区岩溶发育区特征特征：形成各种岩溶地貌；冲沟少、地表水系不发育；形成各种岩溶地貌；冲沟少、地表水系不发育；岩体透水性增大；地下水空间分布不均、变化岩体透水性增大；地下水空间分布不均、变化大、流态复杂；地表水、地下水分水岭不一致。大、流态复杂；地表水、地下水分水岭不一致。岩溶岩溶分布分布：碳酸盐岩占国土总面积的碳酸盐岩
6、占国土总面积的1/51/5，地表约，地表约1/71/7，其，其中：贵州：中：贵州：51%51%；广西：；广西：33%33%；湖南、湖北、云；湖南、湖北、云南：南：20%20%强强。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第1节节 概述概述v岩溶形成基本条件：岩溶形成基本条件：具有可溶性的岩石；具有可溶性的岩石；具有溶蚀能力的水；具有溶蚀能力的水；具有良好的水循环交替条件具有良好的水循环交替条件。水循环交替条件是其中最活跃的因素水循环交替条件是其中最活跃的因素。基基础础工工程程地地质质学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程
7、地地 质质 研研 究究第第2节节 碳酸盐岩溶蚀作用机理碳酸盐岩溶蚀作用机理岩溶作用机理复杂，包括：岩溶作用机理复杂，包括：地表、地下水溶蚀；地表、地下水溶蚀；地表水侵蚀；地表水侵蚀；地下水机械潜蚀、冲蚀；地下水机械潜蚀、冲蚀；地下洞穴高压水气冲爆。地下洞穴高压水气冲爆。其中以溶蚀作用为主、为始端。其中以溶蚀作用为主、为始端。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第2节节 碳酸盐岩溶蚀作用机理碳酸盐岩溶蚀作用机理p一、碳酸盐岩溶蚀过程：一、碳酸盐岩溶蚀过程：C Ca aCOCO3 3 水解水解水解水解 C Ca a2+2+COC
8、O3 32-2-CO CO2 2 溶于水，即：溶于水，即：溶于水，即：溶于水，即：H H2 2O +COO +CO2 2 HH2 2COCO3 3 H H+HCO+HCO3 3-前两步结合：前两步结合：前两步结合：前两步结合：COCO3 32-2-+H+H+HCO HCO3 3-由于由于由于由于COCOCOCO3 3 3 32-2-2-2-减少，反应朝正方向发展，即：减少，反应朝正方向发展，即：减少，反应朝正方向发展，即：减少，反应朝正方向发展，即：C Ca aCOCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2 C Ca a2+2+2HCO2HCO3 3-基基 础础 工工 程程 地地 质质 学
9、学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第2节节 碳酸盐岩溶蚀作用机理碳酸盐岩溶蚀作用机理p二、系统中二氧化碳来源：问题：问题：C Ca aCOCO3 3 为难溶盐，岩溶为何强烈发育？为难溶盐，岩溶为何强烈发育？混合溶液、无机酸成分、混合溶液、无机酸成分、侵蚀性侵蚀性侵蚀性侵蚀性COCOCOCO2 2 2 2的存在。的存在。t大气中大气中COCO2 2含量较低，土壤中含量较低，土壤中COCO2 2含量较高，因土壤中含量较高，因土壤中微生物化学作用很强，有机物分解各种有机酸并产生微生物化学作用很强，有机物分解各种有机酸并产生大量大量COCO2 2，降雨、地表水经土壤进
10、入岩体，将大气和，降雨、地表水经土壤进入岩体，将大气和土壤中的土壤中的COCO2 2带入。带入。v侵蚀性二氧化碳：侵蚀性二氧化碳：系统（系统（C Ca a2+2+、COCO3 32-2-、HCO HCO3 3-、CO CO2 2 、H H2 2COCO3 3 ）平衡，化学反应不朝某方向进行，）平衡，化学反应不朝某方向进行，COCO2 2加入将打破平衡，使加入将打破平衡，使C Ca aCOCO3 3再溶解。超出系再溶解。超出系统平衡所需的那部分统平衡所需的那部分COCO2 2称之。称之。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第2
11、节节 碳酸盐岩溶蚀作用机理碳酸盐岩溶蚀作用机理p三、三、混合溶蚀混合溶蚀效应及其他：效应及其他：n1 1、混合溶蚀效应：、混合溶蚀效应：不同化学成分（不同温度）的溶液（两种以上饱和或不同化学成分（不同温度）的溶液（两种以上饱和或非饱和溶液）混合，对非饱和溶液）混合，对C Ca aCOCO3 3的溶蚀性有所增强。的溶蚀性有所增强。t 有利于混合溶蚀作用的部位：有利于混合溶蚀作用的部位：垂直与水平径流交汇处；垂直与水平径流交汇处；各成分水汇合处（强径流带、裂隙交汇带）；各成分水汇合处（强径流带、裂隙交汇带）；地下水排泄区；地下水排泄区；地下水与地表水混合处（河岸带）。地下水与地表水混合处（河岸带）
12、。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第2节节 碳酸盐岩溶蚀作用机理碳酸盐岩溶蚀作用机理n2、离子效应：、离子效应：u酸效应酸效应-混合溶液中含混合溶液中含各种有机酸各种有机酸，即，即H+加入促进加入促进CaCO3溶蚀量增加；溶蚀量增加；u盐效应盐效应-加入不同化学成分的溶液，其中加入不同化学成分的溶液，其中强电解质强电解质溶溶液与液与Ca2+和和CO32-结合，使溶蚀增加；结合，使溶蚀增加；u同离子效应同离子效应-当与当与CaCO3成份相同的离子成份相同的离子加入时，起加入时，起到抑制溶蚀的作用，到抑制溶蚀的作用，溶液中溶
13、液中Ca2+和和CO32-增加，增加，导导致致析出析出CaCO3。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第3节节 岩溶发育影响因素岩溶发育影响因素地层岩性地层岩性-化学成分、化学成分、结构结构气候条件气候条件-降水量、气温降水量、气温地形地貌地形地貌-高差、侵蚀基准面高差、侵蚀基准面地质结构地质结构-岩性岩性组合组合、地质构造、地质构造新构造运动新构造运动-升、降、平升、降、平基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第3节节 岩溶发育影响因素岩溶发育影响因素p一
14、、岩性岩性主控基本条件主控基本条件 n1 1、岩石化学成分、岩石化学成分灰岩越纯，岩溶越发育。灰岩越纯，岩溶越发育。比溶蚀度Kv表溶蚀强度、比溶解度Kcv表溶蚀速度。比溶蚀度比溶蚀度K Kv v试样溶蚀量标准试样溶蚀量试样溶蚀量标准试样溶蚀量比溶解度比溶解度K Kcv cv 试样溶解速度标准试样溶解速度试样溶解速度标准试样溶解速度v按比溶蚀度按比溶蚀度K Kv v和比溶解度和比溶解度K Kcvcv排序：排序：灰岩灰岩-云灰岩云灰岩-泥灰岩泥灰岩-方解石方解石-大理石大理石-泥质灰泥质灰-灰灰云云-泥质灰云泥质灰云-白云白云-泥质白云泥质白云v规律：规律：方解石含量高于白云石，岩溶发育；方解石含
15、量高于白云石，岩溶发育；酸不溶物含量高，岩溶不发育；酸不溶物含量高，岩溶不发育；含黄铁含黄铁矿、石膏成分，有利于岩溶发育；矿、石膏成分，有利于岩溶发育；含有含有机质、沥青，不利于岩溶发育。机质、沥青，不利于岩溶发育。图示图示基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第3节节 岩溶发育影响因素岩溶发育影响因素n2、岩石结构：、岩石结构：问题：环境、岩性相同的岩石，其岩溶发育程度有问题：环境、岩性相同的岩石，其岩溶发育程度有问题：环境、岩性相同的岩石，其岩溶发育程度有问题：环境、岩性相同的岩石，其岩溶发育程度有很大差异？很大差异？很大
16、差异？很大差异？岩石的结构制约了岩溶发育强度。岩石的结构制约了岩溶发育强度。按溶蚀性指标排序：泥晶按溶蚀性指标排序：泥晶-粒屑粒屑-亮晶（灰岩类）；亮晶（灰岩类）；泥晶泥晶-细晶细晶-中晶中晶-粗巨晶（白云岩类）。粗巨晶（白云岩类）。原因：岩石的孔隙度高，比溶蚀度、比溶解度值高，原因：岩石的孔隙度高，比溶蚀度、比溶解度值高，原因：岩石的孔隙度高，比溶蚀度、比溶解度值高，原因：岩石的孔隙度高，比溶蚀度、比溶解度值高，岩溶相应发育。岩溶相应发育。岩溶相应发育。岩溶相应发育。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第3节节 岩溶发育影
17、响因素岩溶发育影响因素p二、气候二、气候主控基本条件主控基本条件、n1、降水量降水量：决定水量、水的性质（补给丰缺、化学成分），间接决定水量、水的性质（补给丰缺、化学成分），间接影响岩溶类型、发育规模、速度。影响岩溶类型、发育规模、速度。水量水量-补给好、循环强烈，则岩溶发育；补给好、循环强烈，则岩溶发育；水质水质-进入系统的进入系统的CO2及各种酸越多，岩溶越发育。及各种酸越多，岩溶越发育。n2、气温气温：气温高、化学反应速度快，岩溶相应发育；温度高，气温高、化学反应速度快，岩溶相应发育；温度高，生物代谢快、产生生物代谢快、产生COCO2 2增多，岩溶发育速度增。增多，岩溶发育速度增。基基
18、础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第3节节 岩溶发育影响因素岩溶发育影响因素p三、地形地貌地形地貌-主控基本条件主控基本条件。n1、地形地形：高差大、渗径短、径流强、交替条件好、：高差大、渗径短、径流强、交替条件好、岩溶发育强；岩溶发育强；n2、地貌地貌：区域侵蚀基准面和排泄基准面取决于地貌：区域侵蚀基准面和排泄基准面取决于地貌形态，控制地下水的运动趋势和方向，进而控制岩溶形态，控制地下水的运动趋势和方向，进而控制岩溶发育程度。发育程度。一般河谷两岸发育最强，谷坡段较弱，分水岭较强。一般河谷两岸发育最强，谷坡段较弱，分水岭较强。
19、基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第3节节 岩溶发育影响因素岩溶发育影响因素p四、地质构造四、地质构造-主控基本条件主控基本条件 n1 1、岩性、岩性组合组合：按易溶程度排序：厚而纯按易溶程度排序：厚而纯-可溶岩夹非可溶岩可溶岩夹非可溶岩-互层互层-非可溶岩夹可溶岩。非可溶岩夹可溶岩。n2 2、地质构造：、地质构造：断裂断裂提供地下水运移通道，水循环条件好则岩溶发提供地下水运移通道，水循环条件好则岩溶发育强烈；不同方向断裂交汇，混合溶蚀作用加强。育强烈；不同方向断裂交汇，混合溶蚀作用加强。褶皱褶皱轴部岩性破碎，岩溶发育；宽
20、缓褶皱较紧闭型轴部岩性破碎，岩溶发育；宽缓褶皱较紧闭型岩溶发育；其展布方向常控制岩溶的空间分布。岩溶发育；其展布方向常控制岩溶的空间分布。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第3节节 岩溶发育影响因素岩溶发育影响因素p五、新构造运动五、新构造运动-主控基本条件主控基本条件 ，主要考虑地壳，主要考虑地壳升降及稳定期。升降及稳定期。n1、相对稳定相对稳定：有充分的条件循环交替、溶蚀，垂向、有充分的条件循环交替、溶蚀，垂向、水平岩溶均发育，规模较大。稳定期越长岩溶越发水平岩溶均发育，规模较大。稳定期越长岩溶越发育。育。n2、地壳上
21、升地壳上升：河谷深切，排泄条件好，垂直岩溶发河谷深切，排泄条件好，垂直岩溶发育，侧蚀弱。育，侧蚀弱。n3、地壳下降地壳下降：循环弱、岩溶发育也弱。循环弱、岩溶发育也弱。一般间歇性升降。升平、升平可形成多层水平溶洞，一般间歇性升降。升平、升平可形成多层水平溶洞，据以判断地壳相对运动期次据以判断地壳相对运动期次。制约岩溶发育制约岩溶发育类型、规模、速度、分布、发展趋势。类型、规模、速度、分布、发展趋势。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第4节节 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究vv岩溶地表塌陷岩溶地表塌陷岩溶地表塌陷岩溶地表塌
22、陷覆盖型岩溶，当地基主要受力层覆盖型岩溶，当地基主要受力层范围内有溶洞暗河、土洞等时，上部荷载或抽排地范围内有溶洞暗河、土洞等时，上部荷载或抽排地下水引起洞顶下水引起洞顶坍塌。坍塌。岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷现状现状全球广泛分布全球广泛分布全球广泛分布全球广泛分布岩溶塌陷是全球性地质灾害，据统计，已有中国、岩溶塌陷是全球性地质灾害，据统计，已有中国、美国、南非、法国、英国、德国、俄罗斯、波兰、美国、南非、法国、英国、德国、俄罗斯、波兰、捷克、南斯拉夫、比利时、土耳其、加拿大、意大捷克、南斯拉夫、比利时、土耳其、加拿大、意大利及以色列等利及以色列等1717国发生过严重岩溶地面塌陷。国发生过严重岩溶
23、地面塌陷。我国有我国有2424个省个省(市、自治区市、自治区)300)300多个市县共发生过岩多个市县共发生过岩溶塌陷溶塌陷14001400例以上，塌陷坑总数超过例以上，塌陷坑总数超过4 4万个，其中以桂、万个，其中以桂、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区最为严重。黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区最为严重。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第4节节 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究岩溶塌陷分布特征岩溶塌陷分布特征人类活动强烈地区人类活动强烈地区人类活动强烈地区人类活动强烈地区有有包包括括武武汉汉、深深圳圳、唐唐山山、杭杭州州、桂桂林
24、林等等在在内内的的3030多个大中城市、多个大中城市、420420个县市处于塌陷高风险区。个县市处于塌陷高风险区。岩溶塌陷主要诱发因素岩溶塌陷主要诱发因素-人类活动人类活动人类活动人类活动在在已已有有岩岩溶溶塌塌陷陷灾灾害害中中，约约70%70%为为人人类类活活动动所所诱诱发发，过过量量开开采采地地下下水水，是是产产生生岩岩溶溶塌塌陷陷的的主主要要原原因因，其其它它如如拦拦蓄蓄地地表表水水、基基础础工工程程、铁铁路路公公路路施施工工以以及及爆爆破作业等，也会诱发岩溶塌陷。破作业等，也会诱发岩溶塌陷。抽汲岩溶水，武汉中南轧钢厂，抽汲岩溶水，武汉中南轧钢厂，19771977年始出现成群年始出现成群
25、塌陷，成坑塌陷，成坑700700800800个，最大个，最大23m23m，深，深10m10m；武汉陆家街，武汉陆家街，19881988年，塌陷影响城市交通、水电、年，塌陷影响城市交通、水电、厂矿、居民，停课停产半个月；厂矿、居民，停课停产半个月；辽宁瓦房店抽岩溶水，塌陷辽宁瓦房店抽岩溶水，塌陷4km4km2 2，成坑，成坑2525个，达个，达70m70m，深，深10m10m，影响长大铁路，路基破坏，轨道悬空，中，影响长大铁路，路基破坏，轨道悬空，中断行车断行车8 8小时，恢复后限速小时，恢复后限速5 510km/h10km/h；开采岩溶水，山东泰安开采岩溶水，山东泰安19771977年开始塌陷
26、，对津浦铁年开始塌陷，对津浦铁路产生影响，多次中断行车；路产生影响，多次中断行车；贵州水城是该省工业中心，贵州水城是该省工业中心，19671967年始，建地下水开采年始，建地下水开采井井1616口，抽水强度口，抽水强度0.643m0.643m3 3/S/S，水位降深，水位降深10.4210.42，至，至19901990年，出现塌坑年，出现塌坑900900余个，余个，20203030，深，深 10 10；广东凡口铅锌矿疏干岩溶水，广东凡口铅锌矿疏干岩溶水，1965196519811981年间产生塌年间产生塌坑数千个，最大坑数千个，最大40m40m余，深余，深30m30m余，危及房屋余，危及房屋6
27、800m6800m2 2，铁，铁路路4000m4000m余；余；恩口煤矿区疏干岩溶水，成恩口煤矿区疏干岩溶水，成58005800个塌坑，毁个塌坑，毁9 9座水库，座水库，万亩农田；万亩农田；基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第4节节 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究p一、岩溶地表一、岩溶地表塌陷塌陷n1、岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷机理机理地下水位变化形成动水压力，在土层中产生潜蚀，下伏溶洞提供运移空间，潜蚀形成土洞土洞，成拱隐伏于地下（或直接塌至地表），后期水动力条件变化引起塌陷。n2、土洞形成条件土洞形成条件下伏基岩中垂直
28、(开口）岩溶发育（运移）；上覆土层较松散有一定厚度（成拱）；水动力条件变化大（动因）。v灾害后果：灾害后果：地面工程设施严重受损；使脆弱的岩溶环境更地面工程设施严重受损；使脆弱的岩溶环境更加恶化，使土地资源遭受破坏。加恶化，使土地资源遭受破坏。v形成机理：形成机理：潜蚀、真空吸蚀、压强差、地下水气冲爆。潜蚀、真空吸蚀、压强差、地下水气冲爆。v研究内容研究内容 土洞产生土洞产生条件与条件与地表地表塌陷塌陷机理机理；地表地表塌陷发生塌陷发生条件及条件及地表塌陷分布规律地表塌陷分布规律。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第4节节
29、 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究n3 3、塌陷产生条件塌陷产生条件覆盖型岩溶区，下部岩溶发育、覆盖型岩溶区，下部岩溶发育、上部土洞已形成（二元结构），水动力条件变化大上部土洞已形成（二元结构），水动力条件变化大（动因）。（动因）。n4 4、塌陷分布规律塌陷分布规律：u岩溶发育程度岩溶发育程度u覆盖层性质及厚度覆盖层性质及厚度u水文地质条件水文地质条件覆盖型岩溶区，上覆土层厚度小（10m：严重塌；30m：难塌）；岩溶发育强烈地带（断裂带、硫化矿带）；抽排地下水降落漏斗中心附近；地下水主要径流方向；地下水排泄区（地下水位随河水位变化）；地形低洼处。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四
30、四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第4节节 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究p二、二、塌陷预测与防治：塌陷预测与防治：n1、塌陷预测：、塌陷预测：u 内容：内容：塌陷地点、时间、强度、可能的后果塌陷地点、时间、强度、可能的后果u方法：方法：u方法方法据发生条件及分布特征确定可能的范围、判定强度；据发生条件及分布特征确定可能的范围、判定强度；据水动力条件及其变化预测发生时间（定性）；据水动力条件及其变化预测发生时间（定性）；运用数学方法预测模糊评判（定量）建立塌陷与水运用数学方法预测模糊评判（定量）建立塌陷与水位降深的关系；位降深的关系；基基 础础 工工 程程 地地 质质
31、 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第4节节 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究n1、塌陷预测：、塌陷预测：u 步骤步骤查明场地条件、岩溶发育规律；查明场地条件、岩溶发育规律；进行岩溶发育程度及地下水条件分区；进行岩溶发育程度及地下水条件分区；据已有塌陷分布特征确定综合预测指标；据已有塌陷分布特征确定综合预测指标；考虑影响因素及发展趋势进行塌陷分区；考虑影响因素及发展趋势进行塌陷分区；编制分区预测图。编制分区预测图。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第4节节 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研
32、究n2、塌陷防治：、塌陷防治：预防预防-找出致塌动因水位动态（降雨、人工抽排）、找出致塌动因水位动态（降雨、人工抽排）、动静荷载（列车振动、建筑荷载）；动静荷载（列车振动、建筑荷载）；-消除或合理控制供排水方案设计（浅层停抽，消除或合理控制供排水方案设计（浅层停抽，改用深层水；禁止强抽强排，使水位缓慢变化，）、改用深层水；禁止强抽强排，使水位缓慢变化，）、建筑物位置选择。建筑物位置选择。治理治理回填、强夯加固、跨越、深基础基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第5节节 岩溶地基稳定性问题岩溶地基稳定性问题p一、岩溶地基稳定性问
33、题岩溶地基稳定性问题1、地基承载力不足地基承载力不足覆盖型岩溶，盖层松软、强度低，荷载过大时引起剪切破坏。2、地基不均匀下沉地基不均匀下沉覆盖型岩溶，下浮石芽、落水洞、漏斗，造成基岩面起伏，导致不均匀下沉。3、岩溶地表塌陷岩溶地表塌陷覆盖型岩溶，当地基主要受力层范围内有溶洞暗河、土洞等时，上部荷载或抽排地下水引起洞顶坍塌。4、地基滑移地基滑移裸露型岩溶，当基础靠近落水洞、漏斗、垂直岩溶时，基础向临空面滑移。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第5节节 岩溶地基稳定性问题岩溶地基稳定性问题p二、定性评价二、定性评价n1、评价内
34、容、评价内容岩溶发育及分布规律；岩溶发育及分布规律；个体岩溶形态（大小、形状、顶板厚、岩性、充填个体岩溶形态（大小、形状、顶板厚、岩性、充填情况、地下水条件）；情况、地下水条件）；上覆土层岩性及厚度，土洞发育情况；上覆土层岩性及厚度，土洞发育情况；地表建筑荷载特点（荷载大小、加荷速率）；地表建筑荷载特点（荷载大小、加荷速率）；地质环境变化特点（水位变动、抽排强度）；地质环境变化特点（水位变动、抽排强度）；其它（动荷、降雨强度等）。其它（动荷、降雨强度等）。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第5节节 岩溶场地稳定性评价岩溶场
35、地稳定性评价n2、初评、初评下部基岩起伏，上覆软土，考虑地基不均匀沉降地基不均匀沉降；基础附近有落水洞，考虑向临空面滑移向临空面滑移；洞径基宽，顶板厚压缩层，无土洞，水位变化小，可不考虑下伏可不考虑下伏溶洞影响；溶洞影响；盖层洞跨，顶板洞跨，岩体完整，承载力强，可不考虑下伏洞体稳定性可不考虑下伏洞体稳定性；简单建筑，当洞充填无水，微风化硬岩（或基宽洞径、顶厚洞跨）时可不考虑洞的可不考虑洞的影响影响。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第5节节 岩溶地基稳定性问题岩溶地基稳定性问题p三、半定量评价三、半定量评价u前提前提查清岩
36、溶发育规律，将复杂的边界条件加以查清岩溶发育规律，将复杂的边界条件加以简化，借助力学方法计算。定性基础上定量。简化，借助力学方法计算。定性基础上定量。n1、裸露型：顶板坍塌堵塞法顶板坍塌堵塞法 ：坍落块体堵满洞穴后顶板稳定，估算此时塌高 Z=H0/(K-1)Z：塌高：H0：原始洞高：K：松胀系数当顶板厚大于当顶板厚大于Z Z时安全。时安全。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第5节节 岩溶地基稳定性问题岩溶地基稳定性问题塌落拱法塌落拱法：顶板塌落后形成平衡拱，拱上岩体自重及外荷由平衡拱承载。H=0.5*b+H0*tan(90
37、-)/f H：拱高；b：洞跨；H0：洞高；f、：岩土坚固系数、内摩擦角拱高加上覆岩体厚是顶板安全厚度，且上覆岩体厚拱高加上覆岩体厚是顶板安全厚度，且上覆岩体厚度应满足承载外荷的岩体厚。度应满足承载外荷的岩体厚。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究第第5节节 岩溶地基稳定性问题岩溶地基稳定性问题n2、覆盖型覆盖型：u考虑上部荷载与土洞共同作用。上覆土层厚极限考虑上部荷载与土洞共同作用。上覆土层厚极限状态为：状态为：H Hk k=h+Z=h+Zn n+D+D h：土洞高；Zn：压缩层厚；D：基底埋深实际土层厚实际土层厚H与极限值与
38、极限值Hk比较：比较：H Hk；稳定；稳定；H Hk，不稳，又分两种情况：已有土洞，外荷不稳，又分两种情况：已有土洞，外荷致塌；无洞，后期土洞形成并致塌。致塌；无洞，后期土洞形成并致塌。基基 础础 工工 程程 地地 质质 学学第第 四四 章章 岩岩 溶溶 工工 程程 地地 质质 研研 究究思考题：思考题：l1 1、岩溶发育为什么在空间分布很不均一？、岩溶发育为什么在空间分布很不均一？l2 2、与岩溶相关的工程地质问题有哪些，各有何特、与岩溶相关的工程地质问题有哪些，各有何特殊性？殊性？l3 3、岩溶发育的基本条件和影响因素是什么？、岩溶发育的基本条件和影响因素是什么？l4 4、试分析岩溶地表塌
39、陷的成因、分布特征。、试分析岩溶地表塌陷的成因、分布特征。l5 5、土洞形成与岩溶发育、地表塌陷有何关系？、土洞形成与岩溶发育、地表塌陷有何关系？l6 6、岩溶区地基变形破坏的主要形式是什么，相应、岩溶区地基变形破坏的主要形式是什么，相应的岩溶类型是什么？的岩溶类型是什么？基础工程地质学基础工程地质学第四章第四章 岩溶工程地质研究岩溶工程地质研究 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究岩溶塌陷是全球性地质灾害，据统计，已有中国、岩溶塌陷是全球性地质灾害，据统计，已有中国、美国、南非、法国、英国、德国、俄罗斯、波兰、美国、南非、法国、英国、德国、俄罗斯、波兰、捷克、南斯拉夫、比利时、土耳其、加拿大、意
40、大捷克、南斯拉夫、比利时、土耳其、加拿大、意大利及以色列等利及以色列等1717国发生过严重岩溶地面塌陷。国发生过严重岩溶地面塌陷。我国是岩溶发育的国家之一。近年来，随着城市化我国是岩溶发育的国家之一。近年来，随着城市化建设发展，各种资源开发不断增强，由此引发的岩建设发展，各种资源开发不断增强，由此引发的岩溶塌陷问题日益突出，已成为岩溶区主要地质灾害溶塌陷问题日益突出，已成为岩溶区主要地质灾害问题。问题。据调查，全国有据调查，全国有2323个省个省(市、自治区市、自治区)的的300300多个市县共发生过岩溶塌陷多个市县共发生过岩溶塌陷14001400例以上，塌例以上，塌陷坑总数超过陷坑总数超过4
41、 4万个，其中以南方的桂、黔、万个，其中以南方的桂、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区最为发育。湘、赣、川、滇、鄂等省区最为发育。研究现状研究现状基础工程地质学基础工程地质学第四章第四章 岩溶工程地质研究岩溶工程地质研究 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究岩溶塌陷分布特征岩溶塌陷分布特征人类活动强烈地区人类活动强烈地区有有包包括括武武汉汉、深深圳圳、唐唐山山、杭杭州州、桂桂林林等等在在内内的的3030多多个大中城市、个大中城市、420420个县市处于塌陷高风险区。个县市处于塌陷高风险区。岩溶塌陷主要诱发因素岩溶塌陷主要诱发因素-人类活动人类活动在在已已有有岩岩溶溶塌塌陷陷灾灾害害中中，约约70%70%
42、为为人人类类活活动动所所诱诱发发，过过量量开开采采地地下下水水，是是产产生生岩岩溶溶塌塌陷陷的的主主要要原原因因，其其它它如如拦拦蓄蓄地地表表水水、基基础础工工程程、铁铁路路公公路路施施工工以以及及爆爆破破作作业等，也会诱发岩溶塌陷。业等，也会诱发岩溶塌陷。研究现状研究现状基础工程地质学基础工程地质学第四章第四章 岩溶工程地质研究岩溶工程地质研究 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究岩溶塌陷发育条件的勘测技术岩溶塌陷发育条件的勘测技术 岩溶塌陷发育的基础条件是岩溶塌陷发育的基础条件是隐伏岩溶隐伏岩溶隐伏岩溶隐伏岩溶的存在，具有的存在，具有高度不均一性的隐伏岩溶发育带的探测一直被认为高度不均一性的隐
43、伏岩溶发育带的探测一直被认为是极是极具挑战性的问题具挑战性的问题具挑战性的问题具挑战性的问题，发达国家由于仪器设备方面，发达国家由于仪器设备方面的优势，各种地球物理方法都曾运用到这一领域，的优势，各种地球物理方法都曾运用到这一领域，目前使用较多的是目前使用较多的是地质雷达、高密度电法、浅层地地质雷达、高密度电法、浅层地地质雷达、高密度电法、浅层地地质雷达、高密度电法、浅层地震、以及声波电磁波孔间透视、震、以及声波电磁波孔间透视、震、以及声波电磁波孔间透视、震、以及声波电磁波孔间透视、CTCTCTCT层析法层析法层析法层析法等。等。国外研究现状国外研究现状基础工程地质学基础工程地质学第四章第四章
44、 岩溶工程地质研究岩溶工程地质研究 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究岩溶塌陷发育的过程及机理研究岩溶塌陷发育的过程及机理研究 岩溶塌陷发育机理的揭示是有效防治的前提，由于岩溶塌陷发育过程的特殊性，使得模型试验成为主要的研究手段。近年来，各国学者先后采用物理模型试验或数值分析的方法，系统研究了非粘性土潜蚀塌陷的过程。国外研究现状国外研究现状如：如：1970年日本学者年日本学者Nogushi、1986年前苏联学者年前苏联学者.XEHKO、1984年美国学者年美国学者RALPH J.HODEK、1995年美国学者年美国学者Thomas M.Tharp、俄、俄罗斯学者罗斯学者Anikeev,A.V.(
45、1999)国外一些学者还尝试采用岩土工程离心机进行国外一些学者还尝试采用岩土工程离心机进行塌陷试验，如：塌陷试验，如：BormsBorms和和BennermarkBennermark（19671967）、）、MarirMarir（19841984）专门研究了上覆软土专门研究了上覆软土“突入突入”隧道造成地面下沉隧道造成地面下沉塌陷问题；塌陷问题；BertinBertin（19781978）针对佛罗里达州的土层情况，）针对佛罗里达州的土层情况，模拟了上覆砂层、粉砂层的塌陷问题；模拟了上覆砂层、粉砂层的塌陷问题；HowellHowell和和JenkinsJenkins（19841984）模拟研究了
46、英国岩）模拟研究了英国岩盐洞穴的上覆砂层塌陷；盐洞穴的上覆砂层塌陷；SterlingSterling和和RonayneRonayne（19841984）试验了洞穴上覆粘土）试验了洞穴上覆粘土层的沉陷，但没有测量粘土的强度，也没有把结果层的沉陷，但没有测量粘土的强度，也没有把结果推广到其它土层条件；推广到其它土层条件；在在SterlingSterling的基础上，的基础上，CraigCraig（19901990）用离心模型）用离心模型研究了粘土直接覆盖洞穴或粘土砂层洞穴的条研究了粘土直接覆盖洞穴或粘土砂层洞穴的条件，建立起无量纲的安全系数（件，建立起无量纲的安全系数（V VS S）的极限值，塌）
47、的极限值，塌陷与土层强度、土层厚度、其它上覆荷载以及洞穴陷与土层强度、土层厚度、其它上覆荷载以及洞穴开口直径有关，开口直径有关，MarylandMaryland大学的大学的AbdullaAbdulla和和GoodingsGoodings（19961996）运用）运用离心机塌陷破坏机理和导致塌陷的临界组合条件，离心机塌陷破坏机理和导致塌陷的临界组合条件，重点研究了上覆在洞穴上方的弱固结砂层的塌陷破重点研究了上覆在洞穴上方的弱固结砂层的塌陷破坏与洞穴开口大小、洞穴自身强度、弱固结砂层强坏与洞穴开口大小、洞穴自身强度、弱固结砂层强度厚度、上覆砂层的厚度、以及地表荷载的关系。度厚度、上覆砂层的厚度、以
48、及地表荷载的关系。基础工程地质学基础工程地质学第四章第四章 岩溶工程地质研究岩溶工程地质研究 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究岩溶塌陷基础数据库建设岩溶塌陷基础数据库建设 国外一直比较重视岩溶塌陷灾害基础数据库的建设工国外一直比较重视岩溶塌陷灾害基础数据库的建设工作，并提出了数据格式标准。作，并提出了数据格式标准。随着随着GISGIS技术技术的普及和发展，使数据库建设提升到的普及和发展，使数据库建设提升到可可视化视化阶段，美国国家及一些州地调局开始直接向用户阶段，美国国家及一些州地调局开始直接向用户提供基于提供基于GISGIS的地质灾害数字图件，并直接放在互联的地质灾害数字图件，并直接放在互联
49、网上，供用户卸载。英国国家地调局的网上，供用户卸载。英国国家地调局的A.H.CooperA.H.Cooper建建立了基于立了基于ArcViewArcView的岩溶地质灾害数据库。的岩溶地质灾害数据库。国外研究现状国外研究现状基础工程地质学基础工程地质学第四章第四章 岩溶工程地质研究岩溶工程地质研究 岩溶地表岩溶地表塌陷塌陷研究研究岩溶塌陷危险性预测与风险评估岩溶塌陷危险性预测与风险评估 运用计算机技术，结合灾害发生的危险性与社会经济运用计算机技术，结合灾害发生的危险性与社会经济易损性，评估灾害风险，已成为国外地质灾害研究工易损性，评估灾害风险，已成为国外地质灾害研究工作的重要内容。作的重要内容
50、。英国国家地调局的英国国家地调局的A.H.Cooper(2001)A.H.Cooper(2001)用用ArcViewArcView对英对英国岩溶地质灾害进行了评估。国岩溶地质灾害进行了评估。Yongli Gao(2002)Yongli Gao(2002)运运用用ArcviewArcview对美国明尼苏达东南部岩溶塌陷的空间分对美国明尼苏达东南部岩溶塌陷的空间分布规律和潜在风险进行了系统分析。布规律和潜在风险进行了系统分析。国外研究现状国外研究现状美国的D.Raghu(1984)采用泊松方程来模拟新泽西州Warren县在给定时间内、给定面积区域发生塌陷的概率。美国的Sam B.Upchurch(