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1、工程地质学课件 第三章 岩溶工程地质研究 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。有生命必有希望一、包气带与饱水带的划分一、包气带与饱水带的划分地下水面地下水面：岩石中的空隙被重力水所充满，形成一个自由水面，称为地下水面。地下水位地下水位：地下水面至基准面的高度，一般用海拔高程来表示。地下水面通过打井或地下开挖来确定包气带：包气带：地表以下到地下水面之上，岩石中的空隙未被重力水所充满。饱水带：饱水带：地下水面以下，岩石中的空隙被重力水所充满的带。2包气带包气带特点：特点：
2、岩石空隙未被水充满是固、液、气三相介质并存水的存在形式多样：水的存在形式多样：结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水作用：作用：包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“重力水”通过包气带获得降水，地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将水分传输，蒸发，消耗出去。土层含水量垂直分带土层含水量垂直分带3饱水带n特点：特点：岩石空隙被水完全充满是二相介质（固相+液相水）n空隙中水的存在形式：空隙中水的存在形式：重力水，结合水n重力水：重力水：连续分布（孔隙是连续的）传递压力在水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。n意义：意义：地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力
3、水涌出来！4二.含水层与隔水层n划分原则：划分原则：在地下水位以下，饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力给水与透水能力而进行划分n含水层：含水层：是能够透过并给出相当数量相当数量水的岩层，如各类砂土、砂岩等。n隔水层：隔水层：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道微不足道的岩层，如裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）弱透水层：弱透水层：渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层（驱动），如各种粘土，泥质粉砂岩。5概念的相对性n上述的含水层、隔水层与弱透水层的划分，有几个模糊概念“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等。n在“地质学”思考问
4、题中，通常很难用严格的“是与非”的逻辑思维很多情况下是相对的和模糊的概念，这样更切合实际。6n从实际应用角度来看划分是相对的，满足需要就可以了，n在某处打一口井，出水量80m3/d，作为小规模的供水，不能满足需要，地层定为隔水层；n但作为饮料厂的装瓶生产，水量又能够满足需要，该地层就会定为含水层。n再如，某种岩层的渗透性比较低，从供水的角度，它可能被看作隔水层，而从水库渗漏的角度，由于水库的周界长，渗漏时间长，此类岩层的渗漏水量不能忽视，这时又必须将它看作含水层。7n严格地说，自然界中并不存在绝对不发生渗透的岩层，只不过某些岩层(如缺少裂隙的致密结晶岩)的渗透性特别低罢了。从这个角度说，岩层之
5、是否透水（即地下水在其中是否发生具有实际意义的运移）还取决于时间尺度。当我们所研究的某些水文地质过程涉及的时间尺度相当长时，任何岩层都可视为可渗透的。8n随着模拟技术的发展，现代水文地质学在分析与模拟时，不再将地层简单的划分为“含水或隔水层”的了，采用模糊数学的研究方法，给个相当于隶属度的1和0之间的任一个数，如0.8，0.75，0.7，0.3等等；引用地层的“透水性”描述地层，具有重要的理论意义。9三.地下水分类n广义地下水：广义地下水：地表以下岩石空隙中的水称之，包括包气带中和饱水带中的所有水。n狭义地下水：狭义地下水：地表以下饱水岩层空隙中的水（饱水带中重力水）。n地下水分类依据地下水分
6、类依据n含水介质的类型（赋存空间）：孔隙水、裂隙水和岩溶水n埋藏条件（赋存部位）：包气带（上层滞水）、饱水带（潜水和承压水）10地下水分类表11按含水介质（空隙）类型与埋藏条件划分地下水的图示121.潜水及潜水含水层n地表以下，第一个具有自由表面的稳定含水层中的重力水。n潜水的水面为自由水面，称作潜水面。n潜水不承压，通常在重力作用下由位置高的地方向位置低的地方作下降运动，发生径流。n潜水含水层：潜水含水层：赋存潜水的岩层。一般地，房屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏多为潜水1314潜水潜水1含水层；2隔水层；3高水位期潜水面；4低水位期潜水面；5大气降水入渗；6蒸发；7潜水流向；8泉1
7、5潜水特征n1）补给：降水入渗，河湖入渗n2）排泄：泉，河，蒸发n3）动态：补给或排泄通过含水层厚度变化而储水与释水！n4）水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快n5）影响因素：n受气象，水文因素影响明显，变化快（水量、水位季节性变化）n受人为因素影响也显著，易污染n潜水的基本特点是与大气圈、地表水圈联系密切，积极参与水循环；决定这一特点的根本原因是其埋藏特征位置浅且上面没有连续的隔水层。n潜水研究方法之一：绘制潜水等水位线162.承压水n承压水：承压水：充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。n承压含水层：承压含水层：赋存承压水的岩层1718基本要素与特征n承压含水层：赋存承压水的
8、岩层n隔水顶板n隔水底板n承压含水层厚度（H）n埋深（D）n测压水位线（面）：测压水位线的连线（面），此线是虚拟的（如图有压管）n承压高度：含水层某点的承压高度数值上等于该点的测压高度n补给区：仅分布于出露区n承压区：含水层中具有承压高度的分布区n排泄区：n自溢区测压水位线与地形等高线的交点连接区191隔水层；2含水层；3潜水位及承压水测压水位；4地下水流向；5泉；6钻孔，虚线为进水部分；7自喷井；8大气降水补给；H承压高度；M含水层厚度20主要特征（主要特征（与潜水相比）：）：n补给与排泄：补给与排泄：有限区域与外界联系，水循环迟缓，水交替慢，平均滞留时间长（年龄老或长）恢复性差。n水化学：
9、水化学：变化较大，一般矿化度较高，可以保存很“古老”的水。n动态：动态：要稳定些，如果分布面积大，厚度稳定，则调节能力很强。承压含水层的厚度不变，储水与释水时，厚度是如何进行的？n研究方法之一：研究方法之一：绘制承压含水层的等测压水位线图（加地形等高线）n承压水的基本特征是由于上部受到隔水层或弱透水层的隔离，承压水与大气圈、地表水圈的联系较差，水循环也缓慢得多。承压水不像潜水那样容易污染，但是一旦污染后则很难使其净化。21潜水与承压水的相互转化n在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的。有时在复杂条件下很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水。n如在山区多层地层结构时，强烈的切割作用，
10、往往会形成多个地下水面n在厚度很大的含水层中，部分地段可能为承压水，部分段就会出现无压水（也有称层间水）n一个封闭的含水层有时也很难给出是潜水？还是承压水？的划分，n如图图。开采前为潜水含水层；开采后转变为承压含水层。221含水层；2隔水层；3阻水断层；4天然地下水位；5开采后的地下水位；6潜水流线；7承压水流线；8泉；9开采钻孔23上层滞水n上层滞水：上层滞水：分布在包气带，局部隔水层（弱透水层）上，积聚的具有自由水面的重力水。n上层滞水是包气带中有实际利用价值的重力水。n特点：特点：最接近地表，接受大气降水的补给，通过蒸发或向隔水底板（弱透水层底板）的边缘下渗排泄。雨季积存一定水量，旱季逐
11、渐耗失；不能终年保持有水；动态变化显著。作用：作用：只有在缺水地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源。n上层滞水极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护24四.地下水的补给与排泄n1.地下水的补给n2.地下水的排泄n3.地下水的径流251.地下水的补给n补给：含水层自外界获得水量的作用过程n含水层的补给来源：n大气降水n地表水：河流、海洋、湖泊、水库n凝结水n灌溉回归水n来自其它含水层的水n人工补给26地表水与地下水的补给关系地表水与地下水的补给关系1基岩；2松散沉积物；3地表水位（纵剖面）；4地下水位；5地表水位（横剖面）272.地下水的排泻n排泄：含水层失去水量的作用过程。n地
12、下水排泄方式：n泉（点状排泄）n向河流泻流（线状排泄）n蒸发（面状排泄）n一个含水层向另一个含水层排泄n人工排泄：井、钻孔、渠道28泉n泉是地下水的天然露头，在地形面与含水层或含水通道相交点地下水出露成泉。n根据补给泉的含水层性质根据补给泉的含水层性质分类：上升泉上升泉和下降泉下降泉两大类。n上升泉由承压含水层补给，下降泉由潜水或上层滞水补给。n根据出露原因下降泉可分为：侵蚀泉、接触泉与溢流根据出露原因下降泉可分为：侵蚀泉、接触泉与溢流泉。泉。n沟谷切割潜水含水层时，形成侵蚀（下降）泉地形切割达到含水层隔水底板时，地下水被迫从两层接触处出露成泉，这便是接触泉29301透水层；2隔水层；3坚硬基
13、岩；4岩脉；5风化裂隙；6断层；7潜水位；8测压水位；9地下水流向；10下降泉；11上升泉31323.地下水的径流n地下水由补给区流向排泄区的作用过程称作径流。n除某些构造封闭的自流水盆地及地势十分平坦地区的潜水外，地下水处于不断的径流过程中。n径流是连接补给与排泄的中间环节，地下水的水量与盐量由补给区传递到排泄区；n径流的强弱影响着含水层的水量与水质的形成过程。n研究地下水的径流包括：n径流方向、径流强度、径流量等33Ch3岩溶工程地质研究n1概述n2碳酸盐岩的溶蚀机理n3影响岩溶发育的因素n4岩溶区水库渗漏问题n5岩溶地基稳定问题n6岩溶区环境问题34351概述n定义n岩溶:地下水和地表水
14、对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用.这种作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总称叫作岩溶,国际上通称喀斯特(Karst).36岩溶作用的表现n1.形成地下和地表的各种奇特的地貌形态n2.形成特殊的水文地质现象37岩溶湖形成过程n1、岩溶地区，地表上长草并有沙碎石覆盖，草和沙碎石底下是很厚的一层碳酸盐类地层。n2、岩溶-碳酸盐类地层很容易受水的溶蚀，无论来自地表渗透下来的水，还是地下水，迂到此类地层都会起着溶蚀作用。n3、岩层经溶蚀后成空洞，溶蚀愈来愈严重，空洞相应就愈来愈大，大到一定程度，因承受不了地上植被与泥沙碎石的压力时，便发生溶洞崩塌。n4、崩塌后的溶洞，逐渐的积水、储水，从而
15、形成岩溶湖。典型的岩溶湖是由碳酸盐类地层经流水的长期溶蚀所产生的岩溶38n岩溶湖泊排列无一定方向，形状或圆形或椭圆形，有时也可呈长条形。岩溶湖一般面积不大，水深也较浅。我国岩溶湖大多分布在岩溶地貌较发育的黔、桂和滇等省（区）。39草海n贵州省咸宁的草海，它原是一个构造下陷而成的盆地，早期的湖泊大约形成于15万年以前，当时湖面面积达90km2以上。此后，湖面开始收缩，大约距今12000年前，湖面缩小到60km2；至距今约5900年前，湖面又缩小至30-40km2；大约距今2000-4000年间，因湖水从地下暗河流出，湖泊消亡。据史料记载，明洪武年间“诏卫兵屯兵其中”、“迄今鞠为牧草，郡民牧草其中
16、”，说明当时已成可耕可牧的坝区。19世纪50年代，草海又重现。据称“清咸丰七年（1857），七月落雨40余昼夜，山洪暴发，夹沙抱木，大部落水洞被堵，洪水无法宣泄，盆地东部被掩成湖”。因湖中滋生繁茂的水生植物，故名草海。当湖水位为海拔2170米时，水深为2-5米，湖面积为45.5km2，容积为1.4108米3。草海是我国湖面面积最大的构造岩溶洞，素有高原明珠之称。40路南石林n素有“天下第一奇观”之称的石林风景区。位于路南县境内，距昆明市100公里，景区由大、小石林、乃古石林、大叠水、长湖、月湖、芝云洞、奇风洞7个风景片区组成。全县共有石林面积400平方公里，是一个以岩溶地貌为主体的，在国内外知
17、名度较高的风景名胜区。41新疆岩溶地貌n在阿尔金山自然保护区的阿尔格山中，有一片古老的岩溶地貌，东起布喀达坂山峰，西止阿其克库勒湖，长350公里,宽2030公里，面积约1万平方公里，深藏在海拔4400米5000米的崇山峻岭之中。n那一片古老的石灰岩山经过千百年的风吹雨打，溶解分化，呈现出千奇百怪的形状。林立的石峰，有的拔地而起，直插蓝天，有的像“骆驼”、“大象”、“苍龙”、“卧虎”、“笔架”、“天桥”、“庙宇”、“点将台”、“仙人掌”、“石旗杆”、“拴马桩”，维妙维肖；还有那溶沟、石芽、甬道、走廊，更是千姿百态。n更有意思的是，阿尔格山的岩溶地貌，由于局部地区受到第四纪冰川的影响，形成了“静扫
18、群山出，突兀撑青空”的角峰。保护区的岩溶地貌套叠冰川地貌，崖壁奇峭，幽谷深壑，冰川悬挂，气象万千。42地下岩溶n地下的岩溶地貌是各种溶洞，地下水中含有的碳酸钙在过饱和条件下沉积而成各种化学堆积物：从洞顶往下悬挂的叫石钟乳；从洞底往上生长的叫石笋；石钟乳和石笋相接叫石柱；洞壁上的片状沉积叫石幕。43统计资料n可溶性岩石在地球上的分布以碳酸盐岩最广n我国碳酸盐岩的分布面积2*106km2,占国土面积的1/5n其中裸露于地表的约1.3*106km2,1/7n分布位置:西南,华南,华北等地.西藏,新疆等省区n四川,贵州,广西,云南,湖南,湖北等省连续分布,面积达5*105km2,是我国主要的岩溶区44
19、贵州黄果树瀑布n黄果树瀑布是我国最大的瀑布，地处贵州省镇宁县，为打帮河上源白水河上黄果树地段九级瀑布中的最大一级瀑布。瀑布宽约20米（夏季水大时可达30米40米），从60米高处的悬崖上直泻犀牛潭n黄果树瀑布坐落在石灰岩地区，附近岩溶地貌发育，众多的岩溶洞穴内不仅有各种形态的钟乳石，且多暗河和地下瀑布。45岩溶与工程建设的关系n(1)水利水电建设中,库坝位置选择不当,岩溶洞穴导致库水渗漏n(2)隧道,地下洞库,采矿,可能遭遇岩溶突水现象n(3)地下硐室施工中遭遇巨大溶洞,必须改线n(4)覆盖型岩溶区,土洞的发育及地表塌陷对农田和建筑物的破坏462碳酸盐岩的溶蚀机理n岩溶营力n地下水和地表水的溶蚀
20、和沉淀n地表水的侵蚀,剥蚀和堆积n地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀n地下水的机械潜蚀,冲蚀和堆积n地下洞穴的重力崩坍,塌陷与堆积47一.碳酸盐岩溶蚀过程n前南学者Bogli,把石灰岩的溶蚀过程分为4个阶段n(1)与水接触的石灰岩,在偶极水分子作用下发生溶解nCaCO3Ca2+CO32-(1)n溶解很快,并立即达到平衡48第二阶段n(2)原溶解于水中的CO2与水的反应nH2O+CO2H2CO3H+HCO3-(2)n这时碳酸电离的H+与CO32-化合成重碳酸根nH+CO32-HCO3-(3)n使右边的CO32-不断减少而破坏平衡,进而促使CaCO3的再度溶解49(1),(2)阶段最终反应nC
21、aCO3+H2O+CO2Ca2+2HCO3-50第三阶段n(3)水中溶解的CO2一部分转为化学溶解,即水中部分游离CO2与水化合成为新的碳酸(即H2O+CO2H2CO3),并不断补充H+的消耗及促使CaCO3的溶解51第四阶段n水中CO2减少,必然吸收外界的CO2以便使水中CO2达到新的平衡n封闭系统中:石灰岩的溶解总量取决于水中最原始的CO2含量n开放系统中:水中CO2因溶解石灰岩而减少后,可由外界不断得到补充52二.混合溶蚀效应n定义:不同成分的水混合后，对碳酸盐岩的溶蚀性有所增强，这种作用叫做混合溶蚀效应。n即便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，混合后的溶液则
22、变成不饱和状态，从而产生新的溶蚀作用。2碳酸盐岩的溶蚀机理53岩溶发育强烈地带n凡是有利于水混合的地带，岩溶发育总是比其他地带强烈。包括：n垂直渗入水与地下水相混合的地下水面附近n地下水面以下能使不同成分的水向它汇集的强径流带，n如断层破碎带n大的构造裂隙n溶蚀裂隙或溶蚀管道2碳酸盐岩的溶蚀机理54n不同方向裂隙交汇带n地下水的排泄区n如河谷边岸的地下水与河水的混合带等处55三、其他离子的作用n1酸效应n任何酸所解离出的H+离子，都能与碳酸钙溶解后所形成的CO32-结合成HCO3-，从而增加碳酸钙的溶解度。n在自然界中，除了CO2溶于水所形成的碳酸外，还有各种地球化学作用和生物新陈代谢过程中所
23、产生的各种无机酸和有机酸。2碳酸盐岩的溶蚀机理56n特别是在硫化矿床氧化带中这种效应最为显著.n在某些铁细菌作用下,黄铁矿通过以下反应生成硫酸n4FeS2+15O2+14H2O4Fe(OH)3+8H2SO457n新生成的硫酸与碳酸钙相互作用,一方面加强碳酸钙的溶解,同时生成新的CO2,使水中侵蚀性CO2增加nCaCO3+H2SO4CaSO4+H2CO3nH2CO3H2O+CO2582同离子效应水中如溶有与碳酸盐相同的某种离子的物质，例如CaCl2，则由于Ca2+离子浓度增加，就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。593.离子强度效应溶液中有与碳酸钙不相关的强电解
24、质离子时，这些离子就会以较强的吸引力吸引Ca2+与CO32-离子，实质上是使Ca2+与CO32-之间的引力有所降低。这时，Ca2+与CO32-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。603影响岩溶发育的因素n岩溶发育的基本条件（索科洛夫1962）n具有可溶性岩石n岩石是透水的n水必须具有侵蚀性n水在岩石中应处于不断运动状态中61n归纳为3类：n具可溶性岩石n具溶蚀能力的水n具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。其中最为活跃而积极的是地下水的循环交替条件，它受控于气候、地形地貌、地质结构、地表非可溶性岩石覆盖及植被
25、发育条件等。62一、碳酸盐岩岩性的影响n1碳酸盐岩成分与岩溶发育的关系n碳酸盐岩是碳酸盐矿物含量超过50的岩石，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。由于各组分含量不同，可构成性质不同的各种岩性。63碳酸盐岩分类命名n碳酸盐类岩石通常以其组分不同划分为灰岩和白云岩两大类型n岩石中所含方解石在50以上的属灰岩类n含有50以上白云石的属白云岩类n当酸不溶物含量超过10时，以实测的物质，如泥质或硅质等参与碳酸盐岩的命名n当酸不溶物大于50时为非碳酸盐类64碳酸盐岩详细划分和命名n灰岩(CaCO380%,酸不溶物10%)n白云质灰岩（云灰岩）(50%CaCO380%,20
26、%MgCO350%,酸不溶物80%,酸不溶物10%)n泥（硅）质灰岩65n泥（硅）质云灰岩n泥（硅）质灰云岩n泥（硅）质白云岩n泥（硅）灰岩(30%泥（硅）粒屑亮晶n白云岩类依次为：n泥晶细晶中晶粗巨晶71二、气候的影响n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，控制着岩溶发育的类型、规模和速度。72n气候类型的特点表现：n气温、降水量、降水性质（暴雨、阴雨）、降水的季节分配及蒸发量的大小和变化n气温高低及降水（主要指降雨）量大小对岩溶发育的影响最大73水是生物新陈代谢过程中必需的物质，也是岩溶作用中各种化学反应的介质。降水量大小影响地下水补给的丰缺，进而影响地下水
27、的循环交替条件。降水通过空气，尤其是通过土壤渗透补给地下水的过程中所获得的游离CO2，能够大大加强水对碳酸盐岩的溶蚀能力。因此降水量大的地区比降水量小的地区岩溶发育强烈74n温度高低直接影响各种化学反应速度和生物新陈代谢的快慢，因而对岩溶发育起着十分重要的作用。n碳酸盐岩的溶解速度不仅决定于水中游离CO2的数量，同时还决定于水中化学反应的速度。75n一般来说，温度升高时，溶于水中的CO2减少，但这时的化学反应速度却显著增加。n因此，温度升高时碳酸盐岩的溶蚀量总是增加的，即温度较高的地区常比温度较低的地区岩溶发育。n湿热气候区比其他气候区的岩溶发育规模和速度要大76三、地形地貌的影响n地形地貌条
28、件是影响地下水的循环交替条件的重要因素。n区域地貌表征着地表水文网的发育特点，反映了局部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。771.地表陡缓直接影响降水渗入量大小n比较平缓的地段，降水渗入量较大，有利于岩溶发育。n地形较陡的地段，地表径流较快，降水渗入量较小，岩溶发育较差。n如谷坡地段垂直渗入带内的岩溶发育比分水岭地段要弱。782.不同地貌部位上发育的岩溶形态不相同n岩溶平原区，垂直渗入带较薄，容易形成埋深较浅的溶洞和暗河n宽缓微切割的分水岭地带，垂直渗入带也较薄，可在不深处发育水平洞穴。79亚洲第一大溶洞-九天洞n位于
29、桑植县城西南利福塔镇水洞村，距张家界市城区87公里。有公路自县城直达洞口，全长15.4公里。洞口有直升飞机场。n此天然大溶洞因溶顶有9个自然天窗而得名。80柞水溶洞n地处秦岭南麓的石瓮镇，距古城西安66公里。西康铁路和西康二级公路穿境而过n风景区面积约19平方公里，有大小溶洞108个，是我国北方最大的溶洞群落。其中具有优美景观和科研价值的有9个81北京石花洞n石花洞位于房山区河北镇南车营村，距京城50公里，为明代高僧圆广法师于1446年云游时发现n石花洞是岩溶洞穴的典型代表，几乎囊括了岩溶洞穴中全部形态。其中，石花洞中的石笋被称为“天然时钟”和“千年温度计”，记录了公元前665年至1985年以
30、来2650年的北京夏季历年温度。n石花洞洞体为多层多支的层楼式结构，7层82地苏暗河n广西都安地区的地苏暗河，全长50多公里，大小支流13条，汇集了900平方公里的地表水，出口处最大流量为390立方米/秒。n暗河的流量根据旱季雨季的不同会相差数十甚至上百倍。洞中地形复杂，暗河可以有湍急的水流、跌水和瀑布，也会在较宽阔的洞中形成地下湖。83n在切割较深的山地、高原或高原边缘地区，垂直渗入带很厚，地下水埋藏很深，以垂直岩溶形态为主，水平岩溶形态发育于埋深较大的地下水面附近。n当其他条件相同时，因地形地貌所构成的补给区与排泄区的高差愈大，距离愈短，则地下水的循环交替条件愈好，岩溶发育强烈，深度也愈大
31、。84四、地质构造的影响n1断裂的影响n断裂的产状、性质、密度、规模及相互组合特点，决定着岩溶的形态、规模、发育速度及空间分布。85n如沿一组优势裂隙可发育成溶沟、溶槽n沿两组或两组以上裂隙可发育成石芽及落水洞n大型溶蚀洼地的长轴、落水洞和溶斗的平面分布、溶洞和暗河的延伸方向，常与断层或某组优势节理裂隙的走向一致n大型地下溶洞及暗河系统，其主、支洞的形态和延伸方向，主要受控于断裂的产状及组合特征86n五倍的宽度大于长度时，为溶沟；n若小于长度，为溶槽87岩溶漏斗-小寨天坑n位于重庆距奉节县城91公里的荆竹乡小寨村n天坑坑口地面高1331米，深度为521662米，宽度为535625米，总容积1.
32、19亿立方米。n坑壁四周陡峭，在东北方向峭壁上有小道通到坑底。坑壁有两级台地：位于300米深处的一级台地，宽210米，台地有两间房屋，曾有人隐居；另一级台地位于400米深处，呈斜坡状8889n规模较大的断层常可构成小型或次级断裂的集水通道，其水源补给充沛，混合溶蚀效应条件较好，因此易于形成规模巨大的洞穴。这就是岩溶作用的差异性和岩溶发育在空间分布上不均匀性的重要原因。902褶皱的影响褶皱的影响n不同构造部位的破裂结构面发育程度是不同的n一般情况下，褶皱核部比翼部的断裂发育强烈。因此，核部的岩溶比翼部发育强烈。91n褶皱的形态、性质及展布方向，控制着可溶盐岩及岩溶的空间分布。如溶蚀洼地的长轴、溶
33、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。92n褶皱开阔平缓时，碳酸盐岩在地表的分布较广泛，岩溶较为发育，分布亦较广泛；n在紧密褶皱区，可溶盐岩与非可溶盐岩相间分布，地表侵蚀与溶蚀地貌景观亦呈相间分布，地下洞穴系统横向发展受限，岩溶主要沿岩层走向发育。933.岩层组合特征的影响n碳酸盐岩与非可溶盐岩的组合特点不同，就会形成各具特色的水文地质结构，从而控制岩溶的发育和空间分布。大致可以分为以下4种。94（1）厚而纯的碳酸盐岩n当碳酸盐岩厚达百米以上时，在剖面上常形成按地下水动力特征及其相应岩溶发育的垂直分带现象（图9-3）。n这是对岩溶发育最为有利的情况。常形成规模大、延展较深的洞穴。
34、其中岩溶作用最强烈的地方是季节变化带（II）和饱水带的水平循环亚带（IIIa）。95图9-3厚而纯的碳酸盐岩区岩溶水动力分带I-包气带；II-水位季节变化带；III-受河流排泄影响的饱水带；IV-深循环带；图中箭头示地下水流向96（2）非可溶岩夹碳酸盐岩n砂页岩中夹少量碳酸盐岩属于这一类型。因砂页岩透水性差，可构成相对隔水层，所夹灰岩中地下水的循环交替条件很差，因而岩溶发育极弱。97（3）碳酸盐岩夹非可溶岩n由于非可溶岩的存在影响地下水的运动，在剖面上地下水的动力分带及岩溶发育不如（1）类充分，但较其他类型的岩溶发育。n在碳酸盐岩与下伏非可溶岩交界面附近，由于后者的隔水作用，岩溶发育强烈。98
35、（4）碳酸盐岩与非可溶岩互层n因非可溶岩层次较多，可形成多层含水层的水动力剖面，每一稳定的非可溶岩层构成相对隔水层，并起局部溶蚀基准面的作用。因而在平缓岩层区，岩溶虽不大发育，但在同一地质时期中可形成多层洞穴。n若将这种洞穴与侵蚀地貌进行高程对比时应予注意。99五、新构造运动的影响n地壳的升降运动关系对岩溶作用影响最大。n基本形式：上升、下降、相对稳定五、新构造运动的影响1001.相对稳定n局部排泄基准面与地下水面的位置较固定，有利于水对碳酸盐岩长时间进行溶蚀作用n地下水动力分带现象及剖面上岩溶垂直分带现象都明显，有利于侧向岩溶作用，岩溶形态的规模较大。n地表形成溶原、溶洼及峰林地形n地下各种
36、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。五、新构造运动的影响1012.地壳上升n地壳上升，侵蚀基准面相对下降,地下水位相应下降。n虽然地下水的径流排泄条件较好，但因地下水位不断下降，侧向岩溶作用较弱n水平溶洞和暗河不发育，而以垂直形态的岩溶（溶隙、垂直管道）为主，岩溶作用的深度虽较大，但其差异性和岩溶空间分布的不均匀性都不显著。五、新构造运动的影响102悬托河n处于地壳上升运动的碳酸盐岩山区，有时发现河谷中的地下水位低于河水位，甚至地下水位在河床以下数十米至数百米，这种河流叫做悬托河。五、新构造运动的影
37、响103悬托河的基本条件n形成悬托河的基本条件：n具深厚的碳酸盐岩；n地下水向排泄区运动过程中径流通畅；n地下水排泄基准面不断下降。黄河：河水位高于地面五、新构造运动的影响1043.地壳下降n地下水的循环交替条件减弱，岩溶作用减弱。n当地壳下降幅度较大时，已经形成的岩溶可能被新的沉积物所覆盖，成为隐伏岩溶n1.覆盖层厚度数米至数十米者为覆盖型岩溶n2.覆盖层厚度数十米至数百米时为掩埋型岩溶。五、新构造运动的影响1054.组合运动n间歇性上升n当地壳处于间歇性上升，即上升稳定再上升再稳定的地区，就会形成水平溶洞成层分布n各层溶洞高差愈大，则地壳相对上升的幅度愈大n水平溶洞的规模愈大，则地壳相对稳
38、定的时间愈长n这种类型在山区比较常见，并可形成裸露型岩溶五、新构造运动的影响106（a）地壳上升时，深成岩溶阶段（b）地壳稳定时，侧向岩溶阶段（c）地壳再上升时，侧向岩溶转深成岩溶阶段岩溶发育阶段示意图五、新构造运动的影响1074.组合运动n振荡性升降n岩溶作用由强到弱，由弱到强反复进行，以垂直形态的岩溶为主，水平溶洞规模不大，且其成层性不显。n间歇性下降n岩溶多被埋藏于地下，其规模虽不大，但具成层性，洞穴中常有松散物充填n多见于平原或大型盆地区，并能形成覆盖型或掩埋型岩溶五、新构造运动的影响1084岩溶区水库渗漏问题n碳酸盐岩经岩溶作用后，形成各种复杂的洞穴管道系统，致使岩体水文地质条件更趋
39、复杂，透水性加大且不均一。在这种地区兴建水利水电工程时，由于渗漏量较大，常使水库不能正常蓄水兴利，甚至干涸无水。因此，岩溶渗漏是水利水电工程中的主要工程地质问题之一。109n大流量、高流速渗漏精确探测及堵漏是关系水库岩溶渗漏处理成败的关键n猫跳河四级水电站深岩溶渗漏精确探测n引子渡水电站厂房基坑大流量高流速涌水溶洞精确探测和防渗堵漏处理等110111澧水三江口水电枢纽n澧水三江口水电枢纽大坝建在覆盖型强岩溶地基上，是我国首次采用T型墩消力池的工程n大坝建成后，坝基岩溶渗漏严重，采用了特殊的动水条件下灌浆堵漏技术工艺，成功地解决了该坝的岩溶堵漏问题，现工程运行良好。112一、渗漏的形式n1按渗漏
40、通道分类n（1）裂隙分散渗漏库水通过溶隙或顺层面渗漏n（2）管道集中渗漏库水通过岩溶管道系统集中渗漏，渗漏量较大113一、渗漏的形式n2按库水漏失的特点分类n（1）暂时性渗漏库水饱和库底包气带的岩溶洞穴和裂隙所消耗的水量。洞穴、裂隙饱水后渗漏停止。库水贮藏于岩体空隙中，不造成水量的损失。n（2）永久性渗漏库水通过岩溶化岩体流向本河下游、邻谷、低地及干流等处，造成库水的损失，叫做永久性渗漏。是工程质研究重点。114n坝区库水通过坝基及绕坝肩向本河流坝后渗漏n库区通过库岸经河间地块向邻谷、低地或干流渗漏，n通过库岸经河弯地段向本河下游渗漏n在悬托河谷区，库水通过库底垂直渗流，至地下水面后向本河下游
41、或更远的区域性排泄区（如干流）渗漏115水库永久渗漏的形式116二、影响水库渗漏的因素n影响水库渗漏的因素很多n地形地貌n地层岩性n地质构造n岩溶发育程度n水文地质条件n在预测水库是否产生渗漏及其严重程度时，应抓住反映渗漏问题的两个关键：117二、影响水库渗漏的因素n渗漏通道分析（必要条件）n查明通道的类型（洞穴、裂隙、孔隙、断层破碎带）、规模、位置、延伸方向和连通性，其中自库水入渗段至可能渗漏的排泄区之间渗漏通道的规模和连通性，对水库渗漏的影响最大118二、影响水库渗漏的因素n水文地质条件研究（充分条件）n核心：分析拟建水库的河流和库水位与地下水位的关系n只要河间地块或河弯地段的地下水分水岭
42、高于设计库水位，即便岩体中渗漏通道规模较大，连通性较好，也不会向邻谷或经河弯地段向本河下游产生永久性渗漏。n查明地下水分水岭高程与河水位及库水位的关系，是分析水库渗漏的本质和关键，它是水库渗漏的充分条件。1191岩溶的影响n岩溶发育程度是决定渗漏通道大小的根本因素。n当以溶隙、溶孔为主时，对渗漏的影响不大；n当岩溶发育强烈，分布广泛，深度较大，又有大型溶洞及地下暗河存在时，一旦渗漏，其量很大，常常影响工程的正常使用。120岩溶发育程度n是影响渗透通道连通性的重要因素n岩溶作用初期，以孤立的溶隙和管道为主，不易形成渗漏通道n强烈发育时，各种洞穴相互连通121岩溶发育的不均匀性n地区岩溶发育不均匀
43、性受控于n地层岩性n地质构造n地形地貌n水文地质条件等n一般规律：1222地质构造的影响n地质构造决定渗漏通道的连通性n褶皱和断层对碳酸盐岩空间分布有影响n从宏观上分析地质构造对岩溶渗漏通道连通性的影响123向斜谷隔水层的阻水作用1-岩溶化灰岩；2-页岩；3-砂岩；4-水位124背斜谷对水库渗漏的影响岩层倾角平缓可能渗漏岩层倾角较陡不可能渗漏125横向谷中选坝时隔水层的利用1-厚层灰岩；2-薄层灰岩；3-页岩；4-断层；5-河流流向126断层与可能渗漏通道的关系127岩浆岩切断可能的渗漏通道1283.河谷区水文地质特征的影响n建库河流的河水位及库水位与河谷两岸地下水位及邻谷河水位的组合关系不同
44、，可构成水文地质特征各异的河谷类型n可将河谷分为：n补给型n排泄型n悬托型129补给型：建库前两岸地下水及邻谷河水均补给建库河流a、b、c、d、e排泄型：建库前河水补给地下水，建库后肯定会产生库水永久渗漏f、g悬托型：将沿整个库底产生垂直渗漏，这是渗漏最为严重的类型，尽量避免在这种河谷中修坝建库130三、岩溶渗漏的防治n原则n降低岩体的透水性，堵截渗漏通道n合理导水导气n具体措施n1.灌浆n2.铺盖n3.堵洞n4.截渗n5.疏导1311灌浆n借助钻孔向地下渗漏通道灌注水泥、沥青或粘土浆液，充填岩体中的裂隙及洞穴，形成灌浆帷幕，以降低岩体的透水性。此法适于溶隙及规模较小的洞穴，且岩溶发育深度较大
45、的河段。1322铺盖n在坝上游或库盆内用透水性较小的粘性土或混凝土填筑成人工铺盖，以处理地表附近面积较大的分散性渗漏通道。它适用于地表岩溶不发育，而以溶隙、数量较多的小洞穴为主的地段。1333堵洞n用块石、砂、混凝土、粘性土等材料，堵塞地表规模较大的岩溶洞穴，如井状落水洞、漏斗等。这是处理地表岩溶集中渗漏的有效措施。1344截渗n在地下岩溶管道的集中漏水处，用混凝土或浆砌块石等筑成截水墙，以截断地下水平集中渗流通道。1355疏导n(1)条件n库区岩溶十分发育n落水洞与暗河互相沟通n洞中地下水位变幅较大n有时在库底有反复泉出露时不宜随意堵塞洞穴1365疏导n(2)原因n洪水期地下水位上升，可能形
46、成较高的水、气压力，因高压水气的冲爆作用破坏堵体，或形成新的洞穴和塌陷n枯水期地下水位下降，在被堵塞或天然封闭条件较好的洞穴中，可能形成负压，因“真空吸蚀”作用也会破坏堵体或形成新的洞穴或塌陷。这两种作用都会加剧水库的渗漏。1375疏导n(3)解决方案na.自动启闭闸门nb.烟囱式调压井nc.卧管式调压井138自动启闭闸防渗库水较深的岩溶洞穴上修建139烟囱式调压井库水较浅的岩溶洞穴上修建140卧管式调压井 当岩溶洞穴位于库岸时1415岩溶地基稳定问题n一、岩溶地基变形破坏的主要形式n（1）地基承载力不足n（2）地基不均匀沉降n（3）地基滑动n（4）地表塌陷142岩溶塌陷n岩溶洞隙发育强烈，宽
47、大开口的溶隙、溶沟和溶槽不仅为塌陷物质提供了一部分空洞，而且可以形成为塌陷物质向地下洞穴空间运移的通道；n第四系盖层薄，粘结力低，地下水埋藏浅，径流排泄条件好；n大量反复抽取地下水143（1）地基承载力不足n在覆盖型岩溶区，上覆松软土强度较低，或建筑荷载过大，使地基发生剪切破坏，进而导致建筑物的变形和破坏。144（2）地基不均匀沉降n在覆盖型岩溶区，下伏石芽、溶沟、落水洞、漏斗等造成基岩顶面的较大起伏，当其上部有性质不同、厚度不等的细粒土分布时，在建筑物附加荷载作用下，产生地基不均匀沉降，从而导致建筑物的倾斜、开裂、倾倒及破坏。145（3）地基滑动n在裸露型岩溶区，当基础砌置在溶沟、落水洞、漏
48、斗附近时，有可能使基础沿岩体中倾向临空的软弱结构面产生滑动，进而引起建筑物的破坏。146（4）地表塌陷n在地基主要受压层范围内，如有溶洞、暗河、土洞等时，在自然条件下，或因人工抽汲地下水等而引起水位大幅度下降，产生洞顶坍塌，引起地面沉陷、开裂147二、地表塌陷的成因及分布特征n1地表塌陷的成因n潜蚀n真空吸蚀n高压水气的冲爆n重力n振动n建筑荷载n溶蚀作用148二、地表塌陷的成因及分布特征n2地表塌陷的分布特征n（1）当覆盖层厚度较小时，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。覆盖层一般为内聚力较弱的土层。n（2）地表塌陷多发生在岩溶发育强
49、烈的地区如在断裂带附近、褶皱核部、硫化矿床的氧化带、非可溶盐岩与碳酸盐岩接触部位等n（3）在抽、排地下水的降落漏斗中心附近，地表塌陷最为密集。149二、地表塌陷的成因及分布特征n2地表塌陷的分布特征n（4）地表塌陷常沿地下水的主要径流方向分布。n（5）在接近地下水的排泄区，因地下水位变化受河水位变化的影响频繁而强烈，故地表塌陷亦较强烈。n（6）在地形低洼及河谷两岸平缓处易于塌陷。150二、地表塌陷的成因及分布特征n3.地表塌陷的分布特征总结n岩溶洞穴发育强烈n地下水动态变化很大n上部覆盖层厚度较小且性质较松软的地区151三、岩溶地基稳定性评价n1覆盖型岩溶区n（1）评价模型：在评价覆盖型岩溶地
50、基稳定性时与一般地基不同，需同时考虑上部建筑荷载和土洞的共同作用n（2）土洞高度预测152(1)评价模型极限方程式：Hk=h+z+DHk为极限状态时上覆土层的厚度；h为土洞高度；D为基础砌置深度z为基础底板以下建筑荷载的有效影响深度，一般以压缩层厚度表示覆盖型岩溶地基稳定性分析图153（2）土洞高度预测平衡拱理论设土洞发育在开敞型岩溶洞穴顶部，岩洞洞壁稳定，洞口宽度为2b。据MM普罗托加科诺夫理论，可得土洞坍塌至天然平衡拱时的拱高h，即土洞高度为H=b/f无粘性土时，f=tg粘性土时，f=(rtg+C)/r式中：b为岩洞洞顶宽度之半；f为土的坚固性系数；为土的内摩擦角；C为土的内聚力；r为压应