1、第十二章第十二章 岩溶及岩溶渗漏的工程地质分析岩溶及岩溶渗漏的工程地质分析工程地质分析原理工程地质分析原理n12.1 基本概念及研究意义基本概念及研究意义n 岩溶亦称喀斯特岩溶亦称喀斯特 (karst)，是在以碳酸盐类为主，是在以碳酸盐类为主的可溶性岩石分布区，由于水，其中特别是地下水的可溶性岩石分布区，由于水，其中特别是地下水，对岩石以溶蚀为主的作用所形成的诸现象的综合，对岩石以溶蚀为主的作用所形成的诸现象的综合。最主要的特点是缺乏完整的地表水系，而不相沟。最主要的特点是缺乏完整的地表水系，而不相沟通的封闭洼地则很多，河流进入这类地区往往潜入通的封闭洼地则很多，河流进入这类地区往往潜入地下转
2、化为伏流河，即使一些主要河道仍保持为地地下转化为伏流河，即使一些主要河道仍保持为地表河，也缺乏发育完整的支流体系，而是通过各种表河，也缺乏发育完整的支流体系，而是通过各种地下管道或裂隙与附近的封闭洼地发生水文联系。地下管道或裂隙与附近的封闭洼地发生水文联系。所以，地下溶蚀裂隙或管道非常发育也是它的主要所以，地下溶蚀裂隙或管道非常发育也是它的主要特征。特征。 n 岩溶最早是以其独特景观受到地貌工作者的重岩溶最早是以其独特景观受到地貌工作者的重视与研究；而其独特的溶洞体系则是洞穴学视与研究；而其独特的溶洞体系则是洞穴学(speleology)的探测和研究的主要对象；由于岩溶区的探测和研究的主要对象
3、；由于岩溶区地表水系多转为伏流河，研究和追索地下水流通道地表水系多转为伏流河，研究和追索地下水流通道就成为岩溶水文地理学就成为岩溶水文地理学 (karsthydrography)的研究内的研究内容；近年来更多的水文学者重视岩溶水文学容；近年来更多的水文学者重视岩溶水文学(karsthydrology)的研究，以便掌握岩溶区地下水的的研究，以便掌握岩溶区地下水的运动、水文动态、水均衡等方面的规律性。运动、水文动态、水均衡等方面的规律性。n n 岩溶地区也有其特有的工程地质问题。最突出的是岩溶地区也有其特有的工程地质问题。最突出的是由于其地下溶洞、溶蚀缝隙发育，修建水工建筑物往往由于其地下溶洞、溶
4、蚀缝隙发育，修建水工建筑物往往会遇到强烈渗漏问题。岩溶区修建其它工程也有特有的会遇到强烈渗漏问题。岩溶区修建其它工程也有特有的工程地质问题。例如作为厂房地基有埋藏深溶蚀槽和软工程地质问题。例如作为厂房地基有埋藏深溶蚀槽和软弱土层以及土层塌陷问题；作为重型结构物基础就有岩弱土层以及土层塌陷问题；作为重型结构物基础就有岩石因溶洞化而承载能力不足的问题；开挖矿山坑道、隧石因溶洞化而承载能力不足的问题；开挖矿山坑道、隧洞或地下厂房也有突然涌水、使隧道结构复杂化等问题洞或地下厂房也有突然涌水、使隧道结构复杂化等问题。岩溶洞穴的地表塌陷是岩溶区常风的地质灾害。所以。岩溶洞穴的地表塌陷是岩溶区常风的地质灾害
5、。所以岩溶研究在工程地质工作中占有重要地位。岩溶研究在工程地质工作中占有重要地位。n 除碳酸盐岩溶外，可溶硫酸盐如石膏、硬石膏，以除碳酸盐岩溶外，可溶硫酸盐如石膏、硬石膏，以及岩盐也可形成岩溶。但这两类岩石在地表分布有限，及岩盐也可形成岩溶。但这两类岩石在地表分布有限，所以这里不予论述。所以这里不予论述。 n研究内容研究内容 ： n 本章首先阐述本章首先阐述 碳酸盐岩溶蚀的物理化学原理碳酸盐岩溶蚀的物理化学原理 ，作为进一步探讨岩溶发育规律的理论基础，着重说作为进一步探讨岩溶发育规律的理论基础，着重说明这种溶蚀作用是受到多种因素影响的复杂物理化明这种溶蚀作用是受到多种因素影响的复杂物理化学过程
6、。其次分析作为学过程。其次分析作为 岩溶发育基本条件岩溶发育基本条件 的水在可的水在可溶性岩石中的循环和交替的条件，着重于分析这一溶性岩石中的循环和交替的条件，着重于分析这一基本条件对岩溶现象的空间分布和发育强度的控制基本条件对岩溶现象的空间分布和发育强度的控制作用。进而讨论岩溶作为一个缓慢地质作用的作用。进而讨论岩溶作为一个缓慢地质作用的 发育发育阶段性阶段性 ，说明地质历史分析在预测强岩溶化带中的，说明地质历史分析在预测强岩溶化带中的意义。再通过典型实例阐述意义。再通过典型实例阐述 岩溶渗漏的工程地质分岩溶渗漏的工程地质分析析 ，最后讨论岩溶区修建水工建筑的，最后讨论岩溶区修建水工建筑的
7、工程处理措施工程处理措施。n12.2 碳酸盐溶蚀的物理化学原理碳酸盐溶蚀的物理化学原理 n 硫酸盐和氯化物的溶蚀是一种纯溶解过程，在一定温硫酸盐和氯化物的溶蚀是一种纯溶解过程，在一定温度、压力下，其溶解度为常数。只要达到饱和即不再进一度、压力下，其溶解度为常数。只要达到饱和即不再进一步溶解。所以这类可溶盐的溶蚀都是由地表向地下迅速减步溶解。所以这类可溶盐的溶蚀都是由地表向地下迅速减弱，在地面下很快消失。弱，在地面下很快消失。n 碳酸盐的溶蚀完全与上述两种盐类的溶蚀不同碳酸盐的溶蚀完全与上述两种盐类的溶蚀不同 。它。它不是纯溶解而是涉及到几个体系的化学平衡的复杂溶解过不是纯溶解而是涉及到几个体系
8、的化学平衡的复杂溶解过程，这使得碳酸盐溶蚀并不仅有由表及里的发育，也还不程，这使得碳酸盐溶蚀并不仅有由表及里的发育，也还不容忽视地存在着深部先形成而后又经浅部作用改造的趋向容忽视地存在着深部先形成而后又经浅部作用改造的趋向。n12.2.1 碳酸盐溶蚀的复杂反应过程碳酸盐溶蚀的复杂反应过程 n 碳酸钙在纯水中的溶解度是很低的。但是天然水中碳酸钙在纯水中的溶解度是很低的。但是天然水中的碳酸盐含量总是远远高于其溶解度值。这是因为水中总的碳酸盐含量总是远远高于其溶解度值。这是因为水中总含有溶解的含有溶解的 CO2 。n纯水中碳酸钙的溶解：纯水中碳酸钙的溶解：n 任何酸所解离出来的离子加入，都会减少反应
9、方程右任何酸所解离出来的离子加入，都会减少反应方程右侧离子的浓度而使反应继续不断向右方进行，亦即不断减侧离子的浓度而使反应继续不断向右方进行，亦即不断减小小 CO3-离子和离子和 HCO3-离子的浓度，于是反应就必然不断向离子的浓度，于是反应就必然不断向右方进行，结果是碳酸钙的溶解度比纯水中的溶解度大为右方进行，结果是碳酸钙的溶解度比纯水中的溶解度大为增加。增加。 n12.2.2 影响碳酸盐溶蚀反应的各种因素影响碳酸盐溶蚀反应的各种因素 n 空气中空气中 CO2 的含量、温度、压力、溶液中的其它离子的含量、温度、压力、溶液中的其它离子 、水及流动的水、岩性、水及流动的水、岩性n12.2.3 关
10、于混合溶蚀效应关于混合溶蚀效应 n 伯格利伯格利 (Bogli)的大量洞穴调查工作证明，有些溶洞确的大量洞穴调查工作证明，有些溶洞确形成于深饱水带，并将其形成原因归之于不同成分的水混形成于深饱水带，并将其形成原因归之于不同成分的水混合后侵蚀性有所增强，他称这种增强的溶蚀效应为合后侵蚀性有所增强，他称这种增强的溶蚀效应为 混合溶混合溶蚀效应蚀效应 。n 两个不同来源的水中两个不同来源的水中 CO2含量相差愈大，则对混合溶含量相差愈大，则对混合溶蚀愈有利，两者之一蚀愈有利，两者之一 CO2含量很低时尤其如此。所以，灰含量很低时尤其如此。所以，灰岩中碳酸盐溶质饱和度很高的地下水排出地表与地表水混岩中
11、碳酸盐溶质饱和度很高的地下水排出地表与地表水混合处极有利于混合溶蚀效应的产生；地下深部地质作用产合处极有利于混合溶蚀效应的产生；地下深部地质作用产生的富含生的富含 CO2的水上升与近地表含的水上升与近地表含 CO2低的水混合也会产低的水混合也会产生较强的混合溶蚀效应。生较强的混合溶蚀效应。同理，两个不同来源同理，两个不同来源 H2S含量不同的水相混合也能产含量不同的水相混合也能产生混合溶蚀效应。地下深部地质作用生混合溶蚀效应。地下深部地质作用 (如岩浆活动如岩浆活动 )产生的产生的水含有大量水含有大量 H2S，而近地表的地下水则，而近地表的地下水则 H2S含量极低，二含量极低，二者相混合其混合
12、溶蚀效应也相当显著。者相混合其混合溶蚀效应也相当显著。含盐度不同的水混合，同样也会有混合溶蚀效应。所含盐度不同的水混合，同样也会有混合溶蚀效应。所以近海岸灰岩含水层向海的排泄带因淡咸水混合溶蚀作用以近海岸灰岩含水层向海的排泄带因淡咸水混合溶蚀作用也强烈。也强烈。 典型地带：垂直渗入水与灰岩中地下水相汇合的地下典型地带：垂直渗入水与灰岩中地下水相汇合的地下水面附近地带；地下水面以下能使不同成分的水向它汇集水面附近地带；地下水面以下能使不同成分的水向它汇集的强径流带，如大的溶蚀裂隙或溶蚀管道，不同方向的溶的强径流带，如大的溶蚀裂隙或溶蚀管道，不同方向的溶蚀裂隙交汇带；以及灰岩中地下水排出口地表与地
13、下水的蚀裂隙交汇带；以及灰岩中地下水排出口地表与地下水的混合带等。由于混合溶蚀效应所造成的某些局部地带溶蚀混合带等。由于混合溶蚀效应所造成的某些局部地带溶蚀“超前超前 ”，其它广大地带溶蚀，其它广大地带溶蚀 “滞后滞后 ”，是造成岩溶发育，是造成岩溶发育 “不不均一均一 ”或或 “分异分异 ”的主要原因之一。的主要原因之一。 n12.3 岩溶发育的基本条件岩溶发育的基本条件 12.3.1 基本条件基本条件（ 1）在可溶性岩石中具有一定的孔隙或裂隙系统，为水的循环提供通道。（ 2）有适宜的地貌条件和地质结构条件，为水的向碳酸盐岩中渗入提供补给途径，并为水的排出碳酸盐岩体之外提供通道。（ 3）地表覆盖层的厚度、渗透性，影响补给量和补给是分散补给还是集中补给；降水及其年分配，影响渗入补给量及渗入补给的季节变化等。
