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第七章 岩溶工程地质研究


第七章

岩溶工程地质研究


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碳酸盐岩的溶蚀机理

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影响岩溶发育的因素
岩溶区水库渗漏问题 岩溶地基稳定性问题

第一节
一、定义

概述

岩溶:水(包括地表水和地下水)对可溶性岩石 进行的以化学溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用以 及由此产生的地貌及水文地质现象的总称。 岩溶作用:以化学溶蚀为主,同时还包括机械破 碎、沉积、坍塌、搬运等作用,是一个化学-物理相 结合的综合作用。 可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。

岩溶现象:
1、形成独特的地貌 大的地貌形态及蚀变:峰丛(溶蚀);峰林(溶盆);

溶蚀平原
地表形态 正形态:石林、石笋、峰林、孤峰。 负形态:溶沟、溶孔、溶槽、溶水洞、漏斗、 洼地、溶盆、溶原。 地下形态:溶洞、溶隙、暗河。

2、形成独特的水文地质现象:
水文地质条件复杂化;透水性增大,流态 动态及不均匀性 增大等。

贵州省毕节县的织金洞,原名打鸡洞。位于县城东 北23公里处织金洞是一个多格局、多层次、多类型的 高位旱洞,洞内岩溶生长独特,景物规模宏大,雄伟 壮观,千姿百态,精妙绝伦。全洞初勘长12.1公里, 面积达70平方米,两壁最宽处173米,垂直高度多在50 至60米,最高处达150米。洞内空间开阔,地形起伏迭 宕,岩溶堆积物达40多种,囊括了世界溶洞所有的形 态类别。

“天坑”是岩溶(又称“喀斯特”)地区地下河运行形 成大面积塌陷造成的,它与常说的“岩溶漏斗”不同,岩 溶漏斗一般是斜坡,上宽下窄,天坑则是四壁岩石峭立, 深度百米至数百米以上,犹如一个巨大无比的“桶”。这 个“桶”,口径从近百米至数百米不等,容积从10万立方 米至1亿立方米以上。天坑形状奇特,地处僻壤,坑上坑 下林木葱郁,如果能进入“桶”底,更觉神奇。

天坑在国内外均有发现。我国重庆开隆县、奉节县, 四川兴文县,广西乐业县、巴马县等地都先后发现了天坑, 当地人分别称其为“石围”、“石院”、”岩湾”、“漩 坑”、“龙缸”等,国外说法也不一样,一般称为Great doline(大漏斗)。我国有关专家认为称其为“天坑”最确 切,故取名为“岩溶天坑”(Karst tiankeng),简称“天 坑”。

二、我国岩溶分布特征
世界大陆75%为沉积岩,15%为碳酸盐岩,约 4000万Km2为可溶岩。我我国碳酸盐分布面积334 万Km2 ,约占国土面积的36%。川、黥、桂、湘、 鄂等是我国主要的岩溶区。
我国地跨热带、亚热带和温带不同气候区, 形成不同气候区独特的岩溶类型及特征。

我国南方地 区化学作用 为主,地貌 景观以石芽、 石柱峰丛、 峰林,大峡 谷,溶洞等 为特色。

我国北方地 区气温低, 溶蚀速度要 慢很多,水不 是参与作用 的主要原因, 而是以断裂、 崩塌等物理 因素为主的 破坏。

云台山地处位于河南省修武县

三、岩溶工程地质研究的意义
一方面,岩溶地区形成优美的自然风 景.充分利用岩溶洞穴作为地下工程等。 另一方面,生态环境脆弱,水旱及地 质灾害频繁发生。在该地区进行工程建 设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。 主要有:岩溶渗漏,引发地区塌陷,造 成坑道涌水、突水、滑落。

1.水利水电工程:
渗漏、溃坝、诱发地震 据广西39 个岩溶山地 县统计,在 已建的260 座大水库中, 有明显渗漏 的(设计效 益与实际效 益相比低于 80%者)有 92座。

2.道路工程
路基、站场、桥梁地 基稳定性、地基塌陷 我国东部岩溶区, 铁路4010公里,岩溶 塌陷376处,近十年间 中断车1860小时,颠 覆列车3次。

3.地下工程
涌水、突水、岩溶冒落

4.工民建
地基稳定性、塌陷问题
自1977年至今,武汉地区先后发生6次岩溶地面塌陷: ? 1977年,汉阳中南轧钢常堆料场塌陷; ? 1988年,武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷; ? 1999年,毛坦村小学塌陷; ? 2000年2月,武昌司法学校塌陷; ? 2000年4月,青菱乡烽火村塌陷 1988年5月10日,武昌陆家街地面塌陷,圆形塌坑,直 径22M,深10余米,十间民房、大树、电线杆等塌入坑中, 引起附近工厂、学校、住宅墙体、地坪变形、开裂。

2000年4月6日下午4时-8时,洪山区青菱乡烽火村地面塌陷。 陷坑18个,最大陷坑长63米、深6-7米;最小陷坑1-2长,深小于2 米。 陷坑带呈近东西向分布,散分在东西300米、南北250米的范围内。 有2栋民房完全倒塌,有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。

该村196户、990余名村民无一人伤亡。

正在进行路基施工的桂林至梧州市 高速公路与桂林市外环高速路段相接 处,近期发现大量岩溶塌陷。 这一罕见的岩溶地面塌陷群发生 在位于临桂县会仙镇马面村以南约2公 里处正在施工的路基。目前已发现有 85个塌陷溶洞,分布在2公里长新辟的 路基上,直径最小为1米,大至10多米, 最浅的为1米,最深的3米多。

几乎所有的塌陷洞内都涌积清澈的地下水, 水位埋深1~3米,可测水深达3米多,不少塌 陷洞内可见基岩出露。洞内的水位抽几天都不 见下降。经压路机碾压过的泥土路基,陷坑分 布密度惊人,仅在1处约100多米长的路段,就 发现有32个。在今年4月修路基时就陆续发现 塌陷,修涵洞时就遇到过2个溶洞,投了100多 立方石头才填满。现在看到的塌陷大部分都经 挖掘机车清理,准备填充石料。据了解随着工 程施工铺开,近日又新出现了10多个塌陷。

佛罗里达州温特帕克的落水洞

(a)开 始沉下去 不久,注 意昂贵的 赛车掉入 坑内。 (b)从 空中看, 这个坑几 乎完全对 称。 (c)堵 塞后的景 观,落水 洞地区现 在成了一 个城市公 园。

第二节

碳酸盐岩的溶蚀机理

参与岩溶过程的营力及岩溶过程很复杂。主要营 力是水,水的侵蚀、溶蚀作用是经常性、缓慢的长期作 用过程。

主要作用有溶蚀、侵蚀、重力坍塌、堆积、沉陷 等。如地表水—侵蚀、剥蚀、堆积;地下水—溶蚀、 机械潜蚀、堆积、沉陷;重力、气压—坍塌、冲爆、 吸蚀。

一、溶蚀过程
碳酸盐为难溶盐,溶解度 很低,如250C 时,溶解度为 14.2mg/L,由于水的化学成分 复杂,且随环境条件而复化, 使得碳酸盐岩石处于长期、多 变、多种溶蚀效应。溶蚀反应 由表及里,地下溶蚀优先的复 杂体之中。 涉及三相体系:固、水、 气。 主要九个离子平衡体系: CO2,H2CO3,HCO3—,CO32—,Ca2+,CaHCO3+,CaCO3,H+,OH—

溶蚀过程如下(以CaCO3 的溶解和沉积为例)



CaCO3 ? Ca ? CO3

2?

2? ?

CO2 ? H 2O ? H 2CO3 ? H ? HCO3
2?

由①及②

CaCO3 ? CO2 ? H 2O ? Ca ? 2HCO3

?

上述反应也可表示为离子平衡式:

Ca 2? ? CO32? ? H ? ? HCO3? ? Ca 2? ? 2HCO3?
化简为:

CO3 ? H ? HCO3

2?

?

?

上述表明:CaCO3 在水中溶解的实质是 CO32- 与H+ 结合生成HCO3- ,因此H+ 的浓度 是溶解的关键。天然水中, H+ 浓度很低, 故CaCO3 在天然纯水中溶解很少,形成岩溶 主要是因为水中含有过量的CO2 ,与水结合 电离H+ ,促使CaCO3溶解。任何能在水中产 生H+ 的物质均可能使CaCO3溶解。

水中CO2主要取决于外界环境的补给。如 大气、土壤的生物作用等。 大气、生物、岩石、水构成一个岩溶动态 系统,岩溶是一个复杂的物 理化学动态过程。
不平衡,CaCO3溶解或CO2逸出 平衡,或析出 CaCO3 (沉淀) 不平衡 , CaCO3溶解
充 CO2

往复进行

二、混合溶蚀效应
不同成分或不同温度的水混合 后,其溶蚀能力有所增强的效 应。

1.两种不同饱和溶液的混合溶 蚀效应
指两种或两种以上不同饱和度 水溶液,在碳酸盐岩体内相遇,混 合后的溶液较原来的溶液溶解性增 强。 水的溶蚀能力取决于水中侵蚀 CO2的的存在情况,右图中曲线表示 平衡CO2与溶解CaCO3的关系。 两溶液的溶解度相差越大,相混合后,侵蚀性越大。实际上,自 然界中溶液大都比较接近,相混合一般能再溶解1%-2%的CaCO3 。

2.不同温度溶液的混合溶蚀相效应
如果有两种温度不同而饱和度相同的水相混合,或 一种水溶液由高温变为低温,都可以加大CO2的溶解度, 从而加强溶液的溶蚀能力。这是因为温度由高降低时水 对CO2吸收系数增大,以及用于饱和CaCO3所需的平衡CO2 减少,多余的CO2转化为游离CO2 。实际上,温度降低同 时又限制了溶液中分子的游动和扩散,减缓了溶解反应 的速度。
在地质条件特殊的部位,因上述原因,常使岩溶作 用较之其他地方强烈。如,地下水面附近;断层交错等 地下水下渗流汇合点;河谷岸坡附近;温泉出露点附近 等。

三、其他离子的作用
天然地下水中成分较复杂,大致有两类离子:一类是 与碳酸盐岩溶解产生的相同离子,如Ca2+ 、Mg2+ 、CO32等;另一类是不同的离子,如Na1- 、Cl1- 、SO42- 等。这 些离子对溶液的溶解性都有一定影响,即产生离子效应, 如下:

1.酸效应
任何酸解离出H+ 后,溶液中H+ 浓度增加,H+ 和CO32- 结合生成HCO31,从而加速CaCO3 的溶解。如右反应式:

CaCO3 ? 2H ? ? Ca 2? ? 2HCO3?
地质上含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。

2.同离子效应
加入Ca2+ 或CO32- 等同等离子后,减缓水对碳酸盐的溶蚀 能力。

CaCO3 ? Ca

2?

? CO

2? 3

3.离子强度效应
水中增加与CaCO3不相一致的强电解离子时,它们会以较 强的吸引力吸引Ca2+ 及CO32- 离子,从而降低Ca2+ 与CO32-的引 力,从而增大水对CaCO3的溶解性。

第三节
岩溶发育的条件

影响岩溶发育的因素
具有可溶性岩石 具有溶蚀能力的水

具有良好的水循环交替条件

凡是影响上述三个条件的因素均是影响岩溶 发育的因素。

一、碳酸盐岩岩性的影响
碳酸盐岩能否被溶解或溶解程度如何,主 要取决于岩石的性质,如物质成分、化学成分、 矿物成分及结构。 碳酸盐岩是指碳酸盐矿物含量超过50%的 一类沉积岩。主要化学成分是CaCO3、 MgCO3 、 sio2等。 常见的有:灰岩、白云岩、白云质灰岩、 硅质灰岩、泥质灰岩等。

不同岩石,其溶解性是不同的, 可用两个指标表示:
试样溶蚀量 (试验前后的质量差) 标准试样溶蚀量 试验溶解速度 (单位时间的溶蚀量) 标准试样溶解速度

比溶蚀度KV=

比溶解度K CV=

准试样:方解石,要求试样尺寸相同,粉碎的 粒度大小一样,溶蚀在高浓度CO2的蒸馏水中。

KV及KCV越大,说明岩石的溶蚀强度和溶蚀 速度也越大。
研究表明: ★方解石含量越高CaO/MgO比值越大, KV及KCV 越大;反之白云石含量越小。

★酸不溶物含量越高, KV及KCV越小。

矿物结晶越小, KV越大。一般而言,泥晶>粒屑>亮晶。

二、气候的影响
1.降水的影响:
(1)水直接参与岩溶作用,充足的降水是 保证岩溶作用强烈进行的必要条件。

(2)水是溶蚀作用的介质和载体,充足的 降水保证了水体的良好的循环交替条件,促进 岩溶作用的强烈进行。

2.温度的影响:
(1)温度升高,水中的CO2的溶解度减小, 不利于岩溶作用。一般,水温升高200 -300 C, 溶于水中的CO2减少一半。 (2)温度升高,生物新陈代谢加快,释放 更多的CO2带入水中,同时温度升高,化学反映 速度大大加快,有利于岩溶作用。一般温度升 高100 C,化学反应速度加快一倍。

总体上:温度的升高有利于岩溶作用的进 行。

副热带

青藏高寒地区

我国气候分类

亚热带 温 带

三大特征地区

西北干旱地区
南部温热地区

温热潮湿的热带、亚热带地区:岩溶作用较强烈 高寒干旱的地区:岩溶不发育 不同气候条件下,岩溶速度、形态、类型都 明显不同

如溶蚀速度:

广西:0.12-0.13mm/a ; 湖北:0.06mm/a ;

河北:0.02-0.03mm/a 。
岩溶形态差别:
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广西副热带—溶蚀为主,地表地下岩溶充分强烈,形态诸全;

湖北、湖南、四川等地 — 岩溶发育,以溶丘、溶洞、漏斗 为特征。 河北、山东、山西等地 — 不太发育,侵蚀为主,几乎不发 育封闭溶蚀地形,以地下隐伏岩溶为主。
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三、地形地貌的影响
地形地貌条件通过影响水的入渗,循环交替条件,进而影 响岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布。例如:

区域地貌格局,宏观上控制了某地区的地表水文网及地下水 排泄基准面的性状,从而控制了地表地下水的运动趋势,进而 控制了岩溶发育的总体形式。
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地形平缓地貌较之地形较陡地貌,地表径流缓慢,入渗量较 大,有利于岩溶发育。
?

不同地貌条件,因其垂直入渗带埋深和水平径流程度的不同, 垂直岩溶形态及水平岩溶形态的明显差别。
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地形高差大大影响地下水补、排条件,影响岩溶发育的深度。

四、地质构造的影响
1.断裂的影响
成岩、构造、风化、卸荷等作用形成的各种破 裂面,为地下水入渗和流动提供了通道,同时为地 下水有效向深部渗入并形成深部岩溶提供了条件。
由于断裂构造的存在,在一定程度上控制了岩 溶的发育。例如,沿断裂面岩溶发育强烈。 各组破裂面相互交织、延伸进而控制了岩溶发 育的形态、规模、速度和空间分布,使得岩溶发育 宏观不均一性。 各种破裂面相互交织,使地下水混合溶蚀效应 明显,促进岩溶发育。

2.褶皱的影响
褶皱的类型和部位不同,裂隙发育程度 不同,岩溶强度不同。如核部比翼部发育, 背斜比向斜发育。 褶皱的形态、性质、尺寸和方向控 制了可溶岩的空间分布从而控制了岩溶发育 的特征。

3.岩层组合特征的影响
可溶碳酸岩与非可溶岩可能在不 同地段形成十分复杂的各种组合形式, 因而岩石溶蚀性存在显著差异,从而 形成复杂的岩溶现象。如下4中类型 的组合形式,岩溶发育明显不同。

(1)厚而纯的碳酸 盐岩
最有利于岩溶发育,按地下 水动力特征剖面上分为四个 带:
Ⅰ.包气带:多发育垂直岩 溶形态,溶蚀通道 间连通 性差。 Ⅱ.地下水季节变动带:垂 直和水平两个方向岩溶均发 育。 Ⅲ.饱水带:有利于形成规 模大、连续性好的水平岩溶 Ⅳ.深循环带:由于水循环 交替迟缓,岩溶发育很弱。


Ⅱ Ⅲ



(2)碳酸盐岩夹非可溶性岩层
由于非可溶岩的存在影响地下水运动,岩溶发育没有(1) 充分,不一定具备上述四个分带特点。但也常有岩溶现象发育, 其程度因不可溶岩夹层的厚度和夹层多少而不同。

(3)非可溶性岩层与碳酸盐岩互层
在同一时期,岩溶呈多层发育

一般岩溶作用较弱,往往因非可溶岩隔水作用,形成局部地 下水系统,从而可能形成多层岩溶现象 。

(4)非可溶性岩层夹碳酸盐岩
岩溶发育极弱
非可溶岩隔水作用,地下水循环交替条件很差,岩溶发育极 弱。

五、新构造运动的影响
地壳的上升、下降、相对稳定运 动的性质、幅度、速度和波及范围, 控制着水循环交替条件及其变化趋 势,从而强烈的控制着岩溶发育的 类型、规模、速度、空间分布及岩 溶作用的变化趋势。

地壳较快上升期:侵蚀基准面相对下降,地下水 位适应排泄基准面而逐渐下降,侧向岩溶不发育,规 模小而少见,分带现象不明显,以垂直形态的岩溶为 主。
?

地壳相对平稳期:侵蚀基准面和地下水面相对稳 定,溶蚀作用充分进行,分带现象明显,侧向岩溶规 模大,可形成较大规模的水平岩溶和暗河,岩溶地貌 较明显典型。
?

地壳下降期:常形成覆盖型岩溶,地下水循环条 件变差,岩溶作用受到抑制或停止。
?

从更长的地质历史时期来看:
(1)间歇性上升:上升 稳定 再上升 再稳定

形成水平溶洞成层分布,高程与阶地相对应。 (2)振荡升降:岩溶作用由弱到强,由强到弱反复进行 以垂直形态的岩溶为主,水平溶洞规模不大,而且成层性不明显。 (3)间歇性下降:下降 稳定 再下降 再稳定

岩溶多被埋于地下,规模不大,但具成层性,洞穴中有松散物充填。 从层状洞穴的分布情况及充填物的性质,可查明岩溶发育特点及形成的相 对年代

总之,岩 溶发育与水的 循环交替条件 密不可分,而 这一条件又严 格受岩层组合、 地质构造、地 形地貌等诸因 素控制。自然 界中,水循环 交替条件很复 杂。左图为几 种典型情况:

第四节

岩溶区水库渗漏问题

在岩溶地区修建储水输水等建筑 物如水库,水体可能沿其岩溶通道向 周遍产生渗漏,有时会严重影响工程 的 正常使用。岩溶渗漏问题是水利水 电等工程中的主要工程地质问题之一。 这里以水库渗漏为例介绍渗漏的一些 基本问题。

一、渗漏的形式
1.按渗漏通道分类

裂隙分散渗漏

管道集中渗漏

2.按库水漏失的特点分类
暂时性渗漏:饱和包气带的洞、隙消耗的水量一旦饱 和,渗漏停止。

永久性渗漏:库水不断地通过岩溶通道向下伏河谷、 邻谷、低地等处流失。

3.按渗漏部位分类
绕坝渗漏:坝区 临谷渗漏:库区

二、岩溶渗漏条件分析
1.查明岩溶发育、分布规律 重点查明溶洞、暗河的展布位臵、规模等,进 行岩溶泉水流量、高程调查,确定通道的位臵及可 能影响程度。 地面调查,地球物理勘探,连通试验(荧光示踪剂, 放射性同位素,盐等),钻探等。

2.分析地质条件
(1)岩层组合:

当夹有非可溶岩地层时,可借助该层防止渗透
(2)地质构造:



褶皱

a.纵谷:与河流所处褶皱的部位有关 b.横谷:修水库不利,但充分利用隔水层,可能防 止坝区渗漏。 c.斜交谷:具体分析

岩溶灰岩

灰岩

隔水层

隔水层

纵向谷,向斜,隔水层起到封闭 作用,库水不会向邻岩渗漏

横向谷,岩层褶皱,不利于库区防渗,对 于坝址充分利用隔水层可有效隔渗。

灰岩

灰岩

隔水层 隔水层

纵向谷,背斜,地层产状较缓, 库水沿岩溶通道向邻岩渗漏。

纵向谷,背斜,地层产状较陡, 库水不会由岩溶通道向邻岩渗漏。

★断层:既可有利于渗漏,又可不利于渗漏
岩溶 层 非岩溶化地 层 岩溶 层

断层错动,非岩溶地层搭接 形成良好隔水边界。

断层错动,破坏了良好的隔水边界, 形成间邻谷渗漏通道。

★岩体侵入:相对隔水层的分布位臵

河间地块存在诸如侵入岩体某相对隔水层,起到较好的隔水作用。

3. 查明河谷区水文地质条件
可将河谷分为补给型、排泄型、悬托型三种类型。

库水位与两岸地下水位相对高程关系,直接关乎库水能否向邻 谷渗漏,两者关系可概括为如下图各种情况:

图a、b、c、d、e为补给型河谷。 建库前地下水补给河水。 a、b、 d三种情况下,建库前 地下水位仍高于库水位,不产生渗 漏; c、e建库前,库水位高于地下 水位,产生渗漏。 图g、f属于排泄型,建库前河水 补给地下水,建库后肯定渗漏。 图h是悬托型,天然地下水位位 于谷底以下,建库后肯定渗漏。
1—建库前地下水位 2—建库后地下水位

三、岩溶渗漏的防治措施
归纳起来有两方面措施:一是降低岩体透水性;二是封堵渗漏通 道。常用灌、铺、堵、截等措施。

1、灌浆:通过钻孔向岩体灌注水泥、沥青、粘土等浆液,充填 裂隙、洞穴,降低岩体的透水性,形成防渗墙,达到防渗目的。
2、铺盖:在地表水(如库水)入渗地层(如坝上伏)铺设一定 高度的粘土等隔水层,阻止水体向地下入渗。 3、堵截:用块石、混凝土等材料对规模较大的渗漏通道进行填 塞封堵,截断水流。

由于岩溶洞体循环于水位变动与无水饱气等复杂状态,有时封堵 不当,在洪水期水位突然上升情况下,形成较高的水气压力,或下水 位下降形成负压,即可能对堵体及洞体产生破坏作用,形成塌陷等, 从而加剧渗漏作用。对此,常常还可以采取疏导措施。

第五节

岩溶地基稳定性问题

在岩溶地基上进行建设时,由于荷载等原因,产生地基塌 陷破坏,或失稳,这便是岩溶地质稳定性问题。

一、变形破坏的主要形式
1.地表塌陷 :地基受力层范围内,存在较大的空洞(如 溶洞)。在自然条件下或建筑荷载作用下,产生洞体坍 塌,引发地面塌陷而导致建筑物破坏。 2.地基承载力不足 :或不均匀塌陷:覆盖岩溶区,因覆 盖层强度较低,不能满足 建筑荷载要求而出现破坏。或 沉降不均匀导致建筑破坏。 3.地基滑动:较大的溶沟、溶洞等形成临空面,向临空 面产生的滑 动现象。

二、地基塌陷的成因
形成塌陷的原因很多。如潜蚀、真空吸蚀、 振动、土体软化、建筑荷载。目前认识尚不 一致。因当地条件不同,产生塌陷的原因而 不同,也可能是以一种原因为主导,多种因 素综合作用的结果。

1、潜蚀作用
潜蚀论是1898年俄国学者巴浦洛夫提出的, 在国内外地质界长期被接受并加以应用。 在覆盖型岩溶区,下伏存在溶蚀空洞,地下 水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时,水力 梯度增大)。在一定的水压力作用下,地下水对土 体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空。从而在洞 体顶板处的土体开始形成土洞,随着土洞的不断扩 大,最终引发动洞顶塌落。当土层较厚或有一定 深度时,可以形成塌落拱而维持上伏土层的整体 稳定。当土堆较薄时,土洞不能形成平衡。

据太沙基(1933年)公式:

I p ? (? s ?1)(1 ? n)
式中:
I p —临界水力梯度 ? s —土颗粒密度 n —土体的孔隙度

据达西公式和动能公式,地下水侧向流时的动能:
2 2 1 1 K MK I 2 2 FH ? Mu ? M ( I ) ? 2 2 n 2n 2

式中:FH—地下水动能 M—水的质量 K—渗透系数 I—水力梯度 n—岩土体的孔隙度 u—渗流速度

2

真空吸蚀效应

真空吸蚀论是我国徐卫国等于1979年提出的, 国内也普遍接受这一论点。 岩溶网络的封闭空腔(溶洞或土洞)中,当地 下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时,地下水由 承压转为无压,空腔上部便形成低气压状态的真空, 产生抽吸力,吸蚀顶板的土颗粒.同时内外压作用, 覆盖层表面出现一种“冲压”作用,从而加速土体 破坏。

真空吸蚀产生下列三种作用:
吸盘吸蚀作用

空腔吸蚀作用
漩吸漏斗吸蚀作用

问题探讨:
自然地质环境中,很难具备封密的岩溶空腔条件; 真空吸蚀的极限是一个大气压,真空吸蚀力不大; 一旦塌陷发生,封闭状态破坏,在一次塌陷发 生的中后期,则不可能连续发生塌陷,这与许多事 例不符; 一旦发生漩吸漏斗吸蚀作用,则不存在真空吸 蚀,因此时盖层已破坏; 真空吸蚀同样难以解释同步塌陷。

3

压强差效应

压强差是指岩溶空腔与松散介质(或土洞) 接触面上下侧水、气流体,因岩溶管道水位变 化而产生相应的压强差值.

4 自重效应
雨水入渗后,盖层饱和容重比干容重一般 增加30%-40%。使土拱承受更大的重量,导致塌 陷。

5 浮力效应
岩土体位于地下水位之中,当地下水位下 降时,除产生压强差效应外,土体的浮托力也 随之减小,产生塌陷。

6 土体强度效应
土体吸水饱和后,土体抗剪强度降低, 土拱抗塌力减小,产生塌陷。

7 其他效应
振动效应 荷载效应 酸液效应

由于抽水引起灰岩 充填物的地下侵蚀:

A.水位下降前的 平衡状态; B.水位下降,随 着向上侵蚀过程 使通道被排空, 出现活跃的地下 侵蚀(潜蚀进入 开阔的洞穴); C.洞穴的顶部逐 渐坍陷,可能短 期内受钙化砾石 层的抑制; D.最后的拱顶坍 陷,形成了被同 心球状张力裂缝 包围的落水洞

陆家街降水潜蚀重力致塌形成过 程模式略图 h1孔隙水位 h2岩溶水位 h3混合水位

图6-2 充泥洞穴压密作用引起坍陷 A.原水面 B.水平下降引起钙质红土和充填物压密

产生塌陷主要与以下条件有关:
1、覆盖层厚度:覆盖层薄,易于塌陷且形成时间短; 覆盖层厚,不易塌陷或形成时间相对较长。90%塌陷 出现在覆盖层厚度<10m,厚度>30m者很少产生塌陷。 2、水的作用:常常因为地下水位下降或降雨期间产 生,常出现于降落漏斗中心,土体含水量达60%以上 的状态。 3、土质条件:砂性土比粘性土易于塌陷,结构愈散 软愈易塌陷且速度愈快。 4、覆盖层下伏有较大的溶蚀空洞是形成塌陷的有利 条件。

三、塌陷地基稳定性评价
场地可否产生塌陷,在查明岩溶发育分布特征、 覆盖层厚度及荷载作用等条件后,进行稳定性评价。 一般可根据如下情况作出定性评价:

1、在地基受压层范围内,当下部基岩面起伏 较大,而上部又有一定厚度软土层时,应考 虑地基的不均匀沉陷问题。
2、基础砌臵于基岩上,且附近存在溶空体时, 应考虑地基沿倾向邻空面滑动的可能性。

3、基础底板以下土层厚度大于地基压缩层计算 深度,同时又不具备水动力变化条件时,可以 不考虑地基稳定性问题。反之,应视具体情况 对覆盖层以下洞体特性作出评价。 4、在地基受压层内,当洞体尺寸大于基础尺寸, 顶板厚度小于洞跨,岩性破碎时,应考虑为不 稳定溶洞。

5、对于三层及三层以下的一般性建筑物,无特 重荷载等特征要求时,可不考虑溶洞对地基稳 定性影响。

结合岩溶地基稳定性分析评价,应作出定量计算评价。目前 为止,评价的理论方法尚不成熟,原则上可以分如下二种情况 考虑:

(1)覆盖型岩溶区
计算模式如右图

极限状态时:Hk=h+Z+D
式中:Hk —极限状态时上覆土层的厚度 h—土洞塌陷至天然平衡拱的高度

D—基础砌置深度
Z—基础底板以下建筑荷载的有效 影响深度

当H> Hk时,地基是稳定的 当H< Hk时,地基是不稳定的,是建筑荷载和土洞共同作用 的结果 当H< h时,仅土洞的发展就可导致地表塌陷

h的高度按普氏理论确定:

b h? f
粘性土: 非粘性土:

h为洞顶宽度之半;

f为土的坚固性系数

? V tg? ? C f ? ?V

f ? tg?

(? V 为压应力,C、? 为土体强度)

(2)裸露型岩溶区:
如图模型,假设基础以下存在溶洞。简单地按顶板塌陷堵 塞法估算评价地基塌陷稳定性对建筑物的影响。

P

V1

V0

0

假设洞体体积为V0 ,产生塌陷部分的体积为V1 。 柱体: V1 ? F ? h1 V1的计算根据地质条件评估可能产生塌落的形状。一般有, 棱锥体: V ? 1 F ? h 1 1

(F为塌落体底面积)

3

假设塌陷发生后,塌落部分完全填塞所有空间, 便有:

V1 ? K ? V0 ? V1

(K为膨胀系数,一般可取1.2)三层 粗略估算时假设:

V0 ? F ? h0

便有,

3h0 h0 ? 15h0 塌落柱体:h1 ? ? 5h0 塌落锥体: h1 ? K ?1 K ?1

判断:当基础底板距洞顶顶板距离h<15h0 (或5h0 ) 时,认为存在塌落对基础的影响。

三、岩溶地基的处理措施
当岩溶地基不能满足要求时,必须进行处理。根据实 际情况可考虑选择如下措施: (1)挖填:浅埋洞体,可挖除软弱充填物,回填强度高的土 石体。

(2)跨盖:当基础下有小溶洞时,可以采用梁板跨越或柱? 支架的办法保证基础稳定性。
(3)灌浆加固:对于洞体埋深较大时,可采用钻孔灌浆的办 法堵填洞穴。 (4)对于覆盖层堆可采用夯实等处理办法。 此外,可以改变基础形式。如桩基础,或采取绕避等措施。

避开

(2)治理: ?挖填; ?垮越;

?灌注加固;
?压浆、旋喷桩; ?桩基; 当堆积物不易清 除或不被冲失流 走时,可根据建 筑物需要作支承 桩或摩擦桩

强夯

合理疏导水气

多种方法综合利用

陆家街地区岩溶地面塌陷预测分区图 1.相对稳定区;2.潜在塌陷区;3.塌陷危险区;4.区;5.亚区;6.塌陷坑


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