巖溶和巖溶地面塌陷地質災害一、概述

(一)巖溶的定義巖溶(Karst)：水對可溶性巖石進行的以化學溶蝕作用為主的綜合地質作用以及由此產生的各種現象。

1.巖溶作用：以化學溶蝕為主，同時還包括機械破碎、沉積、坍塌、搬運等作用，是一個化學－物理相結合的綜合作用。

2.巖溶現象：巖溶地貌及水文、工程地質條件。如石芽、石鐘乳、溶洞、地下暗河等?？扇苄詭r石包括碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、鹵化物等。（二）巖溶工程地質研究的意義1.水利水電工程：滲漏、潰壩、誘發地震2.道路工程路基、站場、橋梁地基穩定性、地基塌陷我國東部巖溶區，鐵路4010公里，巖溶塌陷376處，近十年間中斷行車1860小時，顛覆列車3次。3.工民建地基穩定性、塌陷問題1988年5月10日，武昌陸家街地面塌陷，圓形塌坑，直徑22M，深10余米，十間民房、大樹、電線桿等塌入坑中，引起附近工廠、學校、住宅墻體、地坪變形、開裂。據廣西39個巖溶山地縣統計，在已建的260座大水庫中，有明顯滲漏的（設計效益與實際效益相比低于80％者）有92座。2000年4月6日下午4時－8時，洪山區青菱鄉烽火村地面塌陷。自1977年至今，武漢地區先后發生6次巖溶地面塌陷：1977年，漢陽中南軋鋼常堆料場塌陷；1988年，武昌陸家街塌陷和阮家巷塌陷；1999年，毛坦村小學塌陷；2000年2月，武昌司法學校塌陷；2000年4月，青菱鄉烽火村塌陷4.地下工程涌水、突水、巖溶冒落陷坑18個，最大陷坑長63米、深6－7米最小陷坑1－2長，深小于2米。陷坑帶呈近東西向分布，散分在東西300米、南北250米的范圍內。有2棟民房完全倒塌，有16棟民房出現不同程度的開裂、破損。該村196戶、990余名村民無一人傷亡。（三）影響巖溶發育的因素巖溶發育的條件：具有可溶性巖石巖石具有透水性水具有侵蝕能力水在巖石中應是不斷地運動的可溶性巖石＋不斷運動的侵蝕性的水巖溶作用＋現象1、碳酸鹽巖巖性的影響：非碳酸鹽巖1098765432150％30％10％80％50％20％甲乙丙酸不溶物白云石方解石甲：純碳酸鹽巖1.灰巖2.白云質灰巖（云灰巖）3.灰質白云巖（灰云巖）4.白云巖乙：（不純）質碳酸鹽巖5.XX質灰巖6.XX質云灰巖7.XX質灰云巖8.XX質白云巖丙：不純碳酸鹽巖9.XX灰巖10.XX白云巖2、氣候的影響(1)降水的影響：水直接參與巖溶作用，充足的降水是保證巖溶作用強烈進行的必要條件。水是溶蝕作用的介質和載體，充足的降水保證了水體的良好的循環交替條件，促進巖溶作用的強烈進行。(2)氣溫的影響：氣溫升高，生物新陳代謝加快，土壤中有更多的CO2富集，但水中的CO2的溶解度減小，不利于巖溶作用。氣溫升高，溶蝕速率增大，有利于巖溶作用?？傮w上：氣溫升高有利于巖溶作用的進行。3、地形地貌的影響(1).平坦地區：地表徑流弱，入滲強烈，有利于巖溶發育(2).陡峭地區：地表徑流強烈，入滲弱，不利于地下巖溶發育(3).突起地區：地下水位深，包氣帶厚度大，垂直巖溶發育(4).低洼地區：地下水位淺，匯水地帶，巖溶發育強烈，以水平巖溶為主。4、地質構造的影響（1）.斷裂的影響：沿斷裂面巖溶發育強烈各組破裂面相互交織、延伸進而控制了巖溶發育的形態、規模、速度和空間分布。各種破裂面相互交織，使地下水混合溶蝕效應明顯，促進巖溶發育。（2）.褶皺的影響：褶皺的不同部位，裂隙發育不均勻，巖溶強度不同。核部比翼部發育。大型褶皺控制了可溶巖的空間分布和地下水匯水范圍及徑流條件，影響著巖溶的發育。（3）.巖層組合的影響厚而純的碳酸鹽巖Ⅰ.包氣帶：多發育垂直巖溶形態Ⅱ.地下水季節變動帶：兩方向巖溶均發育Ⅲ.飽水帶：規模大、連續性好的水平巖溶Ⅳ.深循環帶：巖溶不很發育ⅠⅡⅢⅣ碳酸鹽巖夾非可溶性巖層非可溶性巖層與碳酸鹽巖互層：在同一時期，巖溶呈多層發育非可溶性巖層夾碳酸鹽巖：巖溶發育極弱5、新構造運動的影響地殼運動的性質、幅度、速度和波及范圍，控制著水循環交替條件及其變化趨勢，從而控制著巖溶發育的類型、規模、速度、空間分布及巖溶作用的變化趨勢。新構造運動的基本形式有三種：（1）.上升期：侵蝕基準面相對下降，地下水位逐漸下降，側向巖溶不發育，規模小而少見，分帶現象明顯，以垂直形態的巖溶為主。（2）.平穩期：侵蝕基準面相對穩定，溶蝕作用充分進行，分帶現象明顯，側向巖溶規模大，巖溶地貌較明顯典型。（3）.下降期：常形成覆蓋型巖溶，地下水循環條件變差，巖溶作用受到抑制或停止。從更長的地質歷史時期來看：（1）間歇性上升：上升穩定再上升再穩定形成水平溶洞成層分布，高程與階地相對應。（2）振蕩升降：巖溶作用由弱到強，由強到弱反復進行以垂直形態的巖溶為主，水平溶洞規模不大，而且成層性不明顯。（3）間歇性下降：下降穩定再下降再穩定巖溶多被埋于地下，規模不大，但具成層性，洞穴中有松散物充填。從層狀洞穴的分布情況及充填物的性質，可查明巖溶發育特點及形成的相對年代二、巖溶水庫滲漏（一）滲漏的形式1.按滲漏通道分類裂隙分散滲漏管道集中滲漏2.按庫水漏失的特點分類（滲漏持續時間）暫時性滲漏：包氣帶永久性滲漏3.按滲漏部位分類繞壩滲漏：壩區臨谷滲漏：庫區（二）巖溶滲漏的研究內容1.查明巖溶發育、分布規律重點查明溶洞、暗河的展布位置、規模等，進行巖溶泉水流量、高程調查，確定通道的位置及可能影響程度。2.分析地質條件（1）巖層組合：當夾有非可溶巖地層時，可借助該層防止滲透（2）地質構造：

★褶皺

a.縱谷：與河流所處褶皺的部位有關b.橫谷：修水庫不利，但充分利用隔水層，可能防止壩區滲漏。c.斜交谷：具體分析★斷層：既可有利于滲漏，又可不利于滲漏★巖體侵入：相對隔水層的分布位置3.查明河間地塊的水文地質條件（1）補給型：滲漏與否視蓄水后庫水位與地下水位的補給關系而定。若建庫后仍為補給型，不永久滲漏。若建庫后為排泄型，則滲漏。（2）排泄型：建庫后肯定會產生永久滲漏（3）懸托型：一定滲漏在深厚碳酸鹽巖地層中，地下水排泄通暢，地殼上升，侵蝕基準面不斷下降，始終保持地下水位低于河水位，形成懸托河。若河谷沉積物覆蓋層較厚，顆粒較細，則滲漏微弱些，否則滲漏嚴重。（三）巖溶滲漏的防治措施1.截斷滲漏通道灌鋪堵截2.導水導氣三、巖溶地基穩定性（一）變形破壞的主要形式1.不均勻沉降2.地表塌陷3.地基承載力不足4.地基滑動（二）巖溶地基的處理措施1、避開2、治理：挖填：垮越：灌注加固：壓漿、旋噴樁樁基：當堆積物不易清除或不被沖失流走時，可根據建筑物需要作支承樁或摩擦樁強夯合理疏導水氣多種方法綜合利用四、巖溶地面塌陷1、巖溶地面塌陷的概念在巖溶地區，由于下部洞穴擴大而導致頂板巖體塌陷，或上覆土層中的土洞頂板因自然或人為因素失去平衡產生下沉或塌陷的通稱。2、塌陷分類正確的分類，反映學科發展的水平，又能促進學科的發展。國內的分類多以成因和影響因素為依據。一級（按塌陷成因）二級（按誘發塌陷因素）三級（按塌陷坑數量）自然塌陷地震、河水位升降大量n1000中量100n<1000少量10n<100個別1n<10自然—人為塌陷降雨入滲、表水滲漏、干旱灌溉人為塌陷排水塌陷、滲水塌陷、抽水塌陷、荷載塌陷、蓄水塌陷、振動塌陷巖溶地面塌陷分類表：3、國外巖溶地面塌陷的研究與技術狀況國外巖溶塌陷分布甚廣，據已有資料，美國、法國、南斯拉夫、德國、波蘭、南非、希臘、俄羅斯、英國、比利時、土耳其、以色列、加拿大、西班牙、捷克、保加利亞以及多米尼加等國家都有巖溶塌陷。美國巖溶塌陷最多，尤以東部較為普遍。原蘇聯研究最早，1771~1809年間的刊物上就有巖溶塌陷的問題。南非受害最大，金礦關閉、人員傷亡。（1）巖溶塌陷的狀況古巖溶塌陷古巖溶塌陷指屬于自然因素作用下的結果，如地表雨水和地下水以及地震的作用等。各地質時期，只需具備溶蝕的可溶巖和覆蓋土體、松軟巖體，在地表雨水和地下水的作用下，都可形成古巖溶塌陷。如南斯拉夫第納爾高原（寬180Km）的巖溶區，紅湖（直徑200m，深518.9m）和蘭湖（直徑2000m，深245m）均形成于中生代的塌陷產物?，F代巖溶塌陷現代巖溶塌陷是指認為因素作用下的結果。如開挖坑道、公路、鐵路、機場、工程場地、修建水庫、抽取地下水、載重、振動等作用。（2）巖溶塌陷的危害人身傷亡建設與公共設施遭致破壞地質環境與生態平衡遭致破壞（3）學術研討原蘇聯的學術研討1771~1809年；1914年蘇潘關于巖溶塌陷帶來的環境變遷；1933年全蘇喀斯特會議。以美國為主的學術研討1930年Brige報道密蘇里州的巖溶塌陷；

1941年Gramer巖溶塌陷分類。

1973年在德國的漢諾威首次舉行了“巖溶塌陷與沉陷——與可溶巖有關的工程地質問題”國際討論會四個議題：塌陷和沉陷形成的地質和地球化學條件塌陷與沉陷的機理塌陷區的區劃和地下洞穴位置的探測方法工程實例和工程措施4、成因機制巖溶塌陷的機制較為復雜，由于試驗與實際觀察難度較大，許多學者只能從理論驚進行分析、推斷，故對巖溶塌陷的機制眾說紛紜。（1）潛蝕效應潛蝕論是1898年俄國學者巴浦洛夫提出的，在國內外地質界長期被接受并加以應用。地下水位下降時，水力梯度也隨之增大，地下水流速加快，動水壓力增強，當動水壓力大于土體內聚力與顆粒間摩擦力，土顆粒開始被滲流帶動遷移，這一現象稱為潛蝕或管涌。

使土顆粒開始滲流時的水力梯度稱為臨界水力梯度。據太沙基（1933年）公式：式中：Ip—臨界水力梯度

rs—土顆粒密度

n—土體的孔隙度據達西公式和動能公式，地下水側向流時的動能：式中：FH—地下水動能

M—水的質量

K—滲透系數

I—水力梯度

n—巖土體的孔隙度

u—滲流速度（2）真空吸蝕效應真空吸蝕論是我國徐衛國等于1979年提出的，國內也普遍接受這一論點。在形成巖溶網絡的封閉空腔（溶洞或土洞）中，當地下水位大幅度下降到空腔蓋層底面下時，空腔上部便形成真空，產生抽吸力。真空吸蝕產生下列三種作用：吸盤吸蝕作用空腔吸蝕作用漩吸漏斗吸蝕作用問題探討：自然地質環境中，很難具備封密的巖溶空腔條件；真空吸蝕的極限是一個大氣壓，真空吸蝕力不大；一旦塌陷發生，封閉狀態破壞，在一次塌陷發生的中后期，則不可能連續發生塌陷，這與許多事例不符；一旦發生漩吸漏斗吸蝕作用，則不存在真空吸蝕，因此時蓋層已破壞；真空吸蝕同樣難以解釋同步塌陷。（3）壓強差效應壓強差是指巖溶空腔與松散介質（或土洞）接觸面上下側水、氣流體，因巖溶管道水位變化而產生相應的壓強差值。（4）垂直滲壓效應當地表雨水入滲時，水在孔隙中運動，對土顆粒施加一種垂向滲透壓力，從而改變了土體的力學性質。當滲透壓力達到一定值時，使土體結構破壞，土顆粒隨水流產生運移，即流土或管涌，進而形成土洞，直至發生地面變形或塌陷。