巖溶發育規律及評價

巖溶發育特點及評價

前言：巖溶又稱喀斯特，是由于地下水和地表水活動所引起可溶性巖石溶（蝕）作用，以及由于這種作用所形成的各種地表的地下溶蝕現象的總稱。大陸殼的75%地區是沉積巖，沉積巖的15%則是由碳酸鹽組成。我國碳酸鹽類巖石分布面積（出露地表的）約125萬平方公里。

1 巖溶的發育條件與規律

1.1巖溶發育條件：

⑴具有可溶性巖層

⑵具有溶解能力（含CO₂）和足夠流量的水

⑶水有流動的途徑。

1.2 巖溶化學作用過程

CO₂＋H₂O＋CaCO₃?Ca²⁺＋2HCO₃^—

影響因素：濃度、壓力、溫度

1.3巖溶發育規律

1.3.1巖溶與巖性的關系

可溶巖的化學成分、礦物成分、巖石結構對巖溶的發育程度、速度和特征有直接關系，可溶性巖石大致分為三大類：

⑴碳酸鹽類巖石，如石灰巖、白云巖、硅質灰巖和泥灰巖等；

⑵硫酸鹽類巖石，如石膏、硬石膏和芒硝等；

⑶鹵鹽類巖石， 如巖鹽和鉀鹽。

一般來說，由上往下，易溶蝕程度依次增加。

質純層厚的可溶巖層的巖溶發育強烈，且形態齊全，規模較大；含泥質或其它雜質的巖層巖溶發育相對較弱；結晶質巖石的晶粒愈小，相對溶解度愈大，不等粒結構的石灰巖比等粒結構石灰巖的相對溶解度值要大。

 

1.3.2巖溶與地質構造的關系

⑴斷裂構造對巖溶發育的影響

斷裂構造破壞了巖層的完整性，斷層帶附近巖石破碎，節理裂隙特別發育，極利于巖溶水的循環及溶蝕作用的進行，巖溶常沿各種斷層帶發育：

正斷層帶通常巖溶很發育、逆斷層帶巖溶一般不發育，通常上盤比下盤發育；在節理裂隙的交叉處或密集帶，巖溶易發育。 

 

⑵褶皺軸部巖溶一般較發育，單斜巖層巖溶一般順層面發育。地不對稱的褶皺中，陡的一翼較緩的一翼發育。

 

⑶各種巖層產狀條件下巖溶發育特點

產狀水平或緩傾的可溶巖，其上為非可溶巖時，巖溶一般不發育；其下為非可溶巖時，接觸面上部巖溶一般發育；陡傾的可溶巖，上覆與下伏為非可溶巖時，上下接觸帶處巖溶發育。

 

1.3.3巖溶與新構造運動的關系

地殼的升降運動對巖溶發育有顯著影響。

⑴地殼強烈上升時，侵蝕基準面下降，巖溶以垂直發育為主；

⑵地殼處于相對穩定時期，侵蝕基準面相續靜止，形成水平巖溶系統；

⑶地殼下降時，可能造成垂直、水平向發育巖溶疊加，比較復雜。

 

1.3.4巖溶與地形的關系

地形越陡地表水體徑流越快，巖溶的發育常以表面的巖溶形態為主，常有溶溝、溶槽、石芽等地表形態出現。

地形平緩時，地表水易于下滲，地表與地下巖溶發育速度幾乎相同，地下的巖溶形態多以漏斗、落水洞、豎井、洼地、溶洞等形態出現。

1.3.5巖溶與大氣降水的關系

降水多，地表水體強度大、地下水得到補給，則巖溶發育，否則不發育。

勘察過程中注意事項：詳細收集、調查、了解地質歷史，地質構造、古氣候、節理裂隙發育程度（最好有節理玫瑰花圖）等，繪制橫、縱斷面圖時要考慮溶洞是水平或垂直、順層、還是沿構造方向發育。

2 巖溶水

通常把巖溶化巖體中的地下水總稱巖溶水，根據巖溶水的分布特征可分為空隙水、裂隙水、溶隙水（溶洞水）。

巖溶水在垂直方向上可分為：包氣帶（垂直循環帶）、季節變動帶（過渡循環帶）、飽水帶（水平循環帶）及緩流帶（深部循環帶），見下圖

包氣帶（垂直循環帶）：為臨時性地下水運動帶，地表水通過裂隙垂直向下運動，巖溶形態以漏斗、落水洞、豎井為主。

季節變動帶（過渡循環帶）：地下水運動隨季節變化，呈周期性交替，旱季時表現為垂直運動，雨季時為水平運動，厚度變化無常。此帶中巖溶發育最為強烈，常形成復雜的大型溶洞、暗河、地下湖等。

飽水帶（水平循環帶）：為地下水最低水位以下的地帶，分布較深，有的具承壓性，常沿裂隙及層面發育大量水平和傾斜的溶洞，構成互相連通的地下通道。

緩流帶（深部循環帶）：該帶的水有承壓性，地下水運動極為緩慢，以至停滯，巖溶作用非常微弱，一般只有小溶洞及溶孔。

鐵路選線時注意事項

巖溶發育地區盡可能選擇走高處，線路最低標高定在地下水垂直循環帶中為好，避免進入季節變動帶及水平循環帶，防止施工時遇到地下暗河發生突水涌泥等重大地質災害。

德保靖西鐵路選線勘察時我們根據水文地質圖及調查測繪資料，確定了那曲隧道最低設計標高，使線路位于地下暗河上方，避免了地下暗河對工程的潛在威脅。

走在地下水垂直循環帶中也要注意評價地下水對隧道工程的影響。比較典型的工點是溪田線八盤嶺隧道，隧道位于地下水垂直循環帶內，因進口端為反坡排水施工過程中破壞了原來的地下水垂直通道，大量雨水留在洞身中，曾兩次淹沒施工掌子面（沒造成人身事故，設備有損失）。

3 巖溶分級及評價

巖溶發育程度分級

巖溶地面塌陷預測分析參考標準

注：1 累計指標分≧90為極易塌陷區，71～89為易塌陷區，≦70為不易塌陷區；

2 近期產生過塌陷區，累計指標分應為100；

3 地表降水入滲至塌地區，水的指標分為40。

   ?3.2巖溶頂板安全厚度的評價
      當前雖有一些對洞體穩定評價的定量方法，但是，洞體受力狀況、圍巖應力場的演變十分復雜，硬性規定洞體破壞的形式和取得符合實際的巖體力學參數又很困難，兼之受到探測手段的局限，很難查清洞體與圍巖的邊界條件與性能指標。因此定量方法難以在工程實踐中應用，半定量的評價方法較為實用 。
      工程類比法

荷載傳遞線交會法計算法

普氏崩壞拱法（成拱分析法）

經驗公式法（適用于深埋的松散層） 
      坍塌平衡法（適用于淺埋的松散層）
      洞頂坍塌自行堵塞估算法
      結構力學近似分析法：按頂板抗彎厚度驗算 、按 頂板抗剪的安全厚度驗算
      個人感覺多數情況下夸大了溶洞對基礎的影響程度。

      ?土洞的評價
       具備下列條件的部位都可能是有利于土洞發育的地段，應視為不利于建筑的地段。
       土層較薄，土中裂隙發育，地表無植被或為新挖方區，地表水入滲條件好，其下基巖有通道
、暗流或呈負巖面的地段；
      石芽或出露的巖體與上覆土層交接處，巖體裂 隙通道發育且是地面水經常集中入滲的部位；
      土層下巖體中二組結構面交會，或處于寬大裂隙帶上；
      隱伏的深大溶溝、溶槽，漏斗等地段，鄰近基巖面上有軟弱土層分布；
      人工降水的降落漏斗中心；當巖溶導水性相對均勻，在漏斗中地下水流向的上游部位；當巖溶水呈集中管道流時，在漏斗中地下水流向的下游部位；

提醒：地下水頻繁的在土石界面附近波動時最危險，多數情況下的巖溶塌陷為土洞所致，如京浦鐵路山東段。

      ?3.4巖溶塌陷形成的條件
       巖溶塌陷是人為因素和地質環境條件綜合作用的產物，其形成條件及影響因素主要有以下5個方面：
       巖溶發育程度 ：發生巖溶塌陷的必備條件之一，連通性好的大裂隙、洞穴不僅可以容納更多的淺蝕塌落物質，而且可將這些物質隨地下水遷移它處，為上覆松散層空洞的發展和塌陷形成提供條件。這些段落多位于河谷區及地下。
       地形地貌條件：不同地貌類型、不同的地貌位置對塌陷有明顯的影響，一般情況下負地形的地區比較容易發生塌陷，如河谷區、溶蝕洼地等。

      松散層厚度：松散層是形成巖溶塌陷的物質基礎。巖溶塌陷首先是從松散層內部形成空洞開始，因此，當其厚度較大時，空洞發展到地表引起塌陷所需時間長，且易達到自然平衡，巖溶塌陷不易發生。反之，松散層較薄時，巖溶塌陷較易發生，發生巖溶塌陷的松散層厚度一般小于30。
      地下水動力條件：巖溶塌陷的發生與地下水的淺蝕作用密切相關。當松散層內孔隙水在強烈補給巖溶水的過程中及地下水水位在松散巖層底部巖土界面的波動過程中，對松散蓋層產生潛蝕作用越強，巖溶塌陷越易發生。

      人類活動及工程荷載：當建筑物直接坐落于巖空洞之上時，首先對空洞頂板施加靜荷載，鐵路運營期間，當列車經過時，還要施加活載和震動作用。當巖溶空洞原平衡穩定條件被打破時，就會誘發巖溶塌陷的發生。