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岩溶与土洞_工程地质认识与分

时间:2020-01-28 理论教育
岩溶与土洞_工程地质认识与分

第三节 岩溶与土洞

一、岩溶

(一)岩溶基本概念

岩溶又称喀斯特,是指水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为特征(包括水的机械侵蚀和再沉积)的综合地质作用,以及由此所产生的现象的统称。

岩溶地区最主要的特点是形成一系列独特地貌景观,这些景观形态各异(图9-9),按其发育分布特征,主要分为以下几类。

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图9-9 岩溶形态示意图

1.石林;2.溶沟;3.漏斗;4.落水洞;5.溶洞;6.暗河;7.钟乳石;8.石笋

(1)地表岩溶形态。包括峰丛(溶蚀)、峰林、溶蚀平原、奇特的孤峰、石林、坡立谷、天生桥、落水洞、竖井、溶沟、溶槽、漏斗、洼地、溶盆、溶原等。

(2)地下岩溶形态。包括溶隙(地下)、溶洞、钟乳石、石笋、石柱、地下暗河系统及各种洞穴堆积物。

因可溶岩透水性明显增大,岩溶可以形成一系列特殊的水文地质现象,如冲沟很少且多干谷或悬谷,地表水系不发育而地下水系较发育;岩溶水空间分布极不均匀,且埋深一般较大,动态变化强烈,流态复杂。

(二)岩溶发育的机理

碳酸盐是难溶盐,其溶解过程涉及到若干体系相的化学平衡,它与一般的可溶岩的纯溶解过程不同。要解释自然界复杂的岩溶地貌现象及水文地质现象成因,必须对决定以溶蚀作用为主的岩溶作用的体系中所发生的复杂化学反应过程,以及影响反应进程的各种效应有所了解。

碳酸盐在纯水中溶解度是很低的。例如,碳酸钙在25℃时其溶解度仅为14.2mg/L,而在每升天然地下水中碳酸钙的含量可达数百毫克,远高于其溶解度。究其原因:地表水尤其是地下水并非纯水,而是化学成分十分复杂的溶液,水中含有溶解的CO2(最主要的)、无机酸、有机酸及某些盐类,这些化学组分共同促进了碳酸盐的溶蚀。

最终的化学反应式是:

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由此可见,反应体系涉及复杂的地球化学作用过程,水中CO2的存在对碳酸盐岩的溶蚀起着决定性作用。

(三)岩溶形成条件及影响因素

碳酸盐岩类岩溶发育主要是水对这类岩体化学溶蚀的结果。岩溶发育的基本条件可归结为三个,即可溶性的岩石、具溶蚀能力的水和良好的地下水循环交替条件。影响岩溶发育及控制岩溶活动空间、时间和强度规律的因素如下。

1.地层因素

(1)地层岩性。地层岩性是岩溶发育的物质基础。大量研究资料表明,碳酸盐岩石的化学成分、矿物成分和结构对岩溶发育的影响显著。

对溶蚀试验成果的共识是:岩石中方解石含量愈多,则溶蚀愈强烈,岩溶发育愈强烈;酸不溶物含量愈大,尤其是硅质含量愈高且呈分散状态时,岩石愈不易溶蚀,岩溶发育愈弱;含有石膏、黄铁矿等矿物的碳酸盐岩溶蚀较强烈,对岩溶发育有利;而含有机质、沥青等杂质的碳酸盐岩,则不利于岩溶发育。

(2)成层组合关系。岩层的成层组合关系,尤其是可溶岩与非可溶岩呈互层产出时,影响着地下水的循环交替,对岩溶发育有重大影响。一般情况下,均一、厚层、质纯的碳酸盐岩更易岩溶化,而当碳酸盐岩与非碳酸盐岩互层或碳酸盐岩中有非碳酸盐岩夹层时,由于限制了地下水的循环交替,岩溶发育也就显得弱些,但此时在碳酸盐岩底面因地下水径流较强因而岩溶强烈发育。

2.地质构造

地质构造是控制地下水循环交替条件(即地下水的补给、径流和排泄条件)的主要因素,因此它也是影响可溶岩岩溶发育的重要因素。

(1)断裂的影响。可溶岩中由于构造运动产生的断裂,包括断裂破碎带和节理裂隙密集带,是地下水运移的主要通道,它们控制了岩溶空间分布和发育速度。大型溶洞常沿断层破碎带或某组优势节理裂隙的走向发育,地表大型溶蚀洼地的长轴和落水洞的平面展布,也往往受控于某一断层的走向。有时,在有利条件下,溶蚀水沿断层面向深部循环时,还发育有深部岩溶。

由于较大的断裂构造能聚集大量溶蚀水,易于形成规模巨大的洞穴(如溶洞),使岩体内岩溶作用差异性和空间分布的不均匀性十分显著。

(2)褶皱的影响。褶皱构造的不同型式和不同部位,岩体破裂程度不同,地下水的循环交替条件也不相同,故直接影响岩溶的发育。大量勘察资料证实,一般挤压较紧密的背斜核部,由于纵张节理发育,岩溶发育十分强烈,一般有溶蚀洼地、溶洞、暗河等展布。例如,重庆市南岸地区某一呈北北东向展布的大型平坦开阔洼地即是沿着南温泉背斜核部发育的溶蚀洼地。四川盆地内类似情况多见。

3.气候因素

气候是岩溶发育的又一重要因素,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。对岩溶作用影响最大的气候要素是降水量和气温。降水量大小影响地下水补给的丰缺,进而影响地下水的循环交替条件,而气温高低则直接影响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重要作用。

4.地形地貌和新构造运动

(1)地形地貌。地形地貌也是影响地下水循环交替条件的重要因素,进而影响到岩溶发育的形态、规模和空间分布。地貌反映了区域性和地区性侵蚀基准面和地下水排泄基准面的性质和分布,控制着地下水运动的趋势和方向,从而控制着岩溶发育的总趋势。不同地貌部位上发育的岩溶形态也不同。

(2)新构造运动。新构造运动有多种表现形式,其中地壳间隙性升降运动与岩溶发育的关系最为密切。地壳的相对稳定时间长短、升降幅度、速度和波及范围,控制着地下水循环交替条件的优劣及其变化趋势,从而制约岩溶发育的类型、规模和速度。当地壳处于相对稳定时期,此时地壳既不上升,也不下降,当地的侵蚀基准面和排泄基准面不变,水对碳酸盐岩长时间进行溶蚀作用,就可形成规模巨大的水平溶洞和暗河系统,而在地下水面以上部位岩体中竖井、落水洞等垂直岩溶形态发育。地壳相对稳定时间愈长,则岩溶发育愈强烈。当地壳上升时,地下水位相对下降,岩溶作用就向深部发展,而且以垂直形态的溶隙和管道为主,原先形成的水平溶洞则上升至包气带中,上升速度愈快,则岩溶愈不易发育。当地壳下降时,由于地下水循环交替条件减弱,岩溶作用亦减弱,而且原先形成的水平溶洞等也被埋藏于地下深部,成为隐伏岩溶;地面往往被新的沉积物覆盖,当覆盖层厚数米至数十米时为覆盖型岩溶,当覆盖层厚数十米至数百米时为掩埋型岩溶。

当碳酸盐岩分布地区地壳处于持续间歇性上升运动时,就会使水平溶洞成层分布(图9-10),而且这种成层分布的溶洞在河谷地段还可与相应的河流阶地对应,据此可了解岩溶的发育演变历史。

(四)岩溶工程地质评价

岩溶工程地质评价可分为场地评价与单体岩溶评价两部分。场地评价即在较大范围内,按岩溶发育强度划分出不同稳定性地段,作为建筑场地选择和建筑总平面布置的依据;而对地基稳定所涉及的单体岩溶形态的分析评价,则可分为定性和半定量两种方法。

1.岩溶地基类型

由于岩溶发育,往往使可溶岩表面石芽、溶沟丛生,参差不齐;地下溶洞会破坏岩体完整性。岩溶水动力条件变化,又会使其上部覆盖土层产生开裂、沉陷。这些都不同程度地影响着建筑物地基的稳定。

根据碳酸盐岩出露条件及其对地基稳定性的影响,可将岩溶地基划分为裸露型、覆盖型、掩埋型三种,而最为重要的是前两种。

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图9-10 地壳间歇性上升时溶洞成层分布图

1)裸露型岩溶地基

缺少植被和土层覆盖,碳酸盐岩裸露于地表或其上很薄的覆土上。它又可分为石芽地基和溶洞地基两种。

(1)石芽地基。石芽由大气降水和地表水沿裸露的碳酸盐岩节理、裂隙溶蚀扩展而形成。溶沟间残存的石芽高度一般不超过3m。若被土覆盖,称为埋藏石芽。石芽多数分布在山岭斜坡上、河流谷坡以及岩溶洼地的边坡上。芽面极陡,芽间的溶沟、溶槽有的可深达10余米,而且往往与下部溶洞和溶蚀裂隙相连,使基岩面起伏极大。因此,会造成地基滑动及不均匀沉陷和施工上的困难。

(2)溶洞地基。浅层溶洞顶板的稳定性问题是该类地基安全的关键。溶洞顶板的稳定性与岩石性质、结构面的分布及其组合关系、顶板厚度、溶洞形态和大小、洞内充填情况和水文地质条件等有关。

2)覆盖型岩溶地基(www.guayunfan.com)

碳酸盐岩之上的覆盖层厚数米至30m,这类土体可以是各种成因类型的松软土,如风成黄土、冲洪积砂卵石类土以及我国南方岩溶地区普遍发育的残坡积红黏土。覆盖型岩溶地基存在的主要岩土工程问题是地面塌陷,对这类地基稳定性的评价需要同时考虑上部建筑荷载与土洞的共同作用。

2.岩溶地基稳定性定性评价

地基稳定性定性评价的核心,是查明岩溶发育和分布规律,包括对地基稳定有影响的个体岩溶形态特征(如溶洞大小、形状、顶板厚度、岩性、洞内充填和地下水活动情况等),上覆土层岩性、厚度及溶洞发育情况,根据建筑物荷载特点,并结合已有经验,最终对地基稳定作出全面评价。

根据岩溶地区已有的工程实践,下列若干成熟经验可供参考。

(1)当溶沟、溶槽、石芽、漏斗、洼地等密布发育,致使基岩面参差不平,其上又有松软土层覆盖时,土层厚度不一,常可引起地基不均匀沉陷。

(2)当基础砌置于基岩上,其附近因岩溶发育可能存在临空面时,地基可能产生沿倾向临空面的软弱结构面的滑动破坏。

(3)在地基主要受压层范围内,存在溶洞或暗河且平面尺寸大于基础尺寸,溶洞顶板基岩厚度小于最大洞跨,顶板岩石破碎,且洞内无充填物或有水流时,在附加荷载或振动荷载作用下,易产生坍塌,导致地基突然下沉。

(4)当基础底板之下土层厚度大于地基压缩层厚度,并且土层中有不致形成土洞的条件时,若地下水动力条件变化不大,水力梯度小,可以不考虑基岩内洞穴对地基稳定的影响。

(5)属于以下条件时,皆可以不考虑土洞或溶洞对地基稳定的影响:基础底板之下土层厚度虽小于地基压缩层计算深度,但土洞或溶洞内有充填物且较密实,又无地下水冲刷溶蚀的可能性;或基础尺寸大于溶洞的平面尺寸,其洞顶基岩又有足够承载能力;或溶洞顶板厚度大于溶洞的最大跨度,且顶板岩石坚硬完整。

(6)对于非重大或安全等级属于二、三类的建筑物,属下列条件之一时,可不考虑岩溶对地基稳定性的影响:基础置于微风化硬质岩石上,延伸虽长但宽度小于1m的竖向溶蚀裂隙和落水洞的近旁地段;溶洞已被充填密实,又无被水冲蚀的可能性;洞体较小,基础尺寸大于洞的平面尺寸;微风化硬质岩石中,洞体顶板厚度接近或大于洞跨。

岩溶地基稳定性的定性评价中,对裸露或浅埋的岩溶洞隙稳定评价至关重要。根据经验,可按洞穴的各项边界条件,对比影响其稳定的诸因素综合分析,作出评价。

(五)岩溶场地和地基的工程措施

由于岩溶场地工程地质条件的复杂性,场地和地基的工程处理一般需要根据具体场地岩溶发育的情况,以及各种工程的不同要求和特点,分别采取有针对性的工程措施,常见的处理措施有如下几种。

1.建筑布局措施

场地上主要建筑物的位置应尽量避开岩溶发育强烈的地段,尽可能选择在非(弱)可溶岩分布地段;在总平面布局上,各类安全等级建筑物的布置应与岩溶发育程度或场地稳定程度相适应;当地形条件受限制时,某些生产工艺流程或特定建筑物要求必须布置在那些稳定性条件较差的地段时,应当将建筑物长轴方向布置于垂直或斜交岩溶发育带方向,其目的是尽量减少工程处理工作面。场地地坪设计标高应尽量与某一水平溶洞或洞隙带保持一定距离,或在场地整平中尽量将不利的岩溶洞隙带予以清除。建设场地应避开岩溶水位高且集中流动的地带,避免基础或地下构筑物拦堵地下水的正常流泻。当场地位于狭长的沟谷或封闭的洼地时,必须充分地估计岩溶地下水的季节性动态变化。对已查明的洞穴系统、巨大的溶洞或暗河分布区,当地面稳定性较差时,群体建筑物的布置宜绕避。

2.建筑结构措施

基础结构型式应当有利于与上部结构协同工作,要求其具有适应小范围塌落变位能力并以整体结构为主,如配筋的十字交叉条基、筏基、箱基等。当基础下存在深、大的溶洞裂隙时,应当根据上部建筑荷载及洞隙跨度,选择洞隙两侧可靠岩体,采用有足够支撑的梁、板、拱或悬挑等跨越结构。

必须注意,随着人类工程建设的发展,建设场地将会越来越无法选择,因此结构方面的措施将会越来越多地被采取。

3.岩溶地基处理措施

当条件允许时,在保证工程建筑安全基础上,为节约工程造价,应尽量采用浅基。注意充分利用上覆性能较好土层作为持力层,并使基底与洞体之间保留相当厚度的完整岩体。当遇到不稳定洞体时,应借助于钻孔灌注桩或墩穿过单个洞体,局部加深基础,使基础荷载传递到下部完好岩体之上。对于可能产生不均匀沉降的岩溶地基,如石芽密布、不宽的溶槽中有红黏土地基,应当首先清除洞隙后再以碎石或混凝土回填,有必要时可将石芽炸掉填平。当起伏不平的基岩面之上有厚度较大的软弱土层而又不易清除时,可考虑采用钢筋混凝土灌注桩基础(图9-11)。对于普遍分布有上覆松软土的覆盖型岩溶地基,可采用强夯法夯实土层,以减少上调或塌陷的形成。若洞隙较深且有地下水活动,也可以挖至一定深度再回填一定厚度的反滤料,反滤料之上再回填混凝土并同时留设排水孔。当溶洞深、跨度大、顶板薄时,可在洞底设置支撑物,加固洞顶。在对洞隙的处理过程中,一定要遵守地下水宜疏勿堵的原则,要合理地导水导气。对岩溶洞隙的处理还可采取填塞、跨越、灌注加固和绕避措施。

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图9-11 处理石芽地基的支承桩

1.支承桩;2.石芽

二、土洞

(一)土洞基本概念

土洞是指在覆盖型岩溶区,基岩面以上的部分土体随水流迁移后,引起地面变形破坏的作用和现象。土洞是岩溶地区一种特殊的不良地质现象,对地面工程的负面影响大。

土洞会对地面工程设施产生不良影响,主要是因为土洞的不断发展而导致地面塌陷,对场地和地基都造成危害。由于土洞较之岩溶洞穴来说,具有发育速度快、分布密度大的特点,所以它往往较溶洞危害要大得多。

(二)土洞产生条件

土洞和地面塌陷的产生,与岩溶区特定的岩性、地质结构、水文地质和地形地貌条件有关。土洞的形成主要是潜蚀作用导致的,是地下水流在土体中溶蚀和冲刷作用的结果。

如果土体内含有可溶成分,地下水流先将土中可溶成分溶解,而后将细小颗粒从大颗粒间的孔隙中带走。这种溶蚀主要使土中颗粒间的联结性减弱和破坏,从而使颗粒分离和散开,为机械潜蚀创造条件。

如果土体内不含有可溶成分,则地下水流仅将细小颗粒从大颗粒间的孔隙中带走,即机械潜蚀。其实机械潜蚀也是冲刷作用之一,也称内部冲刷,同样破坏土的结构,使土的强度降低。

(三)土洞的类型

土洞可分为由地表水下渗发生机械潜蚀作用形成的土洞和岩溶水流潜蚀作用形成的土洞。

1.由地表水下渗发生机械潜蚀作用形成的土洞其主要形成因素有三点。

(1)土层的性质。土层的性质是造成土洞发育的根据。含碎石的亚砂土层内最易发育土洞。

(2)土层底部必须有排泄水流和土粒的良好通道。

(3)地表水流能直接渗入土层中。地表水渗人土层内有三种方式:第一种是利用土中孔隙渗入;第二种是沿土中的裂隙渗入;第三种是沿一些洞穴或管道流入。

2.由岩溶水流潜蚀作用形成的土洞

这类土洞与岩溶水有水力联系,它分布于岩溶地区基岩面与上覆的土层(一般是饱水的松软土层)接触处。

由于岩溶地区的基岩面与上覆土层接触处分布有一层饱水程度较高的软塑至半流动状态的软土层,当地下水在岩溶的基岩表面附近活动时,水位的升降可使软土层软化,地下水的流动能在土层中产生潜蚀和冲刷,可将软土层的土粒带走,于是在基岩表面处被冲刷成洞穴,这就是土洞形成过程。

(四)防治措施

地面塌陷的防治应包括预防和治理两个方面。

预防地面塌陷的根本对策是减少或杜绝岩溶充填物和第四系松散覆盖物被地下水侵蚀、掏刷。为此在覆盖型岩溶区进行场地规划时,必须在做好地质勘察调查的基础上,进一步查明或消除可能导致塌陷的因素,完成预防地面塌陷的供排水总体设计,将重要工程设施安置在稳定地段,对必须设置在塌陷区的工程设施,要有相应的防止塌陷的措施。

岩溶地面塌陷多数是由于抽(排)地下水引起的,所以在布设供水源地的抽水井孔和矿山疏干时,应做到:抽水井孔应尽量远离生活和生产区,多井孔布置时应尽可能分散;控制抽水量和降深,使地下水位始终保持在基岩面以上;抽水井筒应设置合理的过滤器;在浅部开口岩溶发育且与覆盖层水力联系密切时,应将浅部岩溶水封堵,用深管井开采岩溶水;不宜采用强排疏干方案,水位应缓慢下降;矿井突水时应采用封堵和引排,进行控制性放水,并避免和减少地表水进入矿井。还要对地面塌陷进行监测,若观察到塌陷的前兆,应及时提出警报。

治理地面塌陷应针对塌陷形成的基本环境因素,从堵塞水流、加固土体及洞穴堆积物、填堵岩溶通道三方面考虑,因地制宜地采用多种措施。常用措施方法有:回填塌陷坑、灌浆堵洞、河道改道、强夯加固坑土、跨越(塌陷坑)结构和深基础等。各种措施可综合采用。