范士凯大师岩溶与工程研讨.doc

1 岩溶与工程一、岩溶地质现象的基本理论知识(一) 定义、类型、成因定义:岩溶(喀斯特)是指碳酸盐类可溶岩岩石(石灰岩、白云岩、大理岩、碳酸盐质砂岩或砾岩等) 在地表、地下水的作用下, 在漫长的地质历史中形成(溶解 CaCO 3 及冲蚀)各种形态的沟槽、溶隙、空洞、管道等的地质现象。大型溶洞的形成还伴随崩塌作用。类型: 地表——溶沟、溶槽、石芽、石林、溶蚀洼地垂直类型——落水洞、天然井、漏斗、天坑等水平类型——溶洞、管道、地下河、钟乳石、石笋等成因:有节理、裂隙的岩体本身含有一定数量的 CaCO 3 和水中含有的 CO 2和H +离子是产生溶解作用的主因。碳酸盐岩的溶解作用 1、(主要是水中的 CO 2 ,在水中导出 H + 离子) CaCO 3在 CO 2 水溶液中的电离 CaCO 3 +CO 2 +H 2O? Ca 2+ +2HCO 3 -(1) ( Ca 离子被溶解、分离→溶蚀) 2、 CaCO 3 在水中分离: CaCO 3? Ca 2+ +CO 3 2 -(2) CO 2 溶入水形成碳酸后电离: CO 2 +H 2O?H 2 CO 3?H + +HCO 3 -(3) 3、(1 )式可写作: Ca 2+ +CO 3 2 -+H + +HCO 3 -? Ca 2+ +2HCO 3 - 其本质是 CO 2 的作用在水中导出 H + 离子后才造成碳酸盐的溶解。所以,水中 H + 增加( PH 值减小), CaCO 3 的溶解度也相应增大。地下 2 理论研究表明: PH < 时,水具强侵蚀性; PH 值从 → 时,水侵蚀性由强变弱; PH 接近或>10 时,水中 H + 已减少,渐失对 CaCO 3 的侵蚀能力。 CO 2 是岩溶的主要因素, H + 离子源(其他)也要考虑。 4 、溶解作用中的影响因素(1 )温度效应:碳酸盐岩在不同温度时,溶解度是不同的白云岩溶解速度有一部分在 60°C 时最大,另一部分在 40°C 最大; 石灰岩、大理岩在 40°C 时溶速最大; 高温( 80°C) 或低温( °C) 溶速较低,可见 40~60 °C 岩溶发育最有利。统计表明,温带区碳酸盐溶解最强; 白云岩溶解需要更高温度( 因为 CaCO 3与 MgCO 3) ——温带区白云岩岩溶差。湿热带 CO 2 含量高, 所以溶蚀快; 极寒带、高山区 CO 2 含量低, 所以溶蚀慢; (2 )流速和浓度梯度岩、水界面处首先溶解, 饱和后如不散开即形成保护膜, 所以流速大小决定溶速,流速小时,浓度梯度起作用。(3 )离子效应: a、在同一容积溶液中加入相同离子盐时(在 HCO 3 - 中加入白云岩, CaCO 3析出, CaCO 3 的溶解度降低) ——同离子效应; b、溶液中加入不同离子盐( FS 2或 SO4 2 -) 溶解更强烈, 所以黄铁矿含量高时岩溶发育强烈(如乌江渡三叠系深岩溶相邻砂页岩含黄铁矿) ——异离子效应。总之,温度、流速、离子等因素相互消长的复杂作用要综合分析。(一) 岩溶发育的基本规律(岩性、构造、水循环) 1 、岩性: (易溶性) 随 CaO 增加而提高,随 MgO 增加而降低(当 CaO>20% 时呈线性) CaO/Mg O 比值愈大, 愈易溶。如北方奥陶系马家沟组灰岩 CaO 达 50% , 方解石占 95%~100% , 3 最易溶。 2 、构造:因为地下水在裂隙内流动过程也是岩溶作用过程——裂隙溶蚀扩大(1 )沿断裂——张、张扭、充填隔水,或断层一盘地层阻水。(2 )沿褶皱轴——背斜纵向张性带(管道) ,向斜横张带发育倒虹吸状管道。(3 )沿层面和非可熔岩界面 3 、河流排水基准面: (现代河) (1 )成层性——阶地对应,如: 乌江干流五级阶地对应 5 层水平洞, 湖北恩施腾龙洞上下两层地下河( 为河流下切过程中形成的); 南盘江的纳贡暗河( 19km ), 三个出口( 440m 、 473m 、 520m ) 对应三个相对稳定期, 大溶洞(深 140m )有5 个台阶( 对应 5 级阶地侵蚀基准面), 湖北恩施清江腾龙洞有两层,上层干涸,下层水洞。(2) 深岩溶——随河流纵剖面中地下水比降, 比降大, 水动压大、水循环深、则岩溶深; (乌江渡电站左岸深岩溶在河床下 230m ——长江中下游则相反) 4 宏观不均一性(相对概念) 相对均一:(1 )溶隙密布地段; (2 )发育十分强烈地段,各种溶隙、管道密布,形成网络状不均一:其他情况如透水性不均( K 值相差很大)即强、弱岩溶蚀密布 5 、岩溶水运动规模的基本类型(1 )溶隙型——溶隙 5cm 以上,延续好,近似达西定律; (2 )脉管型——溶隙 5~20cm ,不符合达西定律; (3 )管道型——溶隙大于 20cm ,汇流