工程地质之 岩溶

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。
三、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，引发地面塌陷，造 成坑道涌水、突水、滑落。
6.3
影响岩溶发育的因素
具有可溶性岩石
岩溶发育的条件
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
1、碳酸盐岩化学成分与岩溶发育的关系
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。
研究表明： ★方解石含量越高， KV越大；反之白云石含量 越高， KV越小。
★酸不溶物含量(如硅质含量）越高， KV及KCV 越小。
2、岩石结构与岩溶发育的关系
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。
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。

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。
具有良好的水的循环交替条件；
参与岩溶过程的主要营力是水，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-
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 坑长1－2米，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。
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。
（2）水是溶蚀作用的介质和载体，充足的 降水ห้องสมุดไป่ตู้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。
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 比溶蚀度KV＝ （试验前后的质量差） 标准试样溶蚀量 试验溶解速度 比溶解度K CV＝ （单位时间的溶蚀量） 标准试样溶解速度
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。
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 ；
1.酸效应（acid effect)
任何酸解离出H+ 后，溶液中H+ 浓度增加，H+ 和CO32- 结合生成 HCO3- ，从而加速CaCO3 的溶解。如右反应式：
CaCO3 2H Ca 2 2HCO3
含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。
2.同离子效应(common ion effect)
第 六 章
岩 溶
Chapter 6 Karst
6.1
概 述
一、概 念 岩溶作用：地下水和地表水对可溶性岩石 的破坏和改造作用叫岩溶作用。 岩 溶：岩溶作用及其所产生的地貌现象和 水文地质现象总称为岩溶，国际上通称 喀斯特（karst）。
二、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。
溶蚀过程如下：（以CaCO3 的溶解和沉积为例）
①
②
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
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Na+、Cl-、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：
河北：0.02-0.03mm/a 。
岩溶形态差别：

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。

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：
钟乳 状 集合 体
“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，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。
3.地下工程
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。
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 地表水系不发育，岩体的透水性增大，岩溶水 分布极不均匀，动态变化大，流态复杂多变， 地下水的埋深一般较大。
石 林
丽江黎明千龟山前的“情人柱”
贵州省毕节县的织金洞。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。全 洞长12.1公里，两壁最宽处173米，垂直高度多在50至 60米，最高处达150米，全洞容积达500万立方米 。洞 内空间开阔，地形起伏迭宕，囊括了世界溶洞所有的 形态类别。
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。
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。
有利于水混合的地带：垂直渗入水与地下水相混合的地 下水面附近；大的溶蚀裂隙；不同方向的溶蚀裂隙交汇带； 河谷边岸地下水与地表水的混合带。
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 。
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。
6.2
碳酸盐岩的溶蚀机理
岩溶发育的的基本条件有四个： 具有可溶性岩石； 具有溶蚀能力的水；

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
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(ionic strength effect)
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。
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。