岩溶工程地质

CaHCO3+，CaCO3，H+，OH—
溶蚀过程如下（以CaCO3 的溶解和沉积为例）
①
CaCO3 Ca 2 CO3
2-
② CO2 H 2O H 2CO3 H HCO3


由①及②
CaCO3 CO2 H 2O Ca 2 2HCO3
上述反应也可表示为离子平衡式：
• 佛罗里达州温特帕克的落水洞
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。
（a）开始 沉下去不 久，注意 昂贵的赛 车掉入坑 内。
第二节 碳酸盐岩的溶蚀机理
参与岩溶过程的营力及岩溶过程很复杂。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。
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Na1- 、Cl1- 、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：
1.酸效应
任何酸解离出H+ 后，溶液中H+ 浓度增加，H+ 和CO32- 结合生成HCO31- ，从而 加速CaCO3 的溶解。如右反应式： CaCO3 2 H Ca 2 2 HCO3 地质上含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。
2.同离子效应
加入Ca2+ 或CO32- 等同等离子后，减缓水对碳酸盐的溶蚀能力。
CaCO 3 Ca 2 CO 2 3
3.离子强度效应
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。
第三节
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
比溶蚀度KV＝
试样溶蚀量 （试验前后的质量差） 标准试样溶蚀量 试验溶解速度 （单位时间的溶蚀量） 标准试样溶解速度
比溶解度K CV ＝
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。 研究表明：★方解石含量越高CaO/MgO比值越大， KV及KCV越大；反之白云
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。 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
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。
云台山地处位于河南省修武县
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，引发地区塌陷，造成坑道涌水、突水、滑落。
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 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。 不同岩石，其溶解性是不同的，可用两个指标表示：
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。 水的溶蚀能力取决于水中侵蚀CO2的的存在 情况，右图中曲线表示平衡CO2与溶解CaCO3的关 系。 两溶液的溶解度相差越大，相混合后，侵蚀 性越大。实际上，自然界中溶液大都比较接近， 相混合一般能再溶解1%~2%的CaCO3 。
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。
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
充 CO补2
பைடு நூலகம்
平衡，或析出CaCO（沉淀） 往复进行
不平衡 , CaCO3溶解
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
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1－2长，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。 该村196户、990余名村民无一人伤亡。
1、形成独特的地貌
大的地貌形态及蚀变：峰丛（溶蚀） 地表形态 峰林（溶盆） 溶蚀平原
正形态：石林、石笋、峰林、孤峰。 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：水文地质条件复杂化；透水性增大，流态 动态及不均 匀性增大等。
贵州省毕节县的织金洞，原名打鸡洞。位于县城东北23公里 处织金洞是一个多格局、多层次、多类型的高位旱洞，洞内岩溶 生长独特，景物规模宏大，雄伟壮观，千姿百态，精妙绝伦。全 洞初勘长12.1公里，面积达70平方米，两壁最宽处173米，垂直高 度多在50至60米，最高处达150米。洞内空间开阔，地形起伏迭宕， 岩溶堆积物达40多种，囊括了世界溶洞所有的形态类别。
石含量越小。
★酸不溶物含量越高， KV及KCV越小。
淀） 、
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。 （2）水是溶蚀作用的介质和载体，充足的降水保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。 总体上：温度的升高有利于岩溶作用的进行。
“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，它与常说的“岩溶漏斗”不同，岩溶漏斗一般 是斜坡，上宽下窄，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 坑形状奇特，地处僻壤，坑上坑下林木葱郁，如果能进入“桶” 底，更觉神奇。 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，当地人 分别称其为“石围”、“石院”、”岩湾”、“漩坑”、“龙 缸”等，国外说法也不一样，一般称为Great doline(大漏斗)。 我国有关专家认为称其为“天坑”最确切，故取名为“岩溶天 坑”(Karst tiankeng)，简称“天坑”。
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 。实际上，温度降低同时又限制了溶 液中分子的游动和扩散，减缓了溶解反应的速度。
3.地下工程 涌水、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。
Ca 2 CO3 H HCO3 Ca 2 2HCO3
2


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。
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+，
二、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
副热带 我国气候分类 亚热带 温 带 三大特征地区
青藏高寒地区 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 ； 河北 — 0.02~0.03mm/a 。
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。
第九章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 概述
岩溶工程地质研究
碳酸盐岩的溶蚀机理 影响岩溶发育的因素 岩溶区水库渗漏问题 岩溶地基稳定性问题
第九章 第一节 概述
一、定义
岩溶工程地质研究
岩溶：水（包括地表水和地下水）对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的改 造和破坏地质作用以及由此产生的地貌及水文地质现象的总称。 岩溶作用：以化学溶蚀为主，同时还包括机械破碎、沉积、坍塌、搬运等作用， 是一个化学－物理相结合的综合作用。 可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。 岩溶现象：