一、岩溶研究国内外现状

第一章岩溶研究国内外现状

就世界范围讲，岩溶水是居民生活饮用水和工业生产用水的主要来源之一，由于地层岩性和构造的原因，地表水和污染物常常直接进入地下岩溶含水层。由于地下水系统十分脆弱，非常容易受到污染，一旦污染，挽救几乎是不可能的，因此，在经济发达国家，尤其是在美国，针对岩溶地下水的保护及基础研究工作非常深入，已取得了大量非常有价值的研究成果。如在美国Kentucky，地下水作为一个重要的、可再生的自然资源得到广泛应用，井水与泉水提供了公共家庭用水的1/3左右，地面溪流作为Kentucky 主要水源，主要由邻近的含水层维系，这种资源很容易受地面活动污染，一旦污染，这种地下水很难或不可能挽救，Kentucky Department for environment Protection将优先权放在地下水污染预防上，这种努力的一个重要方面就是认识到州的不同区域对于污染的敏感程度不同，显然，区别这种差异，进行适当的土地开发，对于水污染的防治非常重要，因而，Kentucky Department for Environment Protection Division of Water Groundwater Branch，主要依据三个水文特征：补给区域、流动速度和分散潜能来建立州水文地质敏感分级图，依据敏感程度分为5级，以对土地开发活动进行指导。

1988年NPS依据国会法成立了国家岩洞和岩溶研究院，该机构的目的就是通过研究将洞穴学深入，增强公共教育，促进环境合理的岩溶和岩溶管理。1988年在美国成立了水文地质协会，其隶属于Florida 州立大学的地球物理流体动力学研究中心，其主要的目的是关注和保护含水层的质量，发展必要的科学知识，收集现场资料，提高对水文地质环境和相关模型的理解。美国地质勘探局（USGS）与NPS合作，将1:7,500,000比例的地图数字化，一个更详细的岩溶地图也正通过USGS与Kentucky和Morehead州立大学领导下的协会的紧密协作在准备着，以满足工程和环境保护的需要。

在国内，圆梁山隧道是渝怀铁路线上最长的隧道，该隧道全长11.068km，同时，它也是渝怀线上的重点、难点和首要控制工程。圆梁山隧道主要穿越毛坝向斜核部、桐麻岭背斜和冷水河浅埋段，其主要工程地质问题为高水压、富水、岩溶及断层。根据地质勘探资料及周围环境情况，预估全隧正常涌水量为98,000 m3/d，最大涌水量为145,000

m3/d。根据深孔钻探资料，证实在毛坝向斜区存在P

2w+C 、P

1q+m

两层承压水，相对于隧道洞

身标高而言，其静水头（H）：P

1q+m 为460m，P

2w+C

为442m，这表明在隧道洞身处存在P

1q+m

层

段4.6MPa和P

2w+C

层段4.42MPa的高静水压力。在圆梁山隧道施工过程中，一旦措施不

当，将有可能发生大规模的突水、突泥事故，危及施工安全。同时，圆梁山隧道周围山顶共有五个乡镇近十万名居民，其生产和生活用水完全依靠地下水，地下水资源相当重要。

从国内外现有的文献看，对岩溶突水的机理研究相对较少，主要的原因是：岩溶突水作为隧道及地下工程中的一种地质灾害，施工过程中，如何有效地进行治理是最迫切的问题，否则，施工进度和施工安全根本得不到保证；在勘察阶段，如何对岩溶及相关的突水、突泥问题进行有效的预测，并提出相应的设计对策是勘察设计人员的头等大事，同时，岩溶及突水、突泥问题影响因素多，涉及专业知识面广。总之，国内外对岩溶的机理研究相对较少。但对岩溶突水机理进行深入研究，却是非常必要和迫切的。突水以及相关的突泥问题对隧道及地下工程而言是一个十分严重的危害，其突发性、不可抵挡的巨大威力严重地威胁着施工人员的生命安全，因此，需要对此问题进行深入研究，而深入研究的前提和基础则必然是对灾害发生机理的研究，即对其产生要素、爆发诱导因素、突水特征等进行深入研究。只有对突水机理深入研究，才能在勘察阶段有重点地进行勘探，设计上更有针对性，施工时，对突水的地点、时间等有更好的预警，对防治措施的采取有更明确的指导方针，避免措施的盲目性。

岩溶问题是一个世界性的课题，各国在城市开发和工程建设中，涉及该问题较多。我国南方云南、广西、广东、贵州、四川等地区受岩溶影响较大。

目前对岩溶灾害的研究主要集中在以下几个方面：

第一节 基础理论研究

岩溶道水运动与非岩溶地下水运动，不论在流场地质结构方面，还是在地下水运动的水力学性质方面，都存在着极大的差别。所谓流场，即地下水在自然地质结构体中运动的四维空间。

在过去的130多年间，法国的水力学家达西所创造的渗流公式，一直在水文地质学和地下水动力学中得到广泛应用。

达西定律的表达式如下：

ωl

H K

Q ∆= （式1-1） 式中：Q ——渗流量；l H J ∆=——水力梯度；ω——水流的横截面积；K ——渗透系数。

达西定律一般适用于雷诺数e R <1～10的地下水运动[28]。

Laurent Eisenloht,Mahmoud Bouzelboudjen.等认为正是由于岩溶含水层的各向异性才使其研究中应用特别的方法，问题内在的复杂性使一般采用全面响应法对岩溶含水层的物理特性以及水动力特征进行研究，在大多数情况下，采用差异响应分离法或输入-输出变换函数分析法，如bonacci(1987,1983),Soulios (1991)直接分析了受岩溶含水层大小和水动力特性影响的补给水流衰退形式，而另外一些学者采用不同模型水位曲线分量分离法获得含水层的某些方面的特征，如Forkasiewwica 和 Paloc(1967)， Ozis 和 Keloglu (1976)， Dreiss(1982)， Jakeman (1984)等，Laurent Eisenloht 等力图采用数值模型模拟地下水流以检验统计方法在地下水流诠释方面的敏感度，作者采用FEN1 和FEN2模拟稳态和瞬态，1D ，2D 或3D 饱和土层中的地下水流，该程序特别适合分析高度各向异性介质中的区域性地下水流动体系。饱和、密度不变、瞬态地下水流方程(bear,1979; de Marsity,1986)为:

[]()0=+⋅⋅-+∂∂Q h grad K div t

h S x （式1-2） 式中：x S ——单位容量；K ——水力渗透张量；h ——水头高度；Q ——总补给量（渗透或水井补给）

建立的模型如下：

图1-1 数值模型图

理论岩溶盆地的2D 和3D 数值模型计算表明，统计分析得出的水文地质诠释并不唯一对应岩溶网络的排放密度（地下水流截面大小），尽管2D 和3D 模型的局限性，仿真