工程地质学基础 目录

工程地质学基础 节选

bsp;前言      “工程地质学基础”是“地质工程”和“土木工程(岩土)”专业的主干课
程，也是环境工程、水利水电工程及应用地质学的重要必修课。
    中国地质大学的煎身——北京地质学院创立于1952年，并在我国首次创立
水文地质工程地质系，工程地质学基础是学校创立之初就开设的主干课程之一。
经过几代人的共同努力，我校工程地质学科体系从无到有，不断发展、完善。我
校工程地质学基础课程一直拥有优秀的教学传统、先进的教学方法和优良的教学
环境，为优秀人才的培养创造了优越的条件。该课程是中国地质大学的品牌课程
之一，自20世纪50年代以来，我校的工程地质学基础(工程动力地质学)课程
在全国一直占有重要地位。
    本书作者们在50多年教学、科研积累的基础上，总结自己多年的教学经验，
编写了本教材。本书以工程动力地质学为重点，系统全面地介绍工程地质学的基
础知识、基本理论和基本方法，同时反映本学科*新科研成果和技术方法。
    本教材是按80学时编写的。全书共分三篇15章。**篇为工程地质学基本
理论，重点包括工程地质条件成因演化论、区域稳定性理论和岩体结构控制论。
第二篇为工程地质问题研究，包括活断层与地震、斜坡工程、地下工程、岩溶、
泥石流、地面沉降和渗透变形等。第三篇介绍工程地质技术与方法，主要包括工
程地质模拟与评价、工程地质勘察、工程地质测试与试验、工程地质监测与预测
和工程地质信息技术。
    通过本课程的学习，要求学生全面掌握内、外动力及人类活动引起的有关
物理地质现象方面的基本知识，以及从工程地质角度去研究动力地质现象(问
题)的基本方法，初步具备解决重大工程地质实际问题的能力，为今后从事生
产实际工作和科学研究打好基础。在工程地质课程教学中，通过基本概念、基
本理论、基本方法的教学，培养学生发现问题、分析问题和解决工程地质问题
的能力。课程以讲授为主，辅以必要的习题、作业，配有一定的实践性教学
内容，注重理论与实践相结合。考虑到授课学时的限制，**篇可选修，第
三篇可自学或选修，也可列为专题讲座。工程地质勘察有专门课程介绍。
    本书由唐辉明主编，编写分工如下：绪论、第l、3、6章，唐辉明；第2、
 4、5、8、12章，晏鄂川；第7、14、15章，胡新丽；第9章，王亮清；第10   
章，杨裕云；第11章，唐辉明、晏鄂川；第13章，刘佑荣。作者们力图做到体   
系严谨、合理，基本概念清楚、明确，知识内容重点突出，使本科生易于掌握，   
学以致用。   
    本书编写大纲曾征求了有关单位和专家的意见，并得到教育部地质工程教学
指导分委员会专家们的指导。初稿完成后，编者们进行了互审，并提出了修改意
见。之后编者们进行了认真修改。*后由唐辉明统一定稿。
    本书作为国家精品课程“工程地质学基础”的配套教材，其相关的电子课件’
等教学资源可链接网页http：／／jpkc．cug．edu．cn／2007jpkc／gcdzxjc。
    在本书编写过程中，得到中国地质大学(武汉)工程学院、工程地质与岩土
工程系老师们的支持和帮助。谨向他们致以衷心的感谢!
    书中缺点和不妥之处在所难免，恳望读者指正。
    编  者
    2007年9月于武昌

第7章  岩   溶
7．1  概述
    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，这种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)。
    岩溶作用的结果表现在以下两方面。一方面形成地下和地表的各种地貌形态，如石芽、
  溶沟、溶孔、溶隙、落水洞、漏斗、洼地、溶盆、溶原、峰林、孤峰、溶丘、干谷、溶洞、
  地下湖、暗河及各种洞穴堆积物。另一方面形成特殊的水文地质现象，如冲沟很少，地表水
  系不发育；喀斯特化岩体是溶隙一溶孑L并存或管道一溶隙网一溶孔并存的高度非均质的介质，岩
  体的透水性增大，常构成良好的含水层，其中含有丰富的地下水，即喀斯特水；岩溶水空间
  分布极不均匀，动态变化大，流态复杂多变；地下水与地表水互相转化敏捷；地下水的埋深
  一般较大，山区地下水分水岭与地表分水岭常不一致等。
    岩溶在世界上分布十分广泛，从海平面以下几千米的地壳深处，到海拔5000m以上的
  高山区均有发育。据估计，可溶岩在地球上的分布面积为：碳酸盐岩4×107kmz，石膏和硬
  石膏7×106km2，盐岩4×106km2。其中，碳酸盐岩分布*广，因此研究这类岩石的岩溶也
  就具有更为重要的理论和现实意义。
    据统计：我国碳酸盐岩分布面积约为2×106km2，占国土总面积的1／5，其中裸露于地
  表的约1．3×106kmz，占国土总面积的1／7。碳酸盐岩分布的地理位置包括西南、华南、华
  东、华北等地以及西部的西藏、新疆等省区。在川、黔、滇、桂、湘、鄂诸省呈连续分布，
  面积达5×10skm2，是我国主要的岩溶区。
    我国碳酸盐岩形成于不同的地质时代。华南地区自震旦纪至下古生代的寒武、奥陶纪，
  上古生代的泥盆、石炭、二叠纪和中生代的三叠纪，碳酸盐岩总厚达3000～5000m。华北地
  区则为震旦纪和下古生代，碳酸盐岩总厚1000～2000m。这些碳酸盐岩为岩溶的形成提供了
  雄厚的物质基础。西南地区前三叠纪碳酸盐岩，发育有与世界其它地区不同的独特的喀斯特
  景观，地表有高耸于平原之上的峰林，地下则发育了无数的溶洞和地下暗河。
    我国疆域辽阔，地跨热带、亚热带和温带不同气候区，与之相应的岩溶类型也丰富多
  彩，其中南部诸省的灰岩地区岩溶发育，风景奇丽，早已闻名于世。如“桂林山水甲天下”
  古今传颂。总之，我国岩溶分布之广，面积之大，类型之多，是世界上其它国家所不及的。
    中国大陆，特别是其西南部，新生代以来强烈隆升，又未曾遭受*后一次冰期的大陆冰
  盖的剥蚀，保存着不同地质历史时期喀斯特作用的喀斯特形态。因此，中国的喀斯特具有发
  育历史长、发育时期多的特点。由于新生代强烈隆升，河流急剧下切，喀斯特水就可沿断裂
  带产生深循环，形成了深喀斯特溶洞。例如，山西高原黄河中游的万家寨水库，勘探时发
  现，河水位以下47lm有高达24m的溶洞；贵州高原的乌江渡坝址，在勘探时发现，河水位
  220m以下有高达9m的溶洞。
 
    研究岩溶与工程建设的关系十分密切。水利水电建设中的库坝区岩溶渗漏问题，影响水
库的效益和正常使用，它是水工建设中主要的工程地质问题；岩溶地区的采矿及隧道、地下
洞室开挖的突水问题，有时挟有泥沙喷射，给施工带来严重困难，甚至淹没坑道，造成机毁
人亡等事故。在地下洞室施工中遇到巨大溶洞时，洞中高填方或桥跨施工困难，造价昂贵，
有时不得不另辟新道，因而延误工期。
    在覆盖型岩溶区，覆盖在石芽、溶沟之上的第四系松散土厚度不等，可能引起建筑物地基的
不均匀沉陷。当松散土中发育土洞时，可能因土洞塌陷引起建筑物的变形破坏。由于采矿或供水
引起地下水位大幅度下降时，因地表塌陷对农田及各种工程建筑物的破坏影响就更为严重。
    岩溶区环境地质问题有干旱与洪涝、土壤贫瘠及石漠化、地面塌陷以及喀斯特水资源开
发中的一系列复杂问题。环境科学家往往将喀斯特区列为环境脆弱区。例如，在碳酸盐岩广
泛分布的贵州省，自1974～1979年的五年时间内，石漠化区就增加了约3212km2。喀斯特
区水资源虽丰富，但开采难度大，主要原因是含水介质的强烈非均质及各向异性以及水资源
时空分布极其不均匀。
    必须指出，虽然在岩溶区进行工程建设时困难大、问题多，但并非所有岩溶区都必然产生
上述问题。国内外大量工程实践证明，只要充分掌握岩溶的发育规律，查明影响岩溶发育的因
素，预测岩溶对建筑物的危害，并采取有效的防治措施，在岩溶地区是能够进行各种工程建筑
的。如在岩溶区修建水利水电工程时，因地制宜地采取“灌、铺、堵、截、导”等措施进行防
渗处理；利用碳酸盐岩中所夹的页岩、泥质白云岩等相对隔水层作坝基；利用岩溶发育不均匀
性的规律，进行工程选址及提出处理措施；利用溶蚀洼地，地下暗河修建水库；对于大型洞穴
可以直接用作厂房和仓库；丰富的岩溶水，可以用作城镇工矿供水和农田灌溉的水源。
    总之，为了运用岩溶发育规律来指导岩溶区的工程建设，真正做到兴利除害；开展对岩
溶的研究有着重要的理论和实际意义。
7．2岩溶发育机理
    索科洛夫认为岩溶发育的基本条件有四个：①具有可溶性岩石；②岩石是透水的；③水
必须具有侵蚀性；④水在岩石中应处于不断运动的状态。这四个条件实质上反映了可溶性岩
石与具有侵蚀能力的水这两个方面。在具体地质环境中，要保证喀斯特作用能持续进行，必
须有水在碳酸盐岩体内的裂隙系统或裂隙一孑L隙系统中流动，使具有溶蚀能力的水与可溶性
岩石持续地相互接触与相互作用，而且还需要水在其中不断循环与更替，排出饱和的Ca2+
和补入未饱和的。岩溶不是简单地以室内实验为基础的溶蚀作用，而是溶蚀作用及其所形成
的地貌和水文地质现象的综合。从这个观点出发，岩溶发育的基本条件应为三个：①具有可
溶性岩石；②具有溶蚀能力的水；③具有良好的水的循环交替条件，即具有良好的地下水的
补给、径流和排泄条件。而岩溶发育中*为活跃而积极的是地下水的循环交替条件，它受控
于气候、地形地貌、地质结构、地表非可溶岩覆盖及植被发育条件等。在此基础上，讨论影
响岩溶发育及控制岩溶发育速度、规模、形态组合、空间分布规律的主要因素。
7．2．1碳酸盐岩的溶蚀机理
    碳酸盐是化学上的难溶盐，如碳酸钙在纯水中的溶解度很低。在常压下，温度为8．7。C
时，方解石的溶解度为lOmg／I。；温度为16℃时，溶解度为13．1mg／I。；温度为25。C时，溶
解度为14．3mg／I。。而在每升天然地下水中，碳酸钙的含量可达数百毫克。据研究其原因
是：地下水并非纯水，而是化学成分十分复杂的溶液。水中除了*常见的碳酸外，还有无机
 酸、有机酸和其它盐类。这些化学成分对碳酸盐岩共同起着溶蚀作用。此外，硫酸盐和卤化
物的溶蚀是一种纯溶解过程，在一定温度和压强条件下，其溶解度为一常数。而碳酸盐的溶
蚀涉及多相体系的化学平衡的复杂溶解过程；同时，又有某些特殊效应使其溶蚀能力加强。
致使岩溶发育既有由表及里的趋势，又有地下岩溶优先并强烈发育的现象。为了阐明碳酸盐
岩特殊的溶蚀机理，分析其溶蚀过程及各种效应是很有必要的。
7．2．1．1  碳酸盐岩的溶蚀过程
  这里以石灰岩为例来说明这一过程。南斯拉夫学者伯格里(Bogli，1960)把石灰岩的
薛蚀过程分为四个化学阶段。首先，与水接触的石灰岩，在偶极水分子作用下发生溶解：
    这时溶解很快，并立即达到平衡。如果水中存在由碳酸、有机酸、无机酸等酸类所解离
的H+时，与CO；结合成HCO，使式(7—1)右边的CO不断减少而破坏其平衡，进而
促进CaC03的再度溶解。
    第二阶段是原溶解于水中的C02的反应，
    第三阶段是水中物理溶解的COz的一部分转入化学溶解，即水中部分游离d)z与水化
合成为新的碳酸，这样构成一个链反应，其反应式与式(7 2)相同。其结果是不断补充H+
的消耗及促进CaC03的溶解。
    第四阶段是由于水中COz含量和外界(土壤和大气)C02含量也有一个平衡关系，水
中C02减少，平衡就受到破坏，必须吸收外界c()z以便使水中COz含量重新达到新的平
衡，这样又构成一个链反应。
    如果在封闭系统中，石灰岩的溶解总量取决于水中*原始的C02含量，当达到平衡后溶
解作用就告停止，甚至使CaC()3从水中析出。但自然界多为开放系统，即水中C(h因溶解石
灰岩减少后，可由外界不断得到补充。因此，现代喀斯特学将喀斯特作用视为在地球的岩石
圈、水圈、大气圈、生物圈界面上进行的全球碳循环和有关的水循环和钙(镁)循环的一部
分，C○一HzO-CaC()3三相不平衡开放系统称为喀斯特动力学系统。从总的来说，岩溶作用是
不可逆的过程。这就是碳酸盐岩在水的作用下，形成各种地表和地下地貌形态的根本原因。
    可见水中COz的存在对碳酸盐岩的溶蚀起着决定性的作用。因而，必须了解水中COz
的来源问题。一般来说，水中COz的来源问题是很复杂的。它来源于大气、土壤中的生物
化学作用、变质作用，火山活动及岩层中某些化学作用所产生的C02。在岩溶过程中起着
重要作用的地下水，其主要来源是大气降水的补给，因此大气和土壤中C02的含量，决定
着地下水中C02的含量。过去曾一度认为地下水中的CO"主要来源于大气。近年来大量研
究成果表明：地下水中的C02主要来源于土壤；由于土壤中的微生物在其新陈代谢过程中
强烈的生物化学作用，使有机物分解为各种有机酸，同时产生大量的COz。空气中COz的
正常含量按体积为O．03％～O．035％，若按气体溶解定律将上述体积含量表示为C02的分压
(pc)时，则其分压pc为0．0003～O．00035。但在土壤中，通常p(()。为0．01～0．02，*
高可达0．1。特别是热带、亚热带森林区，土壤中的COz含量更高。此外是水的温度降低的
影响，由于气体的溶解度与温度成正比，就会从气相中吸收更多的C02进入液相。可见喀