岩溶地区的水文与工程地质问题研究

岩溶地区的水文与工程地质问题研究

黄志敏

岩溶地貌的形成及分类

岩溶地貌是具有溶蚀力的水对可溶性岩石（大多为石灰岩）进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称，又称喀斯特地貌。喀斯特（Karst）一词源自前南斯拉夫西北部伊斯特拉半岛碳酸盐岩高原的名称，当地称之为岩石裸露的地方，“喀斯特地貌”因近代喀斯特研究发轫于该地而得名。除溶蚀作用以外，还包括流水的冲蚀、潜蚀，以及坍陷等机械侵蚀过程。

岩溶地貌可分出以下6种：

1、地表水沿灰岩内的节理面或裂隙面等发生溶蚀，形成溶沟（或溶槽），原先成层分布的石灰岩被溶沟分开成石柱或石笋。

2、地表水沿灰岩裂缝向下渗流和溶蚀，超过100米深后形成落水洞。 3、从落水洞下落的地下水到含水层后发生横向流动，形成溶洞。 4、随地下洞穴的形成地表发生塌陷，塌陷的深度大面积小，称坍陷漏斗，深度小面积大则称陷塘。

5、地下水的溶蚀与塌陷作用长期相结合的作用，形成坡立谷和天生桥。

6、地面上升，原溶洞和地下河等被抬出地表成干谷和石林，地下水的溶蚀作用在旧日的溶洞和地下河之云南路南的石林是上述第一阶

段（溶沟阶段）的产物，这里的自然风光因阿诗玛姑娘的动人传说而变得格外旖旎。桂林的象鼻山，则是原地下河道出露地表形成的。在广西境内，经常可看到这种抬升到地表以上的溶洞，俗称“神女镜”或“仙女镜”。

岩溶地貌在中国的分布及岩溶的不利影响

中国岩溶地貌分布广、面积大。主要分布在西部地区的碳酸盐岩出露地区，面积为91~130万平方千米。其中以广西、贵州和云南东部所占的面积最大，是世界上最大的喀斯特区之一。岩溶地貌除了桂林和云南、九寨沟这些举世闻名的喀斯特地貌以外，在中国的华东地区，在中国长江流域，甚至在中国东北地区都有分布，有的还形成了著名的旅游景点。虽然形态各异的岩溶景观让人陶醉惹人喜欢，但岩溶发育对工程建设却有着十分不利的影响。如在一定的地质条件下，水库蓄水抬高的水头有可能驱使库水通过一些地下通道向邻区或下游发生渗漏，降低水库蓄水能力，从而影响水库正常效益的发挥。而由于岩溶的发育，尤其是岩溶管道的出现，使得水库发生剧烈的永久性的渗漏更大，从而导致工程效应受损甚至直接是工程报废，后果极其严重不容忽视。岩溶发育还可以导致桥梁房屋垮塌、地面塌陷、大坝沉降、石漠化等一列问题。由于岩溶发育，往往使可溶岩表面石芽、溶沟丛生，参差不齐；地下溶洞又破坏了岩体完整性。岩溶水动力条件变化，又会使其上部覆盖土层产生开裂、沉陷。这些都不同程度地影响着建筑物地基的稳定。

岩溶发育导致的施工难度加大和成本的增加

在岩溶发育地区进行工程建设除了要面对和解决复杂的地质问题，还会造成施工难度加大和建设成本的直接提高。宜万铁路绝大部分地域是喀斯特地貌山区，遍布岩溶、暗河等不良地质，是世界上地质条件最复杂的铁路。宜万铁路总投资约为227亿元，其中，铁路建设基金89.18亿元，亚行贷款5亿美元，国家开发银行贷款95.22亿元。曾担任青藏铁路建设指挥的朱鹏飞说，宜万铁路，在我国同类铁路建设中，道路造价创下中国之最，平均每公里耗资约6000万元，而堪称“天路”的青藏铁路，平均每公里也只花了2900万元。

宜万铁路全线桥梁、隧道的总长度约278公里，有34座高风险的岩溶隧道，全球铁路独一无二，是我国铁路史上修建难度最大、公里造价最高、历时最长的山区铁路。宜万铁路因穿越喀斯特地貌地区，被誉为我国铁路史上施工难度最大的山区铁路工程。它集“西南山区铁路艰险之大成”，专家们称之为“筑路禁区”。全线共建隧道159座、桥梁253座、桥梁隧道占线路总长的74%，为我国普速铁路之最。宜万铁路修建的难度，最难在隧道。宜万铁路的159座隧道中有70%位于石灰岩地区。其中有34座隧道被评估为高风险隧道，其中长度10公里以上隧道3座，除了无法预测溶洞，还有暗河。最难是齐岳山隧道，这条长10.5公里的隧道，坐火车经过只需几分钟，贯通却要6年。上世纪60年代，国家打算续建川汉铁路，就是因为这条隧道搞不定才搁置。这条隧道通过15条断层、3条暗河，施工揭示溶腔138个，实测水压最高达2.3MPa，以这样大的压力，足以从地面将水送

到100层的高楼。隧道上方220米处就有暗河，水量最大达40多万方。宜万铁路白云山隧道位于宜昌市点军区土城乡长阳高家堰镇，全长6827m，是宜万铁路控制工期的13座长达隧道之一，是全线控制工期工程。白云山隧道地质条件十分复杂，岩溶发育，溶洞、暗河、落水洞、漏斗及岩溶洼地等岩溶现象多见。隧道穿越天阳坪区域断裂，穿越纸厂湾、猴子洞、耗子洞等3个暗河系统，区内发育5条断层，预测最大涌水量427314m3/d，正常涌水量167354m3/d。地层为寒武系上统三游洞群ε3sn，岩石主要为白云岩、灰岩、泥质灰岩。

在岩溶地区进行工程勘察的意义及应注意的问题

在地质条件如此复杂的地区进行工程建设其难度可想而知，其增加的不仅仅是施工难度，施工工期，及其建设成本，此外还要面对各种不可预知的风险。如在施工时遇到透水事故，隧道施工中揭穿地下暗河的隔水顶板。此外还有可能遇到溶洞坍塌，地表岩溶塌陷等等一系列问题。因此岩溶地区的工程地质勘察的重要性就不言而喻了。因为每一个细节的失误都可能造成灾难性的后果和不可挽回的损失。

在中国铁路建设史上，因为宜万铁路，第一次为铁路隧道按风险分为轻、中、高3个等级。因此在岩溶地区进行工程建设，工程选址工作及查明拟建场地的工程地质情况就显得尤为重要。在工程项目选址时尤其是线路工程应尽量绕开岩溶地区，当实在无法避开时，应选择岩溶不发育或者是发育不严重的地方。在岩溶不发育的地段应该进行拟建场地的岩溶发展趋势评估。然后根据评估结果采取相应具体的

技术措施。如在岩溶不发育地段经评估对工程安全无影响时可不作处理。而如果影响项目的正常使用的话可采取跨越受岩溶影响的地段，如架桥。

岩溶区公路建设的选线规定及要求

在公路建设中，岩溶区根据地质条件选线应符合下列规定： 1路线应避开岩溶强烈发育地带，选择在岩溶发育微弱、洞穴层数少、顶板稳固、受岩溶水影响小或非岩溶化地带通过。

2路线应避免沿断裂带、可溶岩与非可溶岩的接触带、有利于岩溶发育的褶皱轴部布线，避开断裂的交汇处、岩溶水富集区及岩溶水排泄区。

3路线通过孤峰平原区，应选择覆盖层较厚、地下水埋藏较深的地段通过，避开多元土层结构、地表水位与地下水位变化幅度较大、地下水埋藏较浅及抽取地下水后可能形成下降漏斗的地段。

4路线通过峰林谷地、峰丛洼地及溶丘洼地地区，路线设计高程应高于岩溶水的最高洪水位，避开断裂通过的垭口。

5路线通过河谷区，路线宜在岩溶发育较弱的一岸布设，避开谷坡上的岩溶负地形和无水溶洞群，避免路线设计高程处于岩溶发育强烈的水平径流带内。

6越岭线应避开岩溶负地形和岩溶水排泄区。 7路线应避开土洞、地面塌陷发育的不良地质地段。

在进行地质钻探前还应进行专门的地质调绘，并应符合下列规

已经选好了路线。但路线经过之处有一栋历史久远的古建筑，后经文物部门鉴定为有较高的历史文化价值。为了保护这珍贵的文物资源，当地政府决定道路改线。但经施工勘察发现，该线道路地表以下3.0m处有一顶底板间距为5.0m的溶洞。为确保道路修建后的行车安全。经设计部门研究决定，在溶洞发育的位置进行开挖，待挖至溶洞顶板时进行钻孔爆破将溶洞顶板炸穿。然后再以高强的抗腐蚀混凝土进行灌浆回填。后经质监部门验收，处理效果完全合格达标。

跨越法：跨越法适用于基础下有溶洞、溶槽、漏斗、小型溶洞。施工时可采用钢筋混凝土梁板跨越，或用刚性较大的平板基础覆盖，而不对其下地基进行处理。

某一村庄沿河两岸分布，在很长一段时间过河难成为了村民的烦心事。村里陆陆续续修桥十余次，但都好景不长。基本上都被无情的洪水给冲垮了。途经村庄的河流河宽100m，村民修建的桥都是由数个桥墩组成，然后将桥板置于桥墩之上。而后来经过调查发现，村民建造的桥墩完全是靠桥墩自重来抵御洪水，且直接置于河床的卵石层之上且进入深度不足1m。有的桥在洪水过后桥及桥墩一起被洪水冲垮。在广大村民的争取下，通过上级政府拨款及群众自筹解决工程款的问题后，村里计划在原桥址处重修一座大桥。但经过地质钻探后发现，在河中央计划设置桥墩的地方下部基岩是石灰岩，且分布有大大小小0.5-2.0m不等的串珠状溶洞9个。若坚持原设计方案桩必须穿过所有的溶洞到达稳定的灰岩地层。而由此产生的后果是桩长超过设计桩长的5倍。且桥梁建造费用也将严重超过预算。后经过与设计沟

通及村民代表讨论决定，调整桥梁建造方案。由墩式桥梁直接改为不带桥墩的桥梁，由原来的四跨直接变成大跨。由此带来的好处是直接省去了建造桥墩及桩的成本，更重要的是解决了大桥穿越桥墩底部存在大量溶洞的问题。此外还增加了桥跨的空间，增大了泄洪能力，彻底解决了洪水对桥墩的冲击冲刷问题，大大提高了桥梁自身的安全。

桩基法：桩基法适用于地基上修建重要建筑物，溶洞较深的情况。可采取冲孔灌注桩、钻孔灌注桩等。桩基应穿越溶洞、进入洞底下方稳定基岩桩端持力层一定深度，但若溶洞上方岩体较厚，经计算可作为桩端持力层，那么桩基可不必穿越此溶洞。使用桩基穿越溶洞时，应着重查明溶洞的顶底板间距、溶洞边界等，并确保桩端进入持力层有足够深度，另外还要满足桩底持力层的厚度要求。一般情况不宜小于3倍桩径且不小于3m，对大直径桩不宜小于5倍桩径且不小于5m。在桩基设计时，还要考虑到建筑物的使用年限及溶洞的发展趋势。以避免溶洞的继续发展对桩基造成失稳而影响建筑物的正常使用。避免出现如下图所示情况。

某一拟建物层高为15F，拟建场地地层为0.0-3.0m左右为粉质黏土,3.0-7.0m左右为稍密的中砂，7.0m以下为中风化石灰岩。计划采用桩基础，以中风化石灰岩为持力层。但勘察结果显示10#桩、19#桩、21#桩桩位持力层面往下分别存在2.0m、3.7m、1.3m的溶洞。最后为确保拟建物的安全，施工方按照设计要求将桩穿透溶洞进入溶洞底板且进入底板2倍桩径。后来的桩基检测表明，所有桩的承载力均满足设计要求。

岩溶区的水文地质问题分析讨论

岩溶区的岩溶发育情况往往很复杂，在进行工程建设的时候，除了要查明与其相关的工程地质情况，岩溶区的水文地质情况也需要查明和引起重视。否则的话将会给工程施工带来极大的不利影响，造成诸如设备损坏及财产损失，甚至直接威胁施工人员的生命安全。或者造成工程竣工后不能正常使用，影响其效益的发挥，造成社会资源的极大浪费。

2005年10月4日21时许，位于广安市的龙滩煤矿发生透水事故，截至昨日18时，经过矿山救援队全力搜救，已发现12具遇难者遗体，另有16名矿工下落不明。据现场初步分析，事故是由于矿井掘进过程中突然揭穿溶洞或地下暗河，造成这次特大透水事故。当时现场作业人员32人，4人自救逃生，其余被困井下。

2007年湖北宜万铁路野三关隧道透水事故52名被困工人在被救出43人后，又发现2名遇难工人。此次事故已造成3人死亡19人受

伤，而下落不明的7人已无生还的可能。宜万铁路恩施境内地形、地质相当复杂，暗河和管道流较多。宜万铁路野三关隧道位于湖北恩施州巴东县碗口河和支井河之间，Ⅰ线全长13833米，为宜万铁路全线最长深埋岩溶隧道，最大深埋684米，且地质结构极为复杂，隧道穿越多个地层，另有5条暗河及管道流。所遇的地质条件复杂程度和施

工难度，在我国目前已建和在建铁路工程中，最为复杂、最为艰险。

2010年３月１日７时２９分，位于内蒙古自治区乌海市的神华集团骆驼山在建煤矿发生透水事故。事发时井下共有７７人，经过紧急撤离和救援，先后有４６人升井，其中１人抢救无效死亡，３１人被困井下。

记者８日在神华骆驼山煤矿透水事故现场了解到，尽管不断排水，但井下总水量依然稳定在１０万立方米左右，“地下暗河”源源不断的涌水使救援形势较为严峻。

“现在，上面抽多少水，下面就可能涌多少水出来。”中国煤炭科学院副院长、中国煤矿水害防治专业委员会副主任虎维岳８日在此间召开的“３·１神华骆驼山煤矿透水事故情况通报”会上分析认为，透水部位处于奥陶纪灰岩层，地质结构复杂、含水量极大，使得水源封堵工程面临严峻形势。

虎维岳说，作为新中国成立以来煤矿透水事故出水量“第二大”的此次事故，涌水部位处于距地面４００米以下的奥陶纪灰岩层上。该岩层形成于４至５亿年前，当时的地质层基本属于浅海环境，所以是非常丰富的含水层，也就是人们常说的“地下暗河”。

他说，奥陶纪地质结构主要成分是易溶于水的碳酸钙和碳酸镁，加之这一地质层上分布着不少古海洋生物的化石，经长期的溶蚀形成许多空洞、溶洞，而且遇水后会越溶越大。这些空洞与溶洞使得整个奥陶纪灰岩层，在地下形成巨大的“水网”，加上地下巨大的压力，该地层的水极易源源不断地相互补给。

虎维岳分析表示，也许透水部位经过几天的溶蚀，又形成了更多的漏洞，可能会给下一步的灌浆封堵透水点造成较大的困难。

通过这几次事故不难发现，事故的发生都是因为揭穿了地下暗河或者是岩溶地区的富水通道所致。而之所以会揭穿暗河或者富水通道最主要的原因是对施工区域的水文地质条件未能提前掌握，或是了解的情况不够详实彻底，才导致了悲剧的一次次发生。

我国是一个幅员辽阔的国家，这也就决定着在工程建设和生产过程当中我们可能直面各种各样的地质问题。无论是公路铁路建设中修建隧道，还是矿产能源开采的井下施工。我们都能经常从电视媒体中听到关于透水、渗水事故的报道。而每次报道的背后都是一个个悲剧的发生。而这些悲剧的发生很大程度上政府和企业是有很大责任的。有的生产企业无视安全生产，在不了解水文地质情况的条件下盲目开工赶工。有的企业领导对生产前期的水文地质工作根本就不重视，甚至和主管安全的部门领导有着千丝万缕的关系。

安全生产才能创造效益，无论是从国家的和谐发展还是小到家庭的生活幸福。加强和重视水文地质工作都是刻不容缓的，尤其是岩溶区的水文地质研究。因为很多地质矿产和隧道施工都紧挨着地下水量

很大的暗河或地下湖泊，一旦被揭穿后果不堪设想。

研究岩溶区水文与工程地质的意义

岩溶区研究的主要问题有三类：渗漏问题；地基稳定性问题；地下洞室稳定和突然涌水、涌泥问题。其研究意义是多方面的，岩溶地区有许多可以利用的有利条件,如地下蕴藏丰富的喀斯特水资源；地下洞穴中富集石油、天然气、砂矿及矿泉资源；各种奇特的地貌现象常是很好的旅游资源；喀斯特洞穴曾是人类祖先的栖居地,蕴藏着宝贵的考古资源.但是,岩溶也带来许多问题,如喀斯特山区耕地少、地表水少,洼地易积水成灾；采矿、地下开挖工程会遇到喀斯特涌水；地面工程建设中会遇到工程地基的地面塌陷、水库漏水和喀斯特气爆水库地震、坝基溶蚀引起溃坝等,这对工农业建设是不利因素。总之,对岩溶地区工程地质研究有利于人们合理开发利用自然资源、尽量保证工程安全等。

2015-7-11 参考文献及资料

1、GB50021-2001《岩土工程勘察规范》2009年版 2、JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》 3、JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》 4、GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》

5、JTG C20-2011《公路工程地质勘察规范》 6、《2005.10.06成都晚报》 7、《2007.08.08东方早报》 8、《2010.03.09新华网》

9、《地质学基础》《普通水文地质学》全国高职高专十一五规划教材

10、《百度百科》

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