岩溶研究发展现状论文

我国的可溶性碳酸盐岩分布面积达 ×106 km 2，占国土面积的1/3以上，其中碳酸盐岩出露面积约91 ×104 km 2，为岩溶的发育提供了根本条件。贵州、云南、广西、湖南、湖北、四川、西藏、新疆、青海、河北、山西、内蒙古等省区均有大面积出露。

岩溶岩土工程勘察方法手段

随着社会经济的发展和西部大开发政策的落实，岩溶地区的工程建设项目越来越多，岩溶地区的岩土工程勘察技术和水平也不断地提高。在岩溶地区，岩土工程勘察分析方法及岩溶探测技术，目前常用的方法或手段有：

（1）工程地质钻探：是岩溶区岩土工程勘察中最直接、最可靠的方法手段，也是用得最广泛的勘察方法，对查明岩溶场地岩土工程条件，具有不可替代的地位。

（2）工程地质调查与测绘：包括岩溶地形地貌调查、地层岩性、水文地质调查、测量及试验等内容的野外调查，能够从宏观上把握岩溶发育的分布和特点，并据此可进一步进行工程地质勘探工作。该方法简单，方便实用，能获得直观的野外工程地质资料。主要用于大型工程场地选择，以及公路、边坡等工程。

（3）地球物理勘探：适用于对岩体中复杂的岩溶洞穴进行探测，除了电阻率（电剖面和电测深）法、高密度电法、无线电波透射法、地面地震反射波法、声波透射法、微重力法、射气测量等以外[1],20世纪80年代以后发展起来的探地雷达GPR（地质雷达）、层析成像（CT）技术等在岩溶工程地质勘察中得到了广泛的应用，尤其是在确定岩溶溶洞、土洞及塌陷等的分布、形态和充填情况时，发挥了很大的作用。在查明大范围的区域岩溶发育和深部岩溶的分布规律方面，地球物理勘探是最理想的方法之一，但探测的准确程度受场地的干扰、技术人员的解译水平等因素影响。

（4）工程地质原位测试技术：主要采用原位标准贯入试验、动力触探试验等测定溶洞和土洞中充填物、岩溶塌陷堆积物的工程地质性质和地基土承载力。该技术在各岩溶地区有较成熟的应用经验，施工简单，成本较低，应用广泛。

（5）插钎：用一定长度钢钎（筋）按一定的间距插入上覆土层，用来查明土层中是否发育有岩溶土洞。例如广西桂林岩溶地区，在地基基坑开挖后，一般采用插钎来进一步查明土层中是否存在土洞或塌陷软弱层，实践证明该法效果显著。该方法还具有施工简单、经济实用的特点。

岩溶地基稳定性评价

岩溶地基稳定性的评价，是岩溶地区岩土工程勘察的重要内容，直接关系到地基基础方案的选择确定，目前常用的岩溶稳定性评价方法如下。

定性评价方法

主要根据已查明的地质条件，对影响溶洞稳定性的各种因素（地质构造、岩层产状、岩性和层厚、洞体形态及埋藏条件、顶板情况、充填情况、地下水等），并结合基底荷载情况，进行分析比较，作出稳定性评价，它是一种经验比拟方法，仅适合一般工程。

定量评价方法

主要是根据一些公式对溶洞或土洞的稳定性进行分析，目前有以下几种方法[2～7]:

（1）根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算；

（2）根据顶板裂隙分布情况，分别对其进行抗弯、抗剪验算；

（3）根据极限平衡条件，按顶板能抵抗受荷载剪切的厚度计算；

（4）普氏压力拱理论分析法；

（5）坍塌平衡法；

（6）溶洞局部破坏型式稳定性分析法；

（7）有限元数值分析法；

（8）多元逐步回归分析和模糊综合分析法。

总体说来，目前对岩溶地基稳定性的评价，大多是采用《工程地质手册》（ 第四版）[2]。或《岩土工程手册》[3]中所推荐的计算方法，或者是依据《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）和《建筑地基基础设计规范》（ GB 50007—2002）中有关规定[8,9]。由于评价计算方法较单一，由溶洞及土洞对建筑地基所产生的影响的评价分析，往往与实际情况有出入。

目前常用的岩溶地基稳定性评价方法，都是在一定的条件下得到的，具有其自身的特点和适用性，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）或《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）所建议的方法，仅仅是根据基础底面以下土层厚度的大小来判别地基的稳定性，而没有考虑以下几个因素对岩溶地基稳定性的影响：下伏溶洞或土洞的规模尺寸及形状、地下水的存在及水位的高低、地基土层的组成、土洞内的充填物等。

岩溶地基承载力和沉降

岩溶地基承载力

岩溶地基承载力的确定和地基沉降验算，是地基基础设计的重要内容。当地基中存在溶洞、土洞或塌陷时，它们对地基承载力和沉降的影响，国内很少进行过系统研究，也没有可供工程实践使用的成熟的计算公式。更多的是关于岩溶桩基础施工的经验报道。

地基中溶洞或土洞的存在，将影响地基的承载能力。其实我们可以通过分析地基中溶洞周围应力状态，在保证溶洞地基稳定的前提下，进行反算求得地基的承载能力。含溶洞岩石地基承载力，除与溶洞跨度、顶板厚度等因素有关外，还与洞顶覆盖层厚度（重量）、地基荷载、基础尺寸大小、岩石的泊松比（侧压力系数）等诸因素有关。

岩溶地基的沉降变形

在岩溶地基勘察时发现土洞，一般都会进行地基处理，如换填、灌浆等，在进行地基处理后，地基的沉降变形与正常的地基同样考虑，并无特别之处。但有些岩溶地区在岩土工程勘察中没有发现土洞，在建筑物建成后，由于地基中有地下水，且地下水位经常波动，地下水（或地表水）产生的潜蚀作用或崩解作用，往往会形成土洞。起初土洞的规模尺寸不大，若不采取有关处理措施，土洞则会继续扩大，产生地基土体变形，继而引起建筑物开裂。在岩溶地区，有许多建筑物在建成后，由于地下水或地表水的活动，形成土洞继而产生地面变形而引发建筑物墙体开裂，这一点往往被工程技术人员忽略。文献[10]根据弹塑性理论，推导了岩溶地基发育的土洞对地基变形影响的计算公式，并且发现，地下水位的下降，仅仅是由于存在土洞，引起土洞应力状态的改变而产生附加的沉降，就足以导致某些敏感结构建筑（如框架结构）的开裂。

对于已经产生塌陷的岩溶地基的变形计算，文献[11]指出塌陷土层中的应力及沉降不能按常规方法来计算，并利用散体极限平衡条件，推导了单层或多层地基塌陷土层的应力计算公式，并用推导的附加应力来进行塌陷土体的沉降计算。

对于含溶洞岩石地基的沉降变形，一般情况下其变形可忽略不计。

Weiyuan ~ Anyue region Maokou group lithology dense and gas production and development of both karst. Weiyuan structure has been in a succession of high-uplift zone, the current structural integrity and enormous scale, Gufeng Maokou group of karst reservoir of good shell, is pointing to the favorable oil and gas rich region. Ancient karst landforms that affect Gufeng shell of Karst and distribution of important factors, the study of the region Maokou group of karst topography of ancient prediction of the reservoir area of karst distribution of oil and gas exploration and guidance provides a theoretical basis. Specific thesis is divided into five parts:The first part of the introduction, from the purpose and significance of research on the status quo, the study area basic situation of these three areas to collect and sort out the relevant information and put forward the thesis of this study of ideas, research, technical routes. The second part is divided into regional context, the work area location, structure location, tectonic evolution of history, the sedimentary characteristics, formation, lithology these four aspects of the III is divided into Maokou ancient group of karst features and identification of the four ancient role of karst type and characteristics of and Maokou ancient group of karst landforms identifier was fourth part of this thesis is focused on restoration of ancient karst landforms and their characteristics, in accordance with the principle of restoring ancient landscape, draw for the Permian Maokou group EC ancient landscape of the way for resumption of an impression, based on a review on the formation and sedimentary characteristics Maokou Formation sedimentary characteristics, choice of Permian for the base level, and then use an impression to restore law on the Permian sediments forefront of the ancient landscape mouth group, and analysis of ancient karst landforms and rich oil and gas relations. Part V of this comprehensive study of the views and discussed, conclusions and pointed out the lack of words: paleokarst, identification, the ancient landscape, an impression of law

从全球来看，在中低纬度的岩溶区，如：东亚和地中海地区，尤其是我国的西南岩溶石山地区，坚硬致密的碳酸盐岩层极少或无冰川沉积覆盖，成土缓慢，土壤缺乏，而岩溶双层结构空间发育，新生代地壳上升强烈，水源漏失严重，加上干湿分明的季风气候，导致生态环境脆弱，普遍干旱缺水，石漠化严重[18]。在俄罗斯西伯利亚平原的岩溶区，广泛覆盖于碳酸盐岩层之上的冰川及河流冲积层，有利于土壤的形成，而下伏碳酸盐岩中的岩溶空隙有利于排除沼泽地区过多的积水，偏碱性的碳酸盐岩也有利于中和酸性环境。因此，高纬度的岩溶区都成了主要的农业基地。而在东南亚、美国东南部和中美洲广泛分布的第三系碳酸盐岩层，具有高达16%～44%的孔隙度，含水量很高，干旱缺水和石漠化较弱[19]。所以，受生态地质环境条件影响和供水需求的带动，欧洲国家和我国都比较重视对岩溶及岩溶水勘查开发技术的研究。而且，我国岩溶不但分布面积广，并且由于一系列地域优势条件所决定，许多岩溶类型在全球有范例性，客观上使得我国的岩溶研究能够依托地域优势，为全球岩溶学科发展作出更大的贡献[20]。联合国教科文组织国际地质对比计划(IGCP)中有关岩溶的3个项目：IGCP299-地质、气候、水文与岩溶形成(1990～1994)；IGCP379-岩溶作用与碳循环(1995～1999)；IGCP448-全球岩溶生态系统对比(2000～2004)，均由我国提出并组织领导，一直由我国科学家袁道先院士担任项目工作组主席。2004年2月，联合国教科文组织IGCP执行局第32届理事会还通过了世界岩溶研究中心(IRCK)设在中国的提案，充分体现了我国岩溶研究水平在国际学术界的权威地位。

在岩溶水的勘查研究程度方面，目前发达国家对岩溶区都作了系统的水文地质调查，工作的内容和程序与国内基本相似。但对每个岩溶泉或暗河流域投入的勘探、试验工作和所达到的控制程度普遍高于国内。他们对于每一个可能的落水洞与泉、暗河出口或钻孔之间都作了示踪试验，对各个岩溶水径流通道间的联系和展布方向、流速、流域边界掌握很确切。对主要的岩溶暗河、大泉、供水水源地都建立了长期自动监测系统和预报及管理模型，实现了定量化的预测预报。而且近些年来，国外地下水模拟软件不论是在数量还是质量上都有了巨大的发展和提高，前后处理的可视化功能日益强大[21]，公益性、基础性的地下水数据库建设也很完善和普及[22]。

在地下水勘查技术研究与应用方面，地球物理探测技术是主要的技术手段，在半个多世纪的发展历程中，大致经历了三个主要阶段。20世纪50～60年代地球物理方法就已被应用于地下水勘查领域，方法以直流电测深、激发极化法、电测井为主，勘探的目标主要为第四系松散岩类孔隙水，方法成熟简单，目前许多地质勘查单位仍以其为主要勘探手段。70～80年代期间，找水工作开始面向勘查难度较大的基岩裂隙水、岩溶水，相应的物探技术方法也有了新的发展，如音频大地电场法、甚低频法、放射性法、综合测井等方法的应用，取得了明显的效果，并形成有特色的系列找水技术。从90年代至今，由于地下水勘查的内容和范围不断扩大，研究的问题更加深入，更具有针对性，所采用的技术方法通常都以综合物探手段为主，包括常规手段以及先进的电磁法、高分辨率地震技术等。

目前，国外地下水地球物理探测技术发展迅速，电法已经从直流电阻率法发展到仪器轻便、分辨率高的电磁法，包括频率测深、音频大地电磁测深、瞬变电磁测深、可控源大地电磁测深等高灵敏度方法。美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大等国地球物理技术研究实力和仪器开发能力基础雄厚，工艺先进，先后研制了多系列的电磁法仪器，如美国Zong公司研制开发的GDP电磁法勘查系列，加拿大Geonics公司研制开发的EM瞬变电磁系列，加拿大Phoenix公司研制开发的V5、V6电磁法勘查系列，澳大利亚Geoinstru Ments公司研制开发的Sirotem电磁勘查系列以及俄罗斯研制的建场测深法系列等。德国、法国、日本等国在非洲、南亚地区有专门从事地下水勘探的地球物理公司，应用的方法主要为电磁剖面法、甚低频法、频率域电磁测深法，瞬变电磁法等[23]。另外，白俄罗斯和法国生产的核磁共振直接找水技术更是地下水地球物理探测技术的一大进步，其实质也属电磁法勘探范畴。它不仅能直接反映地下含水层的特征，而且还能提供如孔隙度、渗透率、导水性等水文地质参数，是最具发展潜力的一种地下水探测新技术。

我国在地下水地球物理探测方面，也经历了从直流电法到电磁法的发展过程，目前拥有相当数量的上述大型电磁法勘查设备，但均为引进设备，自行研制能力较差，但在应用研究方面成果突出。先后开展了多项专项技术研究，如中国地质调查局组织实施的音频大地电场仪及找水研究、综合物探技术寻找基岩裂隙水应用研究、西北沙漠和黄土地区EH-4电导率成像系统勘查地下水技术研究、西北严重缺水地区地下水勘查战略研究等都是以电磁法为主流的应用研究。另外，在应用方面以电磁法为主开展了地质条件复杂、找水难度大、环境恶劣的一些生态地质环境条件下的地下水勘查工作，例如：罗布泊及塔里木盆地的松散岩类孔隙水、西部山地基岩裂隙水、西南岩溶石山地区岩溶水的勘查等，积累了较丰富的实践经验。不难看出，上述国内外地球物理探测技术的发展现状表明：信息量大、分辨率高、勘探深度大的电磁法探测技术已成为地下水地球物理探测技术的主要手段，在地下水资源勘查中发挥着重要的作用[24]。众所周知，物探结果仅是地层物性层空间分布特性的反映，解释结果是多解性的。如何将具有多解性的物探结果进行合理的地质解译，提高解释精度，这是水文地质和物探工作者必须深入研究的课题之一。实践证明，研究水文地质条件、掌握岩溶发育规律及地层岩性与物性之间的关系，从而建立合理的地质—地球物理模型与解释标准，是解决地质问题的核心。另外，任何一种物探方法都有其独特的优点，但也存在一定的缺陷，国内外的地球物理学家都共同认识到，在岩溶水勘查工作中，不能仅仅依靠某一种物探方法来解决问题，应该充分考虑实际水文地质条件，研究选择适宜不同地质环境条件和探测对象的方法组合和实施方案，多方法探测和综合解释，才能提高解释精度，取得更为理想的效果。由于我国岩溶面积广阔，岩溶类型多样，条件复杂。所以国内的水文地质和物探工作者，利用传统技术方法与引进的部分新技术设备结合，加强水文地质条件和岩溶发育规律研究，结合自身的经验，在找水的准确性上，也有很大的进步，积累了许多成功的经验，在应用研究的深度和广度方面居于世界前列。

在岩溶水的开发技术方面，国内外引、提、堵、蓄的技术原理都基本上相同。欧洲岩溶水的开发方式，过去曾经以钻井取水为主，实行就地分散供水。20世纪后期，随着调查研究的深入，水文地质学家认为，一个岩溶泉流系统的各部分存在着密切的水力联系，水流的大部分最终都将汇集到泉口集中排泄，加之泉域面积较小，地形高差不大，在经济允许的情况下，按泉域统一规划和集中开发与调配更有利于岩溶水资源的管理和保护。因此，随着经济的发展，目前开发方式已经逐渐演变为以泉为水源，建设水厂，集中布设管网供水为主，仅在部分边远的地区还保留着一些分散供水井。在岩溶防渗成库技术上，在欧洲的法国和前南斯拉夫等国的岩溶分布区，自20世纪70年代或更早的时期，就建设了多个岩溶暗河开发工程和利用岩溶谷地建库建设水电站，解决岩溶区缺水困难和能源短缺问题，取得了岩溶水资源开发和水能开发带动农业、工业和城市发展的成功经验，如法国的拉苏斯城市供水水源地、特里波罗农业区的夏特里赫暗河开发工程、前南斯拉夫的特例比西尼察、涅列特瓦岩溶流域的水能开发等[25][26]。在钻井技术上，国外的技术设备远比国内的先进，能够满足干旱岩溶石山地区无冲洗液钻进的要求，钻进速度和自动化程度都高得多。

我国政府十分重视西部地区地下找水工作，20世纪70～80年代，组织完成了大部分地区1：20万的水文地质普查，80～90年代，又组织开展了部分城市和重要经济区1：10万至1：万的水文地质普查。之后，在20世纪末开展的“西北地区地下水资源特别计划”、“西北地区地下水勘查战略研究”、“西南贫困岩溶石山地区扶贫找水计划”等一系列工作的基础上，中国地质调查局2001年组织实施了“西部严重缺水地区人畜饮用水地下水紧急勘查工程”，2002年实施了“西部严重缺水地区地下水勘查示范工程”。其目的是通过对不同缺水类型地区水文地质条件的野外调查及分析，找出解决农村生活和生产用水困难的找水方向与途径，并通过适量的勘探工作加以验证，取得不同缺水类型区的找水经验，指导当地解决干旱缺水问题。探采结合示范井的实施，不仅获得了找水与取水的先进技术方法及经验，还直接解决部分严重缺水地区的人畜饮用水困难。“九五”期间直到2002年西部找水工作施工探采结合井约400眼，施工小口径浅井约3000眼，直接解决约120×104人饮用水困难。在岩溶水开发工程技术上，国内如蒙自五里冲这样的工程，也创造了超高防渗帷幕、超高超薄防渗墙、加密高压灌浆技术处理特殊复杂的溶塌堆积体等国际领先技术。还有许多颇具特色的岩溶石山区分散中小型岩溶泉和暗河引、提、堵、蓄工程技术。

现代地下水勘查已成为一项巨大而复杂的工作，其涉及的内容广泛，包括地质学、水文地质学、工程地质、环境地质、地球物理学、数学、计算机等。从单一方法向地质测绘、地面物探和综合测井、“3S”技术等综合方法密切配合方向发展。在不同岩溶水源地类型的勘查中，不断提高岩溶水文地质调查研究程度，加深岩溶水赋存规律的研究，开展地球物理探测技术的优化组合示范研究及应用，使地下水勘查工作达到快速高效之目的，已成为国内主要的研究方向之一。在开发技术上，根据岩溶石山地区的需水特点，大型与中小型工程技术的研究与实践并举，特别是西部大开发及扶贫找水的推动，促使中小型工程的技术研究与应用得到了空前广泛地开展，取得了巨大的进步。目前，急需系统地研究总结和推广。国外的岩溶水探测技术主要朝着进一步提高精度、简便易行的方向发展，开发新的方法和设备，改进已有的设备，开发功能更全面和强大的解译软件。同时不断研究与改进岩溶水开发、水处理的工程技术设备，提高对复杂的岩溶地质环境的实用性和效率。另外，随着岩溶水开发程度的提高，一些地区由于不合理的开发导致发生了岩溶塌陷、泉水疏干、地下水污染等不良环境地质问题，引起了社会对岩溶水资源的合理利用和保护上的关注。因此，对岩溶水的脆弱性、环境监测预报与保护技术的研究，也已成为水文地质及环境地质研究工作的一个主要方向。