化学溶滤效应在岩溶土洞演化过程中的作用机理分析研究

发表时间:2015/10/14   来源:《工程建设标准化》2015年6月   作者:李柏荣
[导读] 广西桂林水文工程地质勘察院,广西,桂林,541002 本文主要介绍化学溶滤效应在岩溶土洞演化过程中的作用机理分析研究,并有针对性地进行了探讨。

(广西桂林水文工程地质勘察院,广西,桂林,541002)

【摘  要】本文主要介绍化学溶滤效应在岩溶土洞演化过程中的作用机理分析研究,并有针对性地进行了探讨。
【关键词】化学溶滤效应;岩溶土洞;机理分析研究

1.引言
        岩溶塌陷是指在岩溶地区下部可溶岩层中的溶洞或上覆土层中的土洞,因自身扩大或在自然与人为因素影响下,顶板失稳产生塌陷或沉陷的统称。土洞是岩溶区常见的一种岩溶作用产物,它的形成和发育与土层的性质、水的活动、岩溶的发育等因素有关。其中地下水或地表水的活动是土洞发育最直接的影响因素。地下水或地表水的活动和运移,将对土层产生潜蚀作用及崩解作用而形成土洞。此外,土洞洞体形成后,其洞壁周围将产生应力集中现象,当地下水位发生变化时,将进一步改变土洞洞壁周围土体的应力状态,并有可能致使洞体周边处产生破坏,土洞进一步扩大而最终导致塌陷。
        研究地下水作用对土洞演化作用的影响,是研究土洞发育机理的一个重要方面。地下水对土洞演化作用又分两个方面:一是地下水动力作用对土洞发育的影响,另外一方面是地下水化学溶滤作用对土洞发育的影响。地下水动力作用前人已有较为充分的研究,地下水的化学溶滤作用对土洞发育的有何种作用机理是现在尚未查明的问题。本文通过对广西桂林市桂—阳高速公路线上典型土洞发育点进行土样取样试验研究,探索化学溶滤效应对土洞演化的作用机理。
2.工作区概况和研究思路
        工作区地处南方岩溶典型区,桂(林)—阳(朔)高速公路沿线岩溶土洞发育强烈,沿线地貌为峰林平原地貌,岩性为碳酸盐岩区,上覆第四系红粘土。试验取样即选取未发育至地表的典型土洞。取土洞及土洞周边未发育的地层进行取样,进行对比分析。集中取样的土洞1个,加之周围未发育部分共2个。取样密度洞的顶板、松散堆积物、底部土样都取到,对比点的土样取同一深度,即盖层与顶板、松散堆积物、底部同等深度未发育土洞的土样,重点土洞以下的土样2~3组/洞。基岩面埋深2.3m,上层与土洞底部土层相接触。
        另外,对研究区地下水进行常年连续观测,对该地区地下水常年连续取样进行全分析,本文的水化学数据是2007.9—2009.3期间每个月的数据,共18个全分析数据。对研究区2007.1—2009.7月间连续监测水位、水温数据,水位变化如图2所示。由图可知,地下水一直在基岩面以上波动。
3.地下水分析
        对水样进行全分析,水样的pH值变化7.22-8.4,均值7.62,pH值较高,这反映了地下水受到方解石和白云石溶解的影响。由阴离子三线图可知,本研究区样点均落在三线图的左下侧,HCO3-和CO32-的浓度处于65%—75%,Cl-的浓度低于10%,SO42-所占的比重也较低;阳离子三线图中,样点也都落于左下侧,以Ca2+为主,比重大于70%,Mg2+约30%—40%,所有样点的K+和Na+浓度所占比重均20%—30%。样点均落于菱形图的5区上测,即研究区地下水水化学类型为Ca-HCO3型和Ca、Mg-HCO3型。地下水化学类型与地层岩性有着密切的关系[1],该piper三线图所反映的地下水水化学的特征与研究区出露地层主要为上覆第四系中更新统残积、洪积粘土及粘土砾石层。下伏地层为石炭系岩关组,岩性主要白云岩及灰岩夹泥灰岩,地层特征与水类型特征相符。
        控制地下水演化的水文地球化学因素是多方面的,应用水中各离子含量的比值特征分析地下水演化的物质来源是有效的手段之一[2],各种组分之间的含量比例系数常常被用来研究某些水文化学问题。由Ca2++Mg2+与HCO3-关系曲线反映Ca2+、Mg2+的来源,绝大部分点落于1:1上方,说明Ca2+、Mg2+离子过剩,需要SO42-、Cl-离子来平衡。另外,(Mg2++Ca2+)与阳离子的比值平均值(0.73)较高,反映了研究区地下水主要阳离子来源于碳酸盐岩的分解。
        饱和指数(saturation index)由理论推导公式得出的一个指数,以定性预测水中CaCO3沉淀或溶解的倾向性[3]。饱和指数能够客观地反映水文地球化学作用发生的方向和状态。地下水与矿物所处的反应状态,在目前水文地球化学研究中以饱和指数(SI)作为衡量标准。若水样的pH值大于pHS,SI为正值时,碳酸钙会从水中析出,这种水属结垢型水;当SI为负值时,原有水垢层会被溶解掉,使原材料裸露在水中受侵蚀,这种水称作侵蚀型水;当SI等于零时,水处于饱和状态,这种水属于稳定型水。对地下水中主要离子进行饱和指数计算如表1所示:
表1 地下水饱和指数统计表
        由表1可知,方解石处于过饱和状态,白云石仅在3月份稍微非饱和,其他月份处于过饱和状态。说明水中已经溶解了过多的碳酸盐岩矿物。方解石和白云石饱和指数的变化规律与Ca2+、Mg2+、HCO3-一致,4月底至7月底饱和指数更高,说明这些月份CO2分压变大,水的酸性变强,溶解能力变大。白云石的饱和指数在冬季月份小于0,说明在冬季白云石的溶解作用变为沉淀再结晶。研究表明:在碳酸盐岩含水层中,地下水初始以方解石(白云石)的溶解为主;后来是石膏的溶解,石膏的溶解使得方解石的溶解受到抑制。
4.土样分析
        对所取土样进行重塑,并对最优含水率的水样做崩解试验,发现:洞顶处的土层遇水不易崩解,其他组均有所崩解。红粘土不良物理性质与良好的力学性质之间的矛盾,很大程度上是由红粘土中自由氧化物的胶结结构引起的,而且经证实仅有部分铁氧化物在红粘土中起胶结作用。红粘土主要的化学特征是SiO2、Al2O3和Fe2O3含量比较高,属于土中的主要成分,碱金属含量较低,钾、钠、钙、镁氧化物含量总和低于5%,Mn、磷稀有元素含量很少,低于主要成分三个数量级之多。对所取土样进行X射线衍射分析。

        由以上的粘土矿物成分可以看出,上层的粉质粘土伊利石含量存在,并且含量存在,在靠近基岩面附近的土层中也发现了伊利石。洞顶处的高岭石含量存在。土洞发育处除了洞壁和基岩面附近发现了伊利石之外,其他点均未发现伊利石,又有研究表明[4],粘土矿物中,伊利石质量分数对土体的水解性影响最大,高岭石次之,蒙脱石最小。土洞的发育趋势也表明,洞顶处处是不易被水崩解的部位,其含伊利石的含量也最多。
        另外在各种化学成分中,以Fe2O3质量分数对土洞发育的影响最大,而矿物中主要是针铁矿,Fe的含量越多,距基岩面越近Fe的含量越高,红粘土的强度主要由游离氧化铁所形成的胶结作用和颗粒间的连接作用和颗粒间特殊的连接形式所起的作用所决定。[5]针铁矿通常被认为是造成红粘土特殊性质的主要原因,由矿物成分分析结果可以发现,自基岩到最上层的上覆土层,Fe的含量呈渐变性减少,其力学性质也呈降低的趋势。含针铁矿越多的土层,在脱水后力学性质越高,越坚硬。
5.化学溶滤作用分析
        在水与岩土相互作用下,岩土中一部分物质转入地下水中,这就是溶滤作用。溶滤作用的结果,岩土失去一部分可溶物质,地下水则补充了新的组分[6]。
5.1 地下水与溶滤作用的关系
        通过地下水化学分析,水中的主要离子与土中主要离子含量不同,与岩石中的矿物成分有关系。水的主要离子来源于岩石的溶解,土洞发育处位于基岩面以上,与土洞洞底土层直接接触,岩石与地下水作用溶解掉可溶矿物后,土层受到负压,加之土体受到动力学因素(水位在基岩面附近浮动),土体塌落既满足了所需空间又具备了动力因素,具备了土洞发育的条件。
地下水的pH值7.22-8.4,偏碱性水。水中的矿物饱和指数,方解石处于过饱和状态,白云石在取样时的饱和度也大于0,处于过饱和状态,对岩石的溶解性处于较强的水平。水中的Ca2+、HCO3-处于相对的低值,农田正进行地表排水的活动,地下水交替频繁。基岩上层土体经过长期的风化淋滤作用,自上而下的含量发生很大的变化。距基岩面越近的土体含碳酸盐岩的成分越多,石英的含量就越少。距地表越近,地下水的溶解作用和土体的风化作用,以及自上而下受到得淋滤作用,使得易风化水解的矿物元素越少,石英的相对含量越高。
        Ca、Mg元素的溶解主要受到CO2分压的影响,分压越大,其溶解能力越强。通过对水化学的模拟结果可知,CO2的分压结果与Ca、Mg的含量呈正相关关系。土体中的Ca、Mg的元素对土体的强度控制主要是通过颗粒、颗粒集合体与集合体之间的连接。在本土样中Ca、Mg的含量微弱,只有上层粉质粘土层含有微量的Ca、Mg,说明红粘土已发育很成熟。
5.2 岩土体与溶滤作用的关系
        由之前的试验结果可知,所取土样洞顶处以上的土体天然含水率处于塑限以下,属偏干土,洞顶处以下的土属于塑限以上的偏湿的土。即土洞的土体以洞顶处为分界点,之上的土在天然状态下呈脆性破坏,之下的土呈塑性破坏,而洞顶处及同一深度的土层力学性质最高。也就是说洞顶处最不易破坏,维持了土洞的稳定状态。
        土洞的发育不仅仅是由一种矿物成分决定,它受到多种矿物元素的影响。从粘土矿物成分来说,蒙脱石的影响最大,其次是伊利石和高岭石。在土样中未检测到蒙脱石,伊利石上升为主要的粘土矿物决定因素。伊利石含量越高,土样越容易崩解,其水理性越高。土中的针铁矿在含铁矿物中是比较稳定的矿物,在碱性环境下对土体的结构强度起到减弱的作用,遇水之后的水敏性较强。绿泥石和水铝矿的含量大小对土体的塑限起决定作用,含铝矿物的含量越高,土体的塑限越低。上层粉质粘土属于高塑限粘土,其水铝矿和绿泥石的含量较少。
5.3 化学溶滤作用对土洞发育的影响

        土中的铁一部分是吸附在粘土颗粒上,一部分存在于孔隙中的水溶液中。聚积到土中的铁遇水之后以游离的胶体形式存在,此时土体的强度很低。随着离子扩散达到平衡,氧化铁胶体在土体中逐渐沉淀,以氢键将土颗粒粘结起来,土体强度会慢慢提高。铁胶体对土体的结构在碱性条件下起到减弱土体强度的作用。地下水属于碱性环境,随着pH上升,土结合的水分子离解,释放出H+,土中的水解反应能增大土中孔隙溶液中的总铁含量。脱水后的土中铁的含量越高,其土体的强度越大,遇水之后的水敏性也越强。所以可以看出,自地表往下的水敏性越来越强。
        土洞的发育由已有的结果可以推断,开始发育的土层是在洞顶以下YS1-4,埋深1.6m处开始发育的,该处的土体的遇水崩解性强烈,矿物不含伊利石,处于地下水强烈波动带内,水铝矿含量突然变高,针铁矿也发生突变,含量突然变高。即当地下水处于丰水期时,由已有的水位观测数据统计,全年约有9个月的时间地下水位处于地下水位埋深1.6m以上,土洞的发育就在这层受到水位波动和地下水的溶滤作用强烈发育。随着该层土体在水的作用下不断软化,土体的强度变得很低,其应力场发生变化,当上覆土体及下伏土体的粘聚力和承载力不够大时,地下水的运移给土粒的运移提供了动力,土洞即开始发育。而洞顶YS1-3土层,埋深1.3m处的土体矿物含有伊利石,针铁矿的含量和水铝矿的含量较小,地下水位在该处波动的几率也较下层土体的几率稍小,由于含铝胶体和含铁胶体含量较小,遇水后的软化程度也较小。当土洞发育到该处时,洞顶的应力足够大,足以维持土洞洞壁的稳定性,于是土洞发育到现在已经处在一个相对稳定的状态。只有当突发情况出现时,如地下水突发变异—地下水污染、人类的突发性抽排水活动,地表的震动荷载或者上层土体突然加厚等,土洞才有可能发展到地面形成塌陷。
6.结论与建议
6.1 结论
        本文从地下水监测、地下水化学、土样物理力学性质、土体矿物成分等几个方面进行分析研究得出结论:
        土洞在洞顶以下开始发育,洞顶以下的次生矿物成分较多,土洞发育受到多种矿物元素的影响,土中的针铁矿遇水之后的水敏性较强,在碱性环境下对土体的结构强度起到减弱的作用,因此下层的土体遇水之后较为不稳定。水铝矿对土体的胶结作用使得土体的结构强度增强,但是遇水之后的水敏性较强,另外,绿泥石对土体胶结作用也使土体的结构强度增强,在中性和弱碱性、弱酸性的条件下,对土体结构有重要的作用,遇水后水敏性较强。
        最后引出本文的研究论题—化学溶滤作用在岩溶土洞演化过程中的作用机理分析,地下水、地表降水对红粘土溶滤作用使得土中碳酸盐组分被大量淋滤迁移,硅酸盐矿物水解析出,大量的次生矿物出现。溶滤作用对土洞演化的影响表现在,土层埋深自上至下溶滤作用的程度大小不一,作用程度大含石英多的土层遇水之后较稳定,不易崩解。含粘土矿物及针铁矿和水铝矿成分较多的土体遇水之后易崩解,这样的土层是土洞易发育的土层。
6.2 建议
        溶滤作用的强度有很多的影响因素,如地下水的交换强度、温度、土的结构和土的类型等。其实,大气降雨的强度对土的自上而下的淋滤作用和人为的地下水抽水也对其溶滤作用的强度有影响。地下水位的变化幅度和水质交换的强度是影响其作用强度的主要因素。因此,在对水质交换的强度的时间性进行分析是研究溶滤作用一个重要的方面。
        对溶滤作用的研究,该课题主要是研究了该点处土洞的发育点以及对比点的矿物成分分析和物理力学性质的分析。从溶滤作用的是一个长期的化学过程来看,研究土洞发育的长期时间变化除了电缆监测,如在该处土洞研究其时间序列的变化,譬如对该点每隔一段时间段(一年)进行化学成分分析,研究其成分的变化。得出其成分随着时间而发生的变化,进而讨论土层化学成分的变化对土洞发育的影响。
参考文献:
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[2]郭永海,王驹,吕川河.高废弃物处置库甘肃野马泉预选区地下水化学特征及水—岩作用模拟[J].地学前缘(中国地质大学,北京;北京大学)2005,12:117-123.
[3]江晓益,成春奇.矿区地下水系统水质分类判别的多元统计分析
[4]谢定义,齐吉林.土结构性对其定量化参数研究的新途径[J].岩土工程学报,1999,6(21):651-656.
[5]张信贵,吴恒,方崇,易念平.水土相互作用与土细观结构变异的X射线衍射分析[J].桂林工学院学报,2005,25(3):301-304
[6]汤连生,刘增贤,黄国怡,廖志强,颜波.红土中含铁离子物质的化学行为与力学效应[J].水文地质工程地质2004(4):45-48

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