岩块裂隙对溶蚀速率的影响研究_李雪峰.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-04修回日期 2019-12-05 第一作者简介 李雪峰 （1973-） ， 男 （汉族） ， 辽宁葫芦岛人， 副教授， 现从事地质工程教学与科研工作。 岩块裂隙对溶蚀速率的影响研究 李雪峰*， 罗红洁， 江佳雯 （天津城建大学地质与测绘学院， 天津 300384） 摘要 通过对秦皇岛柳江盆地的灰岩岩溶区的考察， 基本上掌握了亮甲山、 砂锅店、 马家峪等地的 构造裂隙与岩溶发育情况。亮甲山灰岩的岩溶作用较弱； 砂锅店附近的构造裂隙发育， 灰岩溶蚀作 用强烈； 马家峪一带的灰岩发育受到北西向的断层影响， 岩溶作用也较为强烈， 地表岩溶较发育。采 取岩石样品进行室内试验， 通过岩石压力机对岩石试样施加不同压力使岩石裂隙不同程度张开， 通 过饱和吸水率试验确定岩石孔隙张开情况， 然后进行溶蚀试验， 通过质量损失率判断溶蚀情况。 关键词 秦皇岛柳江盆地； 构造裂隙； 饱和含水率； 岩溶 中图分类号 P426 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0005-04 岩溶地貌的发育， 与岩体本身的性质、 岩体的透水 性、 岩溶水等条件有关。灰岩地区岩溶的发育对人类 的经济生产活动、 交通设施等有着极大的影响。岩溶 发育对交通工程的影响巨大， 在施工过程中， 岩溶的问 题难以处理， 往往会增大工程难度、 增加投资和延长工 期。据不完全统计， 大部分岩溶区隧道在施工修建过 程中， 不同程度上都遇到了地下岩溶涌水突泥的危害， 甚至造成重大人员伤亡和设备财产损失。如襄渝线大 巴山隧道在施工期间发生涌水[1]、 渝怀铁路圆梁山隧道 发生涌水突泥[2]、 贵州福泉岩溶塌陷[3]等， 深受岩溶带来 的工程问题的影响。 岩溶发育受到节理裂隙的影响， 可溶性岩石中节 理裂隙的发育， 为地下水提供了通道， 为岩溶发育创造 了有利条件。周笑、 林贤杰等人从地质构造的角度出 发， 认为地质构造作用导致岩体破碎、 节理裂隙发育， 在可溶岩地区， 这些地段岩溶通常比较发育[4]。 1秦皇岛灰岩的野外调研 柳江盆地位于河北省秦皇岛市北部、 燕山脚下， 南 临华北平原和渤海湾。柳江盆地是一个东翼缓、 西翼 陡的向斜构造， 且向斜构造较宽缓， 地层属典型的华北 地台型， 该区域发育的地质构造主要是柳江向斜构造 及周围一些次级褶皱和较为复杂的断裂构造， 断裂发 育在柳江向斜四周， 各种性质断裂均发育， 形成时代不 一， 规模较小。 关于岩溶与地质构造的关系， 谭周地等人从不同 性质的构造中研究了对岩溶发育的控制作用， 认为地 质构造是岩溶发育形成的关键因素[5]。在柳江盆地中， 岩溶地貌发育主要集中在东部落、 沙河寨、 王家峪、 小 王山、 亮甲山等地区， 而这些地区的褶皱和断层都比较 发育。针对柳江盆地的构造及岩溶裂隙的情况， 作者 主要对亮甲山、 马家峪、 砂锅店进行调研、 取样， 分析其 中的构造与岩溶发育的关系。 通过对亮甲山、 砂锅店、 马家峪这三个小区域的野 外调研， 测量各个区域的节理裂隙和断层的走向。亮 甲山节理的走向集中在近南北方向、 北西方向两个主 要方向， 岩溶发育不明显。砂锅店一带发育两组大裂 隙， 走向分别为 NE15、 SE100， 沿节理方向有石芽、 溶 沟、 漏斗、 落水洞等岩溶地貌发育。马甲峪一带的灰 岩， 岩溶地貌表现为 “马蜂窝” 居多， 灰岩表面有较多的 小的溶蚀坑， 大部分小坑洼的深度为3～5mm， 深则达 15mm。 对亮甲山、 砂锅店、 马家峪这三个区域的断层、 节 理裂隙、 灰岩地貌的观察及数据的采集， 初步分析总结 得知， 断层的发育影响着节理的裂隙发育， 而节理裂隙 发育的程度影响着岩溶地貌的发育。邓杰、 李定远等 人对岩溶与构造的关系进行探讨， 认为裂隙也控制着 岩溶的发育， 节理越发育， 岩溶作用越强烈[6]。在这三 个区域的岩溶发育， 受节理裂隙的影响。 2室内试验 2.1试验的准备工作 5 2020年第10期西部探矿工程 从野外初步分析了灰岩的构造裂隙的透水性， 再 结合室内试验， 对灰岩的透水性、 溶蚀速率进一步分 析。 从野外采集的岩块表面有一薄层风化面， 并且岩 块的大小不符合试验仪器的要求， 需对采集的灰岩岩 块进行一定的处理。试验的准备工作包括岩芯取样、 岩芯的切平及打磨。 采用室内岩芯取样机ZS-200， 取出的岩芯直径为 50mm。共取出岩芯19个， 通过观察灰岩岩芯， 灰岩的 成分和节理裂隙有着一定的差别， 分三组岩芯， 第1组 取5个岩芯， 第2组取6个岩芯， 第3组取8个岩芯， 对分 组的岩芯进行编号。 取出的岩芯， 需要将端头部分的风化部分切除， 各 组的岩芯进行切割打磨。切平岩芯端头使用的仪器是 手动切平机CB-5， 打磨岩芯使用的是磨平机SYM- 1。切平打磨后， 要将岩芯放置空气中一段时间， 回到 天然状态中。图1为切割磨平后的岩芯。 2.2岩石溶蚀试验 将采回来的小块岩块样品充分刷洗， 将灰岩表面 的灰尘及易掉的细粒去掉， 以免试验中脱落， 影响试验 的准确性。在进行岩块浸泡之前， 先将岩样编号， 称量 岩块的湿质量及烘干质量， 并测试岩样的天然含水 率。准备工作做完后将岩样一一放入试验瓶中， 酸溶 液溶蚀组中的水和醋酸的比例为10 ∶ 1， 水溶蚀组将岩 样浸入蒸馏水中， 且不定期更换蒸馏水。将岩样分别 放进酸溶液及蒸馏水中溶蚀， 将溶蚀前的干质量与溶 蚀后的干质量进行对比。 从实验中观察， 浸入蒸馏水中的灰岩试样没有明 显的反应， 浸入酸中的岩样观察试验瓶中有时有小气 泡冒出。浸泡时间越久， 小气泡越多， 冒泡的时间间隔 越短。时间足够长， 溶液瓶中会变得浑浊。浸泡3个月 后， 将样品取出， 烘干、 称重， 测定灰岩溶蚀后的质量， 对溶蚀的灰岩质量做前后质量的对比 （表1） 。 类别 在蒸馏水 中溶蚀组 在酸溶液 中溶蚀组 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 未浸泡之前的岩块质量 溶蚀前湿质量 （g） 41.70 83.29 86.32 22.11 157.24 25.71 27.30 84.29 21.22 16.76 11.21 烘干质量 （g） 41.60 83.26 86.24 22.09 156.89 25.64 27.29 84.09 21.18 16.69 11.17 天然含水率 （） 0.2404 0.0360 0.0928 0.0905 0.2231 0.2730 0.0366 0.2378 0.1889 0.4194 0.3581 浸泡后的岩块质量 烘干质量 （g） 41.55 83.23 86.22 22.03 156.77 25.47 27.25 84.03 20.72 16.14 10.85 质量损失率 0.120 0.036 0.023 0.272 0.076 0.663 0.147 0.071 2.172 3.295 2.865 表1溶蚀前后质量的变化 图1切割磨平后的岩芯 对比溶蚀前后的干质量， 灰岩岩样仅浸泡在蒸馏 水中， 3个月时间内岩样质量损失率最小0.023， 最大 可达0.272。在自然界中， 由于植物腐蚀等作用， 地下 水的pH值低于蒸馏水， 溶蚀作用更强。在酸溶液中的 灰岩岩样溶蚀更为明显， 质量损失率可高达3.295。 长期浸泡在水中的可溶性岩石， 在地质环境中， 会慢慢 6 2020年第10期西部探矿工程 的被溶蚀掉一部分， 逐渐形成各种各样的岩溶地貌。 而在地表的灰岩， 在雨季或者河流经过， 也会发生一定 的溶蚀作用。 2.3岩芯受压试验 当岩块受到外力后， 岩块中的微裂隙会发生变化， 通 过给试样施加不同的压力， 研究试样中裂隙张开情况。 通过测定试样的饱和含水率， 可以反映从岩石样品裂隙 张开情况。天然含水率反映大开型孔隙率， 饱和吸水率 则反映小开型孔隙率。测量灰岩受压前的含水率和受压 后的饱和含水率变化， 从而得到孔隙率的变化 （表2） 。 编号 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 岩芯受力 （kN） 24 50 25 45 50 43 50 35 60 50 42 10 22 40 42 30 27 32 32 未受力前的饱和含水率计算 湿质量 （g） 560.46 656.79 560.65 653.69 616.74 322.18 367.80 354.09 322.83 398.30 358.11 363.64 326.93 369.62 376.94 349.81 401.21 414.38 410.75 饱和质量 （g） 560.98 657.22 561.10 654.11 616.88 322.49 368.06 354.38 323.02 398.62 358.29 363.96 327.10 369.85 377.28 350.21 401.57 414.55 410.91 烘干质量 （g） 560.40 656.70 560.48 653.62 616.65 322.06 367.70 353.98 322.74 398.23 358.05 363.30 326.55 369.21 376.58 349.46 400.81 414.03 410.31 饱和含水率 （） 0.1035 0.0792 0.1106 0.0750 0.0373 0.1335 0.0979 0.1130 0.0868 0.0979 0.0670 0.1817 0.1684 0.1733 0.1859 0.2146 0.1896 0.1256 0.1462 受力后的饱和含水率的计算 饱和质量 （g） 560.53 607.33 549.54 417.90 524.39 322.19 366.95 354.13 308.58 398.40 358.20 282.97 327.05 369.85 376.86 349.92 401.35 414.56 408.68 烘干质量 （g） 560.38 607.13 549.12 417.64 524.14 322.05 366.09 353.96 307.94 398.21 357.98 282.58 326.53 369.09 376.21 349.35 400.79 413.99 408.07 饱和含水率 （） 0.0268 0.0329 0.0765 0.0623 0.0477 0.0435 0.2349 0.0480 0.2078 0.0477 0.0615 0.1380 0.1593 0.2059 0.1728 0.1632 0.1397 0.1377 0.1495 表2岩芯受力前后的含水率变化计算表 对比受压前后的饱和含水率情况， 从表中的编号 为1-1、 1-2、 1-3、 1-4、 2-1、 2-3、 2-5、 3-1、 3-2、 3-3、 3-5、 3-6的岩芯可以看出， 受压后的试样出现饱和含 水率降低的情况， 说明试样受压后， 内部的微裂隙闭 合。在岩石试样受到的外力较小的情况下， 会出现原 有微裂隙闭合的现象。即使受力相同， 同一组中的岩 芯1-2和1-5， 由于原来岩块内部微裂隙的存在， 导致 受力后的新裂纹发展程度不同， 所得的饱和含水率也 会有所差别。在样品受到较大的压力时， 岩石中的微 裂隙张开， 饱和含水率增大。我们能通过饱和含水率 的变化， 得到灰岩岩块内部的孔隙的大体变化情况， 能 从孔隙的变化来判断构造裂隙对岩溶发育的影响。 在岩芯不被破坏时， 从岩芯表面上看裂隙的变化， 变化不是特别的明显。图2为岩芯受压前后的表面裂 纹对比。 3结论 通过对柳江盆地的亮甲山、 砂锅店、 马家峪这三个 区域的灰岩及地质构造进行调研， 亮甲山区域的节理 裂隙的走向为近南北方向、 北西方向； 砂锅店的节理裂 隙发育， 沿节理方向岩溶发育； 马家峪灰岩中小节理裂 隙发育更为强烈， 节理面上有明显的溶蚀。通过对构 造裂隙的测量， 分析得出， 岩溶地貌中的构造节理为地 下水流动提供了通道， 是岩溶发育的主要因素之一， 岩 溶一般沿节理走向发育， 这表明构造裂隙给岩溶的发 7 2020年第10期西部探矿工程 育提供了很好的地质条件。 将灰岩岩块浸泡在蒸馏水中， 三个月的质量损失 率为0.023～0.272； 在10 ∶ 1的醋酸溶液中浸泡3个 月， 灰岩质量损失率为2.172～3.295。灰岩岩块在 受力过后， 岩块的孔隙也会发生变化， 在受到较小压力 时， 灰岩原有微裂隙闭合， 导致孔隙率减小， 当受到较 大压力时， 灰岩中原有的微裂隙张开及形成新的微裂 隙， 孔隙率变大。灰岩中张开裂隙直接影响岩石的溶 蚀速率。 参考文献 [1]张雄文.襄渝铁路新大巴山隧道涌水量预测研究[J].铁道工 程学报，2018，35654-58. 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A Study on the Similarities and Differences of Geotechni- cal Investigation System between China andAustralia JI Xian-wei Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200025, China Abstract In this paper, from the perspective of domestic investiga- tion enterprises or personnel engaged in geotechnical investigation in Australia, the similarities and differences between China and Australia in geotechnical engineering system are introduced from the aspects of geotechnical engineering system, investigation work specifications, government supervision system, etc. It points out the course and difficulty of implementing geotechnical engineering system in China .and it shows the advantages and disadvantages of the two countries in terms of the work specifications of geotechni- cal engineering investigation basis. The Australian government su- pervision focuses on the planning stage, while China takes the con- struction drawing review as the main supervision means. Australia focuses on the access and supervision of the licensed professional engineer, while China focuses on the qualification of the unit Ac- cess and management. Key words geotechnical engineering system；specifications；li- censed professional engineer； supervise 岩芯受压前的表面裂纹情况受压后的表面裂隙情况 8