溶洞灯光设计浅谈溶洞的构成机理及其工程地质意义

 溶洞灯光设计浅谈溶洞的构成机理及其工程地质意义

溶洞是可溶性岩石在水的作用下生成各种地质作用、形态和现象的总称。可溶性岩石分尴尬溶的碳酸盐类岩石（石灰岩、白云岩）、中溶的硫酸盐类岩石（石膏岩、芒硝岩）和易容的卤素类岩石（盐岩），这些岩石或矿物在水的参与下发作溶解或沉淀，从而构成各种各样的地质作用和现象。

这些地质作用能够在地表或公开构成多彩的溶洞景观，既造福人类也对人类活动形成影响，关于人工建筑物就成为一种不良地质现象1。溶洞可能惹起空中塌陷，塌陷的结果是人类活动的空中变形毁坏，人工构筑物失去稳定性而丧失运用价值。未塌陷的溶洞则对拟建人工构筑物的建立形成影响，比方公路、铁路、水利工程由于溶洞的存在使得建造工程的风险增大，或对桥梁的桩基、建成水库的容水构成要挟。

本文重点对常见的、对人工构筑物和人类活动影响较大的难溶碳酸盐岩停止重点分析，以期能对今后的工程地质勘察工作起到一定的指导作用。

1、碳酸盐岩构成的地质环境

碳酸盐岩普遍地发育在我国的南方地域。

溶洞发作的地层都是碳酸盐岩类地层，碳酸盐岩类地层由石灰岩、白云岩以及介于中间成分的石灰质白云岩和白云质石灰岩组成，石灰岩的主要组成矿物50%以上是方解石晶体，白云岩的主要组成矿物50%以上是白云石晶体2，石灰质白云岩和白云质石灰岩中的方解石矿物分别小于25%和大于25%，其他为白云石及其它微量矿物。大多数的状况下，白云石的溶解度都小于方解石的溶解度，依据溶解度原理3、4，当海水中镁离子（Ma）到达化学堆积条件时，海水中的碳酸镁（CaMa（CO3）2）呈化学胶体状态首先沉淀下来，这就是地质上称做的白云岩（即白云石）的沉淀2，白云岩称为碳酸盐岩类岩石；海水进一步浓缩，当海水中钙离子（Ca）的浓度到达了化学堆积条件，海水中的碳酸钙（CaCO3）呈化学胶体状态沉淀下来，这就是地质上称做的石灰岩（即方解石）的沉淀，石灰岩也称为碳酸盐岩类岩石。

上述作用的逆过程，就是碳酸盐岩溶解的过程。

喀斯特地貌是水长期对可溶性岩石(石灰岩、白云岩、岩盐、石膏等)停止化学作用而构成的地貌特征，这种化学作用的化学式曾经在实验室得到考证，而水化作用的表现方式也为大多数人亲眼所见，如拿一块岩盐（即NaCl）放入普通的水中，岩盐（NaCl）就会溶解，当水分蒸发NaCl就又会从水中沉淀下来，这个反响是易见的，也是水化过程最简单的一种水化——结晶分异过程，而溶洞的构成、钟乳石的构成，岩石的水化过程是十分复杂的、迟缓的过程。

溶洞是化学堆积地层经地表水溶解后留在地层中的空泛，空泛有各种形态，范围也大小不等，有的空泛中有再沉淀的钟乳石，空泛在一定的地质条件下可发作坍塌，构成地表坍陷和地坑。

2、碳酸盐溶解的水化条件

自然降水在接近地表时会溶解空气中的CO2 ，构成含有二氧化碳的水。

溶洞的构成是一个化学变化，当致密的石灰岩和白云岩因结构作用产生有裂痕时，在雨水的参与下石灰岩和白云岩会产生溶解作用，溶解作用的持续发作，石灰岩和白云岩岩层中就会构成空泛，这就是溶洞，其化学反响式如下：

石灰岩的主要成分是 CaCO3，当天空下雨时，溶解了CO2的水（CO2+H2O）会生成碳酸氢根离子（HCO3—），HCO3—能溶解CaCO3而构成可溶于水的碳酸氢钙（Ca（HCO3）2）；

即； CaCO3+CO2+H2O = Ca（HCO3）2。

当这种含有碳酸氢钙（Ca（HCO3）2）水在受热或压强忽然变小时，水中的CO2会溢出，Ca（HCO3）2会发作合成，重新变成CaCO3（钟乳石）沉淀下来。

这就是溶洞中钟乳石构成的机理；

即； Ca（HCO3）2=CaCO3+CO2↑+H2O。

白云岩的主要成分是CaMa（CO3）2，理论上，同样的过程，溶解了CO2的雨水会生成碳酸氢根离子HCO3—，HCO3—能溶解CaMa（CO3）2，而构成可溶于水的碳酸氢钙镁（CaMa（HCO3）4）；

即；CaMa（CO3）2+CO2+H2O =（CaMa（HCO3）4）

当这种含有碳酸氢钙镁（CaMa（HCO3）4）水在受热或压强忽然变小时，水中的CO2会溢出，（CaMa（HCO3）4）发作合成，重重生成CaMa（CO3）2沉淀下来；

即；CaMa（HCO3）4 = CaMa（CO3）2+2 CO2↑+2H2O。

发作这种化学反响的根底是方解石和白云石分别含有Ma和Ca，Ma和Ca属于同主族元素，依据化学键原理，离子的半径越大，金属性就越强，构成的离子团就越容易失去电子，离子的半径越小，则构成的离子团电子之间的吸收力越强，构成的离子团就越不易失去电子，电子构造就相对稳定，化学反响就不易发作。

表2-1是MgCO3（白云石）、CaCO3（方解石）、O3（臭氧）、BaCO3（毒重石）的阳离子半径，能够看出Mg2+比Ca2+的阳离子半径要小得多，阐明在离子别离的过程中，Mg2+比Ca2+比更难于别离！Ca离子团容易合成。

表2-2是几种碳酸盐岩类矿物在水中的溶解度，能够看出方解石的溶解度简直是白云岩的10倍，阐明方解石要比白云岩容易溶解的多3。

这就是我们常常在中国的南方地域见到发育良好的溶洞和溶洞中沉淀的钟乳石的现象，钟乳石的成分为CaCO3，我们常常看到溶液（水）从上部流下，溶解了上部的岩层，相同的溶液在下部又沉淀了钟乳石，理解了CO2在水溶液中的特性与作用，理解了Ma、Ca离子半径的大小及离子团的电离特性，相同的溶液（水）既溶解方解石（CaCO3）又合成方解石（CaCO3）构成钟乳石的现象就迎刃而解了。

综上所述，我们理解了Ma、Ca离子半径不同的情况，剖析了方解石和白云石在含CO2水溶液中的合成作用，我们晓得含CO2水溶液主要合成的是方解石（CaCO3），构成溶洞及含有碳酸氢钙（Ca（HCO3）2）成分的水溶液，水溶液中的CO2溢出招致钟乳石CaCO3再沉淀。

这样，对碳酸盐岩地域溶洞的理解就应当将勘察重点放在灰岩地层中。

3、工程实例应用

运用本文的观念，在停止云南嵩明（小铺）至昆明（乌龙）高速公路改扩建工程小铺至兔耳关段两阶段施工图设计工程地质勘察中停止了尝试性应用，理论证明本文的观念在控制勘察工作量，保证勘察时间节点等方面有良好的工程效果，现将小铺至兔耳关段两阶段施工图设计工程地质勘察叙说如下：

3.1项目概略

拟建项目位于云南省昆明市嵩明县及官渡区，东邻宜良，南靠昆明官渡，西南与富民相邻，西北及北面与寻甸交界，东北与马龙相连，线路从嵩明县小铺依次经过嵩明县城、普沙河、弥良河、黑营盘、麦地塘、大竹园、杨家村、金钟山及官渡区大五山至兔耳关。

项目采用双向八车道高速公路技术规范建立，设计速度100km/h，路基宽度采用41m，别离式路基为20.5m；主线桥梁设计荷载为公路－Ⅰ级，技术指标按部颁《公路工程技术规范》(JTG B01-2003)的规则执行。

3.2项目区的地层、岩性

项目区内地层划分采用云南省20万昆明幅区域地质报告的划分计划，为了与工程严密分离，本报告突出岩性地层划分，地层代号采用时期+岩性停止表示。按地层构成时期将道路走廊出露的地层由新到老依次划分为重生界（Kz）第四系全新统（Q4），新近系（N2c），上古生界（Pz2）二叠系（P）、石炭系（C）、泥盆系（D），下古生界（Pz1）奥陶系（O）。

3.3、溶洞钻探结果

调查发现，全线溶洞集中在碳酸岩地层中，多为暴露型及浅掩盖型溶洞，其中下发奎村后（南）至兔耳关段溶洞发育。

详勘阶段为了查明溶洞发育规律，先用钻探剖面、物探剖面对溶洞发育段落或重点结构物停止控制，后据物探查明的溶洞异常区停止钻探，经过钻探发现线路走廊带溶洞发育区内公开溶洞极发育，初、详勘可溶岩段共布置勘探钻孔344余个，其中58个钻孔共揭露大小不等的公开溶洞98个，

本文由溶洞灯光设计采集