一、岩溶研究国内外现状

第一章岩溶研究国内外现状

就世界范围讲，岩溶水是居民生活饮用水和工业生产用水的主要来源之一，由于地层岩性和构造的原因，地表水和污染物常常直接进入地下岩溶含水层。由于地下水系统十分脆弱，非常容易受到污染，一旦污染，挽救几乎是不可能的，因此，在经济发达国家，尤其是在美国，针对岩溶地下水的保护及基础研究工作非常深入，已取得了大量非常有价值的研究成果。如在美国Kentucky，地下水作为一个重要的、可再生的自然资源得到广泛应用，井水与泉水提供了公共家庭用水的1/3左右，地面溪流作为Kentucky 主要水源，主要由邻近的含水层维系，这种资源很容易受地面活动污染，一旦污染，这种地下水很难或不可能挽救，Kentucky Department for environment Protection将优先权放在地下水污染预防上，这种努力的一个重要方面就是认识到州的不同区域对于污染的敏感程度不同，显然，区别这种差异，进行适当的土地开发，对于水污染的防治非常重要，因而，Kentucky Department for Environment Protection Division of Water Groundwater Branch，主要依据三个水文特征：补给区域、流动速度和分散潜能来建立州水文地质敏感分级图，依据敏感程度分为5级，以对土地开发活动进行指导。

1988年NPS依据国会法成立了国家岩洞和岩溶研究院，该机构的目的就是通过研究将洞穴学深入，增强公共教育，促进环境合理的岩溶和岩溶管理。1988年在美国成立了水文地质协会，其隶属于Florida 州立大学的地球物理流体动力学研究中心，其主要的目的是关注和保护含水层的质量，发展必要的科学知识，收集现场资料，提高对水文地质环境和相关模型的理解。美国地质勘探局（USGS）与NPS合作，将1:7,500,000比例的地图数字化，一个更详细的岩溶地图也正通过USGS与Kentucky和Morehead州立大学领导下的协会的紧密协作在准备着，以满足工程和环境保护的需要。

在国内，圆梁山隧道是渝怀铁路线上最长的隧道，该隧道全长11.068km，同时，它也是渝怀线上的重点、难点和首要控制工程。圆梁山隧道主要穿越毛坝向斜核部、桐麻岭背斜和冷水河浅埋段，其主要工程地质问题为高水压、富水、岩溶及断层。根据地质勘探资料及周围环境情况，预估全隧正常涌水量为98,000 m3/d，最大涌水量为145,000

m3/d。根据深孔钻探资料，证实在毛坝向斜区存在P

2w+C 、P

1q+m

两层承压水，相对于隧道洞

身标高而言，其静水头（H）：P

1q+m 为460m，P

2w+C

为442m，这表明在隧道洞身处存在P

1q+m

层

段4.6MPa和P

2w+C

层段4.42MPa的高静水压力。在圆梁山隧道施工过程中，一旦措施不

当，将有可能发生大规模的突水、突泥事故，危及施工安全。同时，圆梁山隧道周围山顶共有五个乡镇近十万名居民，其生产和生活用水完全依靠地下水，地下水资源相当重要。

从国内外现有的文献看，对岩溶突水的机理研究相对较少，主要的原因是：岩溶突水作为隧道及地下工程中的一种地质灾害，施工过程中，如何有效地进行治理是最迫切的问题，否则，施工进度和施工安全根本得不到保证；在勘察阶段，如何对岩溶及相关的突水、突泥问题进行有效的预测，并提出相应的设计对策是勘察设计人员的头等大事，同时，岩溶及突水、突泥问题影响因素多，涉及专业知识面广。总之，国内外对岩溶的机理研究相对较少。但对岩溶突水机理进行深入研究，却是非常必要和迫切的。突水以及相关的突泥问题对隧道及地下工程而言是一个十分严重的危害，其突发性、不可抵挡的巨大威力严重地威胁着施工人员的生命安全，因此，需要对此问题进行深入研究，而深入研究的前提和基础则必然是对灾害发生机理的研究，即对其产生要素、爆发诱导因素、突水特征等进行深入研究。只有对突水机理深入研究，才能在勘察阶段有重点地进行勘探，设计上更有针对性，施工时，对突水的地点、时间等有更好的预警，对防治措施的采取有更明确的指导方针，避免措施的盲目性。

岩溶问题是一个世界性的课题，各国在城市开发和工程建设中，涉及该问题较多。我国南方云南、广西、广东、贵州、四川等地区受岩溶影响较大。

目前对岩溶灾害的研究主要集中在以下几个方面：

第一节 基础理论研究

岩溶道水运动与非岩溶地下水运动，不论在流场地质结构方面，还是在地下水运动的水力学性质方面，都存在着极大的差别。所谓流场，即地下水在自然地质结构体中运动的四维空间。

在过去的130多年间，法国的水力学家达西所创造的渗流公式，一直在水文地质学和地下水动力学中得到广泛应用。

达西定律的表达式如下：

ωl

H K

Q ?= （式1-1） 式中：Q ——渗流量；l H J ?=——水力梯度；ω——水流的横截面积；K ——渗透系数。

达西定律一般适用于雷诺数e R <1～10的地下水运动[28]。

Laurent Eisenloht,Mahmoud Bouzelboudjen.等认为正是由于岩溶含水层的各向异性才使其研究中应用特别的方法，问题内在的复杂性使一般采用全面响应法对岩溶含水层的物理特性以及水动力特征进行研究，在大多数情况下，采用差异响应分离法或输入-输出变换函数分析法，如bonacci(1987,1983),Soulios (1991)直接分析了受岩溶含水层大小和水动力特性影响的补给水流衰退形式，而另外一些学者采用不同模型水位曲线分量分离法获得含水层的某些方面的特征，如Forkasiewwica 和 Paloc(1967)， Ozis 和 Keloglu (1976)， Dreiss(1982)， Jakeman (1984)等，Laurent Eisenloht 等力图采用数值模型模拟地下水流以检验统计方法在地下水流诠释方面的敏感度，作者采用FEN1 和FEN2模拟稳态和瞬态，1D ，2D 或3D 饱和土层中的地下水流，该程序特别适合分析高度各向异性介质中的区域性地下水流动体系。饱和、密度不变、瞬态地下水流方程(bear,1979; de Marsity,1986)为:

[]()0=+??-+??Q h grad K div t

h S x （式1-2） 式中：x S ——单位容量；K ——水力渗透张量；h ——水头高度；Q ——总补给量（渗透或水井补给）

建立的模型如下：

图1-1 数值模型图

理论岩溶盆地的2D 和3D 数值模型计算表明，统计分析得出的水文地质诠释并不唯一对应岩溶网络的排放密度（地下水流截面大小），尽管2D 和3D 模型的局限性，仿真

计算清楚表明，运用统计学方法时，需要获得详细的水文地质资料。气候条件——暴雨频率，降雨的空间、时间分布，岩溶渗流机制（分散渗透和集中渗透的比值）等对水位图和相关图等有主要影响。

樗木武对隧道中的涌水利用渗流理论进行了研究，对二维稳定涌水的水量、涌水点进行了计算和预测。根据三维非压缩粘性流体的质量守恒原则可得到地下水流的连续方程：

()()()()t

h g q w x v x u x m w ??+-=-??+??+??αγαρρρρρ （式1-3） 式中：u 、v 、w ——水流的运动速度；ρ——水的密度；g ——重力；h ——水头高度；m α——透水层的压缩率；w α——渗透水的压缩率；γ——透水层的空隙率。

粘性流体的运动方程即地下水流运动方程的一般形式

???????????=+??+???? ????+??+??+??=+??+???? ????+??+??+??=+??+???? ????+??+??+??011101110111222

z y x F z H g z w w y w v x w u t w F y H g z v w y v v x v u t v F x H g z u w y u v x u u t u υγγυγγυγγ （式1-4）

把地下水流看作是非回转运动，则涡度为零。即：

0,0,0=??-??=??-??=??-??z

u x w y w z v x v y u （式1-5） 其次，在流速不很大的地下水流中，可采用假定粘性摩擦力与流速成正比的下式（达西定律）

??

??????????????????=??????????=w v u k k k k k k k k k g F F F F z y x 333231232221131211111111111ρ （式1-6） 式中的k ij 是常数，由实验决定，但是这些常数都不是独立的。

()()()

???????????=???? ??+++??+??+??=???? ??+++??+??+??=???? ??+++??+??+??021021021332313223221221312112k w k v k u g z H g v z t w k w k v k u g y H g v y t v k w k v k u g x H g v x t u n n n γγγγγγγγγ （式1-7） 涌水问题的边界条件有下述两种：

A 、固定边界条件：水头在边界上是已知的

0H H = （式1-8）

B 、自由边界条件：流出、流入量在边界上是已知的。即设 q 0为单位时间单位面积

的已知流出、流入量，则由边界面上的水收支平衡条件得出下列条件式：

00=-q u u T （式1-9）

式中：][z y x T u u u u = (边界面外法线方向余弦)。

实践证明，达西理论在岩溶发育地区，特别是在岩溶管道流存在的地区，是不适用的。邹成杰通过在岩溶地区多年的实践经验和理论研究，提出了岩溶管道水汇流理论。他依据岩溶地下水赋存的形式和运动特征，将其划分为： 溶隙型、 脉管型、 管道型等3种类型，认为脉管经溶蚀进一步扩大呈汇流而不是渗流，不符合达西理论。

提出的岩溶管道水汇流的定义：由于岩溶管道水通常具有流速快、流量大、水力比降小和地下水位势能低(相对两侧脉管和溶隙水而言)的特点，因而形成对周围脉管和溶隙地下水的袭夺，其结果造成地下水的集中流动，这种集中流动的地下水，称为汇流。如图1-2所示。

图1-2 汇流示意图

邹成杰提出岩溶管道水汇流的基本要素，主要有以下几项：

岩溶管道水运动的空间过水断面积ω（m 2）；

岩溶管道水运动的距离L （m ）和时间t （a ）；

岩溶管道水运动上下游的水头差h （m ）；

岩溶管道水运动的水力比降I （%）；

岩溶管道水运动的实际流速u （m/d ）；

岩溶管道水运动的单位水头流速i u （m/d ·m ）又称比流速；

岩溶管道水运动的汇流量或水库岩溶渗漏量Q （m 3/s ）。

上述诸要素，Q 是因变量，其它为自变量。在自变量中尤以I 最为重要。其函数关系式为

()t h L f Q ,,,ω= （式1-10）

对于i u 和I 的关系来说，其函数关系式为

()I f ui = （式1-11）

建立i u 与I 之间的相关关系，是研究岩溶地下水汇流的核心问题。其中，岩溶管道的断面积ω，目前由于勘探手段的限制，还不能全部或大部探明，但它并不影响对汇流规律的研究，只有在汇流量或渗漏量计算中才显得重要。今后，随着勘探手段的不断加强，此问题将会得到很好的解决。

汇流基本要素i u 与I 数值的获取主要依据现场示踪试验，作者对国内一些岩溶发育区(主要是水库、坝址地区)的数十组示踪试验成果作了研究。有代表性的

i u 与I 线型相

关性分析见图1-3～图1-6。

图1-3 窄巷口电站i u 与I 相关曲线 图1-4 岩滩电站i u 与I 相关曲线

I －快速流 II －中速流 III －慢速流

图1-5 窄巷口等工程i u 与I 相关曲线 图1-6 岩滩等工程i u 与I 相关曲线

I －快速流 II －中速流 III －慢速流 I －快速流 II －中速流 III －慢速流 根据研究成果，建立起3种主要回归数学模型：

??? ?

?+=I b a ui 1 （式1-12） bI e a ui ?= （式1-13）

3322110I A I A I A A ui +++= （式1-14）

式中3210,,,,,A A A A b a 均为回归系数，数学模型式主要反映岩溶强烈发育区以管道流为主的汇流特性，既存在无压流(多在进口地区)，又存在有压流(多在出口地区)，而以

有压流为主。作者并指出，汇流是有条件的，只有当岩溶管道系统在饱水带中以半承压或承压水流性质为主时，汇流特性才是明显的。

[16]Andrew 等在western south Dakota 的Black HILL 的东翼地区研究中，采用稳定同位素 18O 和氘作为天然示踪剂对地下水流动时间（travel time ）以及混合情况进行评估，为此，采用一种时间级数分析法，包括一个线性系统分析方法，对流动时间，瞬态混合以及管流与基岩流（matrix flow ）之间的关系，示踪剂数据的时间级数分析法可提供潜在污染物的运动、流动时间、残存时间等方面资料，该方法假定系统是线性的，时间不变化或固定的，响应特征不随激发力或时间的量级进行变化，可用卷积积分表达如下：

?-=l

d x t h t y 0)()()(τττ （式1-15） 式中：)(t y ——系统的响应；)(τx ——激发函数；)(τ-t h ——变换函数；)(τ-t ——激发函数到响应之间延迟时间。

该时间级数分析法适合于周期较长，较高的补给速度条件下的岩溶水系统。

[17]William B.White 对岩溶含水层模型的建立进行了评述，他认为为了建立岩溶含水层模型，必须要了解要模拟的对象，也就是说，在建立地球化学、数学或计算机模型之前，首先要有概念模型（conceptual model ），概念模型通常是物理性的-----一系列相互连接在一起的补给区、渗透分布区域、地下水进入、存储、转移、排泄的地层。然而一个构成完善的概念模型可转换为一个数学模型，在实践中，这个转换是岩溶含水层模型建立的核心问题。研究者在力图将岩溶含水层的本质特征进行分类时，通常采取两种实质上完全不同的观点，一种是所谓的“空间观察”，含水层的各构件认为是既定的，将重点放在补给区域和地下水的流动上，许多地下水流模型都是采取这种观点，另一种是所谓的“时间观察”，该类研究首先从裂隙碳酸岩体开始，探讨裂隙含水层逐渐演化成完整的管道含水层，许多地球化学模型采取这种观点。作者认为其主要目标是重新回顾构建数学或计算机模型所需要的物理框架，因此采取“空间观察”的观点。

早期力图建立岩溶含水层的概念模型（White,1969）的学者，主要将注意力放在了地质环境的变化以及它们对地下水流动模式的影响上，这种方案后来得到扩展（White,1977）,以便可以考虑地下水系统的全部区域。依据渗透的类型，Shuster 和White(1971)将含水层划分为管流含水层(conduit flow)（包括发育完善的溶管系统）和散流含水层(diffuse flow)(没有发育完整的溶管系统),人们很快认识到这种二分法

是不恰当的，并力图作一个分类方法，Smart和Hobbs(1986)将补给源和含水层存储特征作为附加的二维“坐标”和渗透性共同构成了一个三参数分类法。Ray et al(1994)在绘制Kentucky州地下水敏感地图时，进一步将风险系数考虑进去。William B.White 在以上基础上，提出了一个概念模型，该模型的特征参数包括：地下水流域面积（area of ground water basin）,外部补给区域面积，溶管携水能力（conduit carrying capacity），母岩水力渗透性，裂隙水力渗透性，溶管系统响应时间，溶管-裂隙耦合系数。地质环境作为边界条件,并对各个参数进行了深入探讨。

图1-7 碳酸岩含水层概念模型

[23[24]Bernard W.S 对GIS技术在岩溶领域的应用进行了简要介绍，GIS 技术可以存储、分析、演示地质资料和相关信息，GIS 除了可以管理、查询地质资料，生成地图和技术报告外，更重要的是，GIS 可以提供分析工具以理解地理信息的空间分布及模拟地理信息的相互联系，在很多情形下，可以获得采用GIS 以前所没有认识到的一些模式和关系。GIS日益普及，在环境管理、健康保健、通讯、考古、林业、交通、农业、海洋生态、教育、石油勘探等各领域已经获得了较多应用，但在岩溶领域的GIS应用相对较晚，但正迅速增长（主要在美国）。

美国Kentucky州土地的开发促使美国洞穴协会，Kentucky洞穴勘察局，Kentucky 地质勘探局联合进行I-66特别项目，对州范围内的溶洞及水资源进行全面调查、资料收集、整理，以将土地开发对溶洞和水资源的影响降到最小。既有的岩溶资料分散于不

同个人或组织中，而且没有进行有效的合作，没有州范围内的数据仓库，为了对数据进行有效处理，采用了GIS系统，GIS系统非常适合处理复杂的水文地质和生物系统的相互关系，该系统主要包括地下水示踪资料、溶洞入口文档、地图档案和地质信息、溶管发育以及州范围内的落水洞数字化工程，该资料对于改进规划项目的结果非常有用。

B.E.McNeil,J.D.Jasper,F.A.Luchsinger等应用和实现功能日益完善和普及的GIS 系统于Utach州的Timpanogos Cave National Momument，TICA 和大学研究者紧密协作促进了GIS框架的建设，为决策系统支持提供信息，最突出的成果是分辨率达到2m 的数字地形模型DTM，特别的应用包括解释性地图（interpretive map），3-D可视化，洞穴资源管理，地表滚石减灾等，创建的虚拟野外旅行，可实现随时随地的游览TICA，而不受自然条件和天气、气候的影响。在TICA由于不稳定的deseret石灰岩，陡峭地形，大量游客使管理者对此非常担忧，而GIS 作为一个强大工具可使滚石灾害量化和具体化，相对灾害模型采用DTM（digital terrain Model）描述滚石路径和确定坡度并可结合植被情况将摩擦因素考虑进去，采用Van Dijke 和Van Western (1990)的方法，可由ArcInfo GRID模型环境计算出滚石的速度，并根据计算结果在地图上用相对灾害等级表示出来（低，高，极高），并可将滚石路径识别出来。

图1-8 灾害性滚石路径分布图

在发育完整的岩溶含水层，溶泉作为地区地下水流的排泄口，其是分散的有限个数，而非均布的排泄区域，（WHITE，1988），在这些分散位置处地下水流的流量和属性的变化通常用于确定岩溶含水层的流动特征（Ford and Williams ,1989），在确定岩溶含水层对暴雨的物理响应特征时，有两种技术得到了广泛应用，一种方法是建立在

Maillet(1905)作的假设的修正上，它假定水文图的下降分支（ressional limb）与含水层的水力参数成指数关系。

(Chambers,1973,Milanovic,1976,Torbarov,1976,BONACCI,1993,Baran and Harmancioglu,1993,Padilla,et,al,1994),下降水文分析在溶泉系统作了统计分析（Padilla,et al,1994）,然而，没有包括进去响应范围（幅度，range）,这种下降分支技术由于缺乏对观察到的指数响应进行物理机制的理解，从而限制了其应用。在分析系统中采用的第二种方法是对物理机制进行研究，该机制导致了含水层的各种暴雨响应,Bogli(1956)在Muota Valley Hell Hole溶洞系统在雨季，水流完全充满溶洞，导致溶洞上游洞口发生洪水，Vineyard(1958)提出了一个水库理论，认为溶管系统的某些部分足够小，可使岩溶水保持一段时间，该理论可解释某些溶泉的特征，Plmer(1972)在Onesquethaw 岩洞讨论了该约束效应，Smart(1983)[33]将Castleguard 系统作为一个受约束通道系统阐明了的平顶水文图的原因。Veni and Crawford (1986)采用园石堵塞通道系统来解释岩溶地区涌水的原因。Bonacci and Bojanic(1991)采用水库和管道各种组合模型来模拟溶泉的周期，Ryan and Meiman (1996)采用暴雨时物理和化学数据计算潜水溶管系统的流量。两种方法对于确定岩溶含水层的地下水流动特征都非常有用，然而这两种不同的方法对于含水层的解释是不相同的。下降分支方法采用一个经验假定：暴雨响应是由于流过渗透性不同的区域，在溶管中响应最快，在母岩中响应最慢（Milanovic ,1976,Torbarov,1976）,这意味着溶泉响应是由于区域连通性变化所导致。而物理机制法则认为因管道系统受约束或园石堵塞位置的局部控制是溶泉响应的根本原因（Vineyard ,1958,Veni and Crawford ,1986），这样两种不同的技术建立了含水层的两种不同的工作模型，一个模型中，水流是受水力连同性区域变化所控制，而另外一个模型则受局部区域所控制。

Toddd Halihan ,Carol M.Wicks,Joseph F.Englen在本项研究的主要目的是确定溶泉的暴雨响应是局部效应还是区域效应，还是二种因素都存在。对溶泉的水流作的受局部约束控制引起以下问题：

（1）管道系统的局部限制对管道系统特征产生什么影响？

（2）这些影响是否已经观察到？

（3）暴雨响应可否数值模拟？

如果局部效应已经在系统中观察到，并可进行数值模拟，这将支持由Vineyard(1958)年提出的水库/约束模型。而区域流动假设则意味着溶泉流动可依据其来源进行分类，

不同的来源，其响应相应也不尽相同，而这很难进行检验，因为水流到达一个溶泉时，不同来源的水流实际已经混合了。为了区分管流和散流，本项研究中采用了一种新技术以比较区域流动和局部效应（Haliban ,1996），在达西含水层，要求动水头要远远低于静水压和高程，然而在岩溶含水层，情况并非总是如此，溶泉水流随时间的比能分析可以定性了解管道系统的分布情况以及何时系统为非达西流动，而且检验含水层的沉淀物和排泄情况可进一步定性了解流动特征。为简化分析，采用的含水层，岩性简单，管道几何尺寸明了。获得这样的含水层非常重要，以便能对暴雨响应作深入观察，也采用了一个简单的数值模型对水库/约束假设进行了检验。从1994年4月到1995年5月，对该含水层的暴雨激发水文图进行了深入记录及研究，在应用Bernoulli方程，分析动水头、势能随时间变化基础上，认为局部约束控制水文特征，观察到的沉淀模式及水位变化情况也支持了局部控制假设。

在岩溶地区，为了理解地下水文体系，获得详细的地表和地表以下地层的地质框架非常有必要，地下水流速度以及地表下污染物流动速度由于岩溶系统复杂的溶解特征而很难进行模拟，这些复杂的地质特性的特征对于理解地下水流动过程非常重要，然而，对于这些地质特性进行归纳和概括对于地下水流的模拟非常重要，在定义更复杂的控制preferential flow的特性时，必须在空间上确定基本的岩层特征，包括岩层的顺序、厚度、连续性，层的方位，以及结构特征（断层和褶曲）。Kyle E.Murray ,Mark R.Hudson 等介绍了在Arkansas北部的一个岩溶地区构建了一个地质框架3D的情况，并提出了一个将各种2D地质空间资料集成的方法，该模型包括了Buffalo河流域西部的大部分地区，采用GIS和3D模型软件将数字地质图资料，构造等值线图，流域边界，地表水渗露特征以及数字高程图等结合起来形成了一个立体的、三维的地质模型。作者认为，该地质模型对于观察地质构造，理解地下水流动的非常有价值。

图1-9 St. Joe石灰岩段分布图（3D地质模型计算结果）

图1-10 一个计算剖面

Nicasio Sepulveda在Florida东南和中南地区分析了七个地下水流模型，以辨别模型重叠地区的上Flordidan含水层渗透性上的差异，作者认为这种差异性是由于其它

含水层特性的不确定与在空间上变化的结果，所有的地下水模型都用来模拟上Flordidan含水层的势平面（potentionmetric surface），模型采用1993年8月到1994年7月之间近似的稳态条件，模型的水力特性认为与时间不关联（time –independent）,根据稳态时间内估计得到的年平均水头作为定义边界条件的基本数据，根据在控制点的水头、上Flordidan含水层垂直渗透率、溶泉流动等因素进行分析重叠地区模型渗透率上的差异性，作者认为导致重叠地区模型渗透性的差异的主要因素包括：补给速率的差异，垂直渗透速率的差异，在general -head边界单元的水头和传导上的差异，溶泉附近区域的渗透性上的差异等，另外一些因素包括网络分辨率和采用的计算含水层系统表面水头的算法。

图1-11 Upper Floridan含水层计算区域位置

Cave溶泉是美国Tennessee州的最大的溶泉之一，也是Hixson的重要水源，US地质勘探局和Histon Utility District，结合以前获得的Cave溶泉地下水系统的资料采用数值模型对地下水系统进行模拟，以评价目前汲水以及未来增加汲水对地下水含水层的影响。

Jonathan B.Martin ,Elizabeth J.Screaton等认为Floridan 含水层的特点是母岩很高的空隙率和渗透性，主要建立在管流基础上的概念模型对于这些地区是不适当的，既有的几个含水层研究表明，高空隙率和渗透性岩溶地区，管流和散流之间有大的水力交换，量化该量值对于建立概念模型和计算模型是至关重要的。作者对此进行了研

究，并提出管流和散流之间水力交换的控制因素主要有：散流与管流之间的水头梯度，母岩渗透性，区域地下水位和管流梯度，管流与区域地下水位的相对高程。

Lawrence E.Spangler认为裂隙岩地形下，水井和溶泉的水资源保护地区通常采用建立在达西概念上的分析模型和水运动时间方法进行描述，然而，这些方法一般假定这种地形下的含水层是均匀的、多孔介质。作者对Utah北部的Bear河流域碳酸岩中流出的Dewitt溶泉和两个水井的水源保护区域和水运动时间进行了描述，并与示踪剂试验的结果进行了比较，5个示踪剂试验的结果表明，若存在管流的水文地质地形下，建立在多孔介质概念基础上的水运动时间，可能有大的偏差。作者提出，通过示踪剂实验可以确定与水井、溶泉无关联地区，从而可以减小需要进行保护的区域面积。

钟辉亚，王思敬等对金沙江下游峡谷段拟建电站坝基的岩溶问题进行了研究，对遇到的承压水特性及其形成条件进行了探讨，通过承压水系统的水文地质环境、介质环境和赋水空间的研究，认为该处承压水是在以白云岩为主地层中的以溶孔、裂隙为主要赋存空间的承压水，是相对孤立封闭的，与河水无直接的水力联系。

第二节岩溶的探测

Ioannis F.Louis ,Antonios P.Vafidis 等介绍了在希腊Mandoudi采用地震波反射和电阻成像技术对Lakka岩溶含水层的厚度进行了探测，认为该含水层与附近的一条河流没有水力联系，并依据获得的地质信息建立了该含水层的地质/水文地质概念模型，作者认为，地质-水文地质概念模型可以指导附近地区灌溉工程的钻探项目。

光耀华对我国岩溶探测、分析治理技术的最新发展和在水电、铁道、建筑等工程上应用进行了综述，基本上反映了我国岩溶地区工程地质研究的最新水平，岩溶探测技术主要有：遥感技术的应用，地球物理探测技术（电法、地震法、声波法、测井法，80年代以后发展起来的地质雷达，微重力勘探，CT技术），环境同位素技术等，工程地质分析技术主要有：岩溶地貌与水文网分析法，地理信息系统（GIS），岩溶水化学场分析法岩溶趋势面分析法，岩溶地下水均衡分析法，岩溶地下水渗流场分析法，岩溶评价的灰色系统理论分析法。岩溶模拟实验方法主要有：岩溶地下水电网络模拟法，岩溶浸没的物理模拟法，岩溶地下水污染的水动力弥散法等。

张清指出，在岩溶地区，若没有对潜在的地层失稳进行预测或预警，岩溶地层可能导致严重的灾害。岩溶的预测主要依靠地质勘探的数据，对数据的分析河对数据的正确评价，两方面都需要很多专家。作者依靠中国岩溶方面的专家和AI专家系统知识，建

立了一个专家系统，以对隧道穿越碳酸岩地区时对岩溶灾害进行预测。作者认为，这种知识的积累对工程师是非常有益的。.

广东是碳酸岩分布范围较广泛，许多重要工程建设的地基勘察都遇到岩溶问题。经过多年实践，使广东岩溶工程物探勘察在对岩溶异常的识别和勘察技术及方法组合等方面有了进展。陈易玖认为，广东岩溶物探勘察中的地面地震和探地雷达方法的主要进展，是对异常的识别由找绕射弧转变为找波的畸变为主，而地下物探的主要进展是使用了CT 技术和将单孔测井提到了重要地位。他认为：不同勘察阶段应有不同的方法组合，规划勘察、初步勘察以地面电法为主，施工勘察、详细勘察要有地下物探和以地下物探为主，其中重要建筑物、单桩单柱建筑物要做单孔测井。

侵蚀性环境水的形成极其侵蚀能力不仅与岩石组分密切相关，而且与地下水在岩层中运动特征有关。地下水的渗透速度影响着其与岩石的反映速度，而地址构造、岩层厚度岩石破碎程度及地下水的补给等则是影响地下水运动的重要因素。巫锡勇对地下水在岩层中运动过程、反映过程及影响因素等进行了分析研究，通过对乐所2号隧道混凝土腐蚀特征及分析，弄清了工程建筑物周围地质状况及地下水运动规律，对混凝土腐蚀机理研究，腐蚀程度评价等有重要参考意义。

王建秀分析了岩溶塌陷演化过程中物理力学上的水-土-岩相互作用模式，对理想岩溶管道水呈层流运动或紊流运动时对管道壁的应力进行了分析，对岩溶管道局部堵塞引起的水击压力进行了分析，指出岩溶塌陷的演化和水土岩的相互作用密不可分，在极端情况下，岩溶管道水动态的急剧变化，会导致地下水对管道破碎或非完整顶板的剪切作用和水击作用，地下水对溶洞充填物具有潜蚀作用，对裂隙充填物和岩块具有溶蚀改造作用，在地下水和土体共同作用下可能导致溶洞顶板或残余顶板薄弱部位失稳塌陷，而岩体结构的改造也会影响地下水的运动状态。

探地雷达（ground penetrataing radar gpr ）是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术，探地雷达利用一个天线发射高频宽频带短脉冲电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。邓层智对芜湖---宜城高速公路K46+800至K47+100段的路基塌陷原因采用探地雷达进行了勘察，以了解该路段范围内二叠系灰岩中的溶蚀裂隙的发育情况，经过对雷达图象特征的判释，确定了15处岩溶发育情况，并对其中2处进行了钻探验证，结果与雷达判释结果非常吻合。指出雷达探测在岩溶地区具有经济、非破坏性和快速等优点。

对采用浅层地震技术进行物探勘察，可避免盲目布置工程钻孔，减少勘探成本，张

全生对在朱洲某厂生产区内的勘探区勘探情况作了介绍，通过对横波比法、高密度地震影象法等资料的异常特征进行整体定性，在定性分析解释的基础上再进行定量解释，确定溶洞的位置。他认为，采用横、纵波（高密度地震影象）法综合勘探，可查明岩溶分布情况，并对岩溶发育深度作出了定量解释。

邱庆程认为在岩溶发育地区，基岩顶面、溶洞及溶蚀裂隙发育形态非常复杂，目前常规的工程地质钻探由于勘察孔数数量有限，难于反映溶洞的分布，形态及连通性，对钻孔旁侧是否存在溶洞也一无所知，而地面工程物探仅能大致了解岩溶发育的平面分布及埋深，难于详细描述岩溶的形态及垂向发育深度，为了克服常规工程勘察的不足，广东省地质物探工程勘察院于1994年开始采用跨孔地震CT层析成像方法开展岩溶勘察，取得了很好的应用效果。

刘崧对岩溶勘察中常用的物探方法：电法、地震法、微重力法、射气法和地球物理测井等在岩溶勘察中应用进行了介绍，指出岩溶常常岩断层、破碎带发育，用物探方法探测断层和破碎带以间接探测岩溶，可能比直接探测更容易。物探方法探测岩溶的有效性主要取决于岩溶与围岩的物性差异、探测深度、分辨率和信噪比。

Franjo Sumanovac认为，由于岩溶地区表面的高度非均匀性，地球物理勘探是很困难的，为此，在Croatia地区采用双梯度成像技术，2D电阻成像技术、折射法以及高分辨率反射法进行岩溶特征探测，电阻法在岩体完整时，可以获得更多的岩性和水循环方面的信息，但对于某些结构特征，只有通过反射地震法可以获得，反射地震波法对于岩石的不连续性更敏感，最好的方法是将地震波法和电阻法结合起来，以建立更精确的水文地质模型，对工程实例的分析表明，水源是与断层带紧密相关，断层带在地震反射剖面图上可以得到清晰反映，指出，尽管岩溶地区反射较弱，地震波反射法的应用深度可以超过100m，而电阻法的应用深度在100m以内时，一般较为满意。

为了对Kenucky州Fort地区的Knox岩溶地下水质进行评价，Dennis P.Connair 等对130km2的区域和超过200个有记录的岩溶形态进行了研究，研究中，采用多种示踪染色剂对调查区域进行研究，单次最多8种，3次季节中共14种，根据染色示踪剂、结构和地形特征，水源特征、盆地水流等建立地下水盆地底线和边界区域，并建立了一个概念性区域地下水流动模型。研究表明，场地地下水流动直接或间接由局部地层、地质结构、地质年代期间河流水平面变化控制。

王科，蒋良文等认为岩溶发育程度，特别是岩溶洞穴发育深度与隧道工程密切相关，若对岩溶洞穴发育深度估计不足而出现大规模的隧道突水事故，将对隧道施工和运营产

生相当严重的危害，作者对岩溶发育控制模式进行了分析，认为不同岩溶水系统，岩溶发育深度受不同模式控制，并重点对园梁山隧道毛坝向斜段的岩溶发育的控制基准面进行了探讨，认为毛家院子以南、向斜核部及东翼，岩溶发育深度在海拔900m以上，向斜西翼及毛家院子以北及东翼，岩溶洞穴发育深度应在海拔850m以上。

王科，黄润秋等对俞怀铁路关键性控制工程园梁山隧道桐麻岭背斜段核部的岩溶与岩溶水发育特征进行了论述，认为桐麻岭背斜四周为水系所分割，该区的园梁山为东西向之分水岭，土坪、老山一线为本区南部南北分水岭，抱木坪、荆竹园一线为本区中部南北的分水岭，地表分水岭和地下分水岭基本一致，加之其东西两翼为志留系非可溶岩所限，故地表河流切穿可溶岩与非可溶岩接触带的标高应接近岩溶水的最低排泄面，即岩溶的最低发育标高。在此基础上提出，在大洞河以北嗲岩溶水主要以冷水河纵向排泄为主，标高在474m以下岩溶基本不发育。大洞河以南地区，麻旺河在甲洲的标高385M 可以作为该地区的岩溶发育的最低标高，背斜西翼园梁山到大洞山段，地下水主要是以冷水河横向排泄为主，冷水河标高660m可以作为该地段岩溶发育的最低标高。并提出，桐麻岭背斜岩溶分区发育深度主要受排泄基准面的控制，从浅部到深部，浅中部以溶蚀裂隙为主，中深部以溶蚀孔洞为主，背斜地段岩溶水具有分区分散补给，相对集中径流与排泄的特征。

秦小林，蒋忠信等认为尽管溶洞的发生和发育受很多因素的影响如：岩性、构造、气候、地貌、岩溶地下水动力等，比较复杂，但不同的岩溶地下水动力带发育形态不同的溶洞，岩溶地下水动力带可以分为：垂直渗流带、季节变动带、水平流动带、深部缓流带等。溶洞在空间上的分布以及溶洞的延伸方向受地质构造与岩性的控制，溶洞的规模受气候条件、岩溶水动力条件以及侵蚀溶蚀基准稳定时间等多因素的影响，一般湿热气候有利于岩溶的发育，岩溶水动力作用越强，形成的溶洞越大，侵蚀溶蚀稳定基准的时间越长，形成的溶洞规模越大。在此基础上提出一种地质、地貌调查与地质推理相结合的定性方法，具体的步骤为：

A 收集区域地形、地质、水文地质资料及铁路地质资料，通过这些资料分析区域岩溶地貌特征。

B 对隧道所处地区的地表岩溶地貌、区域出露的溶洞、暗河以及隧道施工已经揭露的溶洞形态、规模、位置的调查，以及隧道的地质构造和岩性的调查，研究分析隧道所处地区的岩溶地貌规律，尤其是层状水平溶洞的发育规律（包括水平溶洞的层数层的标高各层溶洞的规模等）

C 预测溶洞形态将隧道高程与区域内水平溶洞标高对比来确定隧道在地质历史时期曾经处的地下水动力带，根据此预测，隧道可能遇到的溶洞的形态（水平溶洞或垂直溶洞）

D预测溶洞规模，位置。根据隧道各段的岩性、地质构造以及地表岩溶发育的情况，推测隧道发育溶洞的位置或段落。

E 根据区域内暗河的纵端面的形态以及地表暗河出入口的标高推算暗河在与隧道交叉处的标高预测隧道是否遇到暗河，已经暗河对隧道是否构成危害。作者认为对隧道溶洞的预测应包括溶洞的形态、规模以及可能遇到的溶洞位置等三个方面的预测，对预测的精度的评价也应综合评价这三项内容的准确性。根据南昆线四个典型岩溶区八座隧道的应用与验证证明，这种岩溶地貌学、地质学理论为基础的隧道岩溶预测方法，具有精度较高，操作简单，费用低廉的优点。刘志刚等对这种隧道地质方法进一步作了详细论述[76]，[77]。

Brian ,G.Katz认为，将各种地球化学方法和水文方法结合起来可以增强对复杂的地下水流动模式及各种覆盖型岩溶系统中地下水与地表水的混合的理解，在北Florida 地区的几个不同岩溶体系，为了确定地表水与地下水的相互作用采用了天然存在的同位素及其它化学示踪剂（如18O，2H，22Rn,87Sr/86Sr,13C,15N,以及主要的溶解溶剂）结合地球化学模型的方法，试验结果证明是非常有效的，可以更好了解地表水与地下水的相互作用，以及控制upper floridan 含水层水化学构成的过程，同时，还提出了一个确定硝酸盐污染源以及地下水从Suwanee河盆地溶泉中排泄时的平均滞留时间的地球化学技术。

在克罗地亚Dubrovnik 附近的Ombla 溶泉位置上，规划要建设一个装机容量60MW 的水力发电站，因大坝建造在山体内部，坝基岩体低于海平面，因此，坝体以及坝体下部的不可贯穿性需要深入的调查，除了采用水文地质和地球物理方法外，还采取了一种逆等温线方法，实践表明，依据工程场地附近的钻孔以及观察到的逆等温图，很可能预测到坝体勘探坑道下方溶管的位置。

David ,G. .Chandler,James,J .Bisogni Jr ,等在菲律宾LEYTE高地，采用滴定法确定雨季交流的含碱度，依据监测到的含碱度相对于平衡法预测的含碱度的比值，来推测地下水流与石灰岩的接触时间。

在岩溶地区，进行定量的示踪剂试验之前，需要收集先前进行的各种水文地质资料，例如，Jones(1984)建议收集所有可获得的流域内地质和水文地质资料，包括美国地质

勘探局（USGS）的地形图，以前的水文地质资料以及作者收集的资料。应确定包括溪流消失和出现等岩溶特征的位置，测试水流速度等，然而，地形图通常不能将流域所有的溶泉包括近来，为发现重要的水文地质特征通常需要进行费时和费力的现场调查。本文提出了一种航空热分析法用来加速岩溶水文地质调查。主要用来对Alabama北部Cumberland Plateau 地区Keel山的岩溶特征进行定位，通过该方法，在山翼地区发现了很多溶洞入口，溶泉、陷坑以及落水洞等。现场实验说明航空热分析法对于识别和确定岩溶特征方面非常有价值。

图1-12 Shelton溶泉热分析图

[82]J.Brad Stephenson等认为尽管暴雨和高速公路径流对地表水的影响研究较多，然而针对评价径流对地下水的影响情况的关注较少，在岩溶地区，地下水容易受地面径流中的污染物所影响，因此作者采用定量示踪剂和水文图分析法对地面径流的路径进行了研究，对暴雨流量和污染物进行了长达1.5年的监测和分析，在此基础上，设计了处理措施。

[83]A.J.Long,R.G.Derickson等提出一个应用于地下水流动的线性系统分析法，代替传统的离散地下水模型（离散元、有限元）。传统的离散模型需要详细的参数和边界条件，线性系统分析法在地表水流中已经得到广泛应用，但在地下水中则应用不多，作者提出一种方法以分析含水层对补给区的水头响应，该方法主要包括两个部分，第一部分是若补给消失，预测水头随时间的降低情况，可以通过对选择的短期水头衰减图进行拟合，建立长期衰减图，第二部分是由激发响应函数或变换函数推导出来的。含水层对补给响应可用该变换函数进行模拟。

[84]Pitambar Gautam等介绍了电阻法和γ射线在Nepal的Pokhara谷地岩溶的应用情况，提出γ射线对近地空洞较敏感，而电阻法对于中等距离深度（5-20m）较为有效。