岩溶作用是指地表水和地下水对地表及地下可溶性岩石所进行的以化学溶解作用为主，机械侵蚀作用为辅的溶蚀作用、侵蚀—溶蚀作用以及与之相伴生的堆积作用的总称。在岩溶作用下所产生的地表形态和沉积物，称为岩溶地貌和岩溶堆积物。在岩溶作用地区所产生的特殊地质、地貌和水文特征，概称为岩溶现象。因此，岩溶是岩溶作用及其所产生的一切岩溶现象的总称。岩溶也称为喀斯特（Karst）。

岩溶与工程建设的关系很密切。在水利水电建设中，岩溶造成的库水渗漏是水工建设中主要的工程地质问题。在岩溶地区修建隧洞，一旦揭穿高压岩溶管道水时，就会造成大量突水，有时挟有泥沙喷射，给施工带来严重困难，甚至淹没坑道，造成机毁人亡等事故。

在地下洞室施工中遇到巨大溶洞时，洞中高填方或桥跨施工困难，造价昂贵，有时不得不另辟新道，因而延误工期。虽然在岩溶区进行工程建设时困难大、问题多，但只要充分掌握岩溶的发育规律，查明影响岩溶发育的因素，预测岩溶对建筑物的危害，并采取有效的防治措施，在岩溶地区是能够进行各种工程建筑的。

一、岩溶发育的基本条件和影响因素

1. 岩溶发育的基本条件

岩溶发育必须具备 4 个条件：可溶岩层的存在；可溶岩必须是透水的；具有侵蚀能力的水；水是流动的。

可溶性岩层是发生溶蚀作用的必要前提，它必须具有一定的透水性，使水能进人岩层内部进行溶蚀。纯水对钙、镁碳酸盐的溶解能力很弱，含有二氧化碳及其他酸类时，侵蚀能力才显著提高。具有侵蚀能力的水在碳酸盐岩中停滞而不交替，很快成为饱和溶液而丧失其侵蚀性，因此水的流动是保持溶蚀作用持续进行的必要条件。

岩石的可溶性 岩石的可溶性取决于岩石的岩性成分和结构。

按岩性成分，可溶岩可划分为易溶的卤素盐类、中等溶解度的硫酸盐类和难溶的碳酸盐类。卤素盐类及硫酸盐类虽易溶解，但分布面积有限，对易溶的影响远不如分布较广的碳酸盐类岩石。碳酸盐岩由不同比例的方解石和白云石组成，并含有泥质、硅质等杂质。纯方解石的溶解速度约为纯白云石的2倍，故纯灰岩地区的岩溶最为发育，白云岩次之，硅质和泥质灰岩最难溶蚀。

结构不同的碳酸盐岩以生物礁灰岩最易溶蚀，它主要由生物碎屑组成，孔隙大且多。经过重结晶作用的亮晶碳酸盐岩，孔隙度小，最不易溶蚀。经受白云岩化的白云质灰岩、灰质白云岩等，虽然增加了较难溶的白云石，但是，由于方解石白云岩化后体积变小，孔隙度增大，有利于发育分布均匀的溶蚀小孔，多形成岩溶中等发育的均一含水层。

岩石的透水性 碳酸盐岩的初始透水性取决于它的原生孔隙和构造裂隙的发育程度。厚层质纯的灰岩，构造裂隙发育很不均匀，各部分初始透水性差别很大，溶蚀作用集中于水易于进入的裂隙发育部位；薄层的碳酸盐岩，通常裂隙发育比较均匀，连通性好的层面裂隙尤其发育。

水的溶蚀性 水的溶蚀性主要决定于水溶液的成分。含有碳酸的水，对碳酸盐类的溶蚀能力比纯水大得多。水中二氧化碳的含量受空气中二氧化碳含量的影响，水中二氧化碳的含量越多，水的溶蚀力越大。其化学方程式为：

另外，水中二氧化碳的含量与大气中的二氧化碳含量及局部气压成正比，而与温度成反比。这样地壳上层的水的溶蚀能力比地表水及地下深处的水的溶蚀能力更强，尤其是地壳上层经强烈的生物化学作用生成侵蚀性碳酸，加强了地壳上部水的溶蚀能力。但是，地球化学作用的影响也促进了深部岩溶的发育。

水的流动性 水的溶蚀能力与水的流动性关系密切。在水流停滞的条件下，随着二氧化碳不断消耗，水溶液达到平衡状态，成为饱和溶液而完全丧失溶蚀能力，溶蚀作用便告终止。只有当地下水不断流动，与岩石广泛接触，富含二氧化碳的渗入水不断补充更新，水才能经常保持溶蚀性，溶蚀作用才能持续进行。

2. 影响岩溶发育的因素

影响岩溶发育的因素很多，除上述基本条件外，地质的因素还有地层（包括地层的组合、厚度）、构造（包括地层产状、大地构造、地质构造等），地理因素有气候、覆盖层、植被和地形等。其中，气候因素对岩溶影响最为显著。

气候影响 从大范围来说，气候是影响岩溶发育的一个重要因素。气候温湿的我国南方，岩溶远较干燥寒冷的北方发育。据统计，广西中部可溶盐的年溶蚀量为 0.12～0.3 mm，而河北西北部仅为0.02～0.03 mm，两者相差达6～10倍。湿热气候下植被发育，土层生物化学作用强烈，水中富含碳酸及有机酸，又有充沛的降水量，大量富有侵蚀性的水，提供了强大的溶蚀能力。

地层的组合、厚度及产状的影响 根据地层组合特征，碳酸盐地层可粗略地分为：由比较单一的各类碳酸盐岩层组成的均匀地层；由碳酸盐岩层和非碳酸盐岩层相间组成的互层状地层；以非碳酸盐为主，间夹有碳酸盐类岩层的间层状地层。不同的组合特征构成不同的水文地质断面，同时也控制了岩溶的空间分布格局。在均匀状地层分布区，岩溶成片分布，且发育良好，如广西的阳新统、马平统地层分布区。在互层状地层分布区，岩溶呈带状分布，如贵州北部。而间层状地层分布区，岩溶只零星分布，如广西西北部。

在巨厚层和厚层碳酸盐类岩层中，一般含不溶物较少，结晶颗粒粗大，因此溶解度较大，加之张开的节理裂隙发育，岩溶化程度较剧烈；而薄层碳酸盐类地层则相反。

岩层产状主要由于控制地下水的流态，而对岩溶的发育程度及方向有影响。如水平岩层中岩溶多水平发育；直立岩层区岩溶可发育很深；倾斜岩层中，由于水的运动扩展面大，最有利于岩溶发育。

构造的影响 岩溶发育与地质构造关系甚为密切，很多典型岩溶区均受构造体系控制。断裂及褶皱构造均有利于岩溶发育，尤其是断裂构造发育的地区，沿断裂破碎带岩溶发育较为强烈。断层的规模、性质、走向、断裂带的破碎及填实状态，都和岩溶发育密切相关。例如，张性断层带，岩体较破碎，断层裂隙宽大，破碎带内多断层角砾岩，透水性强，有利于岩溶发育。一般其上盘的岩溶发育程度常较下盘显著。压性断层的破碎带，常形成大量碎裂岩、糜棱岩，胶结好，孔隙率低，呈致密状态，其构造面常起隔水作用。但在断层两端，裂隙发育，常形成富水地段，因此岩溶发育。

褶皱构造对岩溶发育的影响：一是控制水流的循环动态；二是由于褶皱区的裂隙发育特点的影响。例如，背斜构造为山时构成补给区，呈谷时构成汇水区，都因裂隙的发育而促进岩溶的发展。在背斜的轴部和倾伏端，岩溶发育最强烈，向两翼逐渐减弱。向斜构造区由于裂隙发育、地下水及地表水的汇集而形成特定的水循环交替条件，因此在其轴部及向斜翘起端，岩溶最发育，向两翼逐步减弱。

二、岩溶的发育和分布规律

岩溶发育以地下水的流动为前提。厚层裸露碳酸盐地区岩溶的发育，在很大程度上受到局部侵蚀基准面的控制，而显示水平与垂直分带性。

1. 水平方向

岩溶的发育强度取决于地下水的交替强度。在同一地区，哪里地下水的交替强度大，哪里的岩溶就发育。由于地下水的交替强度通常是由河谷向分水岭核部逐渐变弱，因此，岩溶发育程度也由河谷向分水岭核部逐渐减弱。

2. 垂直方向

由于岩层裂隙随着深度增加而逐步减少，地下水的运动也相应减弱，因而岩溶发育一般是随着深度增加而减弱。

在地表，主要受降水及地表径流的影响，广泛发育有溶沟、溶槽等地表岩溶形态。在岩溶地块中，水的运动具有明显的垂直分带性，从而决定了地下岩溶的发育强度和形态分布的某些规律性。地下岩溶水的运动状况大致可分为以下4个带（见图4.8）。

图4.8 岩溶水的垂直分带

Ⅰ—垂直循环带；Ⅱ—过渡循环带；Ⅲ—水平循环带；Ⅳ—深部循环带

垂直循环带 位于地面以下、潜水面之上，平时无水，降雨时地表水沿裂隙向下渗流，侵蚀岩层中的裂隙，形成竖向的漏斗、落水洞和竖井等岩溶形态。

水平循环带 位于潜水面以下，为主要排水通道控制的饱和水层。水的运动主要沿水平方向进行，是地下岩溶形态主要发育地带，并广泛发育有水平溶洞、地下河等大型水平延伸的岩溶形态。

过渡循环带 位于上述两带之间，潜水面随季节而变化。雨季潜水面升高，此带变为水平循环带的一部分，旱季潜水面下降，此带又变为垂直循环带的一部分，是两者之间的一个过渡带。此带既发育有竖向的岩溶形态，又发育有水平的岩溶形态。由于岩层裂隙随深度增加而减少，此带以水平岩溶形态为主。

深部循环带 在水平循环带之下，由于地层的裂隙极不发育，地下水的运动也很缓慢，因此，这一带的岩溶作用是很微弱的。

三、岩 溶 水

赋存与运移于可溶岩的空隙、裂隙以及溶洞中的地下水叫作岩溶水。岩溶含水介质是多级次的空隙系统。一般情况下，包含下列尺寸不等的空隙：①岩溶管道，通常直径数十厘米到数米，其中还可能包括体积十分巨大的溶洞；②各级构造裂隙；③成岩过程中形成的各种原生孔隙与裂隙；④充填溶洞的松散沉积物的孔隙。

上述成因与尺寸不等的空隙，按一定序次组合，构成宏观上具有统一水力联系的岩溶含水介质。广泛分布的细小的孔隙，渗透性差而总容积相当大，是主要的储水空间；大的岩溶管道及开阔的溶蚀裂隙，主要起导水通道的作用；尺寸介于两者之间的不同级次裂隙构成裂隙网络，兼具储水空间和导水通道的作用，联系着主要导水通道与主要储水空间。在尺寸大小悬殊的空隙中流动的岩溶水，运动状况相当复杂。在裂隙网络与较小的溶蚀管道中，地下水作层流运动；在巨大的干流通道中，呈紊流运动。

岩溶水可以是潜水，也可以是承压水。

岩溶管道与周围裂隙网络中的水流并不是同步运动的。雨季，通过地表的落水洞、溶蚀漏斗，岩溶管道迅速大量地吸收降水及地表水，水位抬升快，在向下游流动的同时，还向周围裂隙网络散流。枯水期，管道中形成水位凹槽，而周围裂隙网络保持高水位，沿着垂直于管道流的方向向其汇流。在岩溶含水系统中，局部流向与整体流向是不一致的。

在岩溶地区，降水通过落水洞、溶蚀漏斗等直接流入或灌入，短时间内，通过顺畅的途径，迅速补给岩溶水。流入岩溶地区的河流，往往全部转入地下。地下河系化的结果是，成百甚至成千千米范围内的岩溶水，集中地通过一个大泉或泉群排泄。灌入式的补给，畅通的径流及集中排泄，决定着岩溶水水位动态变化十分强烈，远离排泄区的地段，地下水位年变化幅度可达数十米乃至数百米，变化迅速而缺乏滞后。

岩溶水径流交替强烈，因此岩溶水多为矿化度小于0.5 g / L的HCO3—Ca水，白云岩分布区多为 HCO3—Ca—Mg 水，岩溶承压水的化学成分则随水交替条件而异，由补给区向深部，矿化度可逐渐增大到每升数克，转为SO4—HCO3—Ca—Mg型水。由于降水与地表水未经过滤便直接进入岩溶含水层，岩溶水极易被污染。

四、岩溶地貌

可溶性岩层在岩溶作用下，形成一系列独特的地貌，根据它们出露的情况，分为地表岩溶地貌、地下岩溶地貌以及它们的组合地貌。

1. 地表岩溶地貌

石芽与溶沟 地表水流沿着坡面上的节理裂隙流动，溶蚀和冲蚀出许多凹槽和坑洼，凹槽为溶沟，沟间的凸起为石芽（见图 4.9）。石芽有裸露的，也有埋藏的。从山坡的上部到下部，石芽常呈有规律的分布：全裸露石芽—半裸露石芽—埋藏石芽（见图 4.10）。石林是一种非常高大的石芽。(www.daowen.com)

图4.9 石芽与溶沟

图4.10 斜坡上的石芽

漏斗 漏斗是呈碗碟状或倒锥状的洼地。直径一般数米至数十米，深数米至数十米，底部常有管道通往地下。因此，它起着集水和消水的作用。如果下部管道被溶蚀残余物堵塞，则可积水成池。

竖井 竖井实际上是一种塌陷漏斗，在平面轮廓上呈方形、长条状或不规则圆形。长条状是沿一组节理发育的，方形或圆形则是沿两组节理发育的。竖井井壁陡峭，近乎直立。

落水洞 落水洞是地表水流入地下的进口。其大小不一，形态各异。竖井和漏斗的形成主要是溶蚀作用与塌陷作用，而落水洞的形成则除溶蚀作用外还有机械侵蚀作用，特别是当大量地面水通过落水洞转为地下河的情况下，侵蚀作用非常强烈。

溶蚀洼地 溶蚀洼地是一种盆状洼地，周围被石灰岩山丘包围，底部常附生着漏斗（见图 4.11）。溶蚀洼地也可由许多漏斗逐渐融合而成。在广西一带，溶蚀洼地的直径可达 500 m，最大可达1～2 km。洼地底部有2～3 m厚的红土覆盖，上面常有耕地分布。

图4.11 溶蚀洼地、漏斗和竖井在山地中的分布

l—溶蚀洼地；2—漏斗；3—竖井；4—溶洞；5—阶地；6—地下河

坡立谷 坡立谷是指宽广而平坦的岩溶谷地，大都沿断裂带或构造带溶蚀发育而成。其宽度可从数百米到数千米，长度数千米至数十千米，底部平坦，覆盖着溶蚀残余的黄色、棕色或红色黏土，有的地方还覆盖着河流冲积层。

干谷和盲谷 当地面河流某一段被地下伏流所袭夺，这一段河谷就变成了没有水的干谷。当地面河进入地下河入口而转变为地下河时，河谷的前方常为石灰岩壁所阻，岩壁的脚下是地下河入口，这种向前没有通路的河谷就叫作盲谷。

2. 地下岩溶地貌

溶洞 溶洞是地下水沿可溶性岩体的各种构造面（层面、节理面或断裂面），特别是沿着各种构造面互相交叉的地方，逐渐溶蚀和侵蚀而开拓出来的地下洞室。当地下孔洞较小时，地下水运动缓慢，主要的作用是溶蚀。随着孔洞的不断扩大，地下水的运动随之加快，除溶蚀作用外，还产生机械侵蚀作用，地下通道因而迅速扩大。

地下河 在岩溶地区，具有自由水面的地下水流称为地下河。

3. 岩溶地貌组合

上述各种岩溶地貌，常呈一定组合而分布于地面，因为各种岩溶地貌在其发育过程中有成因上的联系，特别是地表岩溶地貌与地下岩溶地貌是密切相关的。因此，综合分析研究岩溶地貌形态类型组合，有助于从地表岩溶现象了解地下岩溶的发育情况。

岩溶地貌的组合可分为平面组合和垂直组合，其中后者的工程地质意义更为突出，因此下面主要介绍岩溶地貌的垂直组合。主要的地表与地下岩溶地貌组合有：

落水洞、竖井、地下通道组合 落水洞通过竖井把地表岩溶和深处发育的地下通道联系起来。落水洞往往出现在溶蚀洼地的底部，汇入洼地的地表水由洼地底部的落水洞和竖井流入地下通道。

河谷和暗河组合 在有河谷出现的地方，常有地下暗河存在，这是由于原来在谷里流动的水流为适应新的侵蚀基准面而渗入地下，并发育了暗河。

塌陷与地下岩洞组合 呈现在岩溶化地表的塌陷，就是岩溶化地块内部地下岩洞发生坍落的结果。

溶洞与地下通道组合 溶洞往往和地下通道相连，因此可以说溶洞就是地下通道的进出口。

溶洞与阶地组合 溶洞在较稳定的地块中往往成层分布，即使在倾斜甚至垂直岩层组成的岩溶区，这种现象也很明显。这种溶洞层有的可与附近同高程的河流阶地进行对比。这主要是由于在当地侵蚀基准面相当稳定的时候，岩溶地块中发育了与地面河床相适应的地下河或地下通道；待地壳上升和河流下切时，在非岩溶区发育了阶地，而岩溶地块中的地下河或地下通道则成为与阶地同高程的溶洞。

分水岭风口与溶洞组合 分水岭地带的风口常与山坡上的溶洞处于同一高程，这说明当时地面的侵蚀和地下的溶蚀是在同一岩溶侵蚀基准面控制下进行的。

4. 岩溶区的主要工程地质问题

由于岩溶的发育致使建筑物场地和地基的工程地质条件大为恶化，因此在岩溶地区修建各类工程建筑物时必须对岩溶进行工程地质研究，以预测和解决因岩溶而引起的各种工程地质问题。归纳起来，岩溶区的工程地质问题主要有以下几类。

1）地基稳定性及塌陷问题

在岩溶地区，由于地表覆盖层下有石芽溶沟，岩体内部有暗河、溶洞，建筑物的地基通常是很不均匀的。上覆土层还常因下部岩溶水的潜蚀作用而塌陷，形成土洞。在广西等地的城市建筑工地上，土洞现象非常普遍。土洞的塌陷作用常常是突然发生的。土洞出现的地区往往就是地下岩溶发育的区域。

工业与民用建筑物的压力作用范围多在地面以下 l0 m 左右。所以，建筑物的地基既涉及上覆土层，也涉及下伏基岩。岩溶区的土层特点是厚度变化大，孔隙比高。因此，地基很容易产生不均匀沉降，从而导致建筑物倾斜甚至破坏。这些在施工前都必须进行认真的勘察。根据岩溶发育的特点，岩溶地区可能遇到以下几类地基。

石芽地基 由于地表岩溶作用，石灰岩表层溶沟发育。纵横交错的溶沟之间多残留有锥状或尖棱状的石芽，致使石灰岩基面高低不平，形成石芽地基。石芽间的溶沟常被土充填，因此强度较低，压缩性较高，易引起地基的不均匀沉降而影响建筑物的稳定性。因此，在石芽地基上修建建筑物时，必须查清基岩的埋深、起伏情况、覆盖土层的压缩性及石芽的强度。

溶洞地基 溶洞地基的稳定性取决于溶洞的规模、埋深及充填情况。当溶洞的规模大、埋深浅、溶洞顶板承受不了建筑物的荷载时，就会使溶洞顶板坍塌、地基失稳。当建筑物地基直接遇到溶洞时，可视溶洞的规模及充填物情况，进行适当处理。规模小，可采用清除或堵塞，或盖板跨越；规模大，则不宜作为建筑物的地基。为了确保溶洞地基的稳定性，必须根据溶洞的规模、溶洞顶板岩层的性质确定洞穴离地面的安全深度，即溶洞顶板的安全厚度。当溶洞埋深大于安全厚度时，地基是稳定的；否则地基不稳定，必须进行处理。实践中，对溶洞顶板安全厚度的确定常采用以下方法：

① 对洞顶完整的溶洞，顶板安全厚度采用厚跨比法确定。认为当溶洞顶板厚度 h 与建筑物跨过溶洞的长度L之比 / ＞Lh 5.0 时，溶洞顶板安全。

② 对顶板不完整、洞顶坍塌的溶洞，顶板安全厚度采用洞顶板坍塌堵塞计算法。所需塌落高度按下式计算：

式中 H0——洞体最大高度（m）；

K——岩石松散（涨余）系数，石灰岩K＝1.2，黏土K＝l.05。

③ 若溶洞顶板不完整，裂隙、节理发育，则可按裂隙节理分布特征采用受力的梁（板）计算弯矩，根据弯矩和岩体应力求洞顶板的厚度。

土洞地基 在覆盖型岩溶地区，可溶岩的上覆土层中常常发育着空洞，一般叫土洞。当土洞顶板在建筑物荷载作用下失去平衡而产生下陷或塌落时，则危及建筑物的安全。因此，凡是岩溶地区有第四纪土层分布的地段，都要注意土洞发育的可能性，应查明土洞的成因、形成条件，土洞的位置，埋深、大小，以及与土洞发育有关的溶洞、溶沟的分布。

由于土洞的形成与地表水和地下水的关系极为密切，土洞的处理首要措施是治水，然后根据具体情况，可采取以下方法处理：

① 当土洞埋深较浅时，可采用挖填和梁板跨越；

② 对直径较小的深埋土洞，因其稳定性好，危害性小，故可不处理洞体，而仅在洞顶上部采取梁板跨越；

③ 对直径较大的深埋土洞，可采用顶部钻孔灌沙（砾）或灌碎石混凝土以充填空间。

2）渗漏和突水问题

由于岩溶地区的岩体中有许多裂隙、管道和溶洞，在进行水库、大坝、隧道、基坑等工程活动时，如存在承压水并有富水优势断裂作为通道，则可能会遇到地下突水而导致基坑、隧道等工程的排水困难甚至淹没，也可能因岩溶渗漏而造成水库无法蓄水。

库区应选在地势低洼，四周地下水位较高，上游有大泉出露而下游无大泉出露，上下游流量没有显著差异的河段上，要避免邻区有深谷大河。如果发现库底有渗漏，可采用堵（堵落水洞）、铺（铺盖黏土）、截（筑截水墙）、围（在落水洞四周建围墙）、引（引入库内或导出库外）等方法进行处理。

对岩溶突水的处理，原则上以疏导为主。对隧道中的岩溶水，可用水管引入隧道边沟或中心排水沟排出。水量过大时，可用平行导坑排水。

【专业词汇】 地下水、裂隙、潜水、承压水。