地下水化学类型对碳酸盐岩溶蚀速率的影响及工程应用

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目前我国西部地区正处于经济高速发展的阶段,加强公路交通建设,对促进西部经济发展有着重要的意义,因此重大的公路工程越来越多。我国是岩溶大国,当公路工程从岩溶区通过时,其长期稳定性在一定程度上受到岩溶作用的影响。保证工程使用年限内的长期稳定性,既保障了人民生命和财产的安全,也减少了经济投资。因此,在公路工程的设计中,不仅要考虑其建设期稳定性,还要考虑其长期稳定性。由于岩溶作用具有时空效应,只要条件具备,就会不断继续发展,增强透水性,不断的降低岩体强度。因此,工程穿越可溶岩区时,碳酸盐岩溶蚀速率是评价工程长期稳定性的一个必须考虑的重要因素,而地下水化学成分是影响溶蚀速率的一个不可忽视的因素。因此,研究地下水化学类型对碳酸盐岩溶蚀速率的影响,获取实际工程中碳酸盐岩溶蚀的速率对工程长期稳定性的评价具有重要的工程意义。  本文针对碳酸盐岩地区交通工程建设中其溶蚀作用对工程稳定性产生不良影响这一技术难题开展了相关研究。主要研究内容分为实验研究和工程应用两部分:首先,结合实际情况,以碳酸盐岩为研究对象,采用室内实验研究方法,分析岩性、地下水化学类型、地下水径流条件、环境开放程度对碳酸盐岩溶蚀速率的影响;然后,参考实验数据,结合工程区环境条件和地下水化学类型,对贵州地区某高速公路深挖路堑岩质边坡进行稳定性评价。主要研究成果如下:  (1)实验研究表明,常温常压下,灰岩的溶蚀速率大于白云岩;臭灰岩和石炭系灰岩溶蚀速率相差不大,均大于泥灰岩。比如在开放条件下NaCl溶液中,180h内臭灰岩的溶蚀量约为白云岩的5倍,约为泥灰岩溶蚀速率的1.5倍~2.5倍。白云岩的溶蚀速率远小于灰岩,这是由于白云岩有着较灰岩更复杂的表面反应控制机理。  (2)可溶岩试样在NaCl溶液和Na2SO4溶液中的溶蚀速率大于其在纯水中的溶蚀速率,比如,臭灰岩和石炭系灰岩试样在纯水中的溶蚀速率约为其在两种溶液中溶解速率的1/4;碳酸盐岩溶解速率随NaCl溶液和Na2SO4溶液浓度的增加有上升的趋势,但是变化规律不明显。  (3)CaSO4溶液很明显的抑制了灰岩的溶解,而促进了白云岩的溶解。这是由于溶液中钙离子的存在发挥了同离子效应,而硫酸根和钙离子的存在促进了白云石中镁离子释放。  (4)开放状态下可溶岩的溶蚀速率远大于其在封闭状态下溶蚀速率,这表明了水循环条件和岩石透水性对溶蚀的关键性作用。因此试样在静水条件下溶蚀速率随着时间的增长而减小,显然这是由于地下水径流速度对溶蚀速率起了控制性的作用。  (5)方解石矿物在同浓度的NaCl溶液中的溶解度小于其在Na2SO4溶液中的溶解度。分析原因如下:首先,二价离子产生的离子强度大于一价离子,即Na2SO4溶液产生较强的盐效应;其次,硫酸根离子和钙离子形成离子对的浓度较大,即溶液中硫酸根离子的存在大大促进方解石的溶解。  (6)根据贵州某高速公路建设区的环境条件和地下水化学类型,即考虑地下水含有较多硫酸根离子的特点,分析了这一水化学类型的地下水对岩质边坡灰岩结构面的溶蚀所起的作用,研究结果表明溶蚀作用对该边坡的长期稳定性有较大影响,随着时间增长。稳定性安全系数大大下降。
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