工程地质学基础 目录
绪论
0.1 工程地质学的研究对象与任务
0.1.1 工程建筑对地质环境的作用
0.1.2 工程地质条件
0.1.3 工程地质问题
0.2 工程地质学的研究内容
0.3 工程地质学的研究方法及其与其它学科的关系
0.3.1 研究方法
0.3.2 工程地质学与其它学科的关系
0.4 工程地质学的发展
0.4.1 工程地质学的发展
0.4.2 我国工程地质学的成就
0.5 本课程主要内容
参考文献
**篇 工程地质学基本理论
第1章 工程地质条件成因演化论
1.1 概述
1.2 工程地质条件形成的控制因素
1.2.1 大地构造
1.2.2 自然地理
1.3 中国工程地质条件分区分带的规律性
1.3.1 中国大地构造环境
1.3.2 中国自然地理环境
1.4 中国工程地质条件的组合类型
1.5 工程地质条件成因演化论
参考文献
第2章 区域稳定性理论
2.1 概述
2.2 区域稳定性基本理论
2.2.1 区域地壳稳定性分析原理
2.2.2 区域稳定性分级与分区理论
2.3 区域稳定性研究基本内容
2.3.1 区域地壳结构与组成研究
2.3.2 区域新构造运动与应力场研究
2.3.3 区域断裂现今活动性研究
2.3.4 区域地震活动与火山活动研究
2.3.5 区域重大地质灾害研究
2.3.6 区域稳定性评价理论与技术方法研究
2.4 中国区域构造挽近期活动性概述
2.4.1 中国构造地貌基本特征
2.4.2 中国挽近期主要活动断裂带
2.4.3 中国挽近期气候、环境的变迁
2.4.4 中国挽近期以来岩浆活动和地热活动
2.4.5 中国的地震活动与挽近构造应力场特征
2.4.6 中国挽近期构造活动分区概述
2.5 区域稳定性分区与评价
2.5.1 区域稳定性分级原则
2.5.2 区域稳定性分区
2.5.3 区域稳定性评价因素及指标
2.5.4 区域地壳稳定性评价指标
2.5.5 区域稳定性评价方法
参考文献
第3章 岩体结构控制论
3.1 概述
3.2 岩体结构的物质基础
3.2.1 岩石的成分与结构
3.2.2 岩石的成岩环境与岩相变化
3.2.3 岩石的成层条件及厚度变化
3.2.4 岩石组合特征及其划分依据
3.2.5 岩石的物理力学性质
3.3 岩体结构
3.3.1 结构面的类型及特征
3.3.2 岩体结构基本类型和特征
3.4 岩体结构的力学效应
3.4.1 岩体变形机制
3.4.2 岩体破坏机制
3.4.3 岩体力学性质与力学介质
3.4.4 岩体赋存环境因素及结构的力学效应
参考文献
第二篇 工程地质问题研究
第4章 活断层与地震
第5章 斜坡工程
第6章 地下工程
第7章 岩溶
第8章 泥石流
第9章 地面沉降
第10章 渗透变形
第三篇 工程地质技术与方法
第11章 工程地质模拟与评价
第12章 工程地质勘察
第13章 工程地质测试与试验
第14章 工程地质监测与预测
第15章 工程地质信息技术
工程地质学基础 节选
bsp;前言 “工程地质学基础”是“地质工程”和“土木工程(岩土)”专业的主干课
程，也是环境工程、水利水电工程及应用地质学的重要必修课。
中国地质大学的煎身——北京地质学院创立于1952年，并在我国首次创立
水文地质工程地质系，工程地质学基础是学校创立之初就开设的主干课程之一。
经过几代人的共同努力，我校工程地质学科体系从无到有，不断发展、完善。我
校工程地质学基础课程一直拥有优秀的教学传统、先进的教学方法和优良的教学
环境，为优秀人才的培养创造了优越的条件。该课程是中国地质大学的品牌课程
之一，自20世纪50年代以来，我校的工程地质学基础(工程动力地质学)课程
在全国一直占有重要地位。
本书作者们在50多年教学、科研积累的基础上，总结自己多年的教学经验，
编写了本教材。本书以工程动力地质学为重点，系统全面地介绍工程地质学的基
础知识、基本理论和基本方法，同时反映本学科*新科研成果和技术方法。
本教材是按80学时编写的。全书共分三篇15章。**篇为工程地质学基本
理论，重点包括工程地质条件成因演化论、区域稳定性理论和岩体结构控制论。
第二篇为工程地质问题研究，包括活断层与地震、斜坡工程、地下工程、岩溶、
泥石流、地面沉降和渗透变形等。第三篇介绍工程地质技术与方法，主要包括工
程地质模拟与评价、工程地质勘察、工程地质测试与试验、工程地质监测与预测
和工程地质信息技术。
通过本课程的学习，要求学生全面掌握内、外动力及人类活动引起的有关
物理地质现象方面的基本知识，以及从工程地质角度去研究动力地质现象(问
题)的基本方法，初步具备解决重大工程地质实际问题的能力，为今后从事生
产实际工作和科学研究打好基础。在工程地质课程教学中，通过基本概念、基
本理论、基本方法的教学，培养学生发现问题、分析问题和解决工程地质问题
的能力。课程以讲授为主，辅以必要的习题、作业，配有一定的实践性教学
内容，注重理论与实践相结合。考虑到授课学时的限制，**篇可选修，第
三篇可自学或选修，也可列为专题讲座。工程地质勘察有专门课程介绍。
本书由唐辉明主编，编写分工如下：绪论、第l、3、6章，唐辉明；第2、
4、5、8、12章，晏鄂川；第7、14、15章，胡新丽；第9章，王亮清；第10
章，杨裕云；第11章，唐辉明、晏鄂川；第13章，刘佑荣。作者们力图做到体
系严谨、合理，基本概念清楚、明确，知识内容重点突出，使本科生易于掌握，
学以致用。
本书编写大纲曾征求了有关单位和专家的意见，并得到教育部地质工程教学
指导分委员会专家们的指导。初稿完成后，编者们进行了互审，并提出了修改意
见。之后编者们进行了认真修改。*后由唐辉明统一定稿。
本书作为国家精品课程“工程地质学基础”的配套教材，其相关的电子课件’
等教学资源可链接网页http：／／jpkc．cug．edu．cn／2007jpkc／gcdzxjc。
在本书编写过程中，得到中国地质大学(武汉)工程学院、工程地质与岩土
工程系老师们的支持和帮助。谨向他们致以衷心的感谢!
书中缺点和不妥之处在所难免，恳望读者指正。
编 者
2007年9月于武昌
第7章 岩 溶
7．1 概述
地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用叫岩溶作用，这种作用及其所产生的地
貌现象和水文地质现象总称为岩溶，国际上通称喀斯特(karst)。
岩溶作用的结果表现在以下两方面。一方面形成地下和地表的各种地貌形态，如石芽、
溶沟、溶孔、溶隙、落水洞、漏斗、洼地、溶盆、溶原、峰林、孤峰、溶丘、干谷、溶洞、
地下湖、暗河及各种洞穴堆积物。另一方面形成特殊的水文地质现象，如冲沟很少，地表水
系不发育；喀斯特化岩体是溶隙一溶孑L并存或管道一溶隙网一溶孔并存的高度非均质的介质，岩
体的透水性增大，常构成良好的含水层，其中含有丰富的地下水，即喀斯特水；岩溶水空间
分布极不均匀，动态变化大，流态复杂多变；地下水与地表水互相转化敏捷；地下水的埋深
一般较大，山区地下水分水岭与地表分水岭常不一致等。
岩溶在世界上分布十分广泛，从海平面以下几千米的地壳深处，到海拔5000m以上的
高山区均有发育。据估计，可溶岩在地球上的分布面积为：碳酸盐岩4×107kmz，石膏和硬
石膏7×106km2，盐岩4×106km2。其中，碳酸盐岩分布*广，因此研究这类岩石的岩溶也
就具有更为重要的理论和现实意义。
据统计：我国碳酸盐岩分布面积约为2×106km2，占国土总面积的1／5，其中裸露于地
表的约1．3×106kmz，占国土总面积的1／7。碳酸盐岩分布的地理位置包括西南、华南、华
东、华北等地以及西部的西藏、新疆等省区。在川、黔、滇、桂、湘、鄂诸省呈连续分布，
面积达5×10skm2，是我国主要的岩溶区。
我国碳酸盐岩形成于不同的地质时代。华南地区自震旦纪至下古生代的寒武、奥陶纪，
上古生代的泥盆、石炭、二叠纪和中生代的三叠纪，碳酸盐岩总厚达3000～5000m。华北地
区则为震旦纪和下古生代，碳酸盐岩总厚1000～2000m。这些碳酸盐岩为岩溶的形成提供了
雄厚的物质基础。西南地区前三叠纪碳酸盐岩，发育有与世界其它地区不同的独特的喀斯特
景观，地表有高耸于平原之上的峰林，地下则发育了无数的溶洞和地下暗河。
我国疆域辽阔，地跨热带、亚热带和温带不同气候区，与之相应的岩溶类型也丰富多
彩，其中南部诸省的灰岩地区岩溶发育，风景奇丽，早已闻名于世。如“桂林山水甲天下”
古今传颂。总之，我国岩溶分布之广，面积之大，类型之多，是世界上其它国家所不及的。
中国大陆，特别是其西南部，新生代以来强烈隆升，又未曾遭受*后一次冰期的大陆冰
盖的剥蚀，保存着不同地质历史时期喀斯特作用的喀斯特形态。因此，中国的喀斯特具有发
育历史长、发育时期多的特点。由于新生代强烈隆升，河流急剧下切，喀斯特水就可沿断裂
带产生深循环，形成了深喀斯特溶洞。例如，山西高原黄河中游的万家寨水库，勘探时发
现，河水位以下47lm有高达24m的溶洞；贵州高原的乌江渡坝址，在勘探时发现，河水位
220m以下有高达9m的溶洞。
研究岩溶与工程建设的关系十分密切。水利水电建设中的库坝区岩溶渗漏问题，影响水
库的效益和正常使用，它是水工建设中主要的工程地质问题；岩溶地区的采矿及隧道、地下
洞室开挖的突水问题，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。
在覆盖型岩溶区，覆盖在石芽、溶沟之上的第四系松散土厚度不等，可能引起建筑物地基的
不均匀沉陷。当松散土中发育土洞时，可能因土洞塌陷引起建筑物的变形破坏。由于采矿或供水
引起地下水位大幅度下降时，因地表塌陷对农田及各种工程建筑物的破坏影响就更为严重。
岩溶区环境地质问题有干旱与洪涝、土壤贫瘠及石漠化、地面塌陷以及喀斯特水资源开
发中的一系列复杂问题。环境科学家往往将喀斯特区列为环境脆弱区。例如，在碳酸盐岩广
泛分布的贵州省，自1974～1979年的五年时间内，石漠化区就增加了约3212km2。喀斯特
区水资源虽丰富，但开采难度大，主要原因是含水介质的强烈非均质及各向异性以及水资源
时空分布极其不均匀。
必须指出，虽然在岩溶区进行工程建设时困难大、问题多，但并非所有岩溶区都必然产生
上述问题。国内外大量工程实践证明，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。如在岩溶区修建水利水电工程时，因地制宜地采取“灌、铺、堵、截、导”等措施进行防
渗处理；利用碳酸盐岩中所夹的页岩、泥质白云岩等相对隔水层作坝基；利用岩溶发育不均匀
性的规律，进行工程选址及提出处理措施；利用溶蚀洼地，地下暗河修建水库；对于大型洞穴
可以直接用作厂房和仓库；丰富的岩溶水，可以用作城镇工矿供水和农田灌溉的水源。
总之，为了运用岩溶发育规律来指导岩溶区的工程建设，真正做到兴利除害；开展对岩
溶的研究有着重要的理论和实际意义。
7．2岩溶发育机理
索科洛夫认为岩溶发育的基本条件有四个：①具有可溶性岩石；②岩石是透水的；③水
必须具有侵蚀性；④水在岩石中应处于不断运动的状态。这四个条件实质上反映了可溶性岩
石与具有侵蚀能力的水这两个方面。在具体地质环境中，要保证喀斯特作用能持续进行，必
须有水在碳酸盐岩体内的裂隙系统或裂隙一孑L隙系统中流动，使具有溶蚀能力的水与可溶性
岩石持续地相互接触与相互作用，而且还需要水在其中不断循环与更替，排出饱和的Ca2+
和补入未饱和的。岩溶不是简单地以室内实验为基础的溶蚀作用，而是溶蚀作用及其所形成
的地貌和水文地质现象的综合。从这个观点出发，岩溶发育的基本条件应为三个：①具有可
溶性岩石；②具有溶蚀能力的水；③具有良好的水的循环交替条件，即具有良好的地下水的
补给、径流和排泄条件。而岩溶发育中*为活跃而积极的是地下水的循环交替条件，它受控
于气候、地形地貌、地质结构、地表非可溶岩覆盖及植被发育条件等。在此基础上，讨论影
响岩溶发育及控制岩溶发育速度、规模、形态组合、空间分布规律的主要因素。
7．2．1碳酸盐岩的溶蚀机理
碳酸盐是化学上的难溶盐，如碳酸钙在纯水中的溶解度很低。在常压下，温度为8．7。C
时，方解石的溶解度为lOmg／I。；温度为16℃时，溶解度为13．1mg／I。；温度为25。C时，溶
解度为14．3mg／I。。而在每升天然地下水中，碳酸钙的含量可达数百毫克。据研究其原因
是：地下水并非纯水，而是化学成分十分复杂的溶液。水中除了*常见的碳酸外，还有无机
酸、有机酸和其它盐类。这些化学成分对碳酸盐岩共同起着溶蚀作用。此外，硫酸盐和卤化
物的溶蚀是一种纯溶解过程，在一定温度和压强条件下，其溶解度为一常数。而碳酸盐的溶
蚀涉及多相体系的化学平衡的复杂溶解过程；同时，又有某些特殊效应使其溶蚀能力加强。
致使岩溶发育既有由表及里的趋势，又有地下岩溶优先并强烈发育的现象。为了阐明碳酸盐
岩特殊的溶蚀机理，分析其溶蚀过程及各种效应是很有必要的。
7．2．1．1 碳酸盐岩的溶蚀过程
这里以石灰岩为例来说明这一过程。南斯拉夫学者伯格里(Bogli，1960)把石灰岩的
薛蚀过程分为四个化学阶段。首先，与水接触的石灰岩，在偶极水分子作用下发生溶解：
这时溶解很快，并立即达到平衡。如果水中存在由碳酸、有机酸、无机酸等酸类所解离
的H+时，与CO；结合成HCO，使式(7—1)右边的CO不断减少而破坏其平衡，进而
促进CaC03的再度溶解。
第二阶段是原溶解于水中的C02的反应，
第三阶段是水中物理溶解的COz的一部分转入化学溶解，即水中部分游离d)z与水化
合成为新的碳酸，这样构成一个链反应，其反应式与式(7 2)相同。其结果是不断补充H+
的消耗及促进CaC03的溶解。
第四阶段是由于水中COz含量和外界(土壤和大气)C02含量也有一个平衡关系，水
中C02减少，平衡就受到破坏，必须吸收外界c()z以便使水中COz含量重新达到新的平
衡，这样又构成一个链反应。
如果在封闭系统中，石灰岩的溶解总量取决于水中*原始的C02含量，当达到平衡后溶
解作用就告停止，甚至使CaC()3从水中析出。但自然界多为开放系统，即水中C(h因溶解石
灰岩减少后，可由外界不断得到补充。因此，现代喀斯特学将喀斯特作用视为在地球的岩石
圈、水圈、大气圈、生物圈界面上进行的全球碳循环和有关的水循环和钙(镁)循环的一部
分，C○一HzO-CaC()3三相不平衡开放系统称为喀斯特动力学系统。从总的来说，岩溶作用是
不可逆的过程。这就是碳酸盐岩在水的作用下，形成各种地表和地下地貌形态的根本原因。
可见水中COz的存在对碳酸盐岩的溶蚀起着决定性的作用。因而，必须了解水中COz
的来源问题。一般来说，水中COz的来源问题是很复杂的。它来源于大气、土壤中的生物
化学作用、变质作用，火山活动及岩层中某些化学作用所产生的C02。在岩溶过程中起着
重要作用的地下水，其主要来源是大气降水的补给，因此大气和土壤中C02的含量，决定
着地下水中C02的含量。过去曾一度认为地下水中的CO"主要来源于大气。近年来大量研
究成果表明：地下水中的C02主要来源于土壤；由于土壤中的微生物在其新陈代谢过程中
强烈的生物化学作用，使有机物分解为各种有机酸，同时产生大量的COz。空气中COz的
正常含量按体积为O．03％～O．035％，若按气体溶解定律将上述体积含量表示为C02的分压
(pc)时，则其分压pc为0．0003～O．00035。但在土壤中，通常p(()。为0．01～0．02，*
高可达0．1。特别是热带、亚热带森林区，土壤中的COz含量更高。此外是水的温度降低的
影响，由于气体的溶解度与温度成正比，就会从气相中吸收更多的C02进入液相。可见喀
