1.2　岩溶发育的基本条件

岩溶发育的基本条件为：①岩石具有可溶性；②水具有溶蚀性和流动性；③具备水体渗流的通道。

岩石具有可溶性才会产生岩溶现象，同时岩石还须具有透水性，使水能够渗入其中并流动，从而在岩石内部产生溶蚀作用。水具有一定的溶蚀力才能对岩石产生溶蚀，当水中含有CO2或其他酸性成分时，其溶蚀力较强。产生溶蚀作用的水还需要有流动性，使其保持不饱和溶液状态和溶蚀能力，岩溶作用才会持续不断。

1.2.1　岩石的可溶性

1.2.1.1　可溶岩的分类

可溶岩按矿物成分为4类：

①碳酸盐类岩石，如灰岩、白云岩、大理岩等；②硫酸盐类岩石，如石膏等；③卤素类岩石，如岩盐、钾盐等；④其他，如钙质胶结碎屑岩中的钙质砾岩、钙质砂岩等。

1.2.1.2　岩石的可溶性

按可溶性排序，依次为：卤素岩—硫酸盐岩—碳酸盐岩—钙质胶结碎屑岩。在同类碳酸盐岩中，因矿物成分、结构等不同，岩石的可溶性存在明显的差异。

碳酸盐岩一般以钙、镁为其主要成分，通常由方解石和白云石两种矿物组成。试验研究表明，在纯碳酸盐岩中随着白云石成分的增多其溶解速度降低，相比方解石为易溶成分，白云石则相对较难溶解。碳酸盐岩中夹有不同成分、不同数量的不溶物质（如泥质与硅质），对岩石的可溶性影响较大，使溶蚀度明显降低。一般石灰岩的可溶性较白云岩强，也强于硅质灰岩、泥灰岩等。

岩石结构对溶蚀率的影响主要体现在岩石结晶颗粒的大小、结构类型及原生孔隙度3个方面。一般岩石结晶颗粒越小，相对溶解速度越大，隐晶结构一般具有较高的溶蚀率；鲕状结构与隐晶一细晶质结构的石灰岩有较大的溶解速度；不等粒结构石灰岩比等粒结构石灰岩的相对溶解度要大。但岩石的原生孔隙度对岩溶的影响更显著，通常孔隙度越高，越有利于岩溶的发育，因此结晶灰岩可溶性较隐晶质灰岩强，粗晶灰岩较细晶灰岩强。

岩石因变质重结晶对岩石的溶解速度也有明显的影响，其中大理岩的溶解速度较非变质灰岩低50%左右，白云岩的差异没这样显著。

1.2.1.3　可溶性分类

卤素类及硫酸盐类岩石在地表分布有限，石灰岩分布很广，水利水电工程中通常遇到碳酸盐类岩石，故本篇中的可溶岩均指碳酸盐类岩石。碳酸盐岩的可溶性分以下3类。

（1）强可溶岩。主要为纯碳酸盐岩类的均匀石灰岩，如泥晶灰岩、亮晶灰岩、鲕状灰岩、生物碎屑灰岩等，通常循层面或断层带发育规模较大的洞穴管道系统及溶隙。

（2）中等可溶岩．主要为次纯碳酸盐岩、变质重结晶的碳酸盐岩，如灰质白云岩、白云质灰岩、泥质灰岩、硅质灰岩、大理岩等。通常循层面或断层带发育单个溶洞及溶隙。

（3）弱可溶岩。主要为纯碳酸盐岩类的均匀白云岩、次纯碳酸盐岩夹碎屑岩、不纯碳酸盐岩类的碎屑岩与酸盐互层，主要有白云岩、泥灰岩、硅质白云岩、石灰岩夹碎屑岩、石灰岩与碎屑岩互层等。岩溶发育微弱、极微弱或不发育。

根据岩性组合划分，常见碳酸盐岩成分分类三角图和岩组类型划分见图1.2-1和表1.2-1。

1.2.2　岩石的透水性

1.2.2.1　透水性

岩石的透水性是指岩石允许水透过本身的能力。对灰岩、白云岩及之间的过渡灰岩石，在构造不发育、岩溶不发育的情况下，其本身不透水；其透水性的强弱主要取决于岩石中裂隙的发育程度及溶蚀化程度，当可溶岩岩体不完整、岩溶发育强烈时岩石透水性强，反之微弱。因此，对碳酸盐岩来说，其透水性主要指岩体的透水性。

（1）原生结构面。如层面或层理裂隙等，是在岩石形成过程中产生的。在构造变动微弱的地台区，层面或层理裂隙对岩石透水性起着决定性作用。

（2）构造结构面。如构造裂隙，是岩石受构造应力作用而产生的裂隙。其特点是延伸远，成组分布，是水对碳酸盐岩作用的主要通道。其方向、性质及密度，在很大程度上决定于该区的褶皱与断裂错动的关系，以及岩层的产状等。在背斜顶部张裂隙带（常常宽而深）、向斜轴部下方张裂隙带，以及大型断裂带与交汇部位，岩石破碎，或裂隙密集分布，岩石透水性均较好，是岩溶强烈发育地区。

（3）次生结构面。如边坡剪切裂隙、风化裂隙等，由边坡卸荷与风化作用在边坡表层或岩石圈上层构造裂隙或层理裂隙变宽形成。这些岸剪裂隙带、风化裂隙带岩石透水性亦较强，岩溶较为发育。

1.2.2.2　透水性分类

（1）岩溶含水层组。按岩石可溶性与非可溶岩的组合关系以及可溶岩或非可溶岩能否构成独立的含水层或具有可靠的隔水性能等划分为以下5种基本类型：①均匀状的岩层组合的强岩溶含水层组；②中等岩溶含水层组；③弱岩溶含水层组；④相对隔水层组；⑤可溶岩与非可溶岩为间互状岩层组合的多层次含水层组。岩溶含水层组类型划分见表1.2-2。

可溶岩夹非可溶岩、可溶岩与非可溶岩互层、非可溶岩夹可溶岩等3种间互状岩层组合，当非可溶岩被构造、侵蚀、岩溶塌陷等破坏不起隔水层的作用情况下，可单独构成强、中等、弱岩溶含水层组，其类型需视非可溶岩的连续性与百分含量，以及可溶岩的可溶性强弱来确定。如可溶岩为强可溶岩，非可溶岩不连续、厚度百分含量小于5%，可定为强岩溶含水层。

（2）岩溶透水层组。岩溶透水层组类型与岩溶含水层组类型基本对应，一般情况下强岩溶含水层组即为强岩溶透水层组，弱岩溶含水层组即为弱岩溶透水层组。但其差别在于某些岩溶含水层组的透水性具有方向性，即垂直与平行岩层层面方向的透水性能不同，甚至相差悬殊。通常建于水平状岩溶层组的水库很有可能发生渗漏，而且难于治理，而建于岩溶层组倾角陡倾的横向谷水库发生渗漏的可能性相对较小。

1.2.3　溶蚀作用

1.2.3.1　溶蚀作用类型

（1）碳酸盐溶蚀。侵蚀性二氧化碳对碳酸盐岩的溶蚀，取决于其中碳酸含量，即水中游离CO2的含量。它与碳酸盐作用，转化为重碳酸，水的溶蚀力就可大大增加。

研究表明，水中CO2主要来自大气降水及土壤层的微生物所创造，对浅表部岩溶发育作用较大。可溶岩溶蚀过程也是水中CO2的平衡过程，即水中CO2含量减少，平衡受到破坏，必须吸收外界CO2，使水中的CO2重新达到新的平衡。碳酸盐岩的继续不断的溶解，首先决定于扩散进入水中的CO2的速度，这个速度一般是很慢的。若温度增高，扩散加速，水中CO2可在较短时间内恢复平衡，溶蚀速度加快。

以典型的石灰岩化学溶蚀作用过程为例，水流对可溶岩的化学作用过程实际上包括溶解和沉淀两个方面。研究结果表明，水的溶解作用是CO2、水和碳酸钙（CaCO3）的化学反应过程，其反应过程原理如下：

CO2进入水中转化为溶解的CO2

大气、土层CO2⇒溶解CO2

溶解的CO2与水作用形成碳酸：CO2＋H2O⇒H2CO3

碳酸的离解：H2CO3⇒H＋＋

碳酸钙的溶解：CaCO3⇒Ca2＋＋

碳酸离解的H＋与碳酸钙溶解的化合：H＋＋⇒

因此，含碳酸的水溶蚀碳酸钙的化学反应式为：CaCO3＋H2O＋CO2＝Ca2＋＋

南斯拉夫学者A.包格利（Bögli，1960）把石灰岩溶蚀过程分为以下4个化学阶段。

第一阶段：石灰岩中碳酸钙溶解于水生成钙离子和碳酸根离子，但水中所含碳酸还没参与其作用。在达到化学平衡时，1L水在8.7℃时可溶解灰岩10mg，16℃时可溶解13.1mg，25℃时可溶解14.3mg。

第二阶段：原溶解于水中的CO2起反应。水中所含的CO2可分为物理态和化学态两种，即物理溶解及与水化合成碳酸的化学溶解。当水温为4℃时，水中所含CO2只有0.7%与水化合，其余为物理溶解状态。所谓侵蚀性CO2，即指化学态CO2而言。溶解CO2生成碳酸离解氢离子与第一阶段碳酸根离子化合成重碳酸根离子，从而打破第一阶段离子平衡，引起灰岩新的溶解。

第三阶段：是因水中溶解的物理态和化学态的CO2也有一个平衡关系。由于第二阶段的作用其平衡被破坏，水中物理态的CO2的一部分转入化学态，与水化合，成为新的碳酸。构成一个链反应，其结果使灰岩不断溶解。

第四阶段：是水中CO2含量和外界CO2含量也有一个平衡关系，水中CO2含量减少，必须吸收外界CO2补给，使水中CO2含量重新达到平衡，使石灰岩能继续不断溶解。

可见，石灰岩的溶解过程受一系列化学平衡的限制。石灰岩的继续不断溶解，首先决定于扩散进入水中CO2的速度。

（2）硫酸盐溶蚀。侵蚀性水对硫酸盐岩的溶蚀。

（3）氯化物溶蚀。侵蚀性水对氯化物岩的溶蚀。

（4）混合溶蚀。两种或两种以上不同水温、不同水质的水混合后溶蚀作用加强。河流岸坡地带往往岩溶相对发育，存在一个地下水低平带，很可能就是由于河水与岸坡地下水混合溶蚀所致。贵州二叠系上统吴家坪组灰岩多夹砂质、炭质页岩及煤层，岩溶相对发育，很可能就是由于煤层的硫化物遇水，加剧溶蚀作用所致。

（5）接触溶蚀。可溶岩与非可溶岩接触带，往往溶蚀作用加强，形成串珠状洼地及岩溶管道。

（6）交代溶蚀。李景阳等人在前人研究的基础上，根据可溶岩溶滤残留物红黏土的厚度与可溶岩中非可溶成分百分含量的不匹配；残积红黏土的层纹与裂隙构造与母岩层纹及裂隙构造的相似性；白云岩残积红黏土与基岩之间分布的白云岩风化砂、灰岩残积红黏土与基岩之间分布的灰白色多孔状强风化过渡层；残积红黏土风化壳稀土元素的分布特征、微观结构特征等，提出溶蚀作用的本质是一种交代溶蚀。现大量的工程开挖证实，残积红黏土下普遍分布有溶沟溶槽和石芽石柱，当其上的红黏土被侵蚀殆尽，再经流水的进一步塑造，便形成婀娜多姿的石柱、石林。这比用纯侵蚀及溶蚀作用解释石柱、石林的形成，似乎更加符合客观实际。雅砻江锦屏二级水电站辅助交通洞埋深逾1000m，隧洞涌水中含砂多，含黏土少，重金属含量高，可能是因为交代条件差，因此溶洞规模不是很大。

1.2.3.2　溶蚀作用与侵蚀作用

如果说，在岩溶发育的初期（岩溶裂隙发育阶段），侵蚀作用只是起辅助作用，到了岩溶发育后期（地下河发育阶段），就很难说是以溶蚀作用为主还是以侵蚀作用为主。表现在，规模较大的地下河洞底、洞壁及洞顶随处可见光面、流痕、冲坑等。从残留冲坑的砂卵砾石不难看出，砂卵砾石在侵蚀过程中起着重要的磨蚀作用；从洞顶分布的锅背状冲坑光滑面不难看出，有压漩涡流在侵蚀过程中也起着重要作用。在广西漓江桂林至阳朔河段两岸，平枯河水位高程断续分布的某些凹槽，显然也是侵蚀作用的结果。

河流的侵蚀作用，横向上以排泄基准面控制着两岸地下水径流特点和分带；纵向上控制着地貌的发育特点和分布面积。对贵州而言，Ⅰ级、Ⅱ级河流分水岭地带地形开阔，河流切割浅。如长江与珠江的地形分水岭水城—六枝—安顺—平坝—贵阳一线、南盘江与北盘江的地形分水岭盘县—兴仁—安龙（贞丰）一线、长江与乌江的地形分水岭毕节—金沙（黔西）—遵义—绥阳—湄潭—德江一线、舞阳河与清水江的地形分水岭黄平—三穗一线等。在这些地区，因地形相对开阔平坦，不仅是贵州的农业发达区，而且还是重要城市所在地。而Ⅰ级、Ⅱ级河流的中下游多河谷深切、岸坡陡峻，相对高差达300～500m，甚至更大。只有河谷相对开阔的局部河段才临水兴建城镇，如思南、沿河。岩溶地区的Ⅲ级、Ⅳ级河流则多呈反均衡剖面，即上游河床比降平缓，下游河床比降陡峻。如猫跳河的上游清镇、平坝一线，河流浅切、地形开阔。下游河谷则多为峡谷、嶂谷和隘谷，出口以跌水注入乌江。猫跳河的支流入注干流或在入注前数千米潜伏地下形成断头河，如麦架河、暗流河等。麦架河、暗流河的支流又有不少在入注前数百米至数千米潜伏地下，形成规模较小的盲谷。

1.2.3.3　溶蚀作用与崩塌作用

当溶洞发育达到一定规模后，重力引起的崩塌作用不仅存在，甚至占据主导地位。表现在：大型溶洞底部无不分布有孤石、块石及碎石；天生桥塌陷不仅形成堰塞湖，而且还改变溶蚀作用的环境条件；岩溶塌陷导致上覆非可溶岩塌陷，形成天窗。

1.2.3.4　溶蚀作用与堆积作用

岩溶塌陷与堆积作用的因果关系是不可分割的，有塌陷便有堆积；地下河中不仅有冲洪积形成的松散堆积物，而且还可以形成漫滩、台地，如同地表河；溶洞中的化学堆积物则更是塑造了溶洞的别有洞天。

岩溶地区最普遍、最典型的堆积物当数红黏土。它可以是溶滤残积形成，也可以是交代溶蚀形成，还可以是红黏土经搬运（坡积、冲积、洪积）形成。

总之，溶蚀与侵蚀、崩塌、堆积作用是很难分开的，只是在某一时期谁占主导地位，谁处次要地位。例如南盘江的天生桥峡谷（俗称，下同）、坝索峡谷，北盘江的板江峡谷、六冲河的重阳峡谷、两扇门峡谷，猫跳河的窄巷口峡谷等，这些峡谷不仅两岸壁立，而且河谷深邃、水流暗涌，当出现崩塌后，又转而成为险滩急流。

1.2.4　岩溶地下水动力特征

产生溶蚀作用的水不仅具有溶蚀性，还需具有流动性。岩溶水的流动即岩溶水的运动，其动力特征因类型、循环条件不同而存在明显差异。

1.2.4.1　河谷岩溶水类型

河谷岩溶水类型一般可按下列方法划分。

（1）按循环系统特征分为分散流和管道流，包括隙流、脉流、网流及管道流；裂隙水、溶洞水及地下暗河等。

（2）按水的运动带分为包气带水、季节变动带水、饱水带水及深循环带水。

（3）按水流性质分为潜水和承压水。

（4）按渗流介质及规模，工程上岩溶地下水常分为溶蚀裂隙水、岩溶管道水、地下暗河。其中，暗河与岩溶管道水区别在于：暗河枯季流量大于0.1m3/s，且有规模较大的明显出口的大型地下水渗流通道。而岩溶管道水流量小于0.1m3/s，出口规模小而分散。例如广西都安地区的地苏地下河系总长50多千米，集水面积达900km2，有支流13条，洪水期最大流量达390m3/s。

1.2.4.2　岩溶水动力类型

岩溶水动力类型分补给型、补排型、补排交替型、排泄型及悬托型5类。

（1）补给型。河谷两岸地下水位高于河水位，河水受两岸地下水补给。其形成条件有：①河谷为当地的最低排泄基准面；②河谷的可溶岩层不延伸到邻谷；③两岸有地下分水岭。

（2）补排型。河谷的一侧地下水补给河水，另一侧为河水补给地下水，向邻谷或下游排泄。形成条件为河谷一侧有地下分水岭，另一侧的可溶岩延伸至邻谷，且无地下分水岭。

（3）补排交替型。洪水期地下水补给河水，枯水期河水从一侧或两侧补给地下水。形成条件为河谷两岸和河床岩溶发育，地下水位变动幅度大，洪水期为补给型河谷，枯水期为排泄型河谷。

（4）排泄型。河水向邻谷或下游排泄，河水补给地下水。形成条件有：①河谷两侧有低邻谷，并有可溶岩层延伸分布，且无地下分水岭；②河谷两岸有强岩溶发育带或管道顺河通向下游，地下水位低于河水位。

（5）悬托型。河水被渗透性弱的冲积层衬托，地下水深埋于河床之下，与河水无直接水力联系。形成条件为河床表层透水性弱，基岩岩溶发育，透水性强。

河谷岩溶水动力类型见表1.2-3。

1.2.4.3　河谷岩溶水动力分带

河谷区岩溶水动力类型因岩溶水的运动形式和循环强度、深度的不同而变化。由单一岩性组构成的河谷，在向地下深处的垂直方向上，按地下水循环条件，可划分为4个水动力带（见图1.2-2）。

（1）包气带。从地表到最高地下水位面之间的部分。此带中，地下水自上向下渗透，主要在垂直形态岩溶中活动，并促使垂直形态岩溶发展。

（2）地下水位季节变动带。位于最高、最低地下水面之间。此带地下水在高水位时期作水平运动，在低水位是作垂直运动，故水平形态和垂直形态岩溶均易发育。

（3）饱水带。范围从最低地下水面至深部地下水向河流运动区。此带地下水在两岸作大致水平的运动，河床以下自下向上运动，向河流排泄地下水运动可用流网表示。岩溶发育主要在上部，以发育水平状岩溶形态为主，下部岩溶发育微弱。大量实际资料表明，此带分水岭地区钻孔地下水位随深度的增加而下降；河床钻孔地下水位随深度的增加而升高。

（4）深循环带。本带岩溶发育和地下水运动都十分微弱，并且地下水不向邻近的河床排泄，而是向下游或远处缓慢运动，是深部岩溶发育的基础条件。

水平方向上，岩溶河谷地下水位与一般岩石河谷不同，总体区别是岩溶区地下水位埋深大，坡降平缓，河床岸边受强溶蚀影响而出现水位低平带，地下水位坡降更加平缓。岩溶地下水水位动态，在不同的地貌部位，各有其特征。

（1）近岸地段。为岩溶水排泄区，地下水位变化几乎与河水位的年变化曲线同步，幅度也接近。地下水位低平，两岸常存在地下水位低平带或地下水位低槽带，地下水位动态受河流水文因素变化控制。

（2）谷坡地段。属地下径流区，地下水位陡降且动态变化复杂，可分为缓变与剧变两种类型。缓变型与分水岭地段相似，但变幅大。剧变型，是在集中降雨期水位急剧上升，形成局部的暂时性水位高峰，而在雨后不长时间内，水位又迅速下降，水位趋于平缓，其动态曲线呈尖峰型。谷坡地段地下水位动态主要受气象因素变化控制。

（3）分水岭地段。为地下水补给区，水位变幅一般比近岸地带大，但总体较为平缓，一年中的高、低水位过程，分别出现在雨季和枯季的后期，其地下水位动态亦属气象因素变化控制。

1.2.4.4　岩溶区地下分水岭

岩溶地区地下水分水岭位置与地形分水岭，多数条件下仍基本保持一致，但在以下条件下则易出现偏离。

（1）一侧岩溶发育，地下分水岭偏向岩溶不发育一侧。

（2）一侧存在低邻谷，地下分水岭偏向补给一侧。

（3）可溶岩与非可溶岩共同组成，地下水分水岭偏向非可溶岩一侧。

（4）河湾地形，地下水分水岭则受内部地质结构和岩溶发育特点控制，可能平行河谷也可能与河谷垂直。

1.2.5　岩溶地下水系统

岩溶地下水系统包括岩溶地下含水系统和地下水流动系统两个概念。其中，岩溶地下含水系统即为之前的岩溶水文地质单元，地下水流动系统与岩溶管道水系统或暗河系统的意义相当。

岩溶地下含水系统是指由隔水层或相对隔水层封闭的，具有统一水力联系的可溶性含水透水岩体。控制含水系统发育的，主要是地质结构。在同一岩溶含水系统内，地下水具有统一的水力联系，是一个独立而统一的水均衡单元，且通常以隔水层或相对隔水层作为系统边界，它的边界属地质零通量面（或准零通量面），系统的边界是不变的。

地下水流动系统是赋存于含水系统中的，由源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。地下水的补给区及为源，排泄区即为汇，地下水从补给区向排泄区运动，并可由连接源与汇的流面反映出来。控制地下水流动系统的主要是水势场，在天然条件下，自然地理因素（地表、水文、气候）控制着势场，因而是控制流动系统的主要因素。

岩溶含水系统和流动系统从不同角度出发，分别表征了岩溶地下水赋存与运动的两种特性。一个地下水流动系统具有统一的水流，沿着水流方向，水量、水质、水温等发生规律的演变，呈现统一的时空有序结构；其以流面为边界，属于水力零通量面边界，边界是可变的。在同一个结构复杂的岩溶地下含水系统中，可能存在由不同流面群外包面圈闭的局部地下水流动子系统或区域流整体地下水流动系统，区域流动系统中亦可嵌套局域流动系统。图1.2-3中，相对独立的独田岩溶地下含水系统中即包含了7个地下水流动系统及一些零星的小地下水流动系统。同一含水系统内地下水流动系统所占据范围的大小取决于势能梯级度和介质渗透性，势能梯级越大或渗透特性越好，则该流动系统所包括的范围就越大。

同一岩溶含水系统中的地下水之间存在水力联系，但地下水一般仅在其流动系统内运移，只是其流动系统的边界会随着外部条件的变化而变化，但一般不会超过岩溶含水系统的边界。

岩溶含水系统一般表示该系统由可溶性含水透水岩体组成，地下水可能较丰富；但一个岩溶含水系统内什么地方岩溶发育、地下水活跃，则取决于地下水径流条件，即地下水流动系统。一般来说，分水岭部位多为补给区，地下水循环以垂直运动为主，但势场小，流线稀，地下水交替快但存留时间短，一般岩溶不甚发育，故在岩溶地区，地下水分水岭有时低于水库正常蓄水位，但水库依然不会渗漏。而在靠近河谷岸坡部位，地下水势场大，流线密集，地下水活跃、富集，故岩溶较为发育。根据地下水流动系统的源汇理论，可较好地解释在岩溶地下水上升水流部位，地下水亦具承压性质，河床钻孔出现承压水现象即是揭穿上升水流的结果。