山東菏澤沖積平原地區(qū)粉土濕陷成因探討

馮超臣，黃文峰，劉賢德

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州 272100;2.菏澤市礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)中心，山東菏澤 274000;3.山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊，山東濰坊 261200)

1 地質(zhì)地貌概況

1.1 地形地貌

菏澤平原為黃河下游沖積平原，面積12228km2，南界為黃河古道，北界為現(xiàn)代黃河，其地勢比較平坦，西部高，東部低，自西向東緩慢降低，西部東明縣海拔最高為67m，中部為55m，東部巨野為36m，東西高差31m，南部曹縣高程最高62m，北部鄆城縣高程為47.5m，南部高差14.5m。總的地勢為西南略高東北略低，坡降1/5000。該區(qū)具有復(fù)雜的地形地貌和微地貌，主要地貌單元有古河道、決口扇、扇尖扇沿洼地、高漫灘、低漫灘、沙丘、砂壟、背河和臨河洼地等［1］。

1.2 第四紀(jì)地層

菏澤地區(qū)除巨野縣核桃園地區(qū)有約6km2的寒武系和奧陶系出露外，菏澤99.4%的地區(qū)為第四系覆蓋。地表有黃河組、寒亭組和山前組，地下為黑土湖組和平原組。平原組為沖積相淺黃、灰黃色粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂及粉細(xì)砂，含較少鈣質(zhì)結(jié)核。厚度150m左右，埋深20～70m。時代為更新世。黑土湖組主要分布于牡丹區(qū)、成武、定陶、曹縣和單縣一帶。主要為黑色淤泥、淤泥質(zhì)粉砂、及灰綠色粉砂質(zhì)粘土，含有機質(zhì)，產(chǎn)腹足類化石。埋深一般在4～20m。與其上下層為整合接觸。黃河組遍布菏澤地區(qū)，為近現(xiàn)代黃河沖擊形成的灰黃色粉砂質(zhì)粘土、淺黃色粉砂、細(xì)砂、粘土質(zhì)粉砂及棕色粘土的韻律堆積體。其上部為耕作層。其時代為全新世晚期。寒亭組主要分布于東明、曹縣和單縣的決口扇上。多為波浪狀沙堆砂壟和沙丘主要成分為細(xì)砂和粉砂，可見厚度大于2m，時代為全新世晚期。山前組主要分布于巨野縣核桃園一帶寒武和奧陶系灰?guī)r風(fēng)化殼中，為棕紅色粘土，其時代為更新世至全新世。

1.3 水文地質(zhì)

該區(qū)淺層地下水為第四系孔隙潛水，以受大氣降水入滲和地下水側(cè)向徑流為主要補給來源，以人工開采、地面蒸發(fā)、側(cè)向徑流為主要排泄途徑。各縣區(qū)淺水水位埋深在0～15m。地下水水位隨季節(jié)及氣象周期呈周期性變化，水位年變化幅度1.0～5.0m。

2 次生黃土濕陷性

2.1 次生黃土分布

次生黃土是指原生黃土被流水沖刷、搬運再堆積而成的黃土［2］。它與原生黃土的主要區(qū)別是具有層理，并含有較多的砂以及細(xì)礫。黃土狀巖石和黃土狀土即次生黃土。菏澤地區(qū)以黃河為界，有東明、牡丹區(qū)、鄄城、鄆城四縣區(qū)與河南接壤。位于黃土高原地區(qū)的原生黃土經(jīng)黃河搬運后在黃河中下游地區(qū)廣泛沉積，形成面積廣泛的次生黃土地層，根據(jù)水流速度、含沙量等不同，其沉積層一般形成為含粘土顆粒不同的粉土(粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土)、粘土、細(xì)砂層等，并根據(jù)河道沖積的韻律和沉積規(guī)律形成層序狀的韻律沉積。菏澤地區(qū)大部分地表為這種層序狀粉土沉積，屬于次生黃土。表層為粘土含量較高的耕作層，耕作層下一般為粘土顆粒較少的粉土層，與粘土層形成互層，粘土層一般較薄。

2.2 粉土層物理性質(zhì)分析

菏澤某開發(fā)區(qū)工勘項目2012年初施工一批鉆孔，該場地鉆孔揭露11層地層，主要由粉土及粘性土組成，其中①、②層簡述如下:

①耕作層(Qal4):褐黃色，主要由粘性土組成，見植物根系。場區(qū)普遍分布，厚度:0.60～2.6m;層底標(biāo)高:47.42～49.30m;

②層粉土(Qal4):褐黃色、淺灰色，稍密，稍濕 -濕，韌性低，干強度低，搖振反應(yīng)中等迅速;局部夾粉砂及粉質(zhì)粘土薄層。場區(qū)普遍分布，厚度:2.10～6.00m，平均5.36m;層底標(biāo)高:43.68～45.64m，平均44.71m;層底埋深:4.50～6.50m，平均5.36m。該層粉土部分勘探點的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

粉土重度是衡量粉土密實度的一個重要指標(biāo)，該層粉土干重度在14.4～16，略高于粘土干重度，粘土層并不具有濕陷性，因此不能簡單的以重度判斷該地層的濕陷性?？辈炱陂g，從鉆孔中測得穩(wěn)定地下水位埋深2.75～3.20m，平均2.16m。①層粉土空隙比在0.820～0.890變化，孔隙比相對較大，有一定濕陷空間;①層粉土壓縮系數(shù)與含水量關(guān)系較大，含水量越低，壓縮系數(shù)越大，反之也成立。粉土層位越深，含水量升高，壓縮比下降。土樣其他指標(biāo)與濕陷性黃土類似，依照黃土濕陷的普通判斷標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)如遇地下水大幅變化，浸潤含水性小于25%的粉土層，從物理學(xué)角度存在濕陷的可能，但濕陷幅度不會太大。由于粉土沉積在菏澤具有普遍性，因此在地勢起伏較大的地區(qū)更易發(fā)生粉土、砂土濕陷。

表1 ②層粉土物理性質(zhì)指標(biāo)表［3］Table 1 The second layers of silty soil physical properties

2.3 粉土濕陷成因

影響粉土濕陷機理可歸納為3種:①粉土在浸水及外部荷載因素下，必須要有一定的濕陷空間，支架空隙是關(guān)鍵因素［4］，越疏松多孔越易塌陷。②粉土有一定量遇水強度降低或崩解的聯(lián)結(jié)，并非主要是水和膠體聯(lián)結(jié)，可在試驗中通過粘聚力和直剪反映，粉土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生崩解后，黃土顆粒間膠結(jié)強度弱化，顆粒間相對遷移，并伴隨小顆粒進(jìn)入大間隙。同時由于顆粒間膠結(jié)被水溶解，在外部擾動作用下強度已不堪平衡，造成土質(zhì)結(jié)構(gòu)損壞。③粉土必須處于不飽和狀態(tài)，長期處于液面下的粉土不會塌陷。

3 地面塌陷成因淺析

3.1 濕陷條件

根據(jù)黃土濕陷性性質(zhì)，含粘土顆粒和植物根系較多的地表耕作層一般不具備濕陷性。而地表下承載較小壓力的粉土層常常處于不飽和狀態(tài)和欠壓密狀態(tài)。干旱氣候條件下，無論是風(fēng)積或是坡積和洪積的土層，其蒸發(fā)影響深度大于大氣降水的影響深度，在其形成過程中，充分的壓力和適宜的濕度往往不能同時具備，導(dǎo)致土層的壓密欠佳。接近地表2～3m的土層，受大氣降水的影響，一般具有適宜壓密的濕度，但此時上覆土重很小，土層得不到充分的壓密，便形成了低濕度、高孔隙率的濕陷性次生黃土。菏澤地區(qū)具有復(fù)雜的地形地貌和微地貌，包括近、現(xiàn)代黃河沖積形成的古河道、決口扇、扇尖扇沿洼地、高漫灘、低漫灘、沙丘、砂壟等，因此不飽和粉土或干燥粉土層都有分布，地勢相對較高的微地貌帶更易發(fā)生濕陷。

3.2 實例

鄆城縣丁里長鎮(zhèn)史垓村曾發(fā)生地面塌陷，該區(qū)地面平坦，高程44m，地勢高于周邊1～2m。但坡降很小，不會形成大的水力聯(lián)系。該區(qū)地表耕作層僅為50cm左右，其下為非飽和粉土。周邊井位統(tǒng)測顯示，塌陷時地下水位為2.7m。該區(qū)枯水期水位一般為6～8m，說明9月份地下水大幅上升。2011年初，華北地區(qū)出現(xiàn)10年不遇的持續(xù)近4個月干旱天氣，導(dǎo)致地下水位大幅下降，村民抽水抗旱保苗，使局部地下水大幅下降。強降雨期，地表沉積土層和擾亂土層的不均勻性，可能部分地點有微裂縫和生物孔洞存在，地下水入滲速度加劇，下伏不飽和粉土層不斷產(chǎn)生濕陷，致使地表下局部出現(xiàn)空洞，上覆粘土蓋層在空洞不斷增大后，地裂縫加大，地表雨水直接泄入，加劇濕陷性粉土層的濕陷程度，并出現(xiàn)土壤液化。由于塌陷地區(qū)地勢較高，塌陷點地下徑流速度急劇出現(xiàn)變化，攜帶液化泥沙產(chǎn)生運動，水流侵蝕導(dǎo)致粉土層空洞繼續(xù)擴大，直至頂部耕作層塌陷(圖1)。其倒壇子狀塌陷內(nèi)壁符合黃土濕陷的塌陷方式，坑壁有垂向節(jié)理，陷坑一側(cè)沿泥水流失方向上壁呈橢圓狀，與漏斗狀塌陷方式截然不同，因此不是簡單的雨水沖刷作用。

圖1 史垓村地面塌陷過程示意圖Fig.1 The progression of surface collapse in Shigai village

4 結(jié)語

菏澤地區(qū)黃河沖擊平原一般粉土層沉積較厚，且普遍具有濕陷性，在地下水大幅升降的枯水期或汛期，必須做好防范地面塌陷和地裂縫準(zhǔn)備。黃河古河道帶和沿黃地區(qū)的地勢較高地區(qū)是地面塌陷及地裂縫的高易發(fā)區(qū)，地面塌陷可破壞道路、耕地、民房等，因此，必須注重地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防。引起地面塌陷的動力因素主要有地震、降雨以及大量抽取地下水等。因此，在易發(fā)區(qū)內(nèi)要防止過量抽取地下水，避免耕地漫灌，建筑物加固地基等。

［1］侯懷仁.黃河下游土壤鹽堿化評價及變化特征研究［J］.人民黃河，2008(6):3-4.HOU Huairen.The lower reaches of the Yellow River soil salinization evaluation and study on the variation characteristics［J］.Yellow River，2008(6):3-4.

［2］孫海楓.鄭西線黃土區(qū)樁基礎(chǔ)側(cè)摩阻力與沉降分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009-4.SUN Haifeng.Zheng West Side Friction Resistance of Pile Foundation in Loess Area and Settlement Analysis［D］.Chengdu:Southwest JiaoTong University，2009-4.

［3］李書海.菏澤市金桂花園巖土工程勘察報告［D］.兗州:山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，2012-4.LI Shuhai.Heze City Jingui Garden of geotechnical engineering investigation report of Shandong province［D］. Yanzhou:Shandong ProvincalLunan Geo-Engineering Exploration Institute，2012-4.

［4］高國瑞.黃土顯微結(jié)構(gòu)分類與濕陷性［J］.中國科學(xué)，1980(12):1023-1208.GAO Guorui. Loess microstructure classification and collapsibility［J］.Science China，1980(12):1023-1208.