遵化市劉備寨村巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害研究

申偉坤，李昌存

(1.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山063004；2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

遵化市劉備寨村巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害研究

申偉坤1，李昌存2

(1.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山063004；2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

巖溶塌陷；形成機(jī)理；防治措施

根據(jù)研究區(qū)巖溶發(fā)育特點(diǎn)，從區(qū)內(nèi)的地層巖性、覆蓋層、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及人為因素等多方面入手，研究區(qū)內(nèi)地面塌陷的成因，并利用高密度視電阻率法、地震反射波法、面波勘探法、鉆探及地下水長(zhǎng)期觀測(cè)等手段，研究區(qū)內(nèi)溶洞、土洞的分布特征。據(jù)此，分析區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的形成機(jī)理，并提出相應(yīng)的防治措施。

劉備寨村巖溶塌陷主要發(fā)育在村中河道和溝谷邊緣及基巖淺埋區(qū)，塌陷災(zāi)害具有隱伏性、突發(fā)性、群發(fā)性、多因性等特點(diǎn)。巖溶塌陷給城鎮(zhèn)建設(shè)帶來(lái)不利影響的同時(shí)，更對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。通過(guò)對(duì)劉備寨村巖溶塌陷的形成因素的研究，得出劉備寨村巖溶塌陷的機(jī)理模型，確定積極的防治措施，減少或消除塌陷災(zāi)害，無(wú)疑對(duì)未來(lái)城市建設(shè)與發(fā)展具有十分重要的意義。

1 劉備寨村巖溶塌陷形成因素

巖溶塌陷一般形成因素包括具備開口型溶洞、溶隙的碳酸巖鹽、一定厚度的松散覆蓋層及易于改變的地下水力條件[1]。通過(guò)研究劉備寨村內(nèi)地質(zhì)環(huán)境，確定本區(qū)巖溶塌陷發(fā)生的形成因素受地層巖性、覆蓋層特征及厚度、構(gòu)造、地下水動(dòng)力條件和人為因素的影響。

1.1 地層巖性

研究區(qū)下伏基巖為中元古界薊縣系霧迷山組白云巖，傾向155°～185°，傾角37°～68°。屬可溶性碳酸鹽巖，其化學(xué)成分主要為MgCO3、CaCO3，可溶于弱酸性水，溶解度大，溶液不易飽和，易形成規(guī)模較大的溶洞；淺部基巖風(fēng)化破碎巖溶裂隙發(fā)育，聯(lián)通性好，透水性強(qiáng)。

1.2 覆蓋層特征及厚度

劉備寨村地處遵化盆地，地勢(shì)總趨勢(shì)東北高西南低。第四系厚度分布極為不均，北部及西南山區(qū)基巖裸露，西部第四系厚度為30～50 m；中東地區(qū)第四系厚度為20～70 m。第四系沉積物上部以粉質(zhì)粘土為主，其下是以粉質(zhì)粘土為主的粗砂、砂礫、卵礫石互層，礫砂中密，砂層連續(xù)性較差。各層在研究區(qū)中部分布較均勻，自中心向四周逐漸變薄；在基巖面普遍存在一層隔水層棕紅色粉質(zhì)粘土，但局部缺失存在"天窗"。鉆孔揭露，在基巖淺埋區(qū)，第四系粉質(zhì)粘土沉積層具有大量垂直裂隙，為第四系孔隙水和巖溶裂隙水提供通道；且第四系砂層有被擾動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)對(duì)已發(fā)生地面塌陷點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，得出研究區(qū)覆蓋層厚度與巖溶塌陷的關(guān)系，如表1所示，結(jié)果表明，劉備寨巖溶塌陷分布較均勻，各覆蓋層厚度處均有塌陷發(fā)生，與覆蓋層厚度關(guān)系不大。且發(fā)生概率均在20%左右，因此，本研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷與覆蓋層厚度關(guān)系不大，塌陷坑呈現(xiàn)特點(diǎn)是覆蓋層厚度較小區(qū)域，塌陷坑以圓形為主，塌陷坑直徑也較??；而覆蓋層厚度較大區(qū)，塌陷坑多以近圓形為主，塌陷坑直徑也較大[2-3]。

表1 覆蓋層厚度與巖溶塌陷關(guān)系統(tǒng)計(jì)

1.3 構(gòu)造

研究區(qū)北部，基巖出露區(qū)發(fā)現(xiàn)2條層間滑動(dòng)斷層F6、F7，斷層特征如下：F6，為正斷層，長(zhǎng)為55.9m，傾向?yàn)?65°，傾角為65°；F7，為正斷層，長(zhǎng)為60.6 m，傾向?yàn)?74°，傾角為45°。劉備寨村2004年之前的地面塌陷多數(shù)集中在F6、F7附近；研究區(qū)南部，多被第四系覆蓋，通過(guò)高密度電法解譯出5條斷層，分別編號(hào)為F1、F2、F3、F4、F5。其中，前4條走向近東西，屬順層滑動(dòng)斷層，F(xiàn)5走向近南北，屬正斷層；通過(guò)地震反射波，解譯出F1、F2、F3，3條斷層，與高密度電法成果一致。區(qū)內(nèi)施工鉆孔揭露，在白云巖層間夾有多層0.4～1.6 m的泥鈣質(zhì)夾層，且有落鉆現(xiàn)象，印證了斷層的存在及此2種物探方法工作成果的可靠性；通過(guò)高密度視電阻率電法勘測(cè)發(fā)現(xiàn)隱伏溶洞2個(gè)，分別編號(hào)R1、R2，隱伏土洞10個(gè)，分布編號(hào)T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10；面波勘探解譯出土洞12個(gè)，分布編號(hào)A1、B1、C1、D1、A2、B2、A3、B3、C3、D3、A4、B4，其中D1與T1、T2重合。如圖1所示。

1.塌陷坑及其編號(hào)；2.面波解譯土洞及其編號(hào)；3.高密電法解譯溶洞及其編號(hào)；4.高密電法解譯土洞及其編號(hào)；5.滲漏點(diǎn)；6.解譯基巖埋深/距起點(diǎn)距離；7.高密電法視電阻率剖面線位置及其編號(hào)；8.面波剖面線位置及其編號(hào)；9.高密度電法剖面線位置及其編號(hào)；10.淺震剖面位置及其編號(hào)；11.地層界線；12.正斷層、編號(hào)及產(chǎn)狀；13.第四系上更新統(tǒng)；14.第四系全新統(tǒng)；15.薊縣系霧迷山組白云巖。

圖1 劉備寨村主要巖溶塌陷分布圖

1.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地處低山丘陵區(qū)，地下水類型分為第四系孔隙水和巖溶裂隙水。受地形影響，第四系孔隙水主要分布在山谷邊緣及河道兩側(cè)，基巖中發(fā)育巖溶裂隙水。通過(guò)調(diào)查區(qū)內(nèi)水井，測(cè)量第四系孔隙水和基巖裂隙水混合水位，證明兩層水之間聯(lián)系密切；鉆孔顯示，位于基巖面以上的隔水層棕紅色粉質(zhì)粘土局部缺失，存在天窗，加之?dāng)鄬影l(fā)育，形成了地下水聯(lián)系的天然通道。從而，加速了巖石風(fēng)化帶、構(gòu)造破碎帶附近土洞的形成。

1.5 人為因素

由于1995～2002年期間，研究區(qū)內(nèi)干旱少雨，同時(shí)加大了地下水的抽取量，2002年水位較1994年以前下降了近10.0 m，直至2004年水位有所回升。研究顯示，區(qū)內(nèi)在黎河附近形成小型地下水降落漏斗，如圖 2 所示。漏斗中心水位埋深在15.0 m左右，周邊水位埋深20.0 m左右。在漏斗中心附近正是農(nóng)田機(jī)井分布密集區(qū)域。由于大量抽取地下水，導(dǎo)致地下水位下降，致使周邊水流向漏斗中心。地下水位的頻繁升降變化及長(zhǎng)期匯流，致使第四系土體反復(fù)經(jīng)歷浸潤(rùn)-塌落，最終導(dǎo)致松脫的土體被水流帶走而形成土洞。

其次地表水入滲及地面荷載機(jī)械振動(dòng)時(shí)，也會(huì)造成土洞塌陷。

1.等高線；2.地下水位標(biāo)高等值線；3.地面高程；4.河流；5.編號(hào)/井深(m)/水位標(biāo)高/水位埋深；6.地下水主要流向

圖2 劉備寨村及其周邊地帶地下水位標(biāo)高等值線圖

2 研究區(qū)巖溶塌陷的機(jī)理分析

根據(jù)以往對(duì)巖溶塌陷形成機(jī)制研究成果[4-7]，分析本區(qū)巖溶塌陷主要屬于滲透變形，符合唐山巖溶塌陷模型的三元結(jié)構(gòu)[8]。

第四系孔隙水通過(guò)垂直裂隙、隔水層天窗下流補(bǔ)給基巖裂隙水，受自然地形坡降影響，地下水沿裂隙通道流速增大而形成匯流。此過(guò)程中可沖刷、帶走溶洞溶隙中的松散充填物，并對(duì)覆蓋層底部產(chǎn)生潛蝕和掏空作用。人工抽水使巖溶水水位降低時(shí)，覆蓋層中的孔隙水沿垂直裂隙在下部有巖溶溶隙溶洞的地方，于土層中形成集中滲漏點(diǎn)，在巖土接觸面地帶可產(chǎn)生流土或接觸沖刷現(xiàn)象進(jìn)而產(chǎn)生土洞。降雨發(fā)生后，由于地表水、第四系水沿垂直裂隙的滲漏補(bǔ)給，地下水位快速回升，上升的地下水不僅頂托沖刷裂隙周圍土體，還使土體浸潤(rùn)軟化，水位的反復(fù)變化，使覆蓋層底部反復(fù)吸水、脫水、松脹、剝落和被帶走，在下伏溶洞(隙)開口處產(chǎn)生土洞的雛形，當(dāng)土洞不斷向上擴(kuò)展，洞頂上部蓋層的自重力超過(guò)土體抗剪強(qiáng)度時(shí)，洞頂垮塌，塌陷形成。

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)下伏基巖為中元古界薊縣系霧迷山組白云巖，基巖可溶于水，淺部基巖風(fēng)化，巖溶裂隙發(fā)育；研究區(qū)第四系覆蓋層分布特征為西薄東厚，厚度一般20～70 m，下部以多層含粗砂、礫石的粉質(zhì)粘土為主，且底部局部缺失隔水層，有利于巖溶塌陷的發(fā)生；研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育，加強(qiáng)了地下水聯(lián)系，且地下水受天氣、季節(jié)影響，水位波動(dòng)大，變化劇烈，是導(dǎo)致巖溶塌陷的主要因素；研究區(qū)巖溶塌陷形成機(jī)制是滲透變形，符合唐山巖溶塌陷模型的三元結(jié)構(gòu)。

(2)為防止巖溶塌陷再次頻繁發(fā)生，建議采取以下防治措施：a. 控制深井巖溶水的開采，避免使水位在較短時(shí)間內(nèi)快速下降。b. 對(duì)村內(nèi)低洼處的溝渠河道、集水坑及以及已發(fā)現(xiàn)的地表水滲漏點(diǎn)采取排水防滲措施，進(jìn)行防滲封堵處理，避免地表水急劇集中滲漏。

[1] 河北省地礦局第四水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì). 河北省唐山市巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治前期勘查報(bào)告[R].滄州:1994.

[2] 左文哲,董軍義,劉善軍,等.河北省唐山市山間盆地巖溶塌陷特點(diǎn)及成因分析——以遵化市劉備寨村巖溶塌陷為例[J]. 水土保持通 報(bào)，2007, 27(6): 174-177.

[3] 左文哲,董軍義,劉善軍,等.唐山市北部山區(qū)巖溶塌陷機(jī)制初探[J]. 工程勘察，2008, (8): 29-32.

[4] 鄭彥華,李昌存. 唐山市典型巖溶塌陷概述[J].地球與環(huán)境，2005, (s1):331-336.

[5] 王洪濤,恩志,李士雄.唐山市巖溶地面塌陷成因機(jī)制與迭置分析方法[J]. 中國(guó)巖溶，1996, 15(4):312-318.

[6] 賀可強(qiáng),王濱,萬(wàn)繼濤.棗莊巖溶塌陷形成機(jī)理與致塌模型的研究[J].巖土, 2002, 23(5): 564-569.

[7] 王濱,賀可強(qiáng),姜先橋,等. 巖溶塌陷滲壓效應(yīng)致塌機(jī)理研究——以山東省棗莊市巖溶塌陷為例[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2005, 16(1):18-22.

[8] 雷明堂,蔣小珍,李喻.唐山市巖溶塌陷模型試驗(yàn)研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1997, (s1):179-186.

Research on Geological Hazard of Karst Collapse in Liubeizhai Village of Zunhua City

SHEN Wei-kun1,LI Chang-cun2

(1.The Fifth Geology Company of Hebei Geology and Minerals Bureau,Tangshan Hebei 063004, China;2.College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210, China)

karst collapse; formation mechanism; prevention measure

Based on the characteristics of karst in this area, the cause of surface collapse was researched from factors of the stratigraphic lithology, covering, structure, hydrogeological condition etc.The distribution characteristics of soil caves and karst cave were researched by using the multi-electrode resistivity method, surface wave method, drilling and long-term survey underground water. On this basis, the formation mechanism of karst collapse in the area was analyzed, and the corresponding prevention measures were proposed.

2095-2716(2017)02-0016-04

2016-11-08

2017-03-31

河北省國(guó)土資源廳財(cái)政支持項(xiàng)目。

P694

A