唐山巖溶地質(zhì)災(zāi)害的勘查與成因分析

賈 晨，王文慧，許建飛

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000）

在自然和人為因素影響下，唐山市曾多次發(fā)生過巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為唐山市建設(shè)和發(fā)展面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重制約著城市的建設(shè)與發(fā)展。本項(xiàng)目地處唐山市中心城區(qū)，根據(jù)前人資料及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)，勘查區(qū)下伏基巖為薊縣-青白口系灰?guī)r，屬可溶巖類，勘查區(qū)第四系厚48m～51m，場(chǎng)地位于巖溶塌陷較不穩(wěn)定區(qū)與不穩(wěn)定區(qū)接觸邊緣，為了確保建筑物安全，最大限度地減輕地質(zhì)災(zāi)害造成的損失，需查明項(xiàng)目場(chǎng)地下是否有巖溶或土洞存在[1]。

1 工作區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造、地貌及巖性

本區(qū)大地構(gòu)造單元位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ2）燕山臺(tái)褶帶（）馬蘭峪復(fù)式背斜（）開灤臺(tái)凹（）的東北部。區(qū)域基底構(gòu)造較復(fù)雜，新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。燕山運(yùn)動(dòng)塑造了本區(qū)的主要構(gòu)造格局，區(qū)域內(nèi)斷裂主要有陡河斷裂，附近褶皺構(gòu)造為碑子院背斜。

勘查區(qū)所處地貌單元為燕山南麓山前沖洪積傾斜平原，灤河中晚更新世沖洪積扇中部，場(chǎng)地及周圍地勢(shì)起伏較小，地面標(biāo)高約30.0m。上覆第四系（Q）松散沉積物，厚約48m～51m，主要巖性為粉土、粘土、中砂、中細(xì)砂及含土礫卵石等，其中底部為含土礫卵石。下伏基巖為薊縣-青白口系（Jx-Qn），主要巖性上部為砂礫巖夾粘土質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，下部為薄層白云質(zhì)泥灰?guī)r、燧石條帶白云巖等。

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)地下水賦存介質(zhì)和埋藏條件，勘查區(qū)地下水分為第四系松散巖類孔隙水和薊縣-青白口系碳酸鹽巖類巖溶水。

第四系松散巖類孔隙水：含水層巖性一般為中細(xì)砂層、卵礫石層，富水性較強(qiáng)，第四系水位埋深約26m，含水層底板埋深約50m。單位涌水量約＜10m3/h·m，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型，水位年變幅2m～3m。主要補(bǔ)給來源為大氣降水入滲，其次是河道、地表積水的下滲，排泄途徑是側(cè)向徑流。

薊縣-青白口系碳酸鹽巖類巖溶水：含水層主要巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r、燧石條帶白云巖，富水性較強(qiáng)，根據(jù)本次勘查工作中實(shí)測(cè)基巖水位，水位埋深46m左右。單位涌水量30m3/h·m～40m3/h·m，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型，礦化度小于0.5g/L。主要補(bǔ)給來源為大氣降水、側(cè)向徑流及第四系含水層越流補(bǔ)給，排泄途徑是側(cè)向徑流。

2 物探勘查情況

地球物理方法中的地震勘查是利用地層和巖石的彈性差異來探測(cè)地下地質(zhì)構(gòu)造，尋找有用礦產(chǎn)資源的一種極重要的地球物理勘測(cè)方法。此方法以其無損、快速、經(jīng)濟(jì)、勘查精度高、分辨地質(zhì)體能力顯著和勘探范圍廣等特點(diǎn)在巖溶塌陷地質(zhì)調(diào)查中得到了廣泛的應(yīng)用，其勘探的主要目的是查明塌陷區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度以及基巖構(gòu)造、巖溶發(fā)育情況[2-4]。

本次探測(cè)采用高密度地震映象法。為確定巖溶及土洞的分布范圍及其形態(tài)，根據(jù)測(cè)區(qū)地質(zhì)條件，布設(shè)8條測(cè)線，即L1～L8測(cè)線。根據(jù)物探勘查結(jié)果，測(cè)線L1、L2、L3、L6、L7、L8均發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域，推測(cè)為裂縫破碎帶或巖溶發(fā)育帶。

3 鉆探驗(yàn)證情況

為了對(duì)物探結(jié)果的準(zhǔn)確性加以判斷，布設(shè)鉆孔驗(yàn)證，結(jié)合本項(xiàng)目擬建建筑位置，共布設(shè)5個(gè)鉆孔，進(jìn)尺293m。

鉆孔揭露的第四系厚度48m～51m，巖性主要為粉土、細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)粘土、卵石。基巖強(qiáng)風(fēng)化層基本缺失，中等風(fēng)化層都存在，61.5m勘查深度內(nèi)微風(fēng)化層未被揭穿。根據(jù)物探異常區(qū)位置，ZK01、ZK02、ZK04及ZK05為異常區(qū)驗(yàn)證孔，ZK03為非異常區(qū)驗(yàn)證孔。

根據(jù)5個(gè)鉆孔驗(yàn)證情況，ZK01和ZK02發(fā)現(xiàn)有溶洞，ZK03～ZK05未發(fā)現(xiàn)土洞及溶洞，但各孔局部均有溶孔、溶隙，ZK03為非異常區(qū)驗(yàn)證，鉆孔驗(yàn)證鉆探結(jié)果與物探解譯結(jié)果基本一致，物探準(zhǔn)確率為60%。

4 巖溶和土洞的成因機(jī)制

4.1 巖溶和土洞的成因機(jī)制

巖溶的發(fā)育離不開巖石和水，巖石必須具有可溶性和透水性；水必須具有溶蝕性和流動(dòng)性，并且要有足夠的流量的水和有良好的地下水徑流、排泄和補(bǔ)給條件，即循環(huán)交替條件。其中最為頻繁的是地下水的循環(huán)交替，氣候、地形地貌、土壤、植物及地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

土洞多是巖溶作用的產(chǎn)物，土洞發(fā)育區(qū)往往是巖溶發(fā)育區(qū)。土洞的形成和發(fā)展受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、巖溶發(fā)育、地表排水以及人為改變地下水動(dòng)力條件等諸因素的影響，其中，土、巖溶與水的活動(dòng)是必不可少的條件。滲透水流在土層中運(yùn)動(dòng)，使土層顆粒發(fā)生位移，不斷被帶走，從而破壞土體結(jié)構(gòu)，在巖溶裂隙、洞隙發(fā)育處，形成土洞，尤其在粘性土分布不連續(xù)，砂層直接與基巖接觸處，更容易產(chǎn)生土洞。

4.2 勘查區(qū)溶洞發(fā)育成因分析

勘查區(qū)下伏薊縣-青白口系灰?guī)r巖層厚度大，質(zhì)地較純，鈣質(zhì)含量高，裂隙較發(fā)育，較易溶解。第四系松散巖類孔隙水和薊縣-青白口系碳酸鹽巖類巖溶水水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg型，在偏酸性地表水下滲或地下水流動(dòng)作用下，將巖石中的可溶物溶蝕帶走，形成溶孔、溶隙或溶洞。另外勘查區(qū)地處燕山南麓山前沖洪積傾斜平原，場(chǎng)地及周圍地勢(shì)起伏較小，降水滲入量較大，也有利于巖溶的發(fā)育。

勘查區(qū)第四系沉積物主要是殘坡積物，巖性粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂為主，第四系厚約48m～51m?？辈殂@孔未見第四系存在土洞及松動(dòng)擾動(dòng)帶，僅局部粘土層見細(xì)小裂縫，寬度0.2cm～0.5cm，長(zhǎng)2cm～4cm，內(nèi)有細(xì)砂填充?？紤]應(yīng)為降水或偏酸性地表水下滲流動(dòng)，攜帶少量細(xì)砂沖蝕黏土層形成細(xì)小裂縫。

雖整個(gè)勘查區(qū)未見土洞、ZK03～ZK05鉆孔未見溶洞，但存在溶孔、溶隙，且勘查區(qū)地處燕山南麓山前沖洪積傾斜平原，場(chǎng)地及周圍地勢(shì)起伏較小，降水滲入量較大，有利于巖溶發(fā)育，隨著降水、偏酸性地表水下滲或地下水流動(dòng)的持續(xù)作用，不排除基巖溶洞、溶孔和溶隙繼續(xù)發(fā)育，上層第四系黏土層和砂土層形成土洞的可能。

5 巖溶塌陷形成條件

巖溶塌陷一般是指在巖溶發(fā)育地區(qū)的基巖中的塌陷、土層中的塌陷、和土層與基巖都塌陷的統(tǒng)稱。巖溶塌陷的成因機(jī)制存在多種觀點(diǎn)，如潛蝕、真空吸蝕、地震、重力、高壓水氣的沖爆、建筑荷載、溶蝕作用等，其中占主導(dǎo)地位的主要有兩種，即地下水潛蝕機(jī)制和真空吸蝕機(jī)制。

而不管是什么成因機(jī)制，要造成巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，形成條件可概括為三個(gè)方面：一、上覆為第四系蓋層，下伏基巖為碳酸巖類可溶性巖石，巖溶較發(fā)育；二、上部為第四系孔隙水位、下部為巖溶裂隙水位，且垂直滲透性較強(qiáng)；三、上覆第四系厚度較薄，一般15m～60m區(qū)域易發(fā)生巖溶塌陷，60m～100m區(qū)域發(fā)生的概率相對(duì)變小，100m以上不易發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

勘查區(qū)上覆第四系松散沉積物，厚約48m～51m，下伏基巖為薊縣-青白口系灰?guī)r，屬可溶巖類，且有溶洞存在，第四系水位埋深約26m，薊縣-青白口系碳酸鹽巖類巖溶水水位埋深約46m，且垂直滲透性較強(qiáng)，具備發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的所有條件。

6 巖溶地基處理方法建議

由于勘查區(qū)具備發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的所有條件，有溶洞存在，同時(shí)分布有溶孔和溶隙，在地面進(jìn)行工程建設(shè)前，需要對(duì)溶洞和地基進(jìn)行處理，使地基的穩(wěn)定性達(dá)到建筑荷載要求。

目前勘查區(qū)溶洞發(fā)育于地下50多米處，采取挖除覆蓋層回填碎石、灰土、混凝土等方法難以實(shí)現(xiàn)。工程建設(shè)前，可通過鉆孔灌注水泥砂漿、混凝土、瀝青等，以堵填溶洞、溶孔和溶隙，提高地基強(qiáng)度，并且要在灌漿完成后進(jìn)行物探及鉆探驗(yàn)證。工程建設(shè)時(shí)，可用樁基處理，以調(diào)節(jié)地基沉降和強(qiáng)度的不均勻性。工程建設(shè)過程中及建成后嚴(yán)禁在勘查區(qū)及其附近抽取地下水，做好地面硬化工作，防止地表水下滲，建立有效的監(jiān)測(cè)措施，加強(qiáng)對(duì)場(chǎng)區(qū)地基基礎(chǔ)變形、地下水位的動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。