江蘇宿遷黃泛區(qū)地面塌陷機理分析研究

劉憲光 閆玉茹 鄒平波 周健華

引言

地面塌陷作為突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害是我國地質(zhì)災(zāi)害的主要災(zāi)種之一，直接威脅軌道交通、供水、供氣等管線工程安全，造成房屋、道路開裂，嚴重威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。研究表明地面塌陷易受城市建筑荷載、建筑基坑及管網(wǎng)涵洞開挖的影響，此外還有雨水沖刷、軟土沉降、礦產(chǎn)開采、巖溶等誘發(fā)因素。

近年來，在江蘇北部黃泛沖積平原地區(qū)如宿遷、徐州等地，村鎮(zhèn)地面塌陷及房屋開裂等地質(zhì)災(zāi)害事件較為多發(fā)。與城市地區(qū)相比，面對突發(fā)的地面塌陷及房屋開裂等地質(zhì)災(zāi)害事件，鄉(xiāng)村地區(qū)缺乏有效監(jiān)測數(shù)據(jù)。如何采用高效、便捷的手段，在缺乏監(jiān)測數(shù)據(jù)的鄉(xiāng)村開展應(yīng)急災(zāi)害調(diào)查工作顯得至關(guān)重要。

本文以蘇北宿遷市湖濱新區(qū)井頭塘湖村為例，利用槽型鉆調(diào)查為主的技術(shù)手段，完成了地面塌陷區(qū)域房屋開裂原因的調(diào)查工作。

塌陷區(qū)概況

宿遷境內(nèi)地勢平坦，河湖交錯?？傮w地形局部為崗丘，大部分地區(qū)為低海拔平原?？傮w呈西北高，東南低的格局，大部分地區(qū)為黃泛沖積平原。

房屋開裂區(qū)域主要集中在宿遷市湖濱新區(qū)井頭鄉(xiāng)安圩居委會楊莊、后塘湖、前塘湖一帶的村莊（圖1）。對房屋開裂特征進行調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)房屋開裂主要表現(xiàn)為門、窗角等建筑薄弱部位開裂，也有部分在房角處、房屋主梁處開裂，裂縫大多在5～25mm（圖2）。根據(jù)開裂嚴重程度的統(tǒng)計分析，房屋裂縫嚴重的11 戶、較重的6 戶，主要分布在塘湖村塌陷坑一帶。遠離該區(qū)域的房屋開裂程度較輕，裂縫長度及寬度均小于塘湖村塌陷坑一帶（圖3）。

圖1 房屋開裂區(qū)位置圖

圖2 房屋開裂現(xiàn)場照片

圖3 2016年塘湖村東部塌陷坑

2016 年6 月，宿遷市湖濱新區(qū)井頭鄉(xiāng)安圩居委會塘湖村南部陸莊發(fā)生林地砂土塌陷，房屋大面積開裂，后期陸莊整體搬遷；2019 年6 月、8 月，塘湖村兩次短時間強降雨后發(fā)生地面沉降、區(qū)內(nèi)房屋開裂的地質(zhì)災(zāi)害事件。

災(zāi)害原因調(diào)查

（一）明確調(diào)查重點

初步排除斷裂活動、巖溶、采空塌陷和地下空間開發(fā)的誘因。房屋開裂區(qū)位于宿遷市東北部，緊鄰郯廬斷裂帶。但區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料揭示塌陷區(qū)周圍沒有活動性斷裂帶穿過，下覆地層無溶洞（圖4）。現(xiàn)場調(diào)查也發(fā)現(xiàn)開裂房屋分布較為集中，非條帶狀分布，初步判定本次房屋開裂原因與活動性斷裂活動無關(guān)。經(jīng)當?shù)刈匀毁Y源管理部門進一步核實，該地區(qū)不存在礦產(chǎn)開采活動，可以排除巖溶、采空塌陷及地下空間開發(fā)等因素引起地面沉降造成地面塌陷。

現(xiàn)場調(diào)查了解到地面塌陷及房屋開裂時間多發(fā)生在強降雨之后，在強降水期間，大量雨水匯集流向塌陷坑，瞬間消失殆盡。由于地下水的開采及水位變化對地面塌陷有著重要影響，因此對塌陷區(qū)內(nèi)潛水層及承壓含水層的水位調(diào)查成為工作重心，重點調(diào)查潛水及上部承壓含水層是否存在“地下水天窗”。

（二）調(diào)查技術(shù)手段

塌陷區(qū)受1128 年黃河改道的影響，在淺表地層覆蓋著一層1～4 m 厚的黃泛層，黃泛層同時也是本區(qū)潛水層所在位置。根據(jù)這個特點確定調(diào)查的技術(shù)手段以野外淺表槽型鉆調(diào)查為主，工程地質(zhì)鉆探、靜力觸探、水位測量等工作手段為輔，結(jié)合已有地質(zhì)資料的分析整理、土工試驗分析和現(xiàn)場走訪調(diào)查，最后進行綜合研究分析。

20 世紀90 年代槽型鉆在1∶25000 德國漢諾威Nordenham 幅、1∶50000 荷蘭哈勒姆幅海岸帶全新統(tǒng)層序填圖中得到應(yīng)用。2000 年，由天津地質(zhì)調(diào)查中心王宏研究員引入國內(nèi)，在開展渤海灣西岸的第一道貝殼堤的年代學研究工作時使用。2010 年以后，在第四系淺覆蓋區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用。槽型鉆技術(shù)有別于傳統(tǒng)槽探、淺井等方法，具有高效、輕便，不破壞森林、草原，保護環(huán)境等突出特點。

本次淺表槽型鉆調(diào)查所采用工具為Eijkelkamp 槽型鉆，該槽型鉆是一種適合淺表土壤的調(diào)查工具，一體式帶標尺的加重型半圓鑿鉆、鉆桿（圖5）?？稍跓o擾動的情況下獲取地下3～5 m 淺巖芯（圖6、圖7），同時具有作業(yè)時間短、流程簡便、耗費人工少等優(yōu)點。一個3～4 m 的槽型鉆鉆孔，僅需兩個作業(yè)工人半小時即可完成施工、取芯、編錄等全套作業(yè)流程。

圖5 Eijkelkamp槽型鉆

圖6 槽型鉆調(diào)查及巖芯特征

圖7 黃泛層巖性特征照片

本次淺表槽型鉆調(diào)查，首先是對3 m 以內(nèi)淺地層沉積物物質(zhì)組成、厚度、空間變化開展調(diào)查，槽型鉆取芯結(jié)束后，潛水會滲透進入槽型鉆孔洞。保持孔洞不受擾動，2～3 小時后，對孔洞內(nèi)潛水水位進行測量。潛水位的變化與本地區(qū)地面塌陷和房屋開裂有著密切的聯(lián)系。

地面塌陷機理分析研究

（一）淺部巖性特征與含水層分布

工作區(qū)設(shè)置在0～20 m 淺地層，上部為黃泛層粉土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下部為較厚的粉質(zhì)黏土層，底部為中粗砂，即第一承壓含水層。詳細描述如下（圖8）。

圖8 工作區(qū)巖性特征及含水層結(jié)構(gòu)

（1）粉土層（黃泛層）：灰黃、淺褐黃色，較濕至濕，見水平層理，常夾薄層粉質(zhì)黏土。該層頂板埋深為0.5～1.8 m，層厚1.00～3.00 m，平均2.6 m。中等壓縮性，平均標貫擊數(shù)為8.8 擊，該層在工作區(qū)廣泛分布，空間厚度表現(xiàn)為中間厚兩端薄的趨勢，最厚處達4m，位于塘湖村中央東部地區(qū)，也是開裂較為嚴重的地方。本層為工作區(qū)潛水賦存地層。

（2）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑，切面光滑，壓縮性高，為湖沼相沉積。

（3）粉質(zhì)黏土：灰褐色、灰黃色，局部見斑點狀褐色鐵錳質(zhì)染及黃褐色鐵染，偶見不規(guī)則狀鐵錳質(zhì)結(jié)核。該地層厚度較為穩(wěn)定，為8.5～10 m。

（4）中粗砂：黃褐色，密實度中等，濕，成分以石英長石為主，偶見細礫。在工作區(qū)分布穩(wěn)定，厚度4～6 m，為工作區(qū)第一承壓水層。

（二）黃泛層潛水沉降漏斗

受人類活動影響，黃泛層的地表絕大部分已被改造成農(nóng)田地貌類型，耕作層厚度一般為0.2～0.4 m。下部以黃泛層粉土為主，局部夾有粉質(zhì)黏土薄層。

在槽型鉆取芯之后形成的鉆孔中開展了潛水位測量工作，發(fā)現(xiàn)工作區(qū)內(nèi)潛水位變化較大，在外圍大部分區(qū)域，初見潛水深度為1～2 m，巖芯在1.2m 左右富含水分，飽水狀態(tài)；靠近塘湖村附近初見潛水深度為2～3 m；而塘湖村一帶，測量時發(fā)現(xiàn)未見潛水，該處槽型鉆巖芯0～1.8 m 較為干燥，下部雖然潮濕，但非飽水狀態(tài)?？臻g上表現(xiàn)為以塘湖村塌陷坑為中心的潛水沉降漏斗（圖9、圖10），可以認為區(qū)內(nèi)潛水的缺失與塘湖村地面塌陷房屋開裂現(xiàn)象有著重要聯(lián)系。

圖10 工作區(qū)淺地層剖面及潛水位圖

（三）地面塌陷及房屋開裂原因分析

通過地質(zhì)鉆探揭示，工作區(qū)第一承壓水層和潛水層之間隔水層為厚度達8～10 m 的粉質(zhì)黏土層，該套隔水層整體空間分布穩(wěn)定，不存在地質(zhì)“天窗”。據(jù)踏勘走訪發(fā)現(xiàn)，塘湖村一帶在黃泛層覆蓋之前，早期為低洼湖沼，因此得名“塘湖村”。20 世紀70—80 年代，塘湖村才有村民陸續(xù)遷入，逐漸成為村莊。村民在80—90 年代建有大量民用水井，開鑿深度一般20 m，汲取第一承壓水。水井在建造施工時為簡易開鑿，成井后僅做簡單回填，未做止水等工序。2010 年后，統(tǒng)一接入自來水水網(wǎng)，住戶水井廢棄后未做好封填。

結(jié)合調(diào)查結(jié)果及以上調(diào)查走訪信息，初步判斷廢棄的民井為地表淺層水與第一承壓含水層聯(lián)系的唯一通道，為地表雨水躍層補給地下水提供了快速途徑，這也解釋了文章開頭所描述的強降水匯集到塌陷坑后快速消失的原因。

據(jù)土工試驗測試數(shù)據(jù)，黃泛層中的黃土黏粒含量少，粒徑幾乎全部為粉粒，占比94.10%。由于缺少黏粒的凝聚作用，黃泛層粉土隨著雨水下滲通道不斷流失，造成塘湖村地基內(nèi)土質(zhì)流失。因此強降雨后不久地基發(fā)生不均勻沉降，導致房屋出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

結(jié)論

（1）本文利用以槽型鉆調(diào)查為主的技術(shù)手段查明了塌陷區(qū)及周邊20m 淺地層分布特征及潛水沉降漏斗的存在。淺部黃泛層粉砂體空間特征表現(xiàn)為中間厚兩端薄。潛水總體呈現(xiàn)為以塘湖村塌陷坑為中心的沉降漏斗狀，塌陷區(qū)周邊潛水深度為1.2～3 m，由遠及近呈逐漸變深趨勢，直至塌陷區(qū)內(nèi)潛水缺失。

（2）強降水后潛水短時間匯集，塌陷區(qū)內(nèi)大量廢棄民井為潛水躍層補給承壓水提供了快速通道；潛水通過廢棄水井補給承壓水的同時也造成了淺部地層黃泛層粉砂的流失。在水土流失的雙重因素作用，塌陷區(qū)內(nèi)淺基礎(chǔ)地基發(fā)生不均勻沉降進而導致塌陷區(qū)周圍房屋開裂。

（3）槽型鉆具有便捷、高效、輕擾動、破壞性小、調(diào)查成本低等優(yōu)點。通過此次在地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用，證明在缺乏地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)的鄉(xiāng)村，開展黃泛區(qū)或淺覆蓋區(qū)淺表地層及潛水層調(diào)查工作時，該技術(shù)手段具有較強的應(yīng)用價值和推廣意義。