黃河泛濫平原第四系地面塌陷機(jī)理研究

摘要：本文以菏澤市牡丹區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查為依托，從牡丹區(qū)已發(fā)生的24處第四系地面塌陷中選取9處塌陷點(diǎn)進(jìn)行分析，并優(yōu)選了1處塌陷通過(guò)高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)、鉆探、原位測(cè)試、分析化驗(yàn)等方法對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行了研究。通過(guò)綜合物探查出視電阻率低阻異常區(qū)，在異常區(qū)經(jīng)鉆探驗(yàn)證，并取樣分析，在原塌陷坑處的物理力學(xué)性質(zhì)明顯比周圍差。經(jīng)研究分析可知：第四系地面塌陷的主要原因是由于原地下存在著建（構(gòu)）筑物，當(dāng)發(fā)育于全新世的黃河古河道改道時(shí)，掩埋了原建（構(gòu)）筑物，形成了空洞，當(dāng)受到地下水位波動(dòng)頻繁等外力作用時(shí)，打破了古建（構(gòu)）筑物的應(yīng)力平衡，當(dāng)持力層遭到破壞后，便發(fā)生了第四系地面塌陷。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法；地質(zhì)雷達(dá)；第四系地面塌陷；應(yīng)力平衡；形成機(jī)理

中圖分類號(hào)："TP393"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼："Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.11.002

引文格式：王華鋒，馬龍，孟凡奇，等.黃河泛濫平原第四系地面塌陷機(jī)理研究——以菏澤市牡丹區(qū)為例［J］.山東國(guó)土資源，2024，40（11）：12-17.WANG Huafeng， MA Long， MENG Fanqi， et al. Analysis on the Mechanism of Quaternary Ground Collapse Induced by Ancient Human Activity Relics in the Yellow River Flood Plain——Taking Mudan District in Heze City as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（11）：12-17.

0引言

地面塌陷是地質(zhì)災(zāi)害的一種，主要包括巖溶塌陷、采空塌陷和第四系地面塌陷［1-5］，其中前兩種塌陷機(jī)理已基本明確，但第四系地面塌陷機(jī)理未查明。

由于第四系地面塌陷發(fā)生頻率低、規(guī)模小、造成的損失小等特點(diǎn)，并未被單獨(dú)列入地質(zhì)災(zāi)害內(nèi)，地面塌陷主要包括巖溶塌陷和采空塌陷，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類工程活動(dòng)的加劇，在沖積平原區(qū)經(jīng)常發(fā)生地面塌陷，由于地表被巨厚的第四系所覆蓋，故稱為第四系地面塌陷，亦屬于地面塌陷范疇。國(guó)內(nèi)外對(duì)第四系地面塌陷研究相對(duì)較少，僅陳振［6］從工程地質(zhì)因素、水文地質(zhì)因素和農(nóng)田灌溉因素等3個(gè)方面對(duì)地面塌陷致災(zāi)因素進(jìn)行分析，而并未說(shuō)明第四系地面塌陷發(fā)生的先決條件即地下是否存在空洞。而胡海濤［7］等得出了水源地過(guò)量抽取地下水是引起第四系地面塌陷的主要原因。由于魯西南地區(qū)的地下水屬于常年使用階段，該機(jī)理不能很好的解釋該區(qū)第四系地面塌陷形成原因。程曉黎［8］則認(rèn)為烏蘇市四棵樹(shù)鎮(zhèn)、百泉鎮(zhèn)一帶地面塌陷地區(qū)位于天山南部山前地勢(shì)較低，是地下潛水的主要溢出地帶；由于地下水潛蝕作用，將第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層中的粉砂、細(xì)砂不斷地帶出地表而形成地下土洞，由于該區(qū)屬于天山南部山前地區(qū)，與本區(qū)地層巖性和結(jié)構(gòu)大不一樣，無(wú)法在本區(qū)適用。由于菏澤市的水源地屬于常年使用階段，該機(jī)理不能很好的解釋菏澤市第四系地面塌陷形成原因。

本次通過(guò)高密度電阻率法［9-12］、地質(zhì)雷達(dá)法［13-16］、鉆探等方法對(duì)菏澤市第四系地面塌陷形成機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)工作。

1第四系地面塌陷及地質(zhì)概況

1.1第四系地面塌陷概況

地面塌陷是巖土體覆蓋層向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種地質(zhì)現(xiàn)象。從有記錄以來(lái)（1975年）至今（2023年12月），菏澤市牡丹區(qū)共發(fā)生第四系地面塌陷24處，塌陷所形成的塌陷坑基本呈圓形或橢圓形，通過(guò)調(diào)查走訪：24處塌陷坑基本上都屬于上口小，下口大，洞壁上緩下陡，呈甕形。24處塌陷坑中現(xiàn)有7處在建成區(qū)內(nèi)，1處位于文物保護(hù)區(qū)內(nèi)，1處位于牡丹基地內(nèi)，該2處禁止鉆探施工，另外8處因發(fā)生時(shí)間較久，塌陷具體位置難以確定，本次工作選擇位置精確、便于施工的9處塌陷坑進(jìn)行物探、鉆探等相關(guān)工作。該9處塌陷為大黃集鎮(zhèn)楊湖村、大黃集鎮(zhèn)苑寨村、何樓辦事處岳園村、王浩屯鎮(zhèn)張樓村、王浩屯鎮(zhèn)后劉莊村、安興鎮(zhèn)邢樓張莊村、高莊鎮(zhèn)鮑樓村、安興鎮(zhèn)李集村和牡丹辦事處大閆莊第四系地面塌陷。本次工作優(yōu)選牡丹區(qū)牡丹辦事處大閆莊第四系地面塌陷做為研究對(duì)象，該塌陷于2020年7月5日發(fā)生于大閆莊村一農(nóng)戶家中，造成2人死亡。該塌陷坑?xùn)|西長(zhǎng)約3m、南北約2.6m，深約3m，影響面積約20m2。

1.2地質(zhì)概況

牡丹區(qū)被巨厚的第四系和新近系覆蓋［17］，第四系上部為近代黃河沖積形成的黃灰色粉砂質(zhì)黏土、淺黃色粉砂、細(xì)砂、黏土質(zhì)粉砂和棕色黏土的韻律堆積體，頂部為耕作層，厚約20m左右，第四系下部主要為沖積相的淺黃、灰黃色粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂及粉、細(xì)砂層，含較多的鈣質(zhì)結(jié)核，厚350m左右。

第四系全新統(tǒng)為一套沖積間夾湖沼、洪積相沉積物，巖性主要為淺黃、灰黃色粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂及粉細(xì)砂層，含較多的鈣質(zhì)結(jié)核，夾1～2層灰黑色淤泥質(zhì)層，底板埋深20～30m，粉砂及粉細(xì)砂一般有1～2層，厚度1～10m。在沖積平原上，第四系表現(xiàn)出明顯的沉積分異現(xiàn)象，沿黃河故道、黃河決口扇以及河道沉積以粉砂和細(xì)砂為主。而遠(yuǎn)離河道的淺平洼地及河道中心的河槽洼地以黏土為主，其余為粉砂質(zhì)黏土［18］。

1.3水文地質(zhì)條件

牡丹區(qū)內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)條件受氣象、水文、地形地貌、巖性結(jié)構(gòu)等因素控制，而這些因素的作用程度，因區(qū)內(nèi)淺、深層地下水及其埋藏條件，水力特征有顯著差異。根據(jù)地下水的系統(tǒng)性、賦存條件及水質(zhì)結(jié)構(gòu)等，可將其劃分為淺層孔隙水含水巖組、中層咸水含水巖組、深層孔隙水含水巖組3個(gè)主要含水巖組。以淺層孔隙水含水巖組對(duì)第四系地面塌陷的發(fā)生具有一定影響。淺層孔隙水含水巖組主要由全新統(tǒng)黃河沖積物組成，含水層巖性為粉砂、粉細(xì)砂，局部分布有中細(xì)砂，砂層厚度10m左右，底板埋深一般30～110m。該區(qū)單井涌水量在20～60m3/h，礦化度小于1.5g/L，水化學(xué)成分較復(fù)雜，陽(yáng)離子以Na+、Mg2+為主，陰離子以HCO-3為主［19］。

根據(jù)2020年7月10日水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果，該區(qū)域淺層地下水水位埋深2.70～5.34m，水位標(biāo)高42.25～43.99m（圖1）。淺層地下水流向由西北向東南流動(dòng)，趙王河水面標(biāo)高高于附近淺層地下水標(biāo)高，趙王河補(bǔ)給淺層地下水。

根據(jù)塌陷坑附近監(jiān)測(cè)孔淺層地下水水位與降水觀測(cè)資料，受開(kāi)采及大氣降水入滲影響，2020年度最大水位標(biāo)高出現(xiàn)在2月26日，為45.010m（水位埋深4.636m），最小水位標(biāo)高出現(xiàn)在本年度枯水期的5月1日，為42.76m（水位埋深7.886m），年變幅為3.25m；年初水位低于年末水位。塌陷發(fā)生時(shí)，地下水位埋深7.345m。

由于該塌陷發(fā)生于豐水期，周圍機(jī)井未使用，僅該住戶家中一民井用于日常生活用水，開(kāi)采水量每日約0.6m3。

2大閆莊第四系地面塌陷工作情況

2.1地球物理特征

工作區(qū)電阻率和介電常數(shù)的大小主要受土體濕潤(rùn)程度及礦物成分影響，含水黏土、粉質(zhì)黏土電阻率相對(duì)較低一般在8～15Ω·m；砂質(zhì)黏土、細(xì)砂電阻率相對(duì)較高，一般在10～30Ω·m；磚、石回填物電阻率在第四系中電阻率高，一般在20～150Ω·m［20］；砂（濕）的介電常數(shù)一般為30，黏土（濕）的介電常數(shù)一般為8～12，當(dāng)?shù)谒南档貙又谐霈F(xiàn)一定規(guī)模的空洞體時(shí)，無(wú)論其含水與否，電阻率剖面圖均會(huì)呈現(xiàn)非水平狀態(tài)，并出現(xiàn)高阻或低阻形態(tài)的閉合體異常。

2.2物探測(cè)線布置

探測(cè)目標(biāo)為3m×2.6m的區(qū)域，目標(biāo)區(qū)域面積7.8m2，受場(chǎng)地條件限制，現(xiàn)場(chǎng)共布設(shè)了3條勘探線，L1和L2線分別在塌陷坑兩側(cè)的胡同內(nèi)布設(shè)，線距21.5m，采用了高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法，L3線布設(shè)了高密度電阻率法，其中高密度電阻率法點(diǎn)距1m，地質(zhì)雷達(dá)點(diǎn)距0.5m。

2.3物探資料解譯及成果分析

從L1線解譯斷面圖上可以看出（圖2），反演成果圖上電阻率值在2～40Ω·m范圍內(nèi)，除局部電阻率畸變外主要電阻率變化在6～18Ω·m，主要電阻率變化區(qū)間較小，巖土體電性差異一般。測(cè)線南部7～16m，電阻率值為5～8Ω·m，推測(cè)為富水好區(qū)。

圖3為L(zhǎng)1線探地雷達(dá)法成果圖。電磁波速度取0.08m/ms進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換成圖，由于電磁波能量擴(kuò)撒和衰減，本次雷達(dá)探測(cè)深度大致在7m以內(nèi)。3m以淺深度，反射能量較小，未發(fā)現(xiàn)明顯的同相軸，推測(cè)為回填土分布。3～4m左右深度，出現(xiàn)能量較強(qiáng)的同相軸，推測(cè)為回填土與原土分界線。測(cè)線8～14m處，深度6～7m左右，出現(xiàn)異常波形，頂部及兩側(cè)的反射波能量較強(qiáng)，中部波形能量弱且頻率有增大趨勢(shì)，推測(cè)可能為富水空洞。

2.4鉆探驗(yàn)證

在高密度電阻率異常區(qū)和地質(zhì)雷達(dá)異常區(qū)重合的地方進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，ZK1號(hào)孔0～3.8m為雜填土；3.8～5.7m為粉土；5.7～6.2m為粉質(zhì)黏土，局部見(jiàn)φ4.5cm青磚塊；為一層河湖相沉積物；6.2～8.2m出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，初步推斷為空洞；8.2～8.7m為粉質(zhì)黏土；8.7～11.0m為粉質(zhì)黏土。為驗(yàn)證該空洞情況，對(duì)ZK1號(hào)鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔工作，并且采用井下攝像機(jī)進(jìn)行探視，發(fā)現(xiàn)該空洞頂部為圓弧形青磚砌成，初步判斷為磚砌構(gòu)筑物形成的空洞。

3另外8處第四系地面塌陷情況

另外8處第四系地面塌陷點(diǎn)分別進(jìn)行了不同程度的鉆探工作，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖心編錄情況，在深度為7～15m之間，8處塌陷坑附近鉆孔均出現(xiàn)了不同程度的鉆具下沉現(xiàn)象，均發(fā)現(xiàn)植物腐殖質(zhì)和藍(lán)色或紅色磚塊或紅色陶土塊，且在安興鎮(zhèn)李集村和安興鎮(zhèn)邢廟張莊村第四系地面塌陷點(diǎn)直接出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象。這證明了8處第四系地面塌陷點(diǎn)在歷史上均存在人類活動(dòng)痕跡。

4第四系地面塌陷機(jī)理分析

本次巖土試樣進(jìn)行了易溶鹽土工試驗(yàn)，分析結(jié)果表明場(chǎng)地中易溶鹽含量低，不存在類似鈣芒硝之類的易溶性巖土類形成的空洞（表1）。

根據(jù)菏澤市牡丹區(qū)已有24處第四系地面塌陷分布情況可知：第四系地面塌陷發(fā)生位置與發(fā)育于全新世的黃河古河道分布范圍基本重合。并結(jié)合本次鉆探結(jié)果，推斷第四系地面塌陷下存在建（構(gòu)）筑物，因古河改道被沖洪積地層掩埋，形成地下洞穴，當(dāng)?shù)叵滤徊▌?dòng)頻繁時(shí)，破壞了古建（構(gòu)）筑物，上部土層發(fā)生坍塌，進(jìn)而發(fā)生第四系地面塌陷。

按照太沙基淺埋隧道理論及洞體穩(wěn)定相關(guān)理論假設(shè)，地下洞穴的受力狀況如同梁的受力，洞的頂板相當(dāng)于承載上覆巖土體自重的梁，洞的兩側(cè)如同位于梁端的兩個(gè)支點(diǎn)，洞穴是否發(fā)生塌陷取決于頂板是否能夠形成穩(wěn)定的支撐拱（圖4）。

當(dāng)?shù)谒南档孛嫠菸窗l(fā)生時(shí)，在垂直應(yīng)力和兩側(cè)受到的阻力作用下處于自然平衡狀態(tài)，隨著持力層被破壞或者上覆應(yīng)力增加時(shí)，原應(yīng)力平衡被打破，當(dāng)垂直應(yīng)力大于等于洞體的摩阻力時(shí)，就會(huì)形成第四系地面塌陷，見(jiàn)公式（1）（2）（3）。

Q=W-2×T（1）

W=Bt×γ×H（2）

T=12×γ×h×htanβ（3）

式中：Q作用于HG面上單位長(zhǎng)度上的垂直應(yīng)力（kN/m）；

W為上覆土層EFHG單位長(zhǎng)度上的重力（kN/m）；

T為洞體單位長(zhǎng)度受到的摩阻力（kN）；

γ為上覆土體重度（kN/m3）；

H為洞體頂板到地面的距離（m）；

Bt為洞體的寬度（m）；

h為洞體底到地面的距離（m）；

β為破裂面與水平面的夾角（°）；

該區(qū)應(yīng)力變化的因素主要有：一是當(dāng)?shù)叵滤畡?dòng)力條件改變時(shí)，原來(lái)被堵塞的洞隙及與其相連的下部排水通道復(fù)活，重新成為地下水集中活動(dòng)的地段，即降雨入滲后，洞頂覆土的含水量增大，自重應(yīng)力加大，且地下水位的升降，使得粉土、粉質(zhì)黏土層強(qiáng)度降低，進(jìn)而自穩(wěn)能力減弱；二是古建（構(gòu)）筑物頂板隨時(shí)間增長(zhǎng)，空洞上面持力層經(jīng)地下水常年累月的侵蝕，逐漸變薄，使得持力層的承載力逐漸減少，其強(qiáng)度降低；三是在地下水滲流和土顆粒自重應(yīng)力的作用下，古建（構(gòu)）筑物一側(cè)土體發(fā)生移動(dòng)，進(jìn)入了古建（構(gòu)）筑物空洞中；四是在潛蝕、真空吸蝕等作用下，空洞逐步增大，向地表發(fā)展，頂板變薄，直至拱頂板不足以支撐上部土體自重時(shí)，便突然發(fā)生塌落，形成第四系地面塌陷。

5結(jié)論

本次通過(guò)菏澤市第四系地面塌陷這一地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，通過(guò)高密度電阻率法、鉆探、原位測(cè)試、巖土試驗(yàn)等方法，查明了該區(qū)第四系地面塌陷形成的機(jī)理，即古建（構(gòu)）筑物在發(fā)育于全新世的黃河古河道改道時(shí)被掩埋，形成空洞，當(dāng)受到地下水位波動(dòng)頻繁時(shí)，破壞了古建（構(gòu)）筑物頂面，原應(yīng)力平衡被打破，上部土層發(fā)生坍塌，進(jìn)而形成了第四系地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。本次工作提出的工作方法和形成機(jī)理，對(duì)其他地區(qū)的黃河沖積平原第四系地面塌陷的研究具有一定的推廣和示范意義。

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by Ancient Human Activity Relics in the Yellow River Flood Plain

——Taking Mudan District in Heze City as an Example

WANG Huafeng1，MA Long1，MENG Fanqi2，ZHANG Yong2，LIANG Wenji3，QI Zhencai1，JIA Chen1，ZHANG Xiaofei1，CHEN Honghai1，ZHANG Ye1

（1.Shandong Provincial Lu'nan Geology and Exploration Institute （Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources No.2 Geological Brigade），Shandong Ji’ning 272000，China；2.Shandong Monitoring Center of Geological Environment，Shandong Ji'nan 250014，China；3.CGC Geological and Mineral Construction Co.，Ltd，Shandong Ji'nan 250013，China）

Abstract：Based on geological hazard risk survey in Mudan district in Heze city， selecting 9 collapse points from 24 ground collapses in Quaternary and one collapse point， by using high-density resistivity method， geological radar， drilling， in-situ testing， analysis and laboratory testing， the formation mechanism of the collapse have been studied. Through comprehensive exploration， a low resistance anomaly area with apparent resistivity has been identified. Through drilling verification and sampling analysis in the anomaly area， it is found that physical and mechanical properties at the original collapse pit are significantly worse than those around it. Through research and analysis， it can be concluded that main cause of ground collapse in Quaternary system is the presence of buildings underground.

When the ancient Yellow River channel developed in the Holocene changed course， it buried the original buildings （structures） and formed voids. When subjected to frequent fluctuations in groundwater level and other external forces， the stress balance of the ancient buildings （structures） was broken. When the bearing layer was destroyed， the Quaternary ground collapse occurred.

Key words：High-density resistivity；ground penetrating radar；Quaternary ground subsidence; stress balance; formation mechanism

收稿日期：2024-04-30；修訂日期：2024-06-21；編輯："王敏"基金項(xiàng)目："菏澤市牡丹區(qū)自然資源局，項(xiàng)目名稱：菏澤市牡丹區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查，編號(hào)：HZSMDCGF2021-026"作者簡(jiǎn)介："王華鋒（1985—），男，山東菏澤人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)方面的工作；E-mail：371545090@qq.com*"通訊作者："張勇（1987—），男，山東莘縣人，高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)方面的工作；E-mail：459184820@qq.com