邵長慶,王生俊

(1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院,石家莊 050036;2.北京勘察技術(shù)工程有限公司)

地面塌陷是地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落,并在地面形成塌陷坑(洞)的一種動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象,包括了巖溶塌陷和非巖溶塌陷.在巖溶塌陷中土層塌陷發(fā)育數(shù)量多,分布廣,是上覆第四系土層在地下水(氣)作用下,發(fā)生破壞并向下伏巖溶管道系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.在第四系上部土層為粘性土?xí)r,由于具有較好的頂板形成條件,往往先形成土洞,土層塌陷就是土洞進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果[1].

高密度電阻率法是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種電法勘探,由于第四系各土層存在電性差異,利用此方法可以第四系土層部分巖性、結(jié)構(gòu)特征、厚度分布以及埋深范圍,對于研究第四系土層中土洞的分布和隱患地帶具有重要的意義[2].

1 地質(zhì)環(huán)境背景和工程概況

唐山市地處燕山臺(tái)褶帶與華北平原的過渡地帶,地層有薊縣系,青白口系,寒武系,奧陶系,石炭系,二疊系和第四系.北部山區(qū)地層主要為太古宇、元古宇地層,地區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育,主要有開平向斜、卑子院背斜,斷層大致沿陡河分布,斜穿市區(qū),并均為活動(dòng)斷層.

唐山地區(qū)地下水主要存在著第四系孔隙水和基巖巖溶裂隙水兩大含水系統(tǒng),第四系孔隙水屬潛水承壓水,水位埋深15～30m,含水厚度20～30m,巖性以中砂、細(xì)砂為主、基巖巖溶裂隙水包括寒武系灰?guī)r巖溶水和薊縣系白云巖巖溶水,二者水利關(guān)系密切[3].

試驗(yàn)靶區(qū)近似長方形,東西長1100m,南北長900m,面積近1km2.東南側(cè)是山地,巖石出露,其余是平原,第四紀(jì)覆蓋,覆蓋層厚度為幾米到十幾米.區(qū)域內(nèi)奧陶系灰?guī)r埋深在80m,巖溶較為發(fā)育,區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過大的塌陷,存在塌陷地質(zhì)災(zāi)害隱患.

2 工作方法及工程布置

地質(zhì)結(jié)構(gòu)體存在電性差異,表現(xiàn)為各種地質(zhì)體的電阻率值的大小是高密度電阻率法勘查的物理基礎(chǔ).高密度測量的儀器很多,本次采用的是美國AGI公司生產(chǎn)的8通道SuperSting R8 IP 8 channel Memory Earth Resistivity and IP Meter.其儀器的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,自動(dòng)化程度高,施工方便,比常規(guī)儀器測量的數(shù)據(jù)量大和效率高.

本次采用高密度電法的偶極-偶極裝置,測線布置沿試驗(yàn)靶區(qū)內(nèi)道路,其中東西向測線11條,南北向測線6條,具體布置如圖1.由于高密度電阻率法的勘探深度與測線的長度相關(guān),實(shí)際布置的物探測線對要求探測的區(qū)域相應(yīng)外延,以保證探測區(qū)域內(nèi)的有效勘探深度,測線電極距布置間距5m.測線測量使用高精度GPS(MobileMapperTM)定位.

圖1 測線平面布置圖

3 物探剖面和數(shù)據(jù)解釋

在試驗(yàn)靶區(qū)選擇6#、7#線勘查測線,根據(jù)其高密度電法勘查在工作區(qū)的電阻率反演剖面(圖2)結(jié)合電阻率等值分布剖面圖,可見靶區(qū)內(nèi)土層界限清晰,電阻率從地面起呈現(xiàn)低阻-高阻-低阻-高阻-低阻的趨勢,且土層向西北傾斜.根據(jù)電阻率值的變化可分為:第一層為粉土層,主要受地表水的影響呈現(xiàn)相對低阻,且變化不均勻;第二層為砂土層,電阻率顯示為相對高阻;第三層為粉質(zhì)粘土層,表現(xiàn)為相對低阻,是隔水層;第四層為砂土層,受地下水位線下降影響表現(xiàn)為高阻;第五層卵石層,由于位于水位線以下而呈現(xiàn)低阻;以下為基巖分布.

圖2 6#、7#測線反演剖面圖

4 視電阻率平面形態(tài)分析

試驗(yàn)靶區(qū)內(nèi)的水位線是48m,基巖埋深是80m±.將各條測線不同深度的電阻率值繪制成平面等值線圖,分別取80m、88m、96m深平面電阻率等值線圖(如圖3、圖4、圖5),可見低阻帶在視深度為80m、88m、96m,變化規(guī)律是整體由西向東運(yùn)移,推斷地下水也是由西向東運(yùn)移;在這3個(gè)深度范圍內(nèi),低阻明顯隨著深度加深,低阻帶向西偏移;推斷整體上地下水由西向東、按照淺到深的形式流動(dòng).

根據(jù)高密度電阻率勘查資料和平面電阻率等值線圖,推斷試驗(yàn)靶區(qū)東側(cè)的水泥廠抽水形成的地下水通道,深部通道明顯.由地下水動(dòng)態(tài)與均衡[4]可知,水泥廠的大量用水,使地下水量發(fā)生變化,破壞了地下水的均衡,導(dǎo)致試驗(yàn)靶區(qū)內(nèi)在一定的時(shí)間內(nèi),地下水量的補(bǔ)給量小于消耗量,地下水在一定時(shí)間內(nèi)處于負(fù)均衡狀態(tài),最終導(dǎo)致水位線的下降[4-5].

水泥廠的長期大量抽水形成了以抽水井為對稱軸的下降漏斗[6],地下水的不斷流動(dòng)加劇了地下水對下伏碳酸鹽巖的溶蝕作用,從而形成巖溶空洞.巖溶空洞的形成為上覆第四系松散砂的流動(dòng)和儲(chǔ)存提供了通道和場所,進(jìn)而形成了上覆第四系土洞[3],存在地面塌陷的隱患.

圖3 高密度電阻率反演80m視深度等值線圖

圖4 高密度電阻率反演88m視深度等值線圖

圖5 高密度電阻率反演96m視深度等值線圖

5 結(jié)語

通過本次試驗(yàn),認(rèn)為靶區(qū)內(nèi)塌陷和低阻充填的土洞與深部的巖溶相關(guān),特別是深層的巖溶水活動(dòng)有關(guān),深層巖溶水的活動(dòng)規(guī)律,對災(zāi)害治理有重大的意義.通過對高密度電阻率剖面的分析,切片,形成等深度的高密度電阻率勘查反演電阻率平面分布,推斷地下水的平面活動(dòng)規(guī)律,進(jìn)行了一次有益的嘗試,為下一步的災(zāi)害治理提供了依據(jù).

[1] 王思敬,黃鼎成.中國工程地質(zhì)世紀(jì)成就 [M].北京:地質(zhì)出版社,2004,284～294.

[2] 劉曉東,張虎生等.高密度電法在宜春市巖溶地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用 [J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2002,13(1):72～75.

[3] 張 梁 ,張業(yè)成 ,羅元華.地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估理論與實(shí)踐 [M].北京 :地質(zhì)出版社,1998,274～283.

[4] 李智毅,楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)概論 [M].北京 :中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1994,147～152.

[5] 房佩賢,衛(wèi)中鼎,廖資生.專門水文地質(zhì)學(xué) [M].北京 :地質(zhì)出版社,1996,47～58.

[6] 王大純,張人權(quán),史毅虹等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) [M].北京 :地質(zhì)出版社,1994.

[7] 薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué) [M].北京 :地質(zhì)出版社, 1994.