徐錦山，鄧 波

(華北地質(zhì)勘查局五一九大隊(duì)，河北保定 071051)

0 引言

保定市徐水縣西部屬于低山丘陵區(qū)，境內(nèi)1958年修建以攔洪為主，灌溉為輔的瀑河水庫，水庫庫容9750×104m3，，最高水位標(biāo)高 45.18m［1］。從 1964 年開始，水庫西側(cè)的賈莊村、向陽村等多個(gè)村莊陸續(xù)出現(xiàn)地面沉降、塌陷地質(zhì)災(zāi)害，1994年后災(zāi)害發(fā)展日趨嚴(yán)重，其中向陽村已出現(xiàn)塌陷坑20多處，涉及村民25戶，至使30余間民房地基不均勻沉降，墻體開裂甚至房屋倒塌。2008年為對水庫西側(cè)村莊地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害開展有效防治，在向陽村投入淺層地震、高密度電法和鉆探等方法，進(jìn)行塌陷區(qū)災(zāi)害治理前期調(diào)查工作，通過調(diào)查分析該區(qū)地災(zāi)形成機(jī)理，掌握地面沉降、塌陷分布規(guī)律與發(fā)展趨勢，確定具體治理范圍，為災(zāi)害防治選擇正確的技術(shù)路線和針對性的施工方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)及災(zāi)害概況

1.1 地質(zhì)概況

向陽村東距瀑河水庫約300m，西臨西山山腳500m，地勢較平緩，海拔高程56～47m。區(qū)內(nèi)出露地層為第四系(Q)，主要是全新統(tǒng)沖洪積土層，經(jīng)工程核實(shí)自上而下共分四層，其中地表層為褐色耕土層(Q4)，以粉土為主，厚度0.3～0.6m;中部為黃土狀粉土層(Q3)，褐色，稍濕，含砂質(zhì)土，厚度 7.7～9.1m;下部為粉質(zhì)粘土層(Q2)，褐色，硬塑，濕，含鐵、錳結(jié)核，厚度9.8～10.4m;底層為礫土層(Q1)，雜色，濕，中密，揭露厚度6m，碎石成分主要為強(qiáng)、中等風(fēng)化石英砂巖，次為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁巖等，呈棱角狀，塊狀結(jié)構(gòu)，一般粒徑為3～6cm，裂隙發(fā)育，漏水嚴(yán)重。下覆震旦系(Z)基巖地層由老至新分別為鐵嶺組(Z2t)含碎石條帶白云巖、下馬嶺組(Z3x)千枚狀泥質(zhì)頁巖、景兒峪組(Z3j)石英砂巖等，巖層產(chǎn)狀較平緩，基巖頂板埋深為60m左右。調(diào)查區(qū)處于近南北向和近東西向兩組斷層構(gòu)造中，基巖破碎比較發(fā)育。

1.2 地面塌陷情況

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［2］。向陽村地面塌陷的主要表現(xiàn)形式為土洞。土洞呈串珠狀分布，以村東出現(xiàn)較多，一般已隨現(xiàn)隨填。土洞多呈不規(guī)則圓形，少量呈橢圓形，直徑0.5～1m，深0.5～2m，洞壁上陡下緩，呈壇狀，壁上分布有豎向節(jié)理、裂縫。地面塌陷集中在豐水年，特別是雨季中后期，塌陷發(fā)展較迅速，而干旱年相對平靜。近年來降水量有所減少，塌陷發(fā)展相對平緩。地面塌陷空間上顯示自西向東、自南向北的發(fā)展規(guī)律。

1.3 地面塌陷成因

向陽村地面塌陷是由地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地表水、地下水等綜合因素疊加引起。該村地形西高東低，西山地表降水自西向東流經(jīng)村區(qū)形成地表水，地表水滲灌補(bǔ)給地下水，第四系中上層黃土狀粉質(zhì)土疏松多孔、吸水性強(qiáng)，濕陷性的粉質(zhì)土吸入滲入水之后會向下部空間運(yùn)移，由于下部的粉質(zhì)粘土層，韌性中等，中壓縮性，透水性較弱，起到了隔水層和阻止上層土向下流失的作用，一般粘土層穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)就不會產(chǎn)生塌陷災(zāi)害。但粘土層下覆的礫土層裂隙發(fā)育，透水性較強(qiáng)，加之基底層巖石斷裂破碎發(fā)育，縱橫交錯(cuò)的裂隙帶構(gòu)成地下水暢流的良好通道，當(dāng)山區(qū)滲入?yún)R集的地下水沿通道形成徑流和礫土層內(nèi)地下水位升降變化時(shí)，上覆的粘土層受到潛蝕作用，粘土層被掏挖流失，經(jīng)長期地下水持續(xù)作用，粘土層變薄、陷落甚至消失，缺失了下部阻隔層的保護(hù)，粉土層再遇到地表水滲灌時(shí)，即會崩解、坍塌，形成上覆土層中的坑洞，最終導(dǎo)致了地面塌陷。

2 綜合物探技術(shù)方法

2.1 物探方法前提

采用淺層地震和高密度電法等綜合物探方法進(jìn)行勘查測量，查明向陽村及周邊第四系覆蓋層內(nèi)不同土層的厚度，以及厚度變化分布情況;查明基巖地層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和隱伏產(chǎn)狀，以及巖石遭受構(gòu)造破壞情況，結(jié)合已知水文地質(zhì)資料分析認(rèn)識地層、構(gòu)造與地面塌陷的關(guān)系，依地面塌陷形成機(jī)理，預(yù)測劃分主要地面塌陷危險(xiǎn)區(qū)域及分布范圍，這是降低調(diào)查的成本，縮短調(diào)查周期的有效手段［3］。

調(diào)查區(qū)屬于北方半干旱區(qū)，工作期間雨水較少，地下水水位較深，在勘查深度范圍內(nèi)的土質(zhì)層、基巖層和破碎構(gòu)造帶均處于含水不飽和狀態(tài)，濕度則因組成質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、密實(shí)度、透水性等不同而存在差異，巖石的不同質(zhì)地、濕度決定了巖石的電阻率相對高低，其中粉質(zhì)土層含水較少電阻率較高，含水較多的粘土層電阻率較低，礫土層(破碎帶)透水性強(qiáng)，其電阻率高于粘土層，基巖電阻率最高，這些電阻率差異是高密度直流電阻率法評價(jià)的物理前提。調(diào)查區(qū)土層、基巖層和構(gòu)造帶地震波傳播物性差異明顯，存在淺層地震方法劃分地層、構(gòu)造的地球物理?xiàng)l件。

2.2 綜合物探方法

綜合物探工作方法布設(shè)在包括村住宅建筑用地的0.25 km2正方形區(qū)域內(nèi)，根據(jù)施工條件，沿村子內(nèi)的街道和小路布設(shè)東西方向高密度電法剖面13條，共5.5km，依村中心為基點(diǎn)布設(shè)南北、東西方向“十”字淺層地震反射剖面2條，共1.0km。

高密度電法使用WGMD-3(60道)高密度電阻率測量系統(tǒng)，淺層地震反射波法采用SummitⅡplus地震儀。高密度電法數(shù)據(jù)資料使用國產(chǎn)專用軟件進(jìn)行資料處理和二維反演計(jì)算，淺層地震數(shù)據(jù)資料使用美國FOCUS 2.0軟件進(jìn)行處理。

高密度電法選擇 α(溫納四極)工作方式［4］，電極距5m。野外工作時(shí)一次布設(shè)60個(gè)電極，觀測每個(gè)數(shù)據(jù)道上的ΔU值、I值，一個(gè)排列完成后，向前滾動(dòng)12個(gè)電極，再重復(fù)以上測量，直到整個(gè)剖面測量完畢，經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后，繪制ρs值等值線擬斷面色階圖。淺層地震反射波法采用32道接收多次覆蓋觀測方法工作，道間距2m，偏移距2m，覆蓋次數(shù)為12次，記錄長度1s，記錄間隔為0.5ms，震源采用24磅重錘錘擊方式。為提高信噪比和分辨率，突出淺層勘查效果，在淺層地震原始數(shù)據(jù)資料處理過程中，重點(diǎn)對干擾信號進(jìn)行消除和壓制。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后最終得到水平疊加的時(shí)間剖面。由速度譜分析和速度掃描得到較準(zhǔn)確的各層均方根速度模型，再根據(jù)均方根速度與其速度的關(guān)系，對比分析時(shí)間剖面的反射波組，確定反射層的構(gòu)造形態(tài)，從而獲得相應(yīng)的解釋剖面。

3 綜合物探成果解釋

3.1 成果解釋分析

由高密度電法二維反演電阻率斷面圖分析，調(diào)查區(qū)斷面圖均顯示為四個(gè)電性層，自上而下分別是淺表層:視電阻率中等，高低變化雜亂無序，一般在20～80Ω·m變化，深度在1m左右，主要是地表水泥、磚石等構(gòu)筑、回填物的反映;過渡層:分布在1～9m以內(nèi)區(qū)域，處于向下視電阻率由高變低的過渡帶上，應(yīng)是黃土狀粉土層的反映;低阻層:視電阻率小于25Ω·m的低阻區(qū)，分布在9～20m深度范圍內(nèi)，低阻區(qū)分布一般呈水平長軸狀出現(xiàn)，間有收縮或斷續(xù)現(xiàn)象，主要是低阻的粘土層引起;高阻梯度層:視電阻率向下逐漸增高，視電阻率大于25Ω·m，主要分布在20m以下，應(yīng)是區(qū)內(nèi)礫土層、風(fēng)化基巖層的反映(圖1)。

高密度電法解釋的地質(zhì)巖性分層結(jié)果與勘察成果基本一致。各巖性層基本呈水平展布，整體略顯西高東低，厚度不均勻，其中低阻層薄厚變化或消失反映了粘土層的穩(wěn)定和受破壞程度，因此，在低阻層中，視電阻率在20～25Ω·m的低阻粘土層變薄區(qū)域，粘土層受破壞程度較高，推測為塌陷危險(xiǎn)區(qū)，原低阻層層位上視電阻率在25Ω·m以上，說明此處低阻粘土層基本消失，是已經(jīng)或正在發(fā)生的塌陷點(diǎn)，視電阻率在20Ω·m以下區(qū)，低阻粘土層仍存在，推測為塌陷預(yù)防區(qū)(圖2)。

圖1 10線高密度電法擬斷面(上)及解釋圖(下)Fig.1 10-line electricity method proposed section(on)and the interpretation chart(bottom)

圖2 7線高密度電法擬斷面(上)及解釋圖(下)Fig.2 7-line electricity method proposed section(on)and the interpretation chart(bottom)

從淺層地震剖面上看，在100～140ms內(nèi)有比較強(qiáng)的反射波組，同向軸清晰、連續(xù)，推測為弱風(fēng)化基巖地質(zhì)界面的反映，埋深50～70m，基巖同向軸在剖面的90m和480m兩處明顯錯(cuò)斷，水平斷距不大，應(yīng)為兩條隱伏擠壓性逆沖斷裂構(gòu)造的反映，斷裂均傾向南東，傾角65°～70°，基巖同向軸以上至 40 ～60ms，對應(yīng)風(fēng)化石英砂巖，泥質(zhì)頁巖等，一般反射波強(qiáng)度較弱，但在部分區(qū)域顯示一定的連續(xù)性，說明對應(yīng)巖層相對穩(wěn)定，另部分區(qū)域內(nèi)雜亂無章，連續(xù)性差，反映巖石破碎嚴(yán)重，如在剖面上的150m、255m和380m等三處，分別存在有寬度不等的破碎區(qū)域，推測為破碎帶位置(圖3)。

淺層地震剖面解釋結(jié)果，調(diào)查區(qū)內(nèi)推測斷裂構(gòu)造 F1、F2共 2條，破碎帶共 4條，分別為 P1、P2、P3、P4。F1、F2斷裂均呈北東走向，相互基本平行，間距約130m，F(xiàn)1位于向陽村中南部，F(xiàn)2位于村子北邊，斷裂兩邊都延伸到村外。P1、P2、P3、P4破碎帶位于兩條斷裂之間，間距50～60m，呈北東向并行排列。

3.2 預(yù)測劃分塌陷區(qū)

在地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)的塌陷基礎(chǔ)上，根據(jù)高密度電法解釋推斷的起隔阻作用的粘土層薄厚狀況與受破壞程度，以及淺層地震反射波法推測的隱伏斷裂破碎帶走向與分布狀態(tài)等，將調(diào)查區(qū)劃分為塌陷危險(xiǎn)區(qū)、塌陷預(yù)防區(qū)和相對穩(wěn)定區(qū)等三類區(qū)域(圖4)。塌陷危險(xiǎn)區(qū)是指土層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已經(jīng)或正在產(chǎn)生塌陷變化的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，調(diào)查區(qū)內(nèi)共圈定出4個(gè)危險(xiǎn)區(qū)，主要分布于向陽村的中偏東北部，均為北西走向的條帶狀，一般寬度為30～40m，長度100～130m，整體呈北東向并行排列。塌陷危險(xiǎn)區(qū)位于F1、F2斷裂之間，其分布、走向與破碎帶 P1、P2、P3、P4基本吻合，這是由于地下水沿破碎帶流動(dòng)產(chǎn)生搬運(yùn)、溶蝕作用造成，符合該區(qū)地面塌陷形成機(jī)理，也得到工程勘察證實(shí);塌陷預(yù)防區(qū)是指F1、F2斷裂之間除危險(xiǎn)區(qū)之外的區(qū)域，其粘土層雖受到一定程度破壞，但仍能起到隔阻作用，當(dāng)遇較長豐水季節(jié)時(shí)，不排除出現(xiàn)塌陷災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn);其余區(qū)域地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造相對穩(wěn)定，土層破壞程度弱，目前也未發(fā)現(xiàn)塌陷災(zāi)害，圈定為相對穩(wěn)定區(qū)。

圖3 B線淺層地震剖面(上)及解釋圖(下)Fig.3 B line shallow earthshock profile(on)and the interpretation chart(below)

圖4 向陽村地面塌陷點(diǎn)及災(zāi)害區(qū)預(yù)測分布圖Fig.4 Xiangyang Village of ground subsidence and disaster area prediction distribution1-居民區(qū);2-推斷斷裂;3-推斷破碎帶;4-地面塌陷坑;5-鉆孔及孔號;6-電法勘探線;7-地震勘探線;8-塌陷危險(xiǎn)區(qū);9-塌陷預(yù)防區(qū);10-相對穩(wěn)定區(qū)

4 結(jié)論與建議

(1)向陽村民宅建筑區(qū)大部分位于兩條斷裂之間的塌陷預(yù)防區(qū)內(nèi)，部分還處在塌陷危險(xiǎn)區(qū)中，應(yīng)作為地面塌陷災(zāi)害治理的重點(diǎn)區(qū)域范圍，并根據(jù)所處分區(qū)差異，選擇相應(yīng)的施工方法進(jìn)行綜合治理。

(2)高密度電法對解決塌陷災(zāi)害區(qū)第四系分層厚度特別是低阻層厚度變化與分布效果明顯，淺層地震勘探對探測分析隱伏斷裂、破碎帶及基巖界面空間位置方法有效。在瀑河水庫地面塌陷區(qū)防治工作中，可作為前期調(diào)查的主要方法。

(3)自然地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害成因復(fù)雜，查明其規(guī)模、形態(tài)、分布和發(fā)展規(guī)律難度很大。綜合物探方法可以進(jìn)行二維斷面甚至三維立體的探測并形成解釋圖像，有利于對災(zāi)害區(qū)進(jìn)行分析評估，這是從點(diǎn)推面的鉆探勘察方法所不能取代的。

［1］王景山，田級生，陳秀萍.河北省瀑河水庫側(cè)向倒灌巖溶塌陷［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004，15(4):123-124.WANG Jingshan，TIAN Jisheng，CHEN Xiuping.Baohe reservoir lateral intrusion of karst collapse in Hebei［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2004，15(4):123-124.

［2］郭建強(qiáng).地質(zhì)災(zāi)害勘查地球物理技術(shù)手冊［M］.北京:地質(zhì)出版社，2003.GUO Jianqiang.Geological disasters geophysical technical manuals［M］.Beijing:Geological Publishing House，2003.

［3］田鋼，劉菁華，曾紹發(fā).環(huán)境地球物探教程［M］.北京:地質(zhì)出版社，2005.TIAN Gang，LU Jinghua，ZENG Shaofa.The geophysical tutorial for the environment and earth［M］.Beijing:Geological Publishing House，2005.

［4］傅良魁.電法勘探教程［M］.北京:地質(zhì)出版社，1983.FU Liangkui.Electricalprospecting tutorials［M］.Beijing:Geological Publishing House，1983.