馮超臣，黃文峰,鄭秀榮

(1．山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州　272100；2．菏澤市礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)中心，山東 菏澤　274000；3.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟(jì)南　250013)

曹縣梁堤頭地區(qū)第四系地裂縫成因及防治

馮超臣1，黃文峰2,鄭秀榮3

(1．山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州272100；2．菏澤市礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)中心，山東 菏澤274000；3.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟(jì)南250013)

魯豫交界的曹縣黃河故道地區(qū)，地勢較高的自然堤堤緣區(qū)是地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)。地裂縫主要由地表厚粘土層干濕脹縮產(chǎn)生，有一定的隱蔽性，并受地形和大氣影響。地下水動態(tài)變化對地裂縫影響不大。地表裂隙張力的直接作用、建筑物的非均質(zhì)土地基不均勻沉陷等因素的存在共同導(dǎo)致了該區(qū)民房開裂?？梢圆扇〖庸痰鼗桶徇w避讓等方法進(jìn)行防治。

第四系；裂隙粘土；隱蔽性；地裂縫；曹縣

引文格式：馮超臣，黃文峰,鄭秀榮.曹縣梁堤頭地區(qū)第四系地裂縫成因及防治[J].山東國土資源，2015，31(5)：36-39.FENG Chaochen, HUANG Wenfeng，ZHENG Xiurong. Causes and Prevention of Quaternary Ground Fissures in Liangditou Area of Cao County[J].Shandong Land and Resources,2015，31(5)：36-39.

曹縣梁堤頭鎮(zhèn)梁西村，位于魯豫交界黃河故道(曹縣段)北側(cè)，長期以來，該區(qū)堤緣區(qū)地裂縫現(xiàn)象不斷發(fā)生。地裂縫造成建筑物墻體開裂嚴(yán)重，并出現(xiàn)不均勻沉降、傾斜。據(jù)統(tǒng)計，該區(qū)域受破壞房屋超過百間。地裂縫易發(fā)區(qū)主要位于梁西村北部，干旱枯水季節(jié)該區(qū)地表粘土層龜裂明顯，部分地裂縫寬度達(dá)到15cm，長度一般在20～30m不等，深度達(dá)2～4m。該區(qū)地裂縫一般為第四系表層地裂縫，地裂縫規(guī)模較小，且有一定的隱蔽性，但對建筑物破壞較為嚴(yán)重。

1　地形地貌

曹縣梁堤頭鎮(zhèn)梁西村，位于魯豫交界黃河故道(曹縣段)北側(cè)，村址所在處三角形突出狀的自然堤，高程平均大于63m，其東、西、北部為自然堤坡，高程降至52～54m，坡降達(dá)到1/5～1/3，該村地表沉積有巨厚的粘土層，槽探剖面揭露表層黃褐色粘土層(俗稱紅膠泥，可制陶)厚度達(dá)3～8m。堤緣處粉土層逐漸抬升，粘土層逐漸變薄(圖1)。

圖1　梁堤頭村地形示意圖

黃河屬于季節(jié)性多沙性河流，下游由于河床淤積加高，洪水經(jīng)常漫溢河床，因此河漫灘前緣天然堤十分發(fā)育，使灘地前緣高仰、后緣低洼，形成較大的橫比降，其高仰的前緣習(xí)慣上稱為“灘唇”。在形態(tài)表現(xiàn)為河床兩側(cè)斷續(xù)形成與河床平行的高地，又稱天然堤。根據(jù)地形和地貌判斷，該村為黃河故道自然堤北向突出形成的“堤頭”。自然堤內(nèi)側(cè)為黃河故道，地勢普遍較高，平均高程大于61m。東部石香爐村以東為黃河決口扇地區(qū)，決口點在黃河河道北岸，高程在決口處突然降低為50～51m，決口扇沿寬度達(dá)10～15km，高程在48～52m之間，后期應(yīng)為黃河改道斷流， 因此扇狀平原地勢不再升高。決口扇東側(cè)為單縣高韋莊高灘地地區(qū)。

2　土層結(jié)構(gòu)和物理特征

2.1土層結(jié)構(gòu)

調(diào)查區(qū)的工程鉆探揭露：0～20m深度范圍內(nèi)揭露地層主要為第四系沖洪積層。土層自上而下可分為 ：①層粘土；②層粉土、粘土、粉細(xì)砂互層；③層細(xì)砂。①層粘土區(qū)內(nèi)分布不均，主要分布于梁堤頭鎮(zhèn)以北、梁東和梁西村以南、拾家莊村以西的區(qū)域。土體呈棕褐色，局部棕灰色，可塑—硬塑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，無搖震反應(yīng)，稍有光澤，含少許鐵錳質(zhì)氧化物及其結(jié)核，局部夾薄層粉土和粉質(zhì)粘土。厚度1.70～9.10m，平均厚度6.89m；層底標(biāo)高49.31～56.03m，平均52.10m；層底埋深2.30～9.10m，平均7.23m。②層粉土、粘土、粉細(xì)砂互層厚度0.50～16.20m，平均8.13m；層底標(biāo)高36.21～59.02m。③層細(xì)砂區(qū)普遍分布，該層未穿透，范圍內(nèi)最大揭露厚度20m 。

2.2主要物理性質(zhì)

該區(qū)①層粘土為黃河沖擊形成的次生粘土，主要成分為石英和高嶺石，大部分原礦在酸性環(huán)境中形成，含硅、鐵、錳、鋁等氧化物并起到集聚膠結(jié)作用[1]。粘土有高液限、高含水量、高空隙比、高塑性等特性。依據(jù)現(xiàn)場實地踏勘，并向當(dāng)?shù)卮迕裾{(diào)查訪問，了解到粘土分布區(qū)地面隨氣候變化開裂現(xiàn)象明顯。依據(jù)鉆探揭露、野外鑒別，第①層、②-1層、②-2粘土，切面均較光滑，土體結(jié)構(gòu)致密。依據(jù)室內(nèi)試驗資料，該3層粘土自由膨脹率均大于40%，綜合判定3層粘土均為膨脹土，其中①層粘土脹縮指標(biāo)和漲縮變形量如表1，表2所示。

表1　①層粘土膨脹指標(biāo)統(tǒng)計

2.3裂隙粘土層形成

黃河故道在曹縣梁堤頭地區(qū)呈明顯的蛇曲狀，形成不規(guī)則的天然堤和河漫灘。在黃河下游進(jìn)入低流量并發(fā)生間歇性斷流的運行狀態(tài)后，河床發(fā)生強(qiáng)烈淤積。梁堤頭村作為灘唇地區(qū)，汛期河水漫越河灘或近堤，河水變淺、流速驟減或停滯，越接近堤緣，沉積顆粒越細(xì)，因此在堤緣內(nèi)側(cè)垂向接受最穩(wěn)定的懸浮物顆粒沉積[2]，逐漸形成類似湖泊相沉積較厚的黃褐色粘土層，其物源主要為黃土高原流失的黃土。

表2　工作區(qū)膨脹土脹縮變形量計算結(jié)果

粘土層在形成過程中，由于失水程度不一樣，沉積時期不同，較厚的粘土層易出現(xiàn)大小不一且不可逆的粘土裂縫，稱之為裂隙粘土層。在埋深3m以下裂隙逐漸消失，成為隔水層。

3　地裂縫成因及分布特征

3.1災(zāi)害機(jī)理分析

該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要是由裂隙粘土層特殊的物理和力學(xué)性質(zhì)造成的。梁堤頭村農(nóng)村建筑物地基多為人工筑填的粘土、粉土、粉砂土混合土層，但一般混合不均，粘土比例較高，基底為裂隙粘土層。因此，判別地災(zāi)的形成主要受以下幾個方面影響。

地形及大氣影響：該區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，光照充足，熱量豐富，四季分明，雨熱同期，但氣候溫差大，年際間降水量變化也較大。該區(qū)大氣影響深度4～5m，大氣影響急劇層深度一般在2.3m左右。梁堤頭地區(qū)呈三角凸起臺狀地貌，徑排條件好，粘土陡坡坡度變化大，更易直接受大氣影響[3]。特殊的地形使該區(qū)干濕波動速度明顯大于普通地區(qū)。越接近北部堤緣，地裂縫發(fā)生次數(shù)愈多。根據(jù)梁南村地下水多年來監(jiān)測結(jié)果顯示，該區(qū)高程普遍在60～63m之間，地表粘土層多位于位于淺水層位以上(圖2)。因此地下水位的變幅對粘土層含水量影響不大。

粘土層表層土體結(jié)構(gòu)在干旱季節(jié)易遭到破壞以至崩解，裂縫擴(kuò)大。粘土層厚度越大、失水越多，其裂縫幅度越大。汛期時，大氣降雨對地表不均勻的水頭作用直接造成裂隙粘土層應(yīng)力的急劇變化，粘土層裂隙和深度的分布不均，進(jìn)一步加大了地裂縫的發(fā)生發(fā)展，部分裂縫甚至直接作用于建筑物，造成建筑物墻體開裂。

但地表粘土裂縫有一定的隱蔽性，主要是表層土在汛期對小型裂縫的沖蝕和掩蓋。

圖2　梁南村多年來地下水位動態(tài)曲線圖

非均質(zhì)軟層地基：用作地基的裂隙粘土與其他粉土等混合用作地基時，不宜壓實。梁堤頭地區(qū)建筑物用作地基的墊層一般含粘土比例較高，且不經(jīng)晾曬，混合不均，經(jīng)碾壓后，其壓實干密度指標(biāo)一般達(dá)不到建筑物地基要求[4]。非均質(zhì)軟層地基的缺點是：

(1)地基沉降量大，一般可達(dá)數(shù)厘米甚至數(shù)十厘米。

(2)地基沉降時間長,一般達(dá)數(shù)年至數(shù)十年。軟土地基厚度越大，固結(jié)速度越慢。

(3)地基沉降不均勻，由于上部建筑物結(jié)構(gòu)的特點與荷載差異，常常引起地基不均勻沉降，造成建筑物的錯位開裂。

(4)地基抗剪強(qiáng)度低，壓實遇水后強(qiáng)度變化劇烈。

滲透穩(wěn)定性：裂隙粘土作為一類特殊性粘土，在裂隙不發(fā)育的位置如地表-3m以下表現(xiàn)出一般粘土一致的滲透特性，屬于細(xì)粒土，滲透變型形式為流土，具有弱的透水性和較強(qiáng)的抗?jié)B穩(wěn)定性。但地表風(fēng)化的混合土層在雨季被沖蝕后，會在地表裂隙發(fā)育區(qū)不同位置形成不均勻的水頭作用，一旦部分區(qū)域的裂隙粘土的裂隙暢通，就會形成不均勻的粘土浸潤區(qū)，甚至部分被沖蝕，導(dǎo)致應(yīng)力的不均勻分布。

3.2裂隙粘土分布區(qū)

黃河流經(jīng)魯豫交界處，形成曲流河、辮狀河和復(fù)雜的地形地貌，自然堤、洼地、泛淤平地、沙丘、沙崗、小型沖積扇等微地貌的交錯分布[5]。該區(qū)是山東地區(qū)裂隙粘土層主要沉積區(qū)之一[6]。

地裂縫和地基不均勻沉陷主要發(fā)生在地勢較高裂隙粘土層分布區(qū)，粘土層一般在淺層地下水位線以上，粘土層直接出露于地表。該類地裂縫易發(fā)區(qū)分布特征為：

蛇曲地帶：由不斷淤高的河槽和灘地組成。蛇曲帶的不斷分叉、匯合，淤積地帶呈網(wǎng)狀分布。老河道逐年淤積，比降變小，輸水機(jī)能逐漸衰退，給厚粘土層的形成提供了條件。

自然堤：主要在蛇曲河道的兩側(cè)，以最高邊灘為核心及新老決口扇、新老決口舌相互疊蓋而成。黃河故道兩側(cè)的許多“堤頭”村應(yīng)為地裂縫和地基不穩(wěn)定的高發(fā)區(qū)域。

泛濫洼地：分布在新老蛇曲河床和自然堤之間的洼地，地表多為厚粘土層。但由于低洼區(qū)水位較淺，粘土裂隙較小，一般不宜出現(xiàn)地裂縫，但地基不穩(wěn)定依然存在。

4　地質(zhì)災(zāi)害防治方法

4.1地基加固處理

梁堤頭村的地質(zhì)災(zāi)害防治可采用地基加固處理和搬遷避讓等方法。根據(jù)該村實際情況，該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害工程防治宜采用操作簡便且成本相對較低的地基處理工藝。主要有以下3種。

(1)粘土層石灰粉攪拌法。通過深層攪拌機(jī)在地基范圍內(nèi)對粘土層進(jìn)行攪拌，同時加入生石灰和粉煤灰進(jìn)行穩(wěn)定處理，生石灰和粉煤灰通過水化放熱和吸水作用可使土粒重新排序，降低地基含水量，并通過離子交換形成抗壓強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的地基樁體。生石灰和粉煤灰比例為1∶4～1∶5混合，可提高早期強(qiáng)度和地基最終強(qiáng)度[1]。

(2)土木加固法。在地基中分層鋪設(shè)土工格柵，利用格柵和粘土的相互作用力增加地基強(qiáng)度。格柵可以以10～20cm厚度的石英砂作為鋪墊，填土壓實厚度20～30cm。一般有2～3層格柵即可。

(3)強(qiáng)夯加固法。將破碎水泥樁體或石料等強(qiáng)行夯入地基，形成復(fù)合樁體，使加密的地基土層和樁體形成強(qiáng)度較高的硬殼層，降低其壓縮性和膨脹性。

4.2搬遷避讓

對粘土層厚度很大、地裂縫反復(fù)出現(xiàn)的梁堤頭村北區(qū)，房屋如繼續(xù)開裂，建議進(jìn)行搬遷，避開裂縫帶嚴(yán)重地區(qū)，不宜在原址重建。

新址選擇應(yīng)考慮地基條件，進(jìn)行必要的工程勘察，在粘土層、粉土層均勻分層且厚度不大的地區(qū)應(yīng)適宜建房。經(jīng)充分論證后集中進(jìn)行搬遷避讓。在新建建筑物時，建議將地基下膨脹土全部清除，然后用非膨脹土回填，徹底清除安全隱患。

5　結(jié)語

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在魯豫交界的黃河故道地區(qū)，地勢較高的自然堤地區(qū)是地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，厚層裂隙粘土層的存在則是地裂縫發(fā)生的主因。建議對該區(qū)地形、地貌、地層進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查勘測，重點調(diào)查各類“堤頭村”及附近區(qū)域，形成大比例尺的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布圖。梁堤頭村禁止附近磚瓦窯廠對灘頭村莊周圍的堤坡進(jìn)行采挖，防止粘土層過量失水，導(dǎo)致裂隙加劇。建議地方地環(huán)監(jiān)測部門加強(qiáng)對地下水水位，地裂縫和房屋開裂現(xiàn)象繼續(xù)進(jìn)行長期觀測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

[1]王晶，江巍，王洪娟.紅粘土地基處理方法分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2009，35(5)：93-95.

[2]許炯心.低流量及間歇性斷流條件下黃河下游的河床沉積過程與形態(tài)調(diào)整[J].泥沙研究，2001,(1):10-17.

[3]陽云華，趙旻，郭偉，等.南陽盆地膨脹土大氣影響深度及其工程意義[J].人民長江， 2007,38(9):11-13.

[4]談云志，孔令偉，郭愛國，等.紅黏土路基填筑壓實度控制指標(biāo)探討[J].巖土力學(xué)，2010，(3)：851-855.

[5]馬程遠(yuǎn). 從黃河河道遷徙看下游平原地貌的發(fā)育[J].河南師大學(xué)報(自然科學(xué)版),1981,(1):90-97.

[6]歐釗元.山東省裂隙粘土成因及水利工程應(yīng)用研究[D].碩士論文，中國海洋大學(xué)，2006.

Causes and Prevention of Quaternary Ground Fissures in Liangditou Area of Cao County

FENG Chaochen1, HUANG Wenfeng2，ZHENG Xiurong3

(1. Lunan Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Yanzhou 272100, China; 2. Heze Mineral Resources Exploration and Development Center，Shandong Heze 274000, China;3.2. Shandong Monitoring Center of Geological Environment, Shandong Jinan 250014, China)

In old course of the Yellow River in Caoxian county, high natural dam area is a high happening area of geological disasters, such as ground fissures. Ground fissures are mainly caused by dry, wet, expansion and contraction of thick clay layer surface. It has certain concealment and be affected by terrain and atmosphere. Groundwater dynamic changes will affect ground fissures weekly. Direct effect of surface tension fracture, inhomogeneous settlement of foundation of heterogeneous soil of buildings have caused ground crackings together. Foundation reinforcement, moving and avoidance can be carried out for prevention and control.

Natural levee; fissured clay ;hidden; ground fissures; Caoxian county

2014-05-14；

2014-06-04；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

馮超臣(1982—),男，山東曹縣人，工程師，主要從事水文地質(zhì)工作；E-mail:hezedihuan@163.com

P642.2

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