高啟鳳　陳玉蓮　武孟豪（華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)　燕郊　065201）

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三河市大胡莊村地面塌陷成因分析及機(jī)理研究

高啟鳳陳玉蓮武孟豪
（華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)燕郊065201）

摘要本文針對(duì)三河市齊心莊地區(qū)出現(xiàn)的塌陷坑，通過資料搜集、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探、地質(zhì)鉆探等綜合勘查方法，查明大胡莊村地面塌陷的發(fā)育特征及形成機(jī)理。

關(guān)鍵詞地面塌陷視電阻率垂向測深鉆探成因分析巖溶

DOI∶10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.02.013

1　引言

2013年6月14日下午，齊心莊村民在施工灌溉井過程中，地面突然塌陷，形成倒圓錐形的大坑，東西長18.7 m，南北長19 m，最大深度10.4 m，5 m高井塔瞬間被吞沒，塌陷坑地表周邊裂縫明顯，延伸長度達(dá)5 m。塌陷坑位于村莊主干道上，塌陷坑邊緣距最近的民房僅1 m，嚴(yán)重威脅周邊居民及生命財(cái)產(chǎn)安全。

本文對(duì)齊心莊大胡莊村地面塌陷的發(fā)育特征及形成機(jī)理的調(diào)查工作主要是通過采用資料搜集、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探、地質(zhì)鉆探等多種勘查手段及綜合研究分析。

2　地質(zhì)環(huán)境背景特征

（1）地層巖性

調(diào)查區(qū)出露為第四紀(jì)地層，下伏基巖為古生界奧陶系石灰?guī)r。本區(qū)第四系沉積物主要由潮白河沖積物組成，巖性以亞砂土、亞粘土夾粗砂卵礫石為主，總厚度約160 m。

（2）地質(zhì)構(gòu)造及區(qū)域地殼穩(wěn)定性

調(diào)查區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（I）華北斷拗（II）冀中臺(tái)陷（III）的次級(jí)構(gòu)造單元大興斷凸（IV），附近區(qū)域斷裂主要為夏墊斷裂和南口-孫河斷裂。研究區(qū)基本地震加速度值為0.20 g，抗震設(shè)防烈度8度，區(qū)域地殼不穩(wěn)定，構(gòu)造分布見圖1。

圖1　構(gòu)造分布圖

（3）水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于泃河沖積平原水文地質(zhì)區(qū)，主要含水層為深層古生界奧陶系碳酸鹽巖含水層和新生界第四系松散巖類孔隙含水層。

第四系含水層巖性以亞砂土、亞粘土夾粗砂卵礫石為主，區(qū)內(nèi)厚度80 m以上，富水性一般15～80 m3/h·m，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg。

奧陶系碳酸鹽巖含水層巖性以石灰?guī)r、泥質(zhì)石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，依據(jù)區(qū)內(nèi)以往水文地質(zhì)勘探成果資料，鉆孔溶隙可見率為100%，溶孔可見率為92.3%，溶洞可見率為23%，巖溶較發(fā)育。富水性55.98～217.50 m3/h·m，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg，礦化度0.36～0.41 g/L。

圖2　10和40線視電阻率反演擬斷面圖

3　調(diào)查手段及工作成果

（1）視電阻率垂向測深剖面

首先在調(diào)查區(qū)內(nèi)開展在水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作，之后再以本次塌陷坑為中心布設(shè)“十字”視電阻率垂向測深剖面（10線方位82°；40線方位344°），探測地下0～500 m范圍內(nèi)是否有溶洞存在、探明其空間位置、形態(tài)及發(fā)育規(guī)模。

通過測深剖面電阻率斷面等值線（圖2）推斷淺部100 m內(nèi)的高阻層應(yīng)為粘土層夾細(xì)砂層的反映，中部低阻層為中粗砂層夾卵石層的反映，而深部高阻為灰?guī)r反映。在10線附近電阻率中部反映出明顯的低阻特征，推測此區(qū)域巖層松散，含水率高，在灰?guī)r可能發(fā)育規(guī)模較大的溶洞。

（2）鉆探

為驗(yàn)證視電阻率垂向測深剖面10線和40線低阻區(qū)域，在地面塌陷坑?xùn)|南25 m處施工350.09 m鉆孔（虛線為鉆孔垂直投影位置），根據(jù)鉆孔巖芯資料可以看出上部地層為第四系松散粉質(zhì)粘土、砂土及卵礫石，下部為寒武和奧陶系灰?guī)r地層。自上而下可分為9層，見表1。

表1　地層巖性表

從鉆孔巖芯編錄資料來看，160.10～238.10 m為灰?guī)r，238.10～349 m為白云質(zhì)灰?guī)r。本次施工的鉆孔自上之下共發(fā)育5層溶洞，分別為：171.71～174.87 m，溶洞高3.16 m；193.75～195.56 m，溶洞高1.81 m，199.43～201.03 m，溶洞高1.6 m，218.99～222.49 m，溶洞高1.5 m，271.53～272.13 m，溶洞高0.6 m。單個(gè)溶洞最高達(dá)3.16 m，溶洞總高度8.67 m。奧陶紀(jì)中厚層狀含泥質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙較寒武紀(jì)上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r發(fā)育。同時(shí)區(qū)域地質(zhì)資料顯示調(diào)查區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條走向40°～50°，傾向北，傾角為50°～70°的斷裂，斷裂帶呈弧形外凸，張性斷裂發(fā)育。受構(gòu)造活動(dòng)的影響，堅(jiān)硬的灰?guī)r易破碎，使本區(qū)巖溶極其發(fā)育，為溶洞裂隙的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。

4　地面塌陷成因機(jī)理

本次地面塌陷形成的原因主要是打井鉆機(jī)在施工過程中對(duì)上覆地層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，上覆土層在機(jī)械振動(dòng)及鉆孔應(yīng)力集中效應(yīng)下，上覆巖土層力學(xué)強(qiáng)度大大降低，同時(shí)大量漏水導(dǎo)致地下水動(dòng)力條件急劇變化，直接誘發(fā)了本次地面塌陷。

調(diào)查區(qū)屬于典型的覆蓋型巖溶區(qū)，上部為第四系松散堆積物，下部為巖溶極其發(fā)育的碳酸鹽巖。覆蓋型巖溶地面塌陷的產(chǎn)生與土洞的形成、擴(kuò)大密不可分。

⑴基底灰?guī)r巖溶發(fā)育形成了初始溶洞、溶蝕裂隙及上覆松散第四系砂土層為土洞的形成奠定了基礎(chǔ)。

⑵鉆孔鉆進(jìn)至卵石層時(shí)發(fā)生大量漏水，孔內(nèi)壓力降低，砂土向孔內(nèi)塌落，同時(shí)砂土隨水的漏失，沿巖溶裂隙向溶洞內(nèi)堆積，在第四系巖土層中形成初始土洞。

⑶上覆砂土及粉土沿裂隙持續(xù)向洞中陷落，土洞規(guī)模不斷擴(kuò)大，向上部呈拱形發(fā)展。

⑷土洞進(jìn)一步擴(kuò)大，向地表發(fā)展，頂板變薄，當(dāng)拱頂薄到不能支持上部的重量時(shí)，便突然發(fā)生塌陷。

水井鉆機(jī)施工擾動(dòng)使上部粉質(zhì)粘土、砂土力學(xué)強(qiáng)度大大降低，同時(shí)大量漏水導(dǎo)致孔內(nèi)壓力驟降，周邊砂土向孔內(nèi)塌落，同時(shí)砂土及粉土隨水的漏失一起進(jìn)入洞中或被帶走，使b、c、d階段瞬間完成，從而產(chǎn)生了本次地面塌陷。

5　結(jié)論

⑴調(diào)查區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，基底灰?guī)r巖溶洞隙發(fā)育，連通性好；灰?guī)r上覆粘土層的不連續(xù)發(fā)育，有利于巖溶水和第四系孔隙水的連通，第四系中的沖洪積粉質(zhì)粘土及砂土有利于土洞的形成、發(fā)展。總的來說，本區(qū)脆弱的地質(zhì)環(huán)境是大胡莊村地面塌陷產(chǎn)生的客觀條件。

⑵打井鉆機(jī)施工擾動(dòng)及不合理的操作極大加速了土洞的發(fā)育，是產(chǎn)生本次地面塌陷的直接誘發(fā)原因。

參考文獻(xiàn)

［1］三河電廠齊心莊與北務(wù)水源地供水水文地質(zhì)勘探報(bào)告，河北省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，河北，1994.1.

［2］河北省三河康家灣、大福莊井田詳細(xì)勘探報(bào)告，河北省煤田地質(zhì)勘探公司第一勘探隊(duì)，河北，1972.10.

［3］北京地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造體系圖說明書（1/10萬），北京市地震地質(zhì)會(huì)戰(zhàn)辦公室，1976.6.

收稿：2015-12-31