摘要：本文以菏澤市牡丹區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險普查為依托，從牡丹區(qū)已發(fā)生的24處第四系地面塌陷中選取9處塌陷點進行分析，并優(yōu)選了1處塌陷通過高密度電阻率法、地質(zhì)雷達、鉆探、原位測試、分析化驗等方法對其形成機理進行了研究。通過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，掩埋了原建（構(gòu)）筑物，形成了空洞，當(dāng)受到地下水位波動頻繁等外力作用時，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；第四系地面塌陷；應(yīng)力平衡；形成機理

中圖分類號："TP393"文獻標(biāo)識碼："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理研究——以菏澤市牡丹區(qū)為例［J］.山東國土資源，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］，其中前兩種塌陷機理已基本明確，但第四系地面塌陷機理未查明。

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，并未被單獨列入地質(zhì)災(zāi)害內(nèi)，地面塌陷主要包括巖溶塌陷和采空塌陷，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人類工程活動的加劇，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。國內(nèi)外對第四系地面塌陷研究相對較少，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個方面對地面塌陷致災(zāi)因素進行分析，而并未說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］則認為烏蘇市四棵樹鎮(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。

本次通過高密度電阻率法［9-12］、地質(zhì)雷達法［13-16］、鉆探等方法對菏澤市第四系地面塌陷形成機理進行了相關(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（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砂為主。而遠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)地下水運動條件受氣象、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個主要含水巖組。以淺層孔隙水含水巖組對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、粉細砂，局部分布有中細砂，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，趙王河水面標(biāo)高高于附近淺層地下水標(biāo)高，趙王河補給淺層地下水。

根據(jù)塌陷坑附近監(jiān)測孔淺層地下水水位與降水觀測資料，受開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，地下水位埋深7.345m。

由于該塌陷發(fā)生于豐水期，周圍機井未使用，僅該住戶家中一民井用于日常生活用水，開采水量每日約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程度及礦物成分影響，含水黏土、粉質(zhì)黏土電阻率相對較低一般在8～15Ω·m；砂質(zhì)黏土、細砂電阻率相對較高，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，無論其含水與否，電阻率剖面圖均會呈現(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物探測線布置

探測目標(biāo)為3m×2.6m的區(qū)域，目標(biāo)區(qū)域面積7.8m2，受場地條件限制，現(xiàn)場共布設(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)雷達法，L3線布設(shè)了高密度電阻率法，其中高密度電阻率法點距1m，地質(zhì)雷達點距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。測線南部7～16m，電阻率值為5～8Ω·m，推測為富水好區(qū)。

圖3為L1線探地雷達法成果圖。電磁波速度取0.08m/ms進行時深轉(zhuǎn)換成圖，由于電磁波能量擴撒和衰減，本次雷達探測深度大致在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，推測為回填土分布。3～4m左右深度，出現(xiàn)能量較強的同相軸，推測為回填土與原土分界線。測線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，中部波形能量弱且頻率有增大趨勢，推測可能為富水空洞。

2.4鉆探驗證

在高密度電阻率異常區(qū)和地質(zhì)雷達異常區(qū)重合的地方進行鉆孔驗證，ZK1號孔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。為驗證該空洞情況，對ZK1號鉆孔進行擴孔工作，并且采用井下攝像機進行探視，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分別進行了不同程度的鉆探工作，通過現(xiàn)場巖心編錄情況，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直接出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象。這證明了8處第四系地面塌陷點在歷史上均存在人類活動痕跡。

4第四系地面塌陷機理分析

本次巖土試樣進行了易溶鹽土工試驗，分析結(jié)果表明場地中易溶鹽含量低，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▌宇l繁時，破壞了古建（構(gòu)）筑物，上部土層發(fā)生坍塌，進而發(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支點，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，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，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，就會形成第四系地面塌陷，見公式（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面上單位長度上的垂直應(yīng)力（kN/m）；

W為上覆土層EFHG單位長度上的重力（kN/m）；

T為洞體單位長度受到的摩阻力（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)叵滤畡恿l件改變時，原來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)黏土層強度降低，進而自穩(wěn)能力減弱；二是古建（構(gòu)）筑物頂板隨時間增長，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，進入了古建（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，便突然發(fā)生塌落，形成第四系地面塌陷。

5結(jié)論

本次通過菏澤市第四系地面塌陷這一地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，通過高密度電阻率法、鉆探、原位測試、巖土試驗等方法，查明了該區(qū)第四系地面塌陷形成的機理，即古建（構(gòu)）筑物在發(fā)育于全新世的黃河古河道改道時被掩埋，形成空洞，當(dāng)受到地下水位波動頻繁時，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理，對其他地區(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。

參考文獻：

［1］郭建強.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．

［2］羅小杰，沈建.我國巖溶地面塌陷研究進展與展望［J］.中國巖溶，2018，37（1）：101-111.

［3］李京天，朱凱，肖先煊，等.水位下降誘發(fā)覆蓋型巖溶塌陷發(fā)育機理［J/OL］.中國巖溶，1-15［2024-05-16］.

［4］藺林林，劉彬濤，楊晨，等.山東省曲阜市息陬鎮(zhèn)巖溶塌陷成因分析及防治措施研究［J］.山東國土資源，2023，39（4）：39-44.

［5］陳強強，雷薪雍，黃相巖，等.基于地球物理勘查技術(shù)的煤礦采空區(qū)探測研究［J］.煤炭技術(shù)，2024，43（4）：95-101.

［6］陳振.黃河沖積平原區(qū)第四系地面塌陷機理研究：以臨清市寺上村為例［J］.工程技術(shù)，2018（10）：56.

［7］胡海濤，周平根，蘇慧波.瓦房店市三家子地面塌陷變形機制分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，1995，6（1）：41-48.

［8］程曉黎.新疆烏蘇市四棵樹鎮(zhèn)、百泉鎮(zhèn)一帶地面塌陷機理分析［J］.西部探礦工程，2012，24（3）：99-100.

［9］徐錦山，鄧波.綜合物探方法在河北保定向陽村地面塌陷區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2012，23（4）：99-103.

［10］李子永，張利峰，王小天.高密度電阻率法三種不同裝置應(yīng)用效果對比研究［J］.山東國土資源，2023，39（7）：46-51.

［11］鄧中俊，楊玉波，姚成林，等.綜合物探在地面塌陷區(qū)探測中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2019，43（2）：441-448.

［12］曲彥丞，劉笑笑，郭朋，等.探地雷達和高密度電法在固廢填埋場治理中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報，2024，21（1）：35-43.

［13］朱楠男，李家存，葉培盛.探地雷達在古墓遺址探測中的應(yīng)用：以北京市通州區(qū)古墓群探測為例［J］.物探與化探，2017，41（3）：577-582.

［14］覃譚，趙永輝，林國聰，等.探地雷達在上林湖越窯遺址水下考古中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2018，42（3）：624-630.

［15］孟田華，黃麗，張海蛟，等.高頻探地雷達在古城墻修復(fù)效果評價中的應(yīng)用［J］.巖土工程技術(shù)，2024，38（2）：196-202.

［16］王瑞鵬，楊舒為，趙偉鋒，等.探究探地雷達劃分巖性界面應(yīng)用效果［J］.物探裝備，2024，34（1）：45-47.

［17］馬龍，賈琛，張曄，等.菏澤地區(qū)鄄城地?zé)崽锏責(zé)崴瘜W(xué)特征及成因研究［J］.山東國土資源，2024，40（3）：101-108.

［18］王世進，呂明英，張富中，等.魯西南平原區(qū)第四紀(jì)全新世地層劃分［J］.山東國土資源，2005（9）：30-34.

［19］馮超臣，黃文峰.魯西南平原高氟地下水水文地球化學(xué)特征［J］.山東國土資源，2005（5）：39-42.

［20］王華鋒，劉榮泉，鄭強，等.綜合物探在金屬礦采空區(qū)中的應(yīng)用：以焦家金礦望兒山采空區(qū)為例［J］.地質(zhì)與勘探，2013，49（3）：496-504.

［21］楊振威，嚴(yán)加永，劉彥，等.高密度電阻率法研究進展［J］.地質(zhì)與勘探，2012，48（9）：969-978.

［22］劉永亮，劉振宇，章程，等.綜合物探方法解譯表層巖溶帶空間結(jié)構(gòu)特征研究：以廣西平果市果化鎮(zhèn)生態(tài)試驗基地坡徑流場為例［J］.中國巖溶，2024，43（1）：209-218.

［23］郭銀河，章定文，祁妍敏，等.基于高密度電阻率成像法的低滲黏土中輕非水相液體運移規(guī)律探索［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2024，18（1）：261-269.

［24］吳勝輝，亞夏爾·亞力坤，依力哈木江·吐尼亞孜，等.高密度電阻率法在煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用：以鑫源煤礦為例［J］.新疆大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）（中英文），2023，40（6）：741-748.

［25］姚紀(jì)華，伍佑倫，宋子龍，等.探地雷達和高密度電法識別大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷研究［J］.工程地球物理學(xué)報，2023，20（5）：599-604.

［26］王華鋒.淺談高密度電阻率法在工程物探中的應(yīng)用［J］.工程技術(shù)與管理，2020，4（9）：37-39.

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

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"基金項目："菏澤市牡丹區(qū)自然資源局，項目名稱：菏澤市牡丹區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險普查，編號：HZSMDCGF2021-026"作者簡介："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，高級工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)方面的工作；E-mail：459184820@qq.com