曹縣梁堤頭地區第四系地裂縫成因及防治

馮超臣，黃文峰,鄭秀榮

(1．山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州　272100；2．菏澤市礦產資源勘探開發中心，山東 菏澤　274000；3.山東省地質環境監測總站，山東 濟南　250013)

曹縣梁堤頭地區第四系地裂縫成因及防治

馮超臣1，黃文峰2,鄭秀榮3

(1．山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州272100；2．菏澤市礦產資源勘探開發中心，山東 菏澤274000；3.山東省地質環境監測總站，山東 濟南250013)

魯豫交界的曹縣黃河故道地區，地勢較高的自然堤堤緣區是地裂縫等地質災害的高發區。地裂縫主要由地表厚粘土層干濕脹縮產生，有一定的隱蔽性，并受地形和大氣影響。地下水動態變化對地裂縫影響不大。地表裂隙張力的直接作用、建筑物的非均質土地基不均勻沉陷等因素的存在共同導致了該區民房開裂。可以采取加固地基和搬遷避讓等方法進行防治。

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.

曹縣梁堤頭鎮梁西村，位于魯豫交界黃河故道(曹縣段)北側，長期以來，該區堤緣區地裂縫現象不斷發生。地裂縫造成建筑物墻體開裂嚴重，并出現不均勻沉降、傾斜。據統計，該區域受破壞房屋超過百間。地裂縫易發區主要位于梁西村北部，干旱枯水季節該區地表粘土層龜裂明顯，部分地裂縫寬度達到15cm，長度一般在20～30m不等，深度達2～4m。該區地裂縫一般為第四系表層地裂縫，地裂縫規模較小，且有一定的隱蔽性，但對建筑物破壞較為嚴重。

1　地形地貌

曹縣梁堤頭鎮梁西村，位于魯豫交界黃河故道(曹縣段)北側，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

黃河屬于季節性多沙性河流，下游由于河床淤積加高，洪水經常漫溢河床，因此河漫灘前緣天然堤十分發育，使灘地前緣高仰、后緣低洼，形成較大的橫比降，其高仰的前緣習慣上稱為“灘唇”。在形態表現為河床兩側斷續形成與河床平行的高地，又稱天然堤。根據地形和地貌判斷，該村為黃河故道自然堤北向突出形成的“堤頭”。自然堤內側為黃河故道，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，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10～15km，高程在48～52m之間，后期應為黃河改道斷流， 因此扇狀平原地勢不再升高。決口扇東側為單縣高韋莊高灘地地區。

2　土層結構和物理特征

2.1土層結構

調查區的工程鉆探揭露：0～20m深度范圍內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、粉細砂互層；③層細砂。①層粘土區內分布不均，主要分布于梁堤頭鎮以北、梁東和梁西村以南、拾家莊村以西的區域。土體呈棕褐色，局部棕灰色，可塑—硬塑，干強度中等，韌性中等，無搖震反應，稍有光澤，含少許鐵錳質氧化物及其結核，局部夾薄層粉土和粉質粘土。厚度1.70～9.10m，平均厚度6.89m；層底標高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、粉細砂互層厚度0.50～16.20m，平均8.13m；層底標高36.21～59.02m。③層細砂區普遍分布，該層未穿透，范圍內最大揭露厚度20m 。

2.2主要物理性質

該區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境中形成，含硅、鐵、錳、鋁等氧化物并起到集聚膠結作用[1]。粘土有高液限、高含水量、高空隙比、高塑性等特性。依據現場實地踏勘，并向當地村民調查訪問，了解到粘土分布區地面隨氣候變化開裂現象明顯。依據鉆探揭露、野外鑒別，第①層、②-1層、②-2粘土，切面均較光滑，土體結構致密。依據室內試驗資料，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層粘土脹縮指標和漲縮變形量如表1，表2所示。

表1　①層粘土膨脹指標統計

2.3裂隙粘土層形成

黃河故道在曹縣梁堤頭地區呈明顯的蛇曲狀，形成不規則的天然堤和河漫灘。在黃河下游進入低流量并發生間歇性斷流的運行狀態后，河床發生強烈淤積。梁堤頭村作為灘唇地區，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，因此在堤緣內側垂向接受最穩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　工作區膨脹土脹縮變形量計算結果

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災害機理分析

該區地質災害主要是由裂隙粘土層特殊的物理和力學性質造成的。梁堤頭村農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，判別地災的形成主要受以下幾個方面影響。

地形及大氣影響：該區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，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]。特殊的地形使該區干濕波動速度明顯大于普通地區。越接近北部堤緣，地裂縫發生次數愈多。根據梁南村地下水多年來監測結果顯示，該區高程普遍在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。

粘土層表層土體結構在干旱季節易遭到破壞以至崩解，裂縫擴大。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力的急劇變化，粘土層裂隙和深度的分布不均，進一步加大了地裂縫的發生發展，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曲線圖

非均質軟層地基：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。梁堤頭地區建筑物用作地基的墊層一般含粘土比例較高，且不經晾曬，混合不均，經碾壓后，其壓實干密度指標一般達不到建筑物地基要求[4]。非均質軟層地基的缺點是：

(1)地基沉降量大，一般可達數厘米甚至數十厘米。

(2)地基沉降時間長,一般達數年至數十年。軟土地基厚度越大，固結速度越慢。

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

(4)地基抗剪強度低，壓實遇水后強度變化劇烈。

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

3.2裂隙粘土分布區

黃河流經魯豫交界處，形成曲流河、辮狀河和復雜的地形地貌，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]。該區是山東地區裂隙粘土層主要沉積區之一[6]。

地裂縫和地基不均勻沉陷主要發生在地勢較高裂隙粘土層分布區，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。該類地裂縫易發區分布特征為：

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，淤積地帶呈網狀分布。老河道逐年淤積，比降變小，輸水機能逐漸衰退，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，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。黃河故道兩側的許多“堤頭”村應為地裂縫和地基不穩定的高發區域。

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。但由于低洼區水位較淺，粘土裂隙較小，一般不宜出現地裂縫，但地基不穩定依然存在。

4　地質災害防治方法

4.1地基加固處理

梁堤頭村的地質災害防治可采用地基加固處理和搬遷避讓等方法。根據該村實際情況，該區地質災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。通過深層攪拌機在地基范圍內對粘土層進行攪拌，同時加入生石灰和粉煤灰進行穩定處理，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度高、穩定性強的地基樁體。生石灰和粉煤灰比例為1∶4～1∶5混合，可提高早期強度和地基最終強度[1]。

(2)土木加固法。在地基中分層鋪設土工格柵，利用格柵和粘土的相互作用力增加地基強度。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)強夯加固法。將破碎水泥樁體或石料等強行夯入地基，形成復合樁體，使加密的地基土層和樁體形成強度較高的硬殼層，降低其壓縮性和膨脹性。

4.2搬遷避讓

對粘土層厚度很大、地裂縫反復出現的梁堤頭村北區，房屋如繼續開裂，建議進行搬遷，避開裂縫帶嚴重地區，不宜在原址重建。

新址選擇應考慮地基條件，進行必要的工程勘察，在粘土層、粉土層均勻分層且厚度不大的地區應適宜建房。經充分論證后集中進行搬遷避讓。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　結語

通過調查發現，在魯豫交界的黃河故道地區，地勢較高的自然堤地區是地裂縫等地質災害的高發區，厚層裂隙粘土層的存在則是地裂縫發生的主因。建議對該區地形、地貌、地層進行詳細的調查勘測，重點調查各類“堤頭村”及附近區域，形成大比例尺的地質災害易發區分布圖。梁堤頭村禁止附近磚瓦窯廠對灘頭村莊周圍的堤坡進行采挖，防止粘土層過量失水，導致裂隙加劇。建議地方地環監測部門加強對地下水水位，地裂縫和房屋開裂現象繼續進行長期觀測，發現問題及時處理。

[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調整[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探討[J].巖土力學，2010，(3)：851-855.

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

[6]歐釗元.山東省裂隙粘土成因及水利工程應用研究[D].碩士論文，中國海洋大學，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：陶衛衛

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

P642.2

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