三河市大胡莊村地面塌陷成因分析及機理研究

高啟鳳　陳玉蓮　武孟豪（華北地質勘查局綜合普查大隊　燕郊　065201）

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三河市大胡莊村地面塌陷成因分析及機理研究

高啟鳳陳玉蓮武孟豪
（華北地質勘查局綜合普查大隊燕郊065201）

摘要本文針對三河市齊心莊地區出現的塌陷坑，通過資料搜集、水文地質及工程地質調查、地球物理勘探、地質鉆探等綜合勘查方法，查明大胡莊村地面塌陷的發育特征及形成機理。

關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，嚴重威脅周邊居民及生命財產安全。

本文對齊心莊大胡莊村地面塌陷的發育特征及形成機理的調查工作主要是通過采用資料搜集、水文地質及工程地質調查、地球物理勘探、地質鉆探等多種勘查手段及綜合研究分析。

2　地質環境背景特征

（1）地層巖性

調查區出露為第四紀地層，下伏基巖為古生界奧陶系石灰巖。本區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）地質構造及區域地殼穩定性

調查區位于中朝準地臺（I）華北斷拗（II）冀中臺陷（III）的次級構造單元大興斷凸（IV），附近區域斷裂主要為夏墊斷裂和南口-孫河斷裂。研究區基本地震加速度值為0.20 g，抗震設防烈度8度，區域地殼不穩定，構造分布見圖1。

圖1　構造分布圖

（3）水文地質條件

研究區位于泃河沖積平原水文地質區，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，區內厚度80 m以上，富水性一般15～80 m3/h·m，水化學類型為HCO3-Ca·Mg。

奧陶系碳酸鹽巖含水層巖性以石灰巖、泥質石灰巖、白云質灰巖為主，依據區內以往水文地質勘探成果資料，鉆孔溶隙可見率為100%，溶孔可見率為92.3%，溶洞可見率為23%，巖溶較發育。富水性55.98～217.50 m3/h·m，水化學類型為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　調查手段及工作成果

（1）視電阻率垂向測深剖面

首先在調查區內開展在水文地質與環境地質調查工作，之后再以本次塌陷坑為中心布設“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范圍內是否有溶洞存在、探明其空間位置、形態及發育規模。

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

（2）鉆探

為驗證視電阻率垂向測深剖面10線和40線低阻區域，在地面塌陷坑東南25 m處施工350.09 m鉆孔（虛線為鉆孔垂直投影位置），根據鉆孔巖芯資料可以看出上部地層為第四系松散粉質粘土、砂土及卵礫石，下部為寒武和奧陶系灰巖地層。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為灰巖，238.10～349 m為白云質灰巖。本次施工的鉆孔自上之下共發育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。單個溶洞最高達3.16 m，溶洞總高度8.67 m。奧陶紀中厚層狀含泥質灰巖巖溶裂隙較寒武紀上統白云質灰巖發育。同時區域地質資料顯示調查區內發育兩條走向40°～50°，傾向北，傾角為50°～70°的斷裂，斷裂帶呈弧形外凸，張性斷裂發育。受構造活動的影響，堅硬的灰巖易破碎，使本區巖溶極其發育，為溶洞裂隙的發育奠定了基礎。

4　地面塌陷成因機理

本次地面塌陷形成的原因主要是打井鉆機在施工過程中對上覆地層產生較大的擾動，上覆土層在機械振動及鉆孔應力集中效應下，上覆巖土層力學強度大大降低，同時大量漏水導致地下水動力條件急劇變化，直接誘發了本次地面塌陷。

調查區屬于典型的覆蓋型巖溶區，上部為第四系松散堆積物，下部為巖溶極其發育的碳酸鹽巖。覆蓋型巖溶地面塌陷的產生與土洞的形成、擴大密不可分。

⑴基底灰巖巖溶發育形成了初始溶洞、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。

⑵鉆孔鉆進至卵石層時發生大量漏水，孔內壓力降低，砂土向孔內塌落，同時砂土隨水的漏失，沿巖溶裂隙向溶洞內堆積，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向洞中陷落，土洞規模不斷擴大，向上部呈拱形發展。

⑷土洞進一步擴大，向地表發展，頂板變薄，當拱頂薄到不能支持上部的重量時，便突然發生塌陷。

水井鉆機施工擾動使上部粉質粘土、砂土力學強度大大降低，同時大量漏水導致孔內壓力驟降，周邊砂土向孔內塌落，同時砂土及粉土隨水的漏失一起進入洞中或被帶走，使b、c、d階段瞬間完成，從而產生了本次地面塌陷。

5　結論

⑴調查區斷裂構造發育，基底灰巖巖溶洞隙發育，連通性好；灰巖上覆粘土層的不連續發育，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粘土及砂土有利于土洞的形成、發展。總的來說，本區脆弱的地質環境是大胡莊村地面塌陷產生的客觀條件。

⑵打井鉆機施工擾動及不合理的操作極大加速了土洞的發育，是產生本次地面塌陷的直接誘發原因。

參考文獻

［1］三河電廠齊心莊與北務水源地供水水文地質勘探報告，河北省地礦局第二水文地質工程地質大隊，河北，1994.1.

［2］河北省三河康家灣、大福莊井田詳細勘探報告，河北省煤田地質勘探公司第一勘探隊，河北，1972.10.

［3］北京地區活動構造體系圖說明書（1/10萬），北京市地震地質會戰辦公室，1976.6.

收稿：2015-12-31