山东泰安市岩溶塌陷易发性评估与防治对策

焦玉国，陈伟清，程 凤

(山东省第五地质矿产勘查院，山东泰安 271021)

0 引言

自20世纪50年代起，国内外相继开展了岩溶塌陷的研究，其研究进程可分成三个阶段:零散研究阶段(80年代以前)、区域研究阶段(80年代)和综合防治阶段(90年代以后)［1］，同时，研究重点也先后经历了水化学溶蚀和风化地貌研究-岩溶水文地质学研究-环境保护和灾害防治研究三个阶段［2］，在岩溶塌陷分布规律、成因类型、形成机理及影响因素等方面的研究成果丰硕，为各地开展地质灾害防治提供了重要的基础资料和决策依据。而岩溶塌陷风险性评估是在对已有塌陷形成机理研究的基础上开展的预测性工作，是一个由已知预测未知的过程［3］，根据风险性评估结果开展地质灾害防治，可以有效降低地质灾害造成的损失，已成为目前政府防灾减灾的重要手段。

泰安市岩溶塌陷发生历史久、分布范围广、危害程度大，在我国北方地区具有较强的代表性(图1)。近年来多名学者围绕塌陷成因机理、影响因素及灾害防治等内容，在此开展了大量的调查研究工作，获得了许多的研究成果［4-7］，在塌陷防治方面也取得了不少成功的经验。

本文选取了水动力条件、第四系盖层、岩溶发育程度和人类工程活动4个一级因子，并在此基础上进行二级影响因素的分析，采用综合指数法对泰安市城区岩溶塌陷易发性进行评估和区划，并提出相应的防治措施，为当地防灾减灾提供了重要依据。

1 岩溶塌陷易发性评估

1.1 评估方法

评估方法采用综合指数法，根据本区岩溶塌陷形成的条件及主要影响因素，选取10个指标，按照它们对塌陷发育的影响大小分为四级，综合已有的实践经验分别赋予经验指标。评估公式为:

式中:

R——综合指数(无量纲);

W——水动力条件指数，W=W1+W2+W3;

W1——水位波动指数;

W2——地下水径流条件指数;

W3——地表水系指数;

Q——第四系盖层指数，Q=Q1+Q2;

Q1——盖层厚度指数;

Q2——盖层岩性结构指数;

K——岩溶发育程度指数，K=K1+K2;

K1——现状岩溶发育程度指数;

K2——断裂构造指数;

M——人类工程活动指数，M=M1+M2+M3;

M1——地下水开采量指数;

M2——建筑物密度指数;

M3——对地下土体的扰动指数。

1.2 评估标准

对各评估因子根据经验取值(表1)，以综合指数(R)将岩溶塌陷的可能性进行四级分区，评估标准为:高易发区R≥40;中易发区35≤R＜40;低易发区25≤R＜35;不易发区R＜25。

1.3 评估区选择与评估单元划分

根据研究区地质情况，将不具备岩溶塌陷发生的物质条件的地区剔除。这些地区包括老变质岩出露 区、无第四系盖层发育区以及无隐伏灰岩发育区。

图1 泰安市城区已发岩溶塌陷分布图Fig.1 The karst collapse distribution map of Tai'an city

根据本区地形地貌特征、人口分布、村庄疏密、水系发育、塌陷发生密度以及交通状况等情况，将上述参与评估的区域以500m×500m的正方形区域为一个单位，在对均匀划分后的单元格进行合并、重组后，最终划分为510个参与各指标评估的单元格，参评区单元格按照横向 A、B、CZ、ZA、ZB、ZC、ZD、ZE，纵向按照1～28编号。

1.4 评估因子分值的确定

根据实际调查结果，对每个单元格关于水位波动情况、水力梯度、地表水系、盖层厚度、盖层岩性结构、现状岩溶发育程度、断裂、地下水开采模数、建筑物密度(荷载)、对地下土体的扰动共10个二级因子进行打分。

1.5 二级因子叠加运算

将上面得出的每个单元格的10个二级因子打分结果进行累积求和，即得到每个单元格的综合评定分数R。根据R的取值不同，按评估分级标准，将评估区划分为岩溶塌陷高易发区、中易发区、低易发区和不易发区，经对相同级别进行圆滑连线，得到岩溶塌陷易发性评估分区图(图2)。

表1 岩溶塌陷地质灾害风险性评估因子取值表Table 1 Karst collapse factor of risk evaluation of geological disaster

1.6 评估结果评述

①高易发区:分布在泰安市城区、徐家楼街办的栗家庄、上高街办以及省庄镇的东苑庄、西苑庄、东羊娄、羊南村、羊西村、羊东村、圣元官庄、南北许家埠、前旧县村、中旧县村、后旧县村。

②中易发区:基本分布在高易发区的周边地区，为高易发区在某些岩溶塌陷二级因子弱化时综合评分退化的结果。其次在琵琶湾、尚家楼、白峪店子、篦子店等村庄也零星分布。

③低易发区:除了岩溶塌陷高易发区、中易发区以及南部石灰官庄、朱家埠、洪沟店、寨以及东边桂林官庄、前官庄等灰岩出南邢家露地表的附近区域外，广泛分布于评估区内。

④不易发区:分布于灰岩出露地表的周边地区，如桂林官庄、洪沟店、南邢家寨、兴隆庄以及夏庄等，另外在西边下旺村、东边前官庄等村也有分布。

2 岩溶塌陷治理对策与防治效果分析

2.1 预防措施

对岩溶塌陷进行预测的基础上，进行预防，可未雨绸缪，防患于未然，其预防措施主要有:①加强宣传，在岩溶塌陷易发区普及岩溶塌陷知识;②树立警示牌;③开展勘察，搬迁避让;④设置完善的排水系统，进行地表排水;⑤调整开采布局，控制地下水位;⑥建立健全预警预报系统;⑦改变建筑物地基结构;⑧加速有关法制、法规建设。

2.2 岩溶塌陷的治理措施及其效果分析

岩溶塌陷的治理措施多种多样，具体方法有清除填堵法、地表封闭处理法、跨越法、强夯法、深基础法、灌注法、旋喷加固法、地表水的疏排围改治理及平衡地下水和气压力等方法。适用于本地区的工程治理方法主要包括以下几种:

①清除填堵法:常用于塌坑较浅或浅埋的土洞，首先清除其中的松土，填入块石、碎石，做成反滤层，然后上覆粘土夯实。对于重要建筑物，一般需要将坑底或洞底与基岩面的通道堵塞，可开挖回填混凝土或设置钢筋混凝土板，也可灌浆处理。

羊娄、栗家庄等地发生的小型塌陷，塌坑深度小于2m，直径小于2m，多采用此种方法由当地群众自行处理。2002年泰山区财源街办更新村两栋住宅楼之间发生岩溶塌陷，塌坑长7m，宽4m，深5m，后用混凝土充填，并作钢筋混凝土作顶板，监测至今该处地面无沉降变化。

图2 岩溶塌陷易发性分区图Fig.2 Susceptibility zonation map of karst collapse

②跨越法:用于塌陷坑或土洞较深大，开挖回填有困难的处理方法。一般以梁板跨越，两端支撑在可靠的岩、土体上。泰山区铁路三角区津浦线上自1977年以来不断发生大小规模不一的塌陷，使铁路下沉、桥涵变形，最终的治理方案为压浆与桥跨法相结合，即采用“架旱桥”的方式，让桥墩直接置于基岩上，总治理费用超过3000万元［8］。经过30多年的运用实践证明，该方法彻底消除了塌陷隐患，治理效果显著。

③地表水的疏排围改治理:地表水的排泄不畅也是本地区岩溶塌陷的另一个诱因。通过对泰山区訾家灌庄岩溶塌陷区开展勘察工作查明，塌陷区内梳洗河汛期排水不畅，使得地表水大量涌入地势低洼处，是导致该区年年发生岩溶塌陷的重要诱因。2012年泰山区已申请财政资金，对塌陷区内的梳洗河开展河底清淤、抬高岸堤和疏通河道等工程，以此切断诱发塌陷的外部因素，达到控制塌陷进一步发生的可能。

3 建议

3.1 建立岩溶塌陷的预警预报系统

泰安市岩溶塌陷发生已久，在我国北方岩溶地区具有较强的代表性。泰安地区过去水工环工作开展较多，岩溶塌陷研究程度高，具有经济损失评估与预警预报的条件。建议在下一步工作中，建立泰安地区岩溶塌陷监测网络，通过对水位、水温、浊度、地面、建筑物及塌陷前兆现象等进行实时监测，借助基于GIS的岩溶塌陷预警预报系统，并结合物探剖面工作，预测其发展趋势，开展岩溶塌陷地质灾害的预警预报示范工作。

3.2 开展岩溶塌陷的恢复治理示范工程

岩溶塌陷破坏耕地、房屋、交通设施等，给工农业造成较大损失。泰安市岩溶塌陷除铁路三角区由铁路部门开展过治理工作和地勘部门对东羊娄塌陷区、訾家灌庄塌陷区开展调查外，其它地区至今并没有开展此项工作，发生的小塌陷坑多为当地群众自行填埋，像东羊娄塌陷等大的塌陷坑至今都没有开展过治理工程。建议下一步工作中选择东羊娄大塌坑等典型塌陷开展岩溶塌陷的治理研究，作为本区乃至全省岩溶塌陷的恢复治理示范工程。

4 结论

泰安市城区岩溶塌陷易发区主要分布在旧镇铁路三角区、旧县水源地及羊娄一带，致塌因子以隐伏灰岩岩溶发育程度、第四系盖层厚度和地下水水位波动等因素影响最大，是岩溶塌陷易发程度的主要控制因素。其次，本区岩溶塌陷在北方地区具有较强的代表性，开展塌陷恢复治理工程对于北方地区岩溶塌陷治理具有较强的示范作用。

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［3］雷明堂，蒋小珍，李瑜.岩溶塌陷综合预测评价的理论与方法［J］.中国地质灾害与防治学报，1997，8(S1):38-42.LEI Mingtang，JIANG Xiaozhen，LI Yu.The theory and method ofcomprehensiveevaluation ofkarstcollapse prediction［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1997，8(S1):38-42.

［4］朱大力.泰安地区地面塌陷简析［J］.铁道工程学报，1985(1):90-92.ZHU Dali.Analysis of ground collapse in Tai'an area［J］.Journal of Railway Engineering，1985(1):90-92.

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［7］高宗军.泰安岩溶地面塌陷形成机理与防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2001(12):73-76.GAO Zongjun.The formation mechanism and Countermeasures of Tai'an karst ground collapse［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2001(12):73-76.

［8］曾经道，张举贤.津浦铁路泰安岩溶地面塌陷成因与整治［J］.铁道工程学报，1996(2):169-175.ZENG Jingdao，ZHANG Juxian.Formation and regulation of karst ground collapse in Tai'an Jinpu Railway［J］.Journal of Railway Engineering，1996(2):169-175.