三河市大胡庄村地面塌陷成因分析及机理研究

高启凤　陈玉莲　武孟豪（华北地质勘查局综合普查大队　燕郊　065201）



三河市大胡庄村地面塌陷成因分析及机理研究

高启凤陈玉莲武孟豪
（华北地质勘查局综合普查大队燕郊065201）

摘要本文针对三河市齐心庄地区出现的塌陷坑，通过资料搜集、水文地质及工程地质调查、地球物理勘探、地质钻探等综合勘查方法，查明大胡庄村地面塌陷的发育特征及形成机理。

关键词地面塌陷视电阻率垂向测深钻探成因分析岩溶

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

1　引言

2013年6月14日下午，齐心庄村民在施工灌溉井过程中，地面突然塌陷，形成倒圆锥形的大坑，东西长18.7 m，南北长19 m，最大深度10.4 m，5 m高井塔瞬间被吞没，塌陷坑地表周边裂缝明显，延伸长度达5 m。塌陷坑位于村庄主干道上，塌陷坑边缘距最近的民房仅1 m，严重威胁周边居民及生命财产安全。

本文对齐心庄大胡庄村地面塌陷的发育特征及形成机理的调查工作主要是通过采用资料搜集、水文地质及工程地质调查、地球物理勘探、地质钻探等多种勘查手段及综合研究分析。

2　地质环境背景特征

（1）地层岩性

调查区出露为第四纪地层，下伏基岩为古生界奥陶系石灰岩。本区第四系沉积物主要由潮白河冲积物组成，岩性以亚砂土、亚粘土夹粗砂卵砾石为主，总厚度约160 m。

（2）地质构造及区域地壳稳定性

调查区位于中朝准地台（I）华北断拗（II）冀中台陷（III）的次级构造单元大兴断凸（IV），附近区域断裂主要为夏垫断裂和南口-孙河断裂。研究区基本地震加速度值为0.20 g，抗震设防烈度8度，区域地壳不稳定，构造分布见图1。

图1　构造分布图

（3）水文地质条件

研究区位于泃河冲积平原水文地质区，主要含水层为深层古生界奥陶系碳酸盐岩含水层和新生界第四系松散岩类孔隙含水层。

第四系含水层岩性以亚砂土、亚粘土夹粗砂卵砾石为主，区内厚度80 m以上，富水性一般15～80 m3/h·m，水化学类型为HCO3-Ca·Mg。

奥陶系碳酸盐岩含水层岩性以石灰岩、泥质石灰岩、白云质灰岩为主，依据区内以往水文地质勘探成果资料，钻孔溶隙可见率为100%，溶孔可见率为92.3%，溶洞可见率为23%，岩溶较发育。富水性55.98～217.50 m3/h·m，水化学类型为HCO3-Ca·Mg，矿化度0.36～0.41 g/L。

图2　10和40线视电阻率反演拟断面图

3　调查手段及工作成果

（1）视电阻率垂向测深剖面

首先在调查区内开展在水文地质与环境地质调查工作，之后再以本次塌陷坑为中心布设“十字”视电阻率垂向测深剖面（10线方位82°；40线方位344°），探测地下0～500 m范围内是否有溶洞存在、探明其空间位置、形态及发育规模。

通过测深剖面电阻率断面等值线（图2）推断浅部100 m内的高阻层应为粘土层夹细砂层的反映，中部低阻层为中粗砂层夹卵石层的反映，而深部高阻为灰岩反映。在10线附近电阻率中部反映出明显的低阻特征，推测此区域岩层松散，含水率高，在灰岩可能发育规模较大的溶洞。

（2）钻探

为验证视电阻率垂向测深剖面10线和40线低阻区域，在地面塌陷坑东南25 m处施工350.09 m钻孔（虚线为钻孔垂直投影位置），根据钻孔岩芯资料可以看出上部地层为第四系松散粉质粘土、砂土及卵砾石，下部为寒武和奥陶系灰岩地层。自上而下可分为9层，见表1。

表1　地层岩性表

从钻孔岩芯编录资料来看，160.10～238.10 m为灰岩，238.10～349 m为白云质灰岩。本次施工的钻孔自上之下共发育5层溶洞，分别为：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。单个溶洞最高达3.16 m，溶洞总高度8.67 m。奥陶纪中厚层状含泥质灰岩岩溶裂隙较寒武纪上统白云质灰岩发育。同时区域地质资料显示调查区内发育两条走向40°～50°，倾向北，倾角为50°～70°的断裂，断裂带呈弧形外凸，张性断裂发育。受构造活动的影响，坚硬的灰岩易破碎，使本区岩溶极其发育，为溶洞裂隙的发育奠定了基础。

4　地面塌陷成因机理

本次地面塌陷形成的原因主要是打井钻机在施工过程中对上覆地层产生较大的扰动，上覆土层在机械振动及钻孔应力集中效应下，上覆岩土层力学强度大大降低，同时大量漏水导致地下水动力条件急剧变化，直接诱发了本次地面塌陷。

调查区属于典型的覆盖型岩溶区，上部为第四系松散堆积物，下部为岩溶极其发育的碳酸盐岩。覆盖型岩溶地面塌陷的产生与土洞的形成、扩大密不可分。

⑴基底灰岩岩溶发育形成了初始溶洞、溶蚀裂隙及上覆松散第四系砂土层为土洞的形成奠定了基础。

⑵钻孔钻进至卵石层时发生大量漏水，孔内压力降低，砂土向孔内塌落，同时砂土随水的漏失，沿岩溶裂隙向溶洞内堆积，在第四系岩土层中形成初始土洞。

⑶上覆砂土及粉土沿裂隙持续向洞中陷落，土洞规模不断扩大，向上部呈拱形发展。

⑷土洞进一步扩大，向地表发展，顶板变薄，当拱顶薄到不能支持上部的重量时，便突然发生塌陷。

水井钻机施工扰动使上部粉质粘土、砂土力学强度大大降低，同时大量漏水导致孔内压力骤降，周边砂土向孔内塌落，同时砂土及粉土随水的漏失一起进入洞中或被带走，使b、c、d阶段瞬间完成，从而产生了本次地面塌陷。

5　结论

⑴调查区断裂构造发育，基底灰岩岩溶洞隙发育，连通性好；灰岩上覆粘土层的不连续发育，有利于岩溶水和第四系孔隙水的连通，第四系中的冲洪积粉质粘土及砂土有利于土洞的形成、发展。总的来说，本区脆弱的地质环境是大胡庄村地面塌陷产生的客观条件。

⑵打井钻机施工扰动及不合理的操作极大加速了土洞的发育，是产生本次地面塌陷的直接诱发原因。

参考文献

［1］三河电厂齐心庄与北务水源地供水水文地质勘探报告，河北省地矿局第二水文地质工程地质大队，河北，1994.1.

［2］河北省三河康家湾、大福庄井田详细勘探报告，河北省煤田地质勘探公司第一勘探队，河北，1972.10.

［3］北京地区活动构造体系图说明书（1/10万），北京市地震地质会战办公室，1976.6.

收稿：2015-12-31