唐山岩溶地质灾害的勘查与成因分析

贾 晨，王文慧，许建飞

（河北省地矿局第二地质大队，河北 唐山 063000）

在自然和人为因素影响下，唐山市曾多次发生过岩溶塌陷地质灾害，岩溶塌陷地质灾害已经成为唐山市建设和发展面临的主要地质灾害，严重制约着城市的建设与发展。本项目地处唐山市中心城区，根据前人资料及现场钻孔实测，勘查区下伏基岩为蓟县-青白口系灰岩，属可溶岩类，勘查区第四系厚48m～51m，场地位于岩溶塌陷较不稳定区与不稳定区接触边缘，为了确保建筑物安全，最大限度地减轻地质灾害造成的损失，需查明项目场地下是否有岩溶或土洞存在[1]。

1 工作区地质概况

1.1 地质构造、地貌及岩性

本区大地构造单元位于中朝准地台（Ⅰ2）燕山台褶带（）马兰峪复式背斜（）开滦台凹（）的东北部。区域基底构造较复杂，新构造活动强烈。燕山运动塑造了本区的主要构造格局，区域内断裂主要有陡河断裂，附近褶皱构造为碑子院背斜。

勘查区所处地貌单元为燕山南麓山前冲洪积倾斜平原，滦河中晚更新世冲洪积扇中部，场地及周围地势起伏较小，地面标高约30.0m。上覆第四系（Q）松散沉积物，厚约48m～51m，主要岩性为粉土、粘土、中砂、中细砂及含土砾卵石等，其中底部为含土砾卵石。下伏基岩为蓟县-青白口系（Jx-Qn），主要岩性上部为砂砾岩夹粘土质灰岩、泥灰岩，下部为薄层白云质泥灰岩、燧石条带白云岩等。

1.2 水文地质

根据地下水赋存介质和埋藏条件，勘查区地下水分为第四系松散岩类孔隙水和蓟县-青白口系碳酸盐岩类岩溶水。

第四系松散岩类孔隙水：含水层岩性一般为中细砂层、卵砾石层，富水性较强，第四系水位埋深约26m，含水层底板埋深约50m。单位涌水量约＜10m3/h·m，水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，水位年变幅2m～3m。主要补给来源为大气降水入渗，其次是河道、地表积水的下渗，排泄途径是侧向径流。

蓟县-青白口系碳酸盐岩类岩溶水：含水层主要岩性为灰岩、泥灰岩、燧石条带白云岩，富水性较强，根据本次勘查工作中实测基岩水位，水位埋深46m左右。单位涌水量30m3/h·m～40m3/h·m，水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，矿化度小于0.5g/L。主要补给来源为大气降水、侧向径流及第四系含水层越流补给，排泄途径是侧向径流。

2 物探勘查情况

地球物理方法中的地震勘查是利用地层和岩石的弹性差异来探测地下地质构造，寻找有用矿产资源的一种极重要的地球物理勘测方法。此方法以其无损、快速、经济、勘查精度高、分辨地质体能力显著和勘探范围广等特点在岩溶塌陷地质调查中得到了广泛的应用，其勘探的主要目的是查明塌陷区内覆盖层厚度以及基岩构造、岩溶发育情况[2-4]。

本次探测采用高密度地震映象法。为确定岩溶及土洞的分布范围及其形态，根据测区地质条件，布设8条测线，即L1～L8测线。根据物探勘查结果，测线L1、L2、L3、L6、L7、L8均发现异常区域，推测为裂缝破碎带或岩溶发育带。

3 钻探验证情况

为了对物探结果的准确性加以判断，布设钻孔验证，结合本项目拟建建筑位置，共布设5个钻孔，进尺293m。

钻孔揭露的第四系厚度48m～51m，岩性主要为粉土、细砂、粉砂、粉质粘土、卵石。基岩强风化层基本缺失，中等风化层都存在，61.5m勘查深度内微风化层未被揭穿。根据物探异常区位置，ZK01、ZK02、ZK04及ZK05为异常区验证孔，ZK03为非异常区验证孔。

根据5个钻孔验证情况，ZK01和ZK02发现有溶洞，ZK03～ZK05未发现土洞及溶洞，但各孔局部均有溶孔、溶隙，ZK03为非异常区验证，钻孔验证钻探结果与物探解译结果基本一致，物探准确率为60%。

4 岩溶和土洞的成因机制

4.1 岩溶和土洞的成因机制

岩溶的发育离不开岩石和水，岩石必须具有可溶性和透水性；水必须具有溶蚀性和流动性，并且要有足够的流量的水和有良好的地下水径流、排泄和补给条件，即循环交替条件。其中最为频繁的是地下水的循环交替，气候、地形地貌、土壤、植物及地质结构构造等都会对其产生影响。

土洞多是岩溶作用的产物，土洞发育区往往是岩溶发育区。土洞的形成和发展受到区域地质构造、水文地质、岩溶发育、地表排水以及人为改变地下水动力条件等诸因素的影响，其中，土、岩溶与水的活动是必不可少的条件。渗透水流在土层中运动，使土层颗粒发生位移，不断被带走，从而破坏土体结构，在岩溶裂隙、洞隙发育处，形成土洞，尤其在粘性土分布不连续，砂层直接与基岩接触处，更容易产生土洞。

4.2 勘查区溶洞发育成因分析

勘查区下伏蓟县-青白口系灰岩岩层厚度大，质地较纯，钙质含量高，裂隙较发育，较易溶解。第四系松散岩类孔隙水和蓟县-青白口系碳酸盐岩类岩溶水水化学类型均为HCO3-Ca·Mg型，在偏酸性地表水下渗或地下水流动作用下，将岩石中的可溶物溶蚀带走，形成溶孔、溶隙或溶洞。另外勘查区地处燕山南麓山前冲洪积倾斜平原，场地及周围地势起伏较小，降水渗入量较大，也有利于岩溶的发育。

勘查区第四系沉积物主要是残坡积物，岩性粉土、粉质粘土、细砂为主，第四系厚约48m～51m。勘查钻孔未见第四系存在土洞及松动扰动带，仅局部粘土层见细小裂缝，宽度0.2cm～0.5cm，长2cm～4cm，内有细砂填充。考虑应为降水或偏酸性地表水下渗流动，携带少量细砂冲蚀黏土层形成细小裂缝。

虽整个勘查区未见土洞、ZK03～ZK05钻孔未见溶洞，但存在溶孔、溶隙，且勘查区地处燕山南麓山前冲洪积倾斜平原，场地及周围地势起伏较小，降水渗入量较大，有利于岩溶发育，随着降水、偏酸性地表水下渗或地下水流动的持续作用，不排除基岩溶洞、溶孔和溶隙继续发育，上层第四系黏土层和砂土层形成土洞的可能。

5 岩溶塌陷形成条件

岩溶塌陷一般是指在岩溶发育地区的基岩中的塌陷、土层中的塌陷、和土层与基岩都塌陷的统称。岩溶塌陷的成因机制存在多种观点，如潜蚀、真空吸蚀、地震、重力、高压水气的冲爆、建筑荷载、溶蚀作用等，其中占主导地位的主要有两种，即地下水潜蚀机制和真空吸蚀机制。

而不管是什么成因机制，要造成岩溶塌陷地质灾害，形成条件可概括为三个方面：一、上覆为第四系盖层，下伏基岩为碳酸岩类可溶性岩石，岩溶较发育；二、上部为第四系孔隙水位、下部为岩溶裂隙水位，且垂直渗透性较强；三、上覆第四系厚度较薄，一般15m～60m区域易发生岩溶塌陷，60m～100m区域发生的概率相对变小，100m以上不易发生岩溶塌陷地质灾害。

勘查区上覆第四系松散沉积物，厚约48m～51m，下伏基岩为蓟县-青白口系灰岩，属可溶岩类，且有溶洞存在，第四系水位埋深约26m，蓟县-青白口系碳酸盐岩类岩溶水水位埋深约46m，且垂直渗透性较强，具备发生岩溶塌陷地质灾害的所有条件。

6 岩溶地基处理方法建议

由于勘查区具备发生岩溶塌陷地质灾害的所有条件，有溶洞存在，同时分布有溶孔和溶隙，在地面进行工程建设前，需要对溶洞和地基进行处理，使地基的稳定性达到建筑荷载要求。

目前勘查区溶洞发育于地下50多米处，采取挖除覆盖层回填碎石、灰土、混凝土等方法难以实现。工程建设前，可通过钻孔灌注水泥砂浆、混凝土、沥青等，以堵填溶洞、溶孔和溶隙，提高地基强度，并且要在灌浆完成后进行物探及钻探验证。工程建设时，可用桩基处理，以调节地基沉降和强度的不均匀性。工程建设过程中及建成后严禁在勘查区及其附近抽取地下水，做好地面硬化工作，防止地表水下渗，建立有效的监测措施，加强对场区地基基础变形、地下水位的动态变化的监测，发现问题及时处理。