綜合物探方法在河北保定向陽村地面塌陷區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用

徐錦山，鄧 波

(華北地質(zhì)勘查局五一九大隊，河北保定 071051)

0 引言

保定市徐水縣西部屬于低山丘陵區(qū)，境內(nèi)1958年修建以攔洪為主，灌溉為輔的瀑河水庫，水庫庫容9750×104m3，，最高水位標(biāo)高 45.18m［1］。從 1964 年開始，水庫西側(cè)的賈莊村、向陽村等多個村莊陸續(xù)出現(xiàn)地面沉降、塌陷地質(zhì)災(zāi)害，1994年后災(zāi)害發(fā)展日趨嚴(yán)重，其中向陽村已出現(xiàn)塌陷坑20多處，涉及村民25戶，至使30余間民房地基不均勻沉降，墻體開裂甚至房屋倒塌。2008年為對水庫西側(cè)村莊地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害開展有效防治，在向陽村投入淺層地震、高密度電法和鉆探等方法，進行塌陷區(qū)災(zāi)害治理前期調(diào)查工作，通過調(diào)查分析該區(qū)地災(zāi)形成機理，掌握地面沉降、塌陷分布規(guī)律與發(fā)展趨勢，確定具體治理范圍，為災(zāi)害防治選擇正確的技術(shù)路線和針對性的施工方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)及災(zāi)害概況

1.1 地質(zhì)概況

向陽村東距瀑河水庫約300m，西臨西山山腳500m，地勢較平緩，海拔高程56～47m。區(qū)內(nèi)出露地層為第四系(Q)，主要是全新統(tǒng)沖洪積土層，經(jīng)工程核實自上而下共分四層，其中地表層為褐色耕土層(Q4)，以粉土為主，厚度0.3～0.6m;中部為黃土狀粉土層(Q3)，褐色，稍濕，含砂質(zhì)土，厚度 7.7～9.1m;下部為粉質(zhì)粘土層(Q2)，褐色，硬塑，濕，含鐵、錳結(jié)核，厚度9.8～10.4m;底層為礫土層(Q1)，雜色，濕，中密，揭露厚度6m，碎石成分主要為強、中等風(fēng)化石英砂巖，次為強風(fēng)化泥質(zhì)頁巖等，呈棱角狀，塊狀結(jié)構(gòu)，一般粒徑為3～6cm，裂隙發(fā)育，漏水嚴(yán)重。下覆震旦系(Z)基巖地層由老至新分別為鐵嶺組(Z2t)含碎石條帶白云巖、下馬嶺組(Z3x)千枚狀泥質(zhì)頁巖、景兒峪組(Z3j)石英砂巖等，巖層產(chǎn)狀較平緩，基巖頂板埋深為60m左右。調(diào)查區(qū)處于近南北向和近東西向兩組斷層構(gòu)造中，基巖破碎比較發(fā)育。

1.2 地面塌陷情況

地面塌陷是巖土體覆蓋層向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種地質(zhì)現(xiàn)象［2］。向陽村地面塌陷的主要表現(xiàn)形式為土洞。土洞呈串珠狀分布，以村東出現(xiàn)較多，一般已隨現(xiàn)隨填。土洞多呈不規(guī)則圓形，少量呈橢圓形，直徑0.5～1m，深0.5～2m，洞壁上陡下緩，呈壇狀，壁上分布有豎向節(jié)理、裂縫。地面塌陷集中在豐水年，特別是雨季中后期，塌陷發(fā)展較迅速，而干旱年相對平靜。近年來降水量有所減少，塌陷發(fā)展相對平緩。地面塌陷空間上顯示自西向東、自南向北的發(fā)展規(guī)律。

1.3 地面塌陷成因

向陽村地面塌陷是由地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地表水、地下水等綜合因素疊加引起。該村地形西高東低，西山地表降水自西向東流經(jīng)村區(qū)形成地表水，地表水滲灌補給地下水，第四系中上層黃土狀粉質(zhì)土疏松多孔、吸水性強，濕陷性的粉質(zhì)土吸入滲入水之后會向下部空間運移，由于下部的粉質(zhì)粘土層，韌性中等，中壓縮性，透水性較弱，起到了隔水層和阻止上層土向下流失的作用，一般粘土層穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)就不會產(chǎn)生塌陷災(zāi)害。但粘土層下覆的礫土層裂隙發(fā)育，透水性較強，加之基底層巖石斷裂破碎發(fā)育，縱橫交錯的裂隙帶構(gòu)成地下水暢流的良好通道，當(dāng)山區(qū)滲入?yún)R集的地下水沿通道形成徑流和礫土層內(nèi)地下水位升降變化時，上覆的粘土層受到潛蝕作用，粘土層被掏挖流失，經(jīng)長期地下水持續(xù)作用，粘土層變薄、陷落甚至消失，缺失了下部阻隔層的保護，粉土層再遇到地表水滲灌時，即會崩解、坍塌，形成上覆土層中的坑洞，最終導(dǎo)致了地面塌陷。

2 綜合物探技術(shù)方法

2.1 物探方法前提

采用淺層地震和高密度電法等綜合物探方法進行勘查測量，查明向陽村及周邊第四系覆蓋層內(nèi)不同土層的厚度，以及厚度變化分布情況;查明基巖地層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和隱伏產(chǎn)狀，以及巖石遭受構(gòu)造破壞情況，結(jié)合已知水文地質(zhì)資料分析認(rèn)識地層、構(gòu)造與地面塌陷的關(guān)系，依地面塌陷形成機理，預(yù)測劃分主要地面塌陷危險區(qū)域及分布范圍，這是降低調(diào)查的成本，縮短調(diào)查周期的有效手段［3］。

調(diào)查區(qū)屬于北方半干旱區(qū)，工作期間雨水較少，地下水水位較深，在勘查深度范圍內(nèi)的土質(zhì)層、基巖層和破碎構(gòu)造帶均處于含水不飽和狀態(tài)，濕度則因組成質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、密實度、透水性等不同而存在差異，巖石的不同質(zhì)地、濕度決定了巖石的電阻率相對高低，其中粉質(zhì)土層含水較少電阻率較高，含水較多的粘土層電阻率較低，礫土層(破碎帶)透水性強，其電阻率高于粘土層，基巖電阻率最高，這些電阻率差異是高密度直流電阻率法評價的物理前提。調(diào)查區(qū)土層、基巖層和構(gòu)造帶地震波傳播物性差異明顯，存在淺層地震方法劃分地層、構(gòu)造的地球物理條件。

2.2 綜合物探方法

綜合物探工作方法布設(shè)在包括村住宅建筑用地的0.25 km2正方形區(qū)域內(nèi)，根據(jù)施工條件，沿村子內(nèi)的街道和小路布設(shè)東西方向高密度電法剖面13條，共5.5km，依村中心為基點布設(shè)南北、東西方向“十”字淺層地震反射剖面2條，共1.0km。

高密度電法使用WGMD-3(60道)高密度電阻率測量系統(tǒng)，淺層地震反射波法采用SummitⅡplus地震儀。高密度電法數(shù)據(jù)資料使用國產(chǎn)專用軟件進行資料處理和二維反演計算，淺層地震數(shù)據(jù)資料使用美國FOCUS 2.0軟件進行處理。

高密度電法選擇 α(溫納四極)工作方式［4］，電極距5m。野外工作時一次布設(shè)60個電極，觀測每個數(shù)據(jù)道上的ΔU值、I值，一個排列完成后，向前滾動12個電極，再重復(fù)以上測量，直到整個剖面測量完畢，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理后，繪制ρs值等值線擬斷面色階圖。淺層地震反射波法采用32道接收多次覆蓋觀測方法工作，道間距2m，偏移距2m，覆蓋次數(shù)為12次，記錄長度1s，記錄間隔為0.5ms，震源采用24磅重錘錘擊方式。為提高信噪比和分辨率，突出淺層勘查效果，在淺層地震原始數(shù)據(jù)資料處理過程中，重點對干擾信號進行消除和壓制。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后最終得到水平疊加的時間剖面。由速度譜分析和速度掃描得到較準(zhǔn)確的各層均方根速度模型，再根據(jù)均方根速度與其速度的關(guān)系，對比分析時間剖面的反射波組，確定反射層的構(gòu)造形態(tài)，從而獲得相應(yīng)的解釋剖面。

3 綜合物探成果解釋

3.1 成果解釋分析

由高密度電法二維反演電阻率斷面圖分析，調(diào)查區(qū)斷面圖均顯示為四個電性層，自上而下分別是淺表層:視電阻率中等，高低變化雜亂無序，一般在20～80Ω·m變化，深度在1m左右，主要是地表水泥、磚石等構(gòu)筑、回填物的反映;過渡層:分布在1～9m以內(nèi)區(qū)域，處于向下視電阻率由高變低的過渡帶上，應(yīng)是黃土狀粉土層的反映;低阻層:視電阻率小于25Ω·m的低阻區(qū)，分布在9～20m深度范圍內(nèi)，低阻區(qū)分布一般呈水平長軸狀出現(xiàn)，間有收縮或斷續(xù)現(xiàn)象，主要是低阻的粘土層引起;高阻梯度層:視電阻率向下逐漸增高，視電阻率大于25Ω·m，主要分布在20m以下，應(yīng)是區(qū)內(nèi)礫土層、風(fēng)化基巖層的反映(圖1)。

高密度電法解釋的地質(zhì)巖性分層結(jié)果與勘察成果基本一致。各巖性層基本呈水平展布，整體略顯西高東低，厚度不均勻，其中低阻層薄厚變化或消失反映了粘土層的穩(wěn)定和受破壞程度，因此，在低阻層中，視電阻率在20～25Ω·m的低阻粘土層變薄區(qū)域，粘土層受破壞程度較高，推測為塌陷危險區(qū)，原低阻層層位上視電阻率在25Ω·m以上，說明此處低阻粘土層基本消失，是已經(jīng)或正在發(fā)生的塌陷點，視電阻率在20Ω·m以下區(qū)，低阻粘土層仍存在，推測為塌陷預(yù)防區(qū)(圖2)。

圖1 10線高密度電法擬斷面(上)及解釋圖(下)Fig.1 10-line electricity method proposed section(on)and the interpretation chart(bottom)

圖2 7線高密度電法擬斷面(上)及解釋圖(下)Fig.2 7-line electricity method proposed section(on)and the interpretation chart(bottom)

從淺層地震剖面上看，在100～140ms內(nèi)有比較強的反射波組，同向軸清晰、連續(xù)，推測為弱風(fēng)化基巖地質(zhì)界面的反映，埋深50～70m，基巖同向軸在剖面的90m和480m兩處明顯錯斷，水平斷距不大，應(yīng)為兩條隱伏擠壓性逆沖斷裂構(gòu)造的反映，斷裂均傾向南東，傾角65°～70°，基巖同向軸以上至 40 ～60ms，對應(yīng)風(fēng)化石英砂巖，泥質(zhì)頁巖等，一般反射波強度較弱，但在部分區(qū)域顯示一定的連續(xù)性，說明對應(yīng)巖層相對穩(wěn)定，另部分區(qū)域內(nèi)雜亂無章，連續(xù)性差，反映巖石破碎嚴(yán)重，如在剖面上的150m、255m和380m等三處，分別存在有寬度不等的破碎區(qū)域，推測為破碎帶位置(圖3)。

淺層地震剖面解釋結(jié)果，調(diào)查區(qū)內(nèi)推測斷裂構(gòu)造 F1、F2共 2條，破碎帶共 4條，分別為 P1、P2、P3、P4。F1、F2斷裂均呈北東走向，相互基本平行，間距約130m，F(xiàn)1位于向陽村中南部，F(xiàn)2位于村子北邊，斷裂兩邊都延伸到村外。P1、P2、P3、P4破碎帶位于兩條斷裂之間，間距50～60m，呈北東向并行排列。

3.2 預(yù)測劃分塌陷區(qū)

在地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)的塌陷基礎(chǔ)上，根據(jù)高密度電法解釋推斷的起隔阻作用的粘土層薄厚狀況與受破壞程度，以及淺層地震反射波法推測的隱伏斷裂破碎帶走向與分布狀態(tài)等，將調(diào)查區(qū)劃分為塌陷危險區(qū)、塌陷預(yù)防區(qū)和相對穩(wěn)定區(qū)等三類區(qū)域(圖4)。塌陷危險區(qū)是指土層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已經(jīng)或正在產(chǎn)生塌陷變化的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，調(diào)查區(qū)內(nèi)共圈定出4個危險區(qū)，主要分布于向陽村的中偏東北部，均為北西走向的條帶狀，一般寬度為30～40m，長度100～130m，整體呈北東向并行排列。塌陷危險區(qū)位于F1、F2斷裂之間，其分布、走向與破碎帶 P1、P2、P3、P4基本吻合，這是由于地下水沿破碎帶流動產(chǎn)生搬運、溶蝕作用造成，符合該區(qū)地面塌陷形成機理，也得到工程勘察證實;塌陷預(yù)防區(qū)是指F1、F2斷裂之間除危險區(qū)之外的區(qū)域，其粘土層雖受到一定程度破壞，但仍能起到隔阻作用，當(dāng)遇較長豐水季節(jié)時，不排除出現(xiàn)塌陷災(zāi)害的風(fēng)險;其余區(qū)域地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造相對穩(wěn)定，土層破壞程度弱，目前也未發(fā)現(xiàn)塌陷災(zāi)害，圈定為相對穩(wěn)定區(qū)。

圖3 B線淺層地震剖面(上)及解釋圖(下)Fig.3 B line shallow earthshock profile(on)and the interpretation chart(below)

圖4 向陽村地面塌陷點及災(zāi)害區(qū)預(yù)測分布圖Fig.4 Xiangyang Village of ground subsidence and disaster area prediction distribution1-居民區(qū);2-推斷斷裂;3-推斷破碎帶;4-地面塌陷坑;5-鉆孔及孔號;6-電法勘探線;7-地震勘探線;8-塌陷危險區(qū);9-塌陷預(yù)防區(qū);10-相對穩(wěn)定區(qū)

4 結(jié)論與建議

(1)向陽村民宅建筑區(qū)大部分位于兩條斷裂之間的塌陷預(yù)防區(qū)內(nèi)，部分還處在塌陷危險區(qū)中，應(yīng)作為地面塌陷災(zāi)害治理的重點區(qū)域范圍，并根據(jù)所處分區(qū)差異，選擇相應(yīng)的施工方法進行綜合治理。

(2)高密度電法對解決塌陷災(zāi)害區(qū)第四系分層厚度特別是低阻層厚度變化與分布效果明顯，淺層地震勘探對探測分析隱伏斷裂、破碎帶及基巖界面空間位置方法有效。在瀑河水庫地面塌陷區(qū)防治工作中，可作為前期調(diào)查的主要方法。

(3)自然地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害成因復(fù)雜，查明其規(guī)模、形態(tài)、分布和發(fā)展規(guī)律難度很大。綜合物探方法可以進行二維斷面甚至三維立體的探測并形成解釋圖像，有利于對災(zāi)害區(qū)進行分析評估，這是從點推面的鉆探勘察方法所不能取代的。

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