下莊村地面塌陷對地質(zhì)資源的危害

秦志平徐玉娟王永哲

（1華北地質(zhì)勘查局五一九大隊 河北保定 0710512華北地質(zhì)勘查局五一九大隊 河北保定 071051 3中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心 河北保定 071051）

下莊村位于淶水縣東部平原（冀中平原的西部平原）南拒馬河?xùn)|岸約0.5km。該村面積大，居民多，東西延伸約0.9km。2012年7月天降大暴雨，下莊村西部因地勢低洼，降水排泄不暢，形成地表積水深0.8m~1.0m，隨之在該村西部低洼處出現(xiàn)十余個塌坑。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

下莊村東部、中部位于南拒馬河二級階地，而該村西部則處于南拒馬河一級階地之上，該處地勢低洼易積地表水。

2 工程地質(zhì)條件

該村地下第四系松散層總厚度約120m。地表以下5m為黃土狀粉土（即此生黃土）,5.0m～8.3m為細(xì)砂；8.3m～12.5m仍為黃土狀粉土，12.5m～15.3m為細(xì)砂，再往下為卵石層。一級階地與二級階地呈陡坎接觸，坎高2m～3m。地表至細(xì)砂層間的黃土狀粉土質(zhì)地疏松，承載力較低。

3 水文地質(zhì)條件

該村淺部（0-50m）有兩個孔隙水含水層，第一含水層為細(xì)砂，頂、底板埋深分別為5.0m和8.3m，由于地下水位多年持續(xù)下降，現(xiàn)已被流干。第二含水層上部為細(xì)砂，下部為含粗砂礫卵石層，頂板埋深15.5m左右，為強(qiáng)富水含水層，厚度約40m，單位涌水量可達(dá)60m3/h·m,該村目前地下水位埋深14m～16m，地下水位變幅一般為2m左右，特干旱年份可達(dá)3m以上。

4 地面塌坑及地下隱伏空洞的分布規(guī)律

經(jīng)音頻大地電場法、地質(zhì)雷達(dá)地球物理勘探和鉆探等勘查方法所提供的資料分析，下莊村地面塌坑和地下隱伏空洞在平面上的總體分布規(guī)律是：呈東西向?qū)拵钕蚰暇荞R河道延伸。坑、洞主要分布在一階地上，且在一級階地的低洼處相對較集中。在空間上最深處能達(dá)到細(xì)砂層頂板，即0m~5m范圍內(nèi)。細(xì)砂層以下未見隱伏空洞顯示，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)的塌坑均在一級階地地表水排泄不暢區(qū)域，且都有高大楊樹生長。

5 地面塌坑、隱伏空洞的形成機(jī)理分析

地面塌陷是由多種因素造成，其中有自然地理地質(zhì)環(huán)境影響，也有人為因素在內(nèi)，因多種因素聯(lián)合影響，綜合作用，造成塌坑，形成地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

5.1 自然地理地質(zhì)環(huán)境條件影響

5.1.1 地形地貌

下莊村中西部位于南拒馬河?xùn)|岸一級階地與二級階地的接壤部位，距南拒馬河約500m，其地勢低洼易于積水，有利于塌陷的形成。

5.1.2 地層巖性

塌陷區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，地層較新，結(jié)構(gòu)疏松，處于欠壓密狀態(tài)。淺部巖性為黃土狀粉土，雖然顏色有所差異但均屬于次生黃土。黃土具有垂直節(jié)理發(fā)育和遇水濕陷的特點(diǎn)，次生黃土也延續(xù)了黃土的兩個重要特點(diǎn)。本區(qū)的次生黃土濕陷性（濕化性）有利于地層產(chǎn)生層間裂隙空間，而垂直節(jié)理則有利于直立裂隙的形成和擴(kuò)大。

尤其是頂、底板埋深5.0m～8.3m的細(xì)砂層及之下的卵石第二含水層對該村地面塌坑的形成起到了至關(guān)重要的作用。由于大氣降水的侵蝕、潛蝕作用，將上覆粉土層內(nèi)的細(xì)粒物質(zhì)沿其孔隙、縫隙、節(jié)理裂隙向細(xì)砂層及卵石層運(yùn)移，再由細(xì)砂層沿潛水流動方向向下游拒馬河流動方向搬運(yùn)，周而復(fù)始，長期作用下，造成上覆粉土層的縫隙、節(jié)理裂隙不斷擴(kuò)大，進(jìn)而形成空洞，直至造成塌坑。

5.1.3 氣象水文

當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料顯示，豐水年份遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于干旱年份，由于多年連續(xù)干旱，地下水位持續(xù)下降，地下水位之上的土層，因失水而發(fā)生收縮，產(chǎn)生干裂形成裂縫，隨著時間的延續(xù)，裂隙空隙將不斷擴(kuò)大，逐漸發(fā)展形成地下空穴、空洞。

南拒馬河原屬常年性河流，十多年前因上游河水被引走，使河水?dāng)嗔鳎荒茉傺a(bǔ)給該區(qū)地下水，影響了地下水的補(bǔ)給條件，促進(jìn)了地下水位下降速度，加劇了地層裂隙、空洞的擴(kuò)大。

大氣降水垂直入滲的潛蝕作用加大了垂直縫隙、水平縫隙、裂隙、孔洞，甚至進(jìn)一步形成孔、洞、縫的連通。

5.1.4 地下水活動

本區(qū)地下水位年際變幅約2m～3m，隨著地下水位的抬升與下降，上部細(xì)粒物質(zhì)會向下部運(yùn)移，有利于上部土層中的孔隙、裂隙、空洞的發(fā)展擴(kuò)大。

5.2 人工活動影響

5.2.1 挖砂場影響

在緊鄰下莊村的南拒馬河河床內(nèi)，人為開辟挖砂場，在河床內(nèi)開挖深度4m～6m，造成下莊村淺層細(xì)砂層裸露，細(xì)砂層的水文地質(zhì)條件遭到破壞，大氣降水后，淺層地下潛水將迅速向河道挖砂場排泄，同時將下莊村淺層含水層中的細(xì)微顆粒運(yùn)移，促使粉細(xì)砂層的孔隙增大，疏松程度增加。加速粉細(xì)砂層上覆粉土間隙、裂隙形成及原有裂隙、孔洞、空洞的發(fā)展擴(kuò)大。在挖砂場的周邊可以清晰的看到有細(xì)砂隨著地下水流向挖砂場的痕跡。

5.2.2 人為堵塞排水渠道

下莊村東西主街相對南北兩側(cè)居民住宅低洼0.5m～1m，全村約0.2km2面積的大氣降水幾乎均由此街道向村西經(jīng)排水渠道向南拒馬河排泄，由于該村西部排水渠本來不寬且較淺，又被生活垃圾堆積，局部又被居民擠占。2012年7月強(qiáng)降雨，就因渠道排泄不暢致使下莊西部一級階地上的住宅積水，最深達(dá)1.0m，造成渠道附近形成多個塌陷坑。

5.2.3 超量開采地下水

在干旱季節(jié)，由于人工集中超量開采地下水，使地下水流速增加。水流將泥沙搬運(yùn)攜帶出孔口。上述物質(zhì)一部分來自卵礫石含水層內(nèi)充填的粉粒物質(zhì)，另一部分來自于上覆粉土內(nèi)的細(xì)粒物質(zhì)，由于礫卵石含水層之上無較好較厚的隔水層，所以上部細(xì)粒物質(zhì)可垂直下泄運(yùn)移至該含水層，再被搬運(yùn)出地表，或者伴隨地下水越流補(bǔ)給，隨著水流搬運(yùn)到地表，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了上覆淺部粉土層內(nèi)的裂縫、空洞、空間。

5.3 誘發(fā)因素

連續(xù)降雨或強(qiáng)降雨時，是下莊村地面塌陷的誘發(fā)因素。由于高大樹木的根系發(fā)達(dá)，將細(xì)砂層揭穿，加大了地表水的下滲通道，促使細(xì)砂層運(yùn)移加速，隱伏空洞增加。由于連續(xù)大雨，表流排泄不暢，形成地表積水，淺層粉土受到浸泡，土內(nèi)的粘聚力降低或消失，裂隙加大并垮落，隱伏空洞蜂窩狀支撐骨架的支撐力消失殆盡，由于地表積水和土體自身重力的疊加，壓力加大，地面土體壓實(shí)地下空間、空洞，促使形成地面塌坑。而在地勢較高的地方，盡管也有樹木生長，但是地表水無法長時間停留，上覆粉土層能保留其固有支撐構(gòu)架，所以未形成地面塌陷。

5.4 對淺部隱伏空洞、地面塌坑細(xì)粒物質(zhì)的去向分析

淺層細(xì)粒物質(zhì)由于大氣降水的垂直入滲潛蝕作用，將其攜帶進(jìn)入5m之下的細(xì)砂層內(nèi)，其中一部分經(jīng)淺層潛水向南拒馬河運(yùn)移，另一部分則經(jīng)細(xì)砂層之下的粉土弱隔水層的越流補(bǔ)給帶入深部礫卵石強(qiáng)透水含水層，地下水水位多年多次強(qiáng)烈變幅，尤其是每年旱季超量開采地下水，促使地下水流速增大，細(xì)粒物質(zhì)經(jīng)井孔排水排出地表。在居民簡易水井或田野內(nèi)的機(jī)井，每次排水之初均出現(xiàn)泥沙混水，以此可證明淺部塌坑空洞內(nèi)的細(xì)粒物質(zhì)已被排除地表。

5.5 地面塌陷形成機(jī)理的綜合分析

綜上所述，由于下莊村西部處于河流一級階地，地勢低洼。在低洼處，由于樹木根系將細(xì)砂層貫通，其地表水入滲補(bǔ)給地下水流量相對較大，水動力增大，運(yùn)移能力也相對增加，致使裂隙、空洞增多、增大，在產(chǎn)生地表排水不暢，地面積水的情況下，出現(xiàn)塌坑的幾率也大大增加。由于砂層流動性強(qiáng)的特點(diǎn)，粉土層出現(xiàn)裂隙后，在水流的作用下，砂層自動填補(bǔ)其下伏粉土層空隙，而砂層上的粉土層空隙未得到填充。在常年如此的循環(huán)下，砂層上的粉土層內(nèi)空洞逐漸擴(kuò)大，必然造成水動力的增大，運(yùn)移能力增加，空隙也會逐漸貫通，形成通道。由于，該村淺部地層結(jié)構(gòu)疏松，且次生黃土具有直立節(jié)理發(fā)育和濕陷（化）性特點(diǎn)，在積水情況下，土體液化，粘聚力減小，骨架無法支撐土體重力，土體顆粒沿著通道向下運(yùn)移，從而使地表出現(xiàn)塌陷。

而在排水通暢區(qū)域，其地表水入滲補(bǔ)給量相對較小，加之淺部砂層已被疏干，水動力運(yùn)移能力大大降低，粉土層裂隙貫通幾率也大大減小，很難形成地面塌陷。

總之，地下水活動，氣象水文影響；人工擴(kuò)建挖砂場，強(qiáng)烈超采地下水，人為擠占排水渠道，使地表水排放不暢而造成地表積水等因素的綜合作用，具備了產(chǎn)生地下隱伏空洞的多項條件，隨著時間的延續(xù)，空洞不斷發(fā)展擴(kuò)大，加之強(qiáng)降雨氣象條件，是該區(qū)產(chǎn)生地面塌陷的必然結(jié)果。

[1]余躍心,劉漢龍,高玉峰.飽和黃土孔壓增長模式與液化機(jī)理試驗研究[J].巖體力學(xué),2002，23（4）.

[2]向銘,陳永明.地質(zhì)雷達(dá)在探測灰?guī)r溶洞裂隙中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,200,(12).

[3]顧軍,向陽,何湘清,賈彪.裂縫-孔隙型儲層保護(hù)鉆完井液體系研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,(02).

[4]景岷雪,羅麗瓊.儲層中微粒運(yùn)移現(xiàn)象的實(shí)驗判斷[J].天然氣勘探與開發(fā),2005,(02).