三河市齊心莊—高樓一帶巖溶塌陷風(fēng)險評價研究

李小華+張志永+馬成兵

摘要： 文章充分收集了研究區(qū)的地質(zhì)資料，分析研究了齊心莊-高樓一帶巖溶發(fā)育特征，運(yùn)用模糊綜合評判法[1]。文章選取巖溶條件、覆蓋層條件、地下水條件、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌5個一級因素，采用經(jīng)驗(yàn)法確定各一級因素和二級因素的權(quán)重，建立層次模糊數(shù)學(xué)預(yù)測模型，劃分了穩(wěn)定性好Ⅰ、穩(wěn)定性中等Ⅱ、穩(wěn)定性較差Ⅲ、穩(wěn)定性差Ⅳ共4個巖溶塌陷級別。為實(shí)驗(yàn)區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、工程選址提供基礎(chǔ)資料；為預(yù)防地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

Abstract： In order to investigate the karst development characteristic for the test region， this paper analyzes and collects geological data of the experimentation area. The study area， utilizing the empirical method to determine weights of the 5 first factors in the hierarchical fuzzy mathematics forecast model， was divided into 4 karst collapse levels by the fuzzy comprehensive evaluation method[1]， good， middle， bad and worse. The 5 first class factors are karst condition， coverage condition， groundwater condition， geological structure and topographic features. The research conclusions can provide basic data for the project and better economic development in the test region， prevent ground subsidence geological disasters and provide scientific basis， in order to achieve the purpose of disaster prevention and mitigation.

關(guān)鍵詞： 巖溶條件；巖溶塌陷；模糊綜合評判法；風(fēng)險評價

Key words： karst condition；karst collapse；fuzzy comprehensive evaluation method；risk assessment

中圖分類號：P642.252 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0166-04

0 引言

齊心莊-高樓一帶為巖溶發(fā)育區(qū)，大胡莊村3年內(nèi)發(fā)生2次地面塌陷[2]，部分地段地面沉降較快，初步開展了相關(guān)地面塌陷成因和分析。研究區(qū)基底灰?guī)r巖溶洞隙發(fā)育，連通性好；灰?guī)r上覆粘土層的不連續(xù)發(fā)育，有利于巖溶水和第四系孔隙水的連通，第四系中的沖洪積粉質(zhì)粘土及砂土有利于土洞的形成、發(fā)展，地下水開采、人類工程活動等因素，導(dǎo)致地面塌陷的不斷發(fā)生。

本次是在充分研究巖溶條件及塌陷成因機(jī)理的基礎(chǔ)上，選定了適合本區(qū)域評價因子及參數(shù)，運(yùn)用模糊綜合評判法，建立適合本區(qū)域巖溶塌陷評價因子和評判指標(biāo)，開展巖溶塌陷風(fēng)險評價，為該區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、工程選址提供基礎(chǔ)資料，為預(yù)防地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)，以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 地層 研究區(qū)除孤山有小面積的奧陶系灰?guī)r出露，大面積為第四紀(jì)地層覆蓋，下伏基巖主要為新元古界青白口系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系地層。

1.2 構(gòu)造 研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺（I）華北斷拗（Ⅱ）冀中臺陷（Ⅲ）的次級構(gòu)造單元大興斷凸（Ⅳ）。斷裂有大洛泡斷裂、燕郊斷裂、夏墊斷裂等[3]。在這些大斷裂之間，還發(fā)育一系列北北東至北東向斷層，斷層性質(zhì)基本上屬平移斷層，傾向南東，傾角60-70°。由于上述構(gòu)造的影響，巖溶裂隙發(fā)育，形成了皮各莊-高廟-齊心莊強(qiáng)富水區(qū)。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 主要含水層 研究區(qū)位于潮白河、鮑邱河沖積平原水文地質(zhì)區(qū)，主要含水層為新生界第四系松散巖類孔隙含水層和深層古生界奧陶系[4]碳酸鹽巖含水層。

第四系沖洪積松散巖類孔隙含水層：區(qū)內(nèi)廣泛分布，含水層巖性為亞砂土、亞粘土夾粉細(xì)砂、細(xì)砂、中砂和粗砂，厚度0-450m，單井出水量一般在1200-2000m3/d，部分地段單井出水量僅有50-200m3/d，單位涌水量10-15 m3/h·m，礦化度0.322-0.550g/L，pH值7.8-8.1，水化學(xué)類型為HCO3-Ca-Na和HCO3-Na-Ca型，局部地段含氟化物較高達(dá)1.0-4.8mg/L。

奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層：分布齊心莊、高廟至皮各莊一帶，為隱伏在山前沖洪積平原第四系地層之下的奧陶系中下統(tǒng)巖溶裂隙含水層，巖性以石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖為主，厚度900-1100m，含水層埋深88.70-335.84m。

2.2 地下水補(bǔ)給徑流條件 研究區(qū)位于燕山南麓丘陵區(qū)與山前沖洪積平原的交接地帶，地下水補(bǔ)給徑流排泄條件較好，直接接受大氣降水、地表水和地下徑流的側(cè)向補(bǔ)給，并向下游中部平原排泄。100m以上淺層第四系含水層水位與河水水位動態(tài)變化基本一致，深層第四系與基巖含水層水位雖經(jīng)大量開采有較大幅度的下降，但仍隨季節(jié)變化而變化，說明補(bǔ)給來源仍為降水和地表水滲入。自1999年之后，連續(xù)干旱，年降水量小于多年平均值，河流斷流，地下水位大幅下降。

區(qū)域地下水水流場以夏墊斷裂為界，以西地下水流向自西北向東南流，并在齊心莊至幸福莊之間出現(xiàn)一個高水位區(qū)，反映了基巖裂隙巖溶含水層對第四系含水層的頂托補(bǔ)給。夏墊斷裂以東總的地下水流向?yàn)樽员毕蚰希退挥捎诖髲S夏墊和三河泃陽鎮(zhèn)地下水位下降漏斗的干擾，地下水流場有所改變，但總的規(guī)律仍反映出本區(qū)地下水含水層的補(bǔ)給來源：①來自西北方向潮白河沖洪積扇和巖溶含水層的側(cè)向補(bǔ)給；②來自北及東北方向泃河沖洪積扇的地下徑流補(bǔ)給。

2.3 地下水動態(tài)特征 1999年以來，連年干旱、地下水開采量不斷加大，第四系地下水水位與埋深總體呈下降趨勢。一般5月份達(dá)到最低值，6-7月雨季到來，降雨量增大，地下水開采量減少，水位有所回升。低水位期一般在6月，水位埋深25-35m左右，高廟水源地周邊大于30m，齊心莊水源地小于25m。高水位期一般在3月，水位埋深15-30m左右，高廟水源地周邊大于25m，齊心莊水源地小于20m。

上世紀(jì)90年代初水源地地質(zhì)勘查時基巖含水層水位埋深3m左右，2011年已達(dá)到30-35m以下，年平均水位下降2m左右；一年中的地下水位動態(tài)受控于農(nóng)田灌溉的抽水量及降水量。低水位期出現(xiàn)在5-6月，埋深35-42m，皮各莊、黃辛莊、高樓辛莊、高廟一帶水位埋深大于40m。高樓、程官營至康家灣一帶埋深36-40m。齊心莊一帶埋深小于36m。高水位期出現(xiàn)在3月，埋深29-37m，皮各莊、黃辛莊、高樓辛莊、高廟一帶水位埋深大于35m。高廟、高樓一帶埋深30-35m。齊心莊一帶埋深小于30m。

3 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)工程地質(zhì)特征除受地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造條件制約外，還受水文地質(zhì)條件、自然地質(zhì)作用和人類工程活動的直接影響。區(qū)內(nèi)巖土介質(zhì)可劃分為巖體和土體兩大類。按照建造類型、結(jié)構(gòu)類型并結(jié)合強(qiáng)度，又進(jìn)一步劃分為中厚層狀較堅(jiān)硬—軟弱砂巖、泥巖夾炭質(zhì)頁巖巖組；厚層狀堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬灰?guī)r、白云巖巖組。土體又進(jìn)一步劃分為砂礫石、砂性土、粘土層。

4 巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)巖溶發(fā)育主要為古生代和新生代兩個時期，以古生代巖溶發(fā)育為主[5]。在奧陶紀(jì)末至中石炭紀(jì)這段一億多年的歷史時期，整個華北基本上處于海平面以上，使巖石遭受長期的剝蝕溶蝕，當(dāng)時地表一定深度產(chǎn)生了溶洞及溶痕，并未風(fēng)化殘余礦物充填[6]。從本區(qū)處于大興斷凸構(gòu)造相對較高的部位，上覆的中生界、古生界等中上部地層遭受了強(qiáng)烈的剝蝕，從而使大部分地區(qū)的奧陶系灰?guī)r直接與新生界接觸，進(jìn)而成為該區(qū)溶蝕孔、洞最為發(fā)育的層位。中石炭紀(jì)初，地殼開始下降接受沉積，從而結(jié)束此期巖溶化作用。白堊紀(jì)之后，受喜山運(yùn)動的影響，由于強(qiáng)烈斷塊抬升而與華北平原分離，開始了一個新的巖溶發(fā)育期，在包氣帶或地下水垂直循環(huán)帶發(fā)育一些垂向洞穴或溶蝕裂隙，對前期發(fā)育的巖溶進(jìn)行了改造和疊加[7]。

4.1 巖溶形態(tài) 巖溶形態(tài)以溶隙為主，溶孔、溶洞次之。工作區(qū)內(nèi)收集鉆孔25孔。洞隙可見率為100%，溶孔可見率為76%，鉆孔遇洞率32%。齊心莊鎮(zhèn)附近10個鉆孔中，溶孔可見率為90%，溶洞可見率為60%。洞隙寬度一般為0.1-3cm，部分由粘土和方解石充填，溶孔直徑一般小于5cm，多呈蜂窩狀和網(wǎng)格狀密集分布，部分被粘土和方解石充填，連通性較差。巖溶強(qiáng)發(fā)育帶多位于純灰?guī)r層及構(gòu)造斷裂帶和古潛山山峰地區(qū)。單個溶洞最大可見高度3.16m，單孔累計(jì)溶洞高度最大達(dá)8.67m。

4.2 巖溶發(fā)育與巖性關(guān)系密切 在質(zhì)地較純的灰?guī)r中巖溶發(fā)育，是形成溶洞的主要巖性。在泥質(zhì)和非可溶物質(zhì)含量較高的灰?guī)r中巖溶發(fā)育較弱，多發(fā)育溶孔。中奧陶地層巖性以較純的灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育較強(qiáng)，下奧陶統(tǒng)及寒武系地層中巖性含泥質(zhì)、白云質(zhì)成分較多，巖溶相對發(fā)育較弱。

4.3 巖溶發(fā)育受埋藏條件控制明顯 巖溶發(fā)育程度隨埋藏深度的減少而增大，從而形成了皮各莊、高廟和齊心莊三個淺埋區(qū)的強(qiáng)富水地段，尤其以齊心莊最為明顯。在此三個淺埋地段，巖溶發(fā)育強(qiáng)度明顯高于深埋地段。蓋層巖性不同，其巖溶發(fā)育也有差異：蓋層為第四系地層的地段，巖溶發(fā)育強(qiáng)度比石炭、二疊系埋藏地段的要強(qiáng)。因?yàn)榈谒南党练e前基巖侵蝕基準(zhǔn)面愈低，巖溶發(fā)育的深度及強(qiáng)度隨之也愈大。如齊心莊“古潛山”區(qū)的巖溶發(fā)育段為171.8-295.7m之間，而鮑丘河深切河谷地段巖溶相對強(qiáng)發(fā)育段為397.0-431.5m。這種差異，實(shí)質(zhì)上反映了水動力條件對巖溶發(fā)育的影響。

4.4 巖溶發(fā)育受構(gòu)造影響明顯 在斷層附近地段，巖層破碎，裂隙巖溶發(fā)育較強(qiáng)，而遠(yuǎn)離斷層的地段，裂隙巖溶發(fā)育較弱。另外在構(gòu)造發(fā)育的部位，裂隙巖溶的發(fā)育的深度也相對較大，而離斷層遠(yuǎn)的地段巖溶發(fā)育深度較小。

4.5 巖溶發(fā)育深度 根據(jù)該地區(qū)鉆孔資料成果，巖溶發(fā)育深度較大，其中西北部G12孔巖溶發(fā)育深度440.42m仍未揭穿。南部萬家莊G25孔巖溶發(fā)育深度達(dá)431.50m。東南部覆蓋層厚度最大達(dá)450m。推測本區(qū)基巖最低侵蝕基準(zhǔn)面埋深不小于500m，裂隙巖溶發(fā)育的底界亦不小于500m。

5 巖溶塌陷風(fēng)險區(qū)劃

5.1 巖溶塌陷風(fēng)險評價

①巖溶塌陷風(fēng)險評價方法。巖溶地面塌陷風(fēng)險性評價方法較多，本次評價采用模糊綜合評判法[8]，選取了巖溶條件、覆蓋層條件、地下水條件、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌5個一級因素。每一個一級因素又劃分1-3個二級因素，共9個二級因素。采用經(jīng)驗(yàn)法確定各一級因素和二級因素的權(quán)重，建立層次模糊數(shù)學(xué)預(yù)測模型，將評價結(jié)果（A）劃定為預(yù)測集：A={穩(wěn)定性好（a1）、穩(wěn)定性中等（a2）、穩(wěn)定性較差（a3）、穩(wěn)定性差（a4）}。在所建立的模型中，評價單元j所構(gòu)成的相應(yīng)模糊子集為：Bj={B1，B2，B3，B4，B5}T和Cj={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9}T。其評判指標(biāo)的穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

②層次因子的確定。選取巖溶條件（巖溶地層、巖溶發(fā)育程度）、覆蓋層條件（土層厚度、第四系底部巖性、土層結(jié)構(gòu)）、構(gòu)造條件（距斷裂距離）、地下水條件（第四系水位變幅、基巖裂隙水變幅）、地形地貌條件（地貌單位）等5個條件共9個因子作為模糊層次評判預(yù)測因子，由此得出評估區(qū)巖溶地面塌陷預(yù)測的層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1。

③預(yù)測因子權(quán)重的確定。根據(jù)本區(qū)巖溶塌陷條件及影響因素分析，所選用的權(quán)重，采用經(jīng)驗(yàn)法，參考《唐山市巖溶塌陷區(qū)域風(fēng)險評價》風(fēng)險因子及風(fēng)險比值[9]，確定一套試算權(quán)重初值，選擇大胡莊地已發(fā)生塌陷區(qū)和其他未發(fā)現(xiàn)塌陷的不同類型單元進(jìn)行權(quán)重反演，弱相差太大時，再對權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過多次調(diào)試后確定的計(jì)算權(quán)重如表2。

5.2 巖溶塌陷風(fēng)險性分區(qū) 通過將調(diào)查區(qū)及東部齊心莊鎮(zhèn)巖溶發(fā)育區(qū)范圍，按照1km×1km劃分72個網(wǎng)格，并生成Label點(diǎn)。然后分別將巖溶地層巖性、巖溶發(fā)育程度、覆蓋層厚度、土層巖性、土層結(jié)構(gòu)、距斷裂的距離、第四系水位變幅、基巖巖溶裂隙水位變幅、地貌單元等屬性進(jìn)行賦值。通過計(jì)算得出每個單元的評價結(jié)果，然后再利用MAPGIS軟件中空間分析-DTM分析-離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化-平面等值線繪制，形成實(shí)驗(yàn)區(qū)1：25000比例尺的巖溶塌陷風(fēng)險區(qū)劃圖（圖2）。

巖溶塌陷風(fēng)險穩(wěn)定性好（Ⅰ）：主要分布于調(diào)查區(qū)北部地區(qū)，南部、西南、西北小面積分布，巖性以石炭-二疊系砂巖、炭質(zhì)泥巖為主。巖溶不發(fā)育或弱發(fā)育。

巖溶塌陷風(fēng)險穩(wěn)定性中等（Ⅱ）：分布于齊心莊-高樓-皮各莊一帶，呈條帶著北西向展布，其主要特征是巖溶中等發(fā)育，基巖為寒武-奧陶系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，基巖埋深大且埋深等值線變稀，地下水開采以第四系含水層為主。

巖溶塌陷風(fēng)險穩(wěn)定性較差（Ⅲ）：分布于齊心莊、孤山營-北曹莊-黃辛莊、高廟-高樓、興隆莊西部，其主要特征是巖溶較發(fā)育，基巖為奧陶系灰?guī)r，基巖埋深較淺且埋深等值線較密，巖溶裂隙水位變化幅度>6m，構(gòu)造較為發(fā)育。

巖溶塌陷風(fēng)險穩(wěn)定性差（Ⅳ）：分布于大胡莊-齊心莊鎮(zhèn)一帶、北曹莊-黃辛莊一帶、高廟南部、興隆莊西部，其主要特征是巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，以溶孔、洞隙為主，多發(fā)育有溶洞，基巖為奧陶系灰?guī)r，基巖埋深淺且埋深等值線密，構(gòu)造發(fā)育，巖溶裂隙水位變化幅度>6m，巖溶地下水開采強(qiáng)度較大。因而這些地區(qū)地下水動力作用和巖溶作用均十分強(qiáng)烈，有利于巖溶塌陷的發(fā)生發(fā)展。加之本地區(qū)人口密度較大的村鎮(zhèn)街區(qū)。所以，巖溶塌陷風(fēng)險特別高。

6 結(jié)論

文章充分搜集了地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地下水開采及其他人類工程活動資料。評價方法采用模糊綜合評判法，選取了巖溶條件、覆蓋層條件、地下水條件、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌5個一級因素，每個一級因素又分1-3個二級因素，共9個二級因素。將評價區(qū)按照1km×1km網(wǎng)格，劃分72個評價單元。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行反復(fù)試算，確定各因素權(quán)重。按最大隸屬度原則，計(jì)算各單元評判結(jié)果。劃分了穩(wěn)定性好（Ⅰ）、穩(wěn)定性中等（Ⅱ）、穩(wěn)定性較差（Ⅲ）、穩(wěn)定性差（Ⅳ）4個級別。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wendan Zhang， Jian Lu， Yi Zhang. Comprehensive Evaluation Index System of Low Carbon Road Transport Based on Fuzzy Evaluation Method[J]. Procedia Engineering， 2016， 137.

[2]高啟鳳，陳玉蓮，武孟豪.三河市大胡莊村地面塌陷成因分析及機(jī)理研究.[J].新疆有色金屬，2016，02：33-35.

[3]何付兵，白凌燕，王繼明，等.夏墊斷裂帶深部構(gòu)造特征與第四紀(jì)活動性討論[J].地震地質(zhì)，2013，09：490-505.

[4]陳利新，潘文慶，梁彬，等.輪南奧陶系潛山表層巖溶儲層的分布特征[J].中國巖溶，2011，30（3）：327-333.

[5]翁金桃，章程，蔣忠誠，等.北京西山地區(qū)巖溶發(fā)育史及巖溶環(huán)境變遷[J].中國巖溶，1995，01：41-48.

[6]王峰，崔偉雄.華北巖溶塌陷的發(fā)育規(guī)律[J].能源技術(shù)與管理，2011，01：41-43.

[7]吳孔友，王雨潔，張瑾林，等.冀中坳陷前第三系巖溶發(fā)育規(guī)律及其控制因素[J].海相油氣地質(zhì)，2010，04：14-22.

[8]楊全城，姚春梅，邵景力，等.模糊綜合評判在臨沂城區(qū)巖溶塌陷危險性評價中的應(yīng)用[J].山東國土資源，2010，06：23-26.

[9]胡瑞林，王思敬，李焯芬，等.唐山市巖溶塌陷區(qū)域風(fēng)險評價[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，02：180-189.