遵化市刘备寨村岩溶塌陷地质灾害研究

申伟坤，李昌存

(1.河北省地矿局第五地质大队，河北 唐山063004；2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

遵化市刘备寨村岩溶塌陷地质灾害研究

申伟坤1，李昌存2

(1.河北省地矿局第五地质大队，河北 唐山063004；2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

岩溶塌陷；形成机理；防治措施

根据研究区岩溶发育特点，从区内的地层岩性、覆盖层、构造、水文地质条件及人为因素等多方面入手，研究区内地面塌陷的成因，并利用高密度视电阻率法、地震反射波法、面波勘探法、钻探及地下水长期观测等手段，研究区内溶洞、土洞的分布特征。据此，分析区内岩溶塌陷的形成机理，并提出相应的防治措施。

刘备寨村岩溶塌陷主要发育在村中河道和沟谷边缘及基岩浅埋区，塌陷灾害具有隐伏性、突发性、群发性、多因性等特点。岩溶塌陷给城镇建设带来不利影响的同时，更对人民的生命财产安全构成严重的威胁。通过对刘备寨村岩溶塌陷的形成因素的研究，得出刘备寨村岩溶塌陷的机理模型，确定积极的防治措施，减少或消除塌陷灾害，无疑对未来城市建设与发展具有十分重要的意义。

1 刘备寨村岩溶塌陷形成因素

岩溶塌陷一般形成因素包括具备开口型溶洞、溶隙的碳酸岩盐、一定厚度的松散覆盖层及易于改变的地下水力条件[1]。通过研究刘备寨村内地质环境，确定本区岩溶塌陷发生的形成因素受地层岩性、覆盖层特征及厚度、构造、地下水动力条件和人为因素的影响。

1.1 地层岩性

研究区下伏基岩为中元古界蓟县系雾迷山组白云岩，倾向155°～185°，倾角37°～68°。属可溶性碳酸盐岩，其化学成分主要为MgCO3、CaCO3，可溶于弱酸性水，溶解度大，溶液不易饱和，易形成规模较大的溶洞；浅部基岩风化破碎岩溶裂隙发育，联通性好，透水性强。

1.2 覆盖层特征及厚度

刘备寨村地处遵化盆地，地势总趋势东北高西南低。第四系厚度分布极为不均，北部及西南山区基岩裸露，西部第四系厚度为30～50 m；中东地区第四系厚度为20～70 m。第四系沉积物上部以粉质粘土为主，其下是以粉质粘土为主的粗砂、砂砾、卵砾石互层，砾砂中密，砂层连续性较差。各层在研究区中部分布较均匀，自中心向四周逐渐变薄；在基岩面普遍存在一层隔水层棕红色粉质粘土，但局部缺失存在"天窗"。钻孔揭露，在基岩浅埋区，第四系粉质粘土沉积层具有大量垂直裂隙，为第四系孔隙水和岩溶裂隙水提供通道；且第四系砂层有被扰动现象。

根据对已发生地面塌陷点的统计分析，得出研究区覆盖层厚度与岩溶塌陷的关系，如表1所示，结果表明，刘备寨岩溶塌陷分布较均匀，各覆盖层厚度处均有塌陷发生，与覆盖层厚度关系不大。且发生概率均在20%左右，因此，本研究区内岩溶塌陷与覆盖层厚度关系不大，塌陷坑呈现特点是覆盖层厚度较小区域，塌陷坑以圆形为主，塌陷坑直径也较小；而覆盖层厚度较大区，塌陷坑多以近圆形为主，塌陷坑直径也较大[2-3]。

表1 覆盖层厚度与岩溶塌陷关系统计

1.3 构造

研究区北部，基岩出露区发现2条层间滑动断层F6、F7，断层特征如下：F6，为正断层，长为55.9m，倾向为165°，倾角为65°；F7，为正断层，长为60.6 m，倾向为174°，倾角为45°。刘备寨村2004年之前的地面塌陷多数集中在F6、F7附近；研究区南部，多被第四系覆盖，通过高密度电法解译出5条断层，分别编号为F1、F2、F3、F4、F5。其中，前4条走向近东西，属顺层滑动断层，F5走向近南北，属正断层；通过地震反射波，解译出F1、F2、F3，3条断层，与高密度电法成果一致。区内施工钻孔揭露，在白云岩层间夹有多层0.4～1.6 m的泥钙质夹层，且有落钻现象，印证了断层的存在及此2种物探方法工作成果的可靠性；通过高密度视电阻率电法勘测发现隐伏溶洞2个，分别编号R1、R2，隐伏土洞10个，分布编号T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10；面波勘探解译出土洞12个，分布编号A1、B1、C1、D1、A2、B2、A3、B3、C3、D3、A4、B4，其中D1与T1、T2重合。如图1所示。

1.塌陷坑及其编号；2.面波解译土洞及其编号；3.高密电法解译溶洞及其编号；4.高密电法解译土洞及其编号；5.渗漏点；6.解译基岩埋深/距起点距离；7.高密电法视电阻率剖面线位置及其编号；8.面波剖面线位置及其编号；9.高密度电法剖面线位置及其编号；10.浅震剖面位置及其编号；11.地层界线；12.正断层、编号及产状；13.第四系上更新统；14.第四系全新统；15.蓟县系雾迷山组白云岩。

图1 刘备寨村主要岩溶塌陷分布图

1.4 水文地质条件

研究区地处低山丘陵区，地下水类型分为第四系孔隙水和岩溶裂隙水。受地形影响，第四系孔隙水主要分布在山谷边缘及河道两侧，基岩中发育岩溶裂隙水。通过调查区内水井，测量第四系孔隙水和基岩裂隙水混合水位，证明两层水之间联系密切；钻孔显示，位于基岩面以上的隔水层棕红色粉质粘土局部缺失，存在天窗，加之断层发育，形成了地下水联系的天然通道。从而，加速了岩石风化带、构造破碎带附近土洞的形成。

1.5 人为因素

由于1995～2002年期间，研究区内干旱少雨，同时加大了地下水的抽取量，2002年水位较1994年以前下降了近10.0 m，直至2004年水位有所回升。研究显示，区内在黎河附近形成小型地下水降落漏斗，如图 2 所示。漏斗中心水位埋深在15.0 m左右，周边水位埋深20.0 m左右。在漏斗中心附近正是农田机井分布密集区域。由于大量抽取地下水，导致地下水位下降，致使周边水流向漏斗中心。地下水位的频繁升降变化及长期汇流，致使第四系土体反复经历浸润-塌落，最终导致松脱的土体被水流带走而形成土洞。

其次地表水入渗及地面荷载机械振动时，也会造成土洞塌陷。

1.等高线；2.地下水位标高等值线；3.地面高程；4.河流；5.编号/井深(m)/水位标高/水位埋深；6.地下水主要流向

图2 刘备寨村及其周边地带地下水位标高等值线图

2 研究区岩溶塌陷的机理分析

根据以往对岩溶塌陷形成机制研究成果[4-7]，分析本区岩溶塌陷主要属于渗透变形，符合唐山岩溶塌陷模型的三元结构[8]。

第四系孔隙水通过垂直裂隙、隔水层天窗下流补给基岩裂隙水，受自然地形坡降影响，地下水沿裂隙通道流速增大而形成汇流。此过程中可冲刷、带走溶洞溶隙中的松散充填物，并对覆盖层底部产生潜蚀和掏空作用。人工抽水使岩溶水水位降低时，覆盖层中的孔隙水沿垂直裂隙在下部有岩溶溶隙溶洞的地方，于土层中形成集中渗漏点，在岩土接触面地带可产生流土或接触冲刷现象进而产生土洞。降雨发生后，由于地表水、第四系水沿垂直裂隙的渗漏补给，地下水位快速回升，上升的地下水不仅顶托冲刷裂隙周围土体，还使土体浸润软化，水位的反复变化，使覆盖层底部反复吸水、脱水、松胀、剥落和被带走，在下伏溶洞(隙)开口处产生土洞的雏形，当土洞不断向上扩展，洞顶上部盖层的自重力超过土体抗剪强度时，洞顶垮塌，塌陷形成。

3 结论

(1)研究区下伏基岩为中元古界蓟县系雾迷山组白云岩，基岩可溶于水，浅部基岩风化，岩溶裂隙发育；研究区第四系覆盖层分布特征为西薄东厚，厚度一般20～70 m，下部以多层含粗砂、砾石的粉质粘土为主，且底部局部缺失隔水层，有利于岩溶塌陷的发生；研究区构造发育，加强了地下水联系，且地下水受天气、季节影响，水位波动大，变化剧烈，是导致岩溶塌陷的主要因素；研究区岩溶塌陷形成机制是渗透变形，符合唐山岩溶塌陷模型的三元结构。

(2)为防止岩溶塌陷再次频繁发生，建议采取以下防治措施：a. 控制深井岩溶水的开采，避免使水位在较短时间内快速下降。b. 对村内低洼处的沟渠河道、集水坑及以及已发现的地表水渗漏点采取排水防渗措施，进行防渗封堵处理，避免地表水急剧集中渗漏。

[1] 河北省地矿局第四水文地质工程地质大队. 河北省唐山市岩溶塌陷地质灾害防治前期勘查报告[R].沧州:1994.

[2] 左文哲,董军义,刘善军,等.河北省唐山市山间盆地岩溶塌陷特点及成因分析——以遵化市刘备寨村岩溶塌陷为例[J]. 水土保持通 报，2007, 27(6): 174-177.

[3] 左文哲,董军义,刘善军,等.唐山市北部山区岩溶塌陷机制初探[J]. 工程勘察，2008, (8): 29-32.

[4] 郑彦华,李昌存. 唐山市典型岩溶塌陷概述[J].地球与环境，2005, (s1):331-336.

[5] 王洪涛,恩志,李士雄.唐山市岩溶地面塌陷成因机制与迭置分析方法[J]. 中国岩溶，1996, 15(4):312-318.

[6] 贺可强,王滨,万继涛.枣庄岩溶塌陷形成机理与致塌模型的研究[J].岩土, 2002, 23(5): 564-569.

[7] 王滨,贺可强,姜先桥,等. 岩溶塌陷渗压效应致塌机理研究——以山东省枣庄市岩溶塌陷为例[J]. 中国地质灾害与防治学报，2005, 16(1):18-22.

[8] 雷明堂,蒋小珍,李喻.唐山市岩溶塌陷模型试验研究[J].中国地质灾害与防治学报，1997, (s1):179-186.

Research on Geological Hazard of Karst Collapse in Liubeizhai Village of Zunhua City

SHEN Wei-kun1,LI Chang-cun2

(1.The Fifth Geology Company of Hebei Geology and Minerals Bureau,Tangshan Hebei 063004, China;2.College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210, China)

karst collapse; formation mechanism; prevention measure

Based on the characteristics of karst in this area, the cause of surface collapse was researched from factors of the stratigraphic lithology, covering, structure, hydrogeological condition etc.The distribution characteristics of soil caves and karst cave were researched by using the multi-electrode resistivity method, surface wave method, drilling and long-term survey underground water. On this basis, the formation mechanism of karst collapse in the area was analyzed, and the corresponding prevention measures were proposed.

2095-2716(2017)02-0016-04

2016-11-08

2017-03-31

河北省国土资源厅财政支持项目。

P694

A