江苏宿迁黄泛区地面塌陷机理分析研究

刘宪光 闫玉茹 邹平波 周健华

引言

地面塌陷作为突发性地质灾害是我国地质灾害的主要灾种之一，直接威胁轨道交通、供水、供气等管线工程安全，造成房屋、道路开裂，严重威胁到人民群众的生命财产安全。研究表明地面塌陷易受城市建筑荷载、建筑基坑及管网涵洞开挖的影响，此外还有雨水冲刷、软土沉降、矿产开采、岩溶等诱发因素。

近年来，在江苏北部黄泛冲积平原地区如宿迁、徐州等地，村镇地面塌陷及房屋开裂等地质灾害事件较为多发。与城市地区相比，面对突发的地面塌陷及房屋开裂等地质灾害事件，乡村地区缺乏有效监测数据。如何采用高效、便捷的手段，在缺乏监测数据的乡村开展应急灾害调查工作显得至关重要。

本文以苏北宿迁市湖滨新区井头塘湖村为例，利用槽型钻调查为主的技术手段，完成了地面塌陷区域房屋开裂原因的调查工作。

塌陷区概况

宿迁境内地势平坦，河湖交错。总体地形局部为岗丘，大部分地区为低海拔平原。总体呈西北高，东南低的格局，大部分地区为黄泛冲积平原。

房屋开裂区域主要集中在宿迁市湖滨新区井头乡安圩居委会杨庄、后塘湖、前塘湖一带的村庄（图1）。对房屋开裂特征进行调查后，发现房屋开裂主要表现为门、窗角等建筑薄弱部位开裂，也有部分在房角处、房屋主梁处开裂，裂缝大多在5～25mm（图2）。根据开裂严重程度的统计分析，房屋裂缝严重的11 户、较重的6 户，主要分布在塘湖村塌陷坑一带。远离该区域的房屋开裂程度较轻，裂缝长度及宽度均小于塘湖村塌陷坑一带（图3）。

图1 房屋开裂区位置图

图2 房屋开裂现场照片

图3 2016年塘湖村东部塌陷坑

2016 年6 月，宿迁市湖滨新区井头乡安圩居委会塘湖村南部陆庄发生林地砂土塌陷，房屋大面积开裂，后期陆庄整体搬迁；2019 年6 月、8 月，塘湖村两次短时间强降雨后发生地面沉降、区内房屋开裂的地质灾害事件。

灾害原因调查

（一）明确调查重点

初步排除断裂活动、岩溶、采空塌陷和地下空间开发的诱因。房屋开裂区位于宿迁市东北部，紧邻郯庐断裂带。但区域地质构造资料揭示塌陷区周围没有活动性断裂带穿过，下覆地层无溶洞（图4）。现场调查也发现开裂房屋分布较为集中，非条带状分布，初步判定本次房屋开裂原因与活动性断裂活动无关。经当地自然资源管理部门进一步核实，该地区不存在矿产开采活动，可以排除岩溶、采空塌陷及地下空间开发等因素引起地面沉降造成地面塌陷。

现场调查了解到地面塌陷及房屋开裂时间多发生在强降雨之后，在强降水期间，大量雨水汇集流向塌陷坑，瞬间消失殆尽。由于地下水的开采及水位变化对地面塌陷有着重要影响，因此对塌陷区内潜水层及承压含水层的水位调查成为工作重心，重点调查潜水及上部承压含水层是否存在“地下水天窗”。

（二）调查技术手段

塌陷区受1128 年黄河改道的影响，在浅表地层覆盖着一层1～4 m 厚的黄泛层，黄泛层同时也是本区潜水层所在位置。根据这个特点确定调查的技术手段以野外浅表槽型钻调查为主，工程地质钻探、静力触探、水位测量等工作手段为辅，结合已有地质资料的分析整理、土工试验分析和现场走访调查，最后进行综合研究分析。

20 世纪90 年代槽型钻在1∶25000 德国汉诺威Nordenham 幅、1∶50000 荷兰哈勒姆幅海岸带全新统层序填图中得到应用。2000 年，由天津地质调查中心王宏研究员引入国内，在开展渤海湾西岸的第一道贝壳堤的年代学研究工作时使用。2010 年以后，在第四系浅覆盖区区域地质调查中得到广泛应用。槽型钻技术有别于传统槽探、浅井等方法，具有高效、轻便，不破坏森林、草原，保护环境等突出特点。

本次浅表槽型钻调查所采用工具为Eijkelkamp 槽型钻，该槽型钻是一种适合浅表土壤的调查工具，一体式带标尺的加重型半圆凿钻、钻杆（图5）。可在无扰动的情况下获取地下3～5 m 浅岩芯（图6、图7），同时具有作业时间短、流程简便、耗费人工少等优点。一个3～4 m 的槽型钻钻孔，仅需两个作业工人半小时即可完成施工、取芯、编录等全套作业流程。

图5 Eijkelkamp槽型钻

图6 槽型钻调查及岩芯特征

图7 黄泛层岩性特征照片

本次浅表槽型钻调查，首先是对3 m 以内浅地层沉积物物质组成、厚度、空间变化开展调查，槽型钻取芯结束后，潜水会渗透进入槽型钻孔洞。保持孔洞不受扰动，2～3 小时后，对孔洞内潜水水位进行测量。潜水位的变化与本地区地面塌陷和房屋开裂有着密切的联系。

地面塌陷机理分析研究

（一）浅部岩性特征与含水层分布

工作区设置在0～20 m 浅地层，上部为黄泛层粉土及淤泥质粉质黏土，下部为较厚的粉质黏土层，底部为中粗砂，即第一承压含水层。详细描述如下（图8）。

图8 工作区岩性特征及含水层结构

（1）粉土层（黄泛层）：灰黄、浅褐黄色，较湿至湿，见水平层理，常夹薄层粉质黏土。该层顶板埋深为0.5～1.8 m，层厚1.00～3.00 m，平均2.6 m。中等压缩性，平均标贯击数为8.8 击，该层在工作区广泛分布，空间厚度表现为中间厚两端薄的趋势，最厚处达4m，位于塘湖村中央东部地区，也是开裂较为严重的地方。本层为工作区潜水赋存地层。

（2）淤泥质粉质黏土：灰色，软塑，切面光滑，压缩性高，为湖沼相沉积。

（3）粉质黏土：灰褐色、灰黄色，局部见斑点状褐色铁锰质染及黄褐色铁染，偶见不规则状铁锰质结核。该地层厚度较为稳定，为8.5～10 m。

（4）中粗砂：黄褐色，密实度中等，湿，成分以石英长石为主，偶见细砾。在工作区分布稳定，厚度4～6 m，为工作区第一承压水层。

（二）黄泛层潜水沉降漏斗

受人类活动影响，黄泛层的地表绝大部分已被改造成农田地貌类型，耕作层厚度一般为0.2～0.4 m。下部以黄泛层粉土为主，局部夹有粉质黏土薄层。

在槽型钻取芯之后形成的钻孔中开展了潜水位测量工作，发现工作区内潜水位变化较大，在外围大部分区域，初见潜水深度为1～2 m，岩芯在1.2m 左右富含水分，饱水状态；靠近塘湖村附近初见潜水深度为2～3 m；而塘湖村一带，测量时发现未见潜水，该处槽型钻岩芯0～1.8 m 较为干燥，下部虽然潮湿，但非饱水状态。空间上表现为以塘湖村塌陷坑为中心的潜水沉降漏斗（图9、图10），可以认为区内潜水的缺失与塘湖村地面塌陷房屋开裂现象有着重要联系。

图10 工作区浅地层剖面及潜水位图

（三）地面塌陷及房屋开裂原因分析

通过地质钻探揭示，工作区第一承压水层和潜水层之间隔水层为厚度达8～10 m 的粉质黏土层，该套隔水层整体空间分布稳定，不存在地质“天窗”。据踏勘走访发现，塘湖村一带在黄泛层覆盖之前，早期为低洼湖沼，因此得名“塘湖村”。20 世纪70—80 年代，塘湖村才有村民陆续迁入，逐渐成为村庄。村民在80—90 年代建有大量民用水井，开凿深度一般20 m，汲取第一承压水。水井在建造施工时为简易开凿，成井后仅做简单回填，未做止水等工序。2010 年后，统一接入自来水水网，住户水井废弃后未做好封填。

结合调查结果及以上调查走访信息，初步判断废弃的民井为地表浅层水与第一承压含水层联系的唯一通道，为地表雨水跃层补给地下水提供了快速途径，这也解释了文章开头所描述的强降水汇集到塌陷坑后快速消失的原因。

据土工试验测试数据，黄泛层中的黄土黏粒含量少，粒径几乎全部为粉粒，占比94.10%。由于缺少黏粒的凝聚作用，黄泛层粉土随着雨水下渗通道不断流失，造成塘湖村地基内土质流失。因此强降雨后不久地基发生不均匀沉降，导致房屋出现开裂现象。

结论

（1）本文利用以槽型钻调查为主的技术手段查明了塌陷区及周边20m 浅地层分布特征及潜水沉降漏斗的存在。浅部黄泛层粉砂体空间特征表现为中间厚两端薄。潜水总体呈现为以塘湖村塌陷坑为中心的沉降漏斗状，塌陷区周边潜水深度为1.2～3 m，由远及近呈逐渐变深趋势，直至塌陷区内潜水缺失。

（2）强降水后潜水短时间汇集，塌陷区内大量废弃民井为潜水跃层补给承压水提供了快速通道；潜水通过废弃水井补给承压水的同时也造成了浅部地层黄泛层粉砂的流失。在水土流失的双重因素作用，塌陷区内浅基础地基发生不均匀沉降进而导致塌陷区周围房屋开裂。

（3）槽型钻具有便捷、高效、轻扰动、破坏性小、调查成本低等优点。通过此次在地面塌陷地质灾害调查工作中的应用，证明在缺乏地质调查监测数据的乡村，开展黄泛区或浅覆盖区浅表地层及潜水层调查工作时，该技术手段具有较强的应用价值和推广意义。