路面塌陷地质灾害勘察及评估分析

张新磊 （安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

近些年随着城建的迅猛发展，城市的地下空间被广泛开发利用，全国各地路面塌陷事故频发，地下管网、给排水等自来水管道因地下施工或腐蚀老化等因素出现漏水等问题，导致土体流失以及土体结构的直接破坏，从而形成地下空洞引发路面塌陷事故。或因地铁、隧道等地下建筑物施工时存在施工不当以及连续暴雨、积雪、温差过大等自然条件或灾害，都会影响到回填路基或路基下方土体的有效力分布和结构强度，导致路面塌陷。

内蒙古准格尔经济开发区创业大道于2008 年通车，是由北向南进入沙圪堵镇的主要公路。2019年7月26日，创业大道公益盖沟段路面（坝体）出现地面塌陷险情，为了查明该地面塌陷地质灾害的成因及发展趋势，保证坝体的安全运营，本文呢对创业大道公益盖沟段路面（坝体）出现的路面塌陷地质灾害进行勘查，并提出防治地质灾害措施与建议。

2 区域地理概况

准格尔旗位于鄂尔多斯市东部、库布齐沙漠东南端，北与包头市隔黄河相望，东与呼和浩特市隔黄河相望，东南、南部与山西省的偏关县与河曲县以黄河为界，西南与陕西省的府谷县隔长城接壤，西部与伊金霍洛旗、东胜区、达拉特旗搭界。准格尔旗位于东经110°05'～110°27'、北纬39°16'～40°20'，总面积7692km2。该坝上公路位于准格尔旗沙圪堵镇北西部，沙纳路k0+940～k1+130处。

路面塌陷区域位于内蒙古准格尔旗沙圪堵镇西北约1km 处，东侧为公益盖沟水库、西侧为公益盖沟沟谷、北侧约2.5km 处为荣乌高速、南侧为沙圪堵客运站，行政隶属内蒙古准格尔旗沙圪堵镇管辖。

该区域属鄂尔多斯波状高原地貌，微地貌属丘陵沟谷地貌。工作区最高点为西北部山顶，标高1052.89m，最低点为公益盖沟的南部沟底，标高1007.96m，相对高差44.93m。区域内黄土广布，在沟谷西部坡面有基岩出露。水库位于大坝东侧，坝体北侧坡面坡度约为30°，南侧坡面坡度约为25°。公益盖沟两侧边坡坡度25°～30°，地形起伏较大。

该区域气候特征属于半干旱的大陆性高原气候，夏季温热、冬季寒冷、春季干燥多风、秋季凉爽多雨。全年降水量小且集中，每年7～9 月为雨季。年蒸发量是年降水量的7～10 倍。无霜期短，结冻期长。区内最高气温40.2℃，最低气温-34.5℃，年平均气温5.5℃；年平均日照时间为304h；历年平均降水量401.6mm，年平均蒸发量2535.0mm；最大风速20m/s，平均风速3.6m/s，一般多为西北风；最大冻土深度1.50m，一般冻土深度1.24m，结冻期为每年的10 月初至翌年4 月底，无霜期165 天左右；最大沙尘暴日为40天/年。

根据勘察资料，将路面塌陷区域地基岩土自上而下划分单元层为①-第四系全新统风积（Q4eol）细砂层、②-第四系全新统冲积（Q4al）中砂层、③-白垩系下统（K1）全、强风化细砂岩层。该区域地质构造较为简单，未见岩浆活动和变质作用，只有中生代及其以后的沉积地层出露。岩层基本水平，倾角一般只有1°～5°，为较稳定的中生代负性构造单元。前人将本区划归为华北地台鄂尔多斯台向斜，并位于台向斜的东北部。该区域均位于公益盖沟大坝坝体，坝顶创业大道路面为粗粒式沥青混凝土，厚度约20cm，下部为回填的土黄色细砂土，夹有薄层褐黄色粘土，为自重湿陷性黄土场地。

工作区区域属丘陵贫水水文地质单元区。根据区域水文地质资料分析，场地地下潜水埋深一般20～40m，水位标高1447.9～1449.4m，仅在雨后局部存在少量上层滞水。主要补给来源为大气降水，水位及水量随季节性变化较大，水位变幅+2.0～-3.5m，即历史最高地下水埋深 18～38m，水位标高 1449.9～1451.4m。据调查，一般单井涌水量小于10m3/d，水质良好，为低矿化度淡水。

3 路面塌陷灾害点勘察

大坝渗漏通道通常是由不良地质体或工程隐蔽缺陷导致的，若大坝坝体出现水流通道，向下渗漏通道周边的土体通常含水量较大，水是良导体，从而导致渗漏通道相对于周围介质而言电导率较高，同时渗漏通道的波速低于周围正常介质的波速。因此，当大坝坝体或坝基中存在渗漏通道的时候，渗漏通道相对于周围的介质，会存在明显的电性、波阻抗差异。若渗漏通道周边的土体被水带走，则会在坝体中出现空洞，空洞的电导率较低，而波速较周围正常介质的波速更低，故针对不同的物性差异采用相应敏感度高的物探方法进行探测，再通过综合对比分析，可实现对大坝渗漏路径较准确的探测。

在物探工作中，瞬变电磁方法、反射波法和管线探测法在工作区内均未取得良好的应用效果，而高密度电法和瑞雷面波法应用效果良好，故在路面塌陷灾害点勘察中选择这两种方法来确定路面塌陷的具体情况。

3.1 技术原理方法

3.1.1 高密度电法原理

高密度电法（即高密度电阻率法）实际上是一种阵列式电法勘探方法。野外测量时，需将全部电极（几十至上百根）置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。当将测量结果送入微机后，还可对数据进行实时处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。水库大坝渗漏路径周围介质的视电阻率会比其他较完整坝体区域的介质视电阻率低，通过测量大坝剖面的视电阻率，推断渗漏路径通过的地方。

高密度电阻率法是以地下介质导电性差异为基础，通过观测和研究人工电场的分布规律，可达到查明地下地质构造和寻找地下电性不均匀体（岩溶、风化层、滑坡体等）的一种地球物理勘探方法。

3.1.2 瑞雷面波法原理

面波勘探（也称弹性波勘探）是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波法不受波阻抗差异的约束，探测分辨率较高。面波分为瑞雷波（R 波）和勒夫波（L 波），而R 波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞雷波勘探。瑞雷波法勘探实质上是根据瑞雷面波传播的频散特性，利用人工震源激发产生多种频率成分的瑞雷面波，寻找出波速随频率的变化关系，从而最终确定出地表岩土的瑞雷波速度随场点坐标的变化关系，探查地下空洞和掩埋物体，以解决浅层工程地质和地基岩土的地震工程等问题。

均匀介质或分层介质在点或面震源的作用下，表面波场包含P、SV波及瑞利波，由于在表面P、SV 波衰减快于瑞利波，当距振源一定距离表面波场以瑞利波为主。在大多数情况下，瑞利波能量集中在一个波长深度范围内，频率越低，波长越大，影响深度越深。在剖面参数（剪切波速、密度、泊松比）不同分层状态下，随着波长的增加，瑞利波穿越的层数也增加，瑞利波传播速度发生变化，瑞利波传播出现频散现象，即瑞利波传播速度随频率（或波长）的变化。频散曲线的变化与分层参数、分层厚度等有关，通过对频散曲线的反分析可以得到场地分层剪切波速。

3.2 工程布置

本次物探勘查布置高密度电法物探测线4 条，均使用温纳装置和偶极装置进行测量。其中2m 电极距的物探测线3 条，5m 电极距的物探测线1 条，共300个物理点。布置瞬态瑞雷面波测线2条，炮检距分别是4m 和10m，共131 个物理点。测线以及测点的编号由东-西依次增大，勘探面积3750m2。

图1 施工布置图

3.3 勘察结果

本次资料解释以高密度电法配合瑞雷波法解释异常区共计23个。

从图2中可以明显看到8个异常区。其中y4 位置即对应为已知路面塌陷开挖点附近，从图中可以看出明显的低阻异常，中心深度在地表十余米以下，分析为管道破裂漏水处沙土充水严重，宽度达15m 左右，并伴有空洞，应高度重视；y2、y3 表现为两个高阻异常，可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证；y1、y5 表现为相对低阻异常，深度与y4号异常区大致相同，y1 宽度达十余米，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙；y6 表现为一相对高阻带，可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证；y7、y8 为两个相邻的相对高阻异常区，宽度达18m左右，深度与y1、y5相当，可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证。

图2 DF1高密度电法测线成果图

解释方法同理，如图3 所示为由高密度电法DF2测线所得视电阻率反演结果，显然y9 为高阻异常区，深度接近8m，宽度4m 左右，分析可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证；y10 上部为高阻异常，可能是干燥的沙土，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，下部为低阻异常，分析为沙土充水严重，宽度达12m 左右，并伴有空洞，应高度重视；y11 低阻异常明显，中心深度在地表十余米以下，分析为管道破裂漏水处沙土充水严重，宽度达10m 左右，并伴有空洞，应高度重视；y24 为相对高阻异常区，可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证；y12、y13、y14 为三处深度相当的相对低阻异常区，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙。

图3 DF2高密度电法测线成果图

DF3 测线通过瑞典RES2D 反演软件可得成果图，如图4 所示，共划分9 个异常区。y15 异常区为相对低阻异常区，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙；y16 异常区对应在路面塌陷区中已知管道的铺设方向上，深度与y15 相当，同样表现为相对低阻异常区，分析为管道破裂漏水顺管道方向扩散，导致沙土充水，可能伴有空洞；y17 为高阻异常区，可能是干燥的沙土，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致；y18 上部为高阻异常区，可能是干燥的沙土，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞，下部为低阻异常区，分析为沙土充水严重，宽度达14m 左右，并伴有空洞；y19 上部为相对低阻异常区，下部为低阻异常区且与y18 下部低阻异常区连通，分析为下部沙土严重充水并导致上部异常区沙土有裂隙并充水；y20 为相对高阻异常区，可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证；y21 为高阻异常区，深度达12m，可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证；y22 为相对低阻异常区，深度与y15相当，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙；y23 为高阻异常区，可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证。

图4 DF3高密度电法测线成果图

结合公益盖沟大坝现场情况，RL2测线38 号物理点下方为泄洪沟，通过上覆钢板与路面相连，此路面不利于面波的传播与接收，故地质剖面图中所解释的1 号异常不可信，同样在高密度电法测线成果图中也没有体现出该异常。

4 路面塌陷地质灾害评估

4.1 现状评估

现状评估是基本查明评估区已发生（或潜在）的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝和地面沉降等各种地质灾害的形成条件、分布类型、活动规模、变形特征以及诱发因素与形成机制等，并对其稳定性（发育程度）进行初步评价。同时查明评估区地质灾害对生命财产和工程设施造成的危害程度，在此基础上，根据地质灾害发育程度（稳定性）、危害程度，按灾种进行地质灾害危险性现状评估。

根据物探勘查发现五处异常区，以坝顶中间隔离绿化带中高密度电法测线DF4 为例，可明显看出五个电阻率异常区位置。1 号异常区为目前开挖的塌陷处，由图5 可知，该处低阻异常明显，中心深度在地表十余米以下，分析为管道破裂漏水处沙土充水严重，宽度达13m左右，并伴有空洞，应高度重视；2 号异常区为高阻异常区，深度接近20m，宽度15m，可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证；3 号异常为一相对低阻异常区，深度与1 号异常区大致相同，宽度达二十余米，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙；4 号异常为一个相对高阻的异常区，深度较1 号异常区深，宽度10m 左右，可能是干燥的沙土或者是基岩，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞导致，应以验证；5 号异常区为一个相对低低阻区，深度与3 号异常区相当，宽度10m 左右，为沙土中相对含水较强，或局部有裂隙。

图5 DF4高密度电法测线成果图

综上，公益盖沟大坝坝体主要由回填的细砂土、粗砂、粉质粘土等碾压夯实建成，由于管道泄漏等原因，坝体出现位置和大小无法确定的空洞和裂隙，破坏了坝体原有的稳定结构，致使坝顶中部路面和东部坡脚出现地面塌陷坑，造成一定的经济损失。

截止物探勘查完成，塌陷坑面积较小，规模为小型。坝体塌陷坑周边整体稳定性较差，东部坡脚塌陷坑有扩大趋势，依然有涌水现象，推测坡面下覆地层存在大量裂隙，坝体稳定性较差。坝体其他区域坝顶路面偶见地面整体下沉现象，稳定性一般，坡面基本稳定。

根据评估区周边地质灾害类型特征、物探勘查成果及地质环境调查结果，现状条件下，评估区中部塌陷坑附近区域地面塌陷地质灾害危险性中等，危害程度小。坝体其他区域地面塌陷地质灾害危险性小，危害程度小。

4.2 预测评估

地质灾害危险性预测评估是在现状评估的基础上，根据评估区地质环境条件、建设工程的类型和工程特点进行的，对工程自身可能遭受的地质灾害的可能性、发育程度、危害程度和危险性做出预测评估。

4.2.1 塌陷坑附近区域地面塌陷地质灾害危险性预测评估

公益盖沟大坝坝体出现地面塌陷现象的主要原因是管道漏水冲刷坝体内部沙土层，造成沙土体流失，形成空洞和裂隙，进而引发地面塌陷。目前对已发现破裂管道实施了封堵、停用等措施，但由于大坝为高填土方坝体，且坝内管道布设相关资料缺失，不排除仍有其他管道泄漏情况，路面裂缝也会导致地面水下渗，因此坝体仍有可能受到水流的侵蚀冲刷。随着水流的冲刷，坝体内将形成新的空洞或裂隙，现有的空洞或裂隙也可能进一步扩大延伸。受重力作用，现有的空洞及新形成的空洞顶部的岩土层可能发生较大的移动变形，由下而上依次发生冒落、断裂、离层、弯曲，最后移动终止，在地表形成塌陷坑，破坏地表路面设施，同时破坏大坝整体的稳定性，威胁坝顶道路及人员安全。若引发溃坝事故，将会造成较大的人员和经济损失。预测坝体塌陷坑附近区域自身可能遭受地面塌陷地质灾害可能性大、危害程度大、发育程度中等、危险性大。

4.2.2 坝体其他区域地面塌陷地质灾害危险性预测评估

公益盖沟大坝坝体其他区域由于内部土体较松散，受重力作用、震动及可能存在的管道漏水现象影响，现有的岩土层可能发生较大的移动变形，由下而上依次发生冒落、断裂、离层、弯曲，最后移动终止，在地表形成塌陷坑，破坏地表路面设施，同时破坏大坝整体的稳定性，威胁坝顶道路及人员安全。若引发溃坝事故，将会造成较大的人员和经济损失。预测坝体东西两侧其他区域自身可能遭受地面塌陷地质灾害可能性小、危害程度大、发育程度弱、危险性中等。

根据评估区周边地质灾害类型特征、现状评估成果及地质环境调查结果，预测评估区中部塌陷坑附近区域地面塌陷地质灾害可能性大、危害程度大、发育程度中等、危险性大。坝体其他区域地面塌陷地质灾害可能性小、危害程度大、发育程度弱、危险性中等。

4.3 综合分区评估

地质灾害危险性综合评估是依据地质灾害危险性现状评估和预测评估结果，充分考虑评估区的地质环境条件的差异和潜在的地质灾害隐患点的分布、危险程度，确定判别区段危险性的量化指标，根据“区内相似，区际相异”的原则，采用定性、半定量分析法，进行工程建设区和规划区地质灾害危险性等级分区（段），提出防治地质灾害的措施和建议。

根据《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T 0286-2015），将评估区地质灾害的危险性划分为大、中等、小三级，同时根据地质灾害危险性现状评估及预测评估，将本项目评估区划分为地质灾害危险性大区及地质灾害危险性中等区两个大区。其中地质灾害危险性大区为公益盖沟段坝体中部塌陷坑附近区域，面积为12840m2，该区域在现状条件下，内部土体较松散，坝顶及东部坡脚出现塌陷坑、涌水现象，预测坝体自身可能遭受地面塌陷地质灾害可能性大、危害程度大、发育程度中等、危险性大。地质灾害危险性中等区为公益盖沟段坝体南北两侧区域，面积为23160m2，该区域在现状条件下，内部土体较松散，坝顶偶见路面下沉现象，预测坝体自身可能遭受地面塌陷地质灾害可能性小、危害程度大、发育程度弱、危险性中等。

5 结论与建议

本文通过地面调查与物探勘查方法有机配合，完成了针对创业大道公益盖沟段路面（坝体）出现的地面塌陷的勘察及地质灾害评估工作，为该路面塌陷灾害点下一步的钻探勘查及注浆提供了参考。在异常区内排除水泥管道和金属管道等其他影响因素后，对异常区进行钻孔验证并及时对发现的空洞进行注浆充填；对整个坝体进行压力注浆处理，以改善坝体土质强度和防水性，避免今后遇水下陷，防患未然。取得主要成果如下。

利用地球物理综合勘探方法，分别布置高密度电法物探测线4 条、瞬态瑞雷面波测线2 条，勘探面积3750m2，坐标物理点共计431 个。基本查明了测区内路面塌陷区附近四条管线的大致走向；基本确定路面塌陷区及其附近高密度图件上的低阻异常是由管路破裂漏水所致；基本查明了公益盖沟大坝内其他可能的空洞以及空洞的含水情况。

明确了在地质灾害危险性评估中，塌陷坑附近区域地面塌陷地质灾害危险性中等、危害程度小，坝体其他区域地面塌陷地质灾害危险性小、危害程度小；在地质灾害危险性预测评估中，塌陷坑附近区域地面塌陷地质灾害可能性大、危害程度大、发育程度中等、危险性大；坝体其他区域地面塌陷地质灾害可能性小、危害程度大、发育程度弱、危险性中等；在地质灾害危险性综合分区评估中，将评估区划分为地质灾害危险性大区及地质灾害危险性中等区两个大区，并对坝体自身可能遭受灾害进行了预测。