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）南拒馬河東岸約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為細砂；8.3m～12.5m仍為黃土狀粉土，12.5m～15.3m為細砂，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砂，下部為含粗砂礫卵石層，頂板埋深15.5m左右，為強富水含水層，厚度約40m，單位涌水量可達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到細砂層頂板，即0m~5m范圍內(nèi)。細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東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，次生黃土也延續(xù)了黃土的兩個重要特點。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大。

尤其是頂、底板埋深5.0m～8.3m的細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)的細粒物質(zhì)沿其孔隙、縫隙、節(jié)理裂隙向細砂層及卵石層運移，再由細砂層沿潛水流動方向向下游拒馬河流動方向搬運，周而復始，長期作用下，造成上覆粉土層的縫隙、節(jié)理裂隙不斷擴大，進而形成空洞，直至造成塌坑。

5.1.3 氣象水文

當?shù)厮臍庀筚Y料顯示，豐水年份遠遠少于干旱年份，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，使河水斷流，不能再補給該區(qū)地下水，影響了地下水的補給條件，促進了地下水位下降速度，加劇了地層裂隙、空洞的擴大。

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，上部細粒物質(zhì)會向下部運移，有利于上部土層中的孔隙、裂隙、空洞的發(fā)展擴大。

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，造成下莊村淺層細砂層裸露，細砂層的水文地質(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微顆粒運移，促使粉細砂層的孔隙增大，疏松程度增加。加速粉細砂層上覆粉土間隙、裂隙形成及原有裂隙、孔洞、空洞的發(fā)展擴大。在挖砂場的周邊可以清晰的看到有細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，所以上部細粒物質(zhì)可垂直下泄運移至該含水層，再被搬運出地表，或者伴隨地下水越流補給，隨著水流搬運到地表，從而進一步擴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，將細砂層揭穿，加大了地表水的下滲通道，促使細砂層運移加速，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、地面塌坑細粒物質(zhì)的去向分析

淺層細粒物質(zhì)由于大氣降水的垂直入滲潛蝕作用，將其攜帶進入5m之下的細砂層內(nèi)，其中一部分經(jīng)淺層潛水向南拒馬河運移，另一部分則經(jīng)細砂層之下的粉土弱隔水層的越流補給帶入深部礫卵石強透水含水層，地下水水位多年多次強烈變幅，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)的細粒物質(zhì)已被排除地表。

5.5 地面塌陷形成機理的綜合分析

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，由于樹木根系將細砂層貫通，其地表水入滲補給地下水流量相對較大，水動力增大，運移能力也相對增加，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。由于砂層流動性強的特點，粉土層出現(xiàn)裂隙后，在水流的作用下，砂層自動填補其下伏粉土層空隙，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)空洞逐漸擴大，必然造成水動力的增大，運移能力增加，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，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，其地表水入滲補給量相對較小，加之淺部砂層已被疏干，水動力運移能力大大降低，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；人工擴建挖砂場，強烈超采地下水，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)展擴大，加之強降雨氣象條件，是該區(qū)產(chǎn)生地面塌陷的必然結(jié)果。

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