北京東部地區深部巖溶塌陷危險性綜合評價

摘? 要：關于巖溶塌陷的研究常見于50m以淺，而事實表明，在鉆孔施工及巖溶水大量抽取等人為活動的影響下，具有發生深層隱伏巖溶塌陷的風險。結合地質背景，參考巖溶塌陷調查規范，提出深部巖溶塌陷的控制性因素為4大類5種影響因子，分別是碳酸鹽巖地層條件（頂板破碎程度）、第四系條件（覆蓋層厚度與底部土層性質）、構造條件（斷裂構造）、地下水動力條件（水位變幅）。在系統調查分析各因子的基礎上，通過基于層次分析的模糊綜合評判法，評價了北京東部地區深部巖溶塌陷的危險性，將研究區分為3個等級，提出了地下水位監測、下管固井等工程防控措施。

關鍵詞：深部巖溶塌陷;張家灣斷裂;燕郊斷裂;模糊綜合評價

中圖分類號：P642.25? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2018）04-0024-08

0 前言

研究區覆蓋層厚度一般大于200m，自然條件下不易產生巖溶塌陷。但廣泛分布有寒武系灰巖和薊縣系霧迷山組白云巖等以碳酸鹽巖為主的易溶巖層，存在發生深部巖溶塌陷的可能。且據賀可強等（2005）對中國巖溶塌陷情況的統計數據顯示，我國現代巖溶塌陷絕大多數為人為塌陷，約占塌陷總數的67%，尤其是城市水源地開采地下水引起的塌陷最為普遍和強烈。1995年，通州自來水廠水井施工過程中曾發生塌孔埋鉆事故，事故原因有兩點：首先具備形成塌陷的自然條件，該區域基巖巖性為寒武系昌平組灰巖，在288～298m處巖溶裂隙發育，其上覆第四系底部為砂礫石層，易被地下水流帶走;其次在鉆孔將穿透覆蓋層時未采取下管固孔防塌措施。餌磊等（2000）通過對鞍山巖溶塌陷機制分析，發現深埋巖溶區也存在發生巖溶塌陷的風險，且覆蓋層結構對深埋巖溶塌陷具有重要控制作用。鐘立勛（2001）和呂曉儉等（1999）從隱伏基巖巖性、構造和水文地質條件等方面，結合國內外類似實例，綜合認為京郊平原區具有發生深層隱伏巖溶塌陷的風險。因此，不能完全排除在人類活動影響下存在塌陷風險。特別是鉆進至巖溶含水層時，強烈擾動會構成塌陷的潛在風險。近年來施工的地熱井，如TC-2號井，揭露巖溶含水層后發生了大量漏失，可能鉆遇了古溶洞，但該井提前采取了下管固孔的防控措施，并未誘發巖溶塌陷。故對研究區巖溶發育情況展開調查，分析深部巖溶塌陷風險，可為城市工程建設提供預防和控制建議。

1 地質背景

研究區位于北京東部平原區，區內覆蓋層主要為第四系沉積物，屬沖洪積河流相沉積，偶見湖沼相。下伏基巖地層主要有古生代寒武系、新元古代青白口系和中元古代薊縣系。其中碳酸鹽巖地層主要為寒武系灰巖和薊縣系白云巖（圖1）。受區域構造應力作用控制，斷裂構造走向主要有NE和NW兩組。NE向斷裂主要有南苑-通縣斷裂、宋莊斷裂、燕郊斷裂和姚辛莊斷裂;NW向斷裂主要是張家灣斷裂（北京市地質勘察技術院，2007）。另外，在東南部北東向的夏墊斷裂及西南部的牛堡屯斷裂，由于附近覆蓋層厚度較大，不是本次重點考慮斷裂。

2 深部巖溶塌陷主控因子調查

巖溶塌陷的影響因素包括地質條件和水動力條件兩大方面，地質條件是巖溶塌陷的內因;地下水是巖溶塌陷物質遷移及能量轉換的載體，易受人類活動影響，是巖溶塌陷的外因。結合具體地質背景特征，參考巖溶塌陷調查規范，將影響深部巖溶塌陷的控制性因素歸結為4大類5種因子，分別是碳酸鹽巖地層條件（頂板破碎程度）、第四系條件（覆蓋層厚度與底部土層性質）、構造條件（斷裂構造）、地下水動力條件（水位變幅）（程星，2002;李文科等，2014）。在此基礎上，綜合利用多種地球物理勘探手段，查明碳酸鹽巖地層分布范圍，對巖溶塌陷的主控因子展開調查，根據調查結果，采用基于層次分析的模糊綜合評判法對研究區巖溶塌陷進行危險性評價。

2.1 碳酸鹽巖地層條件

（1）碳酸鹽巖地層分布范圍

通過系統搜集前人研究成果資料，結合最新掌握的鉆孔資料及綜合物探成果，對研究區碳酸鹽巖易產生巖溶塌陷的地層分析如下：

寒武系厚度變化比較大，大部分地區頂面遭受剝蝕，地層不全，一般小于500m，主要巖性為灰白色、灰色豹斑狀灰巖和白云巖、細晶灰巖，底部普遍發育灰質和白云質角礫巖，最底部有時可見古風化殼。該套地層巖溶較為發育，與第四系有直接的水力聯系，具有較強的水動力條件和巖溶發育條件，在20世紀90年代通州鉆井施工曾發生過巖溶塌陷掩埋鉆機的事故，是該區具有隱伏巖溶塌陷風險的地層。

薊縣系主要由白云巖組成，巖溶裂隙較為發育，有較強的賦水性，在區東南部直接下伏于第四系，與第四系有一定的水力聯系，也是該區具有隱伏巖溶塌陷風險的地層之一。

區內碳酸鹽巖地層平面分布如圖1所示，分布范圍主要包括4個部分：薊縣系碳酸鹽巖（I-1和I-2）和寒武系灰巖（II-1和II-2）。通州向斜核部為寒武系灰巖（II-1），張家灣背斜核部為薊縣系鐵嶺組灰巖和霧迷山組白云巖（I-2），二者受構造影響，裂隙發育，是存在發生深部巖溶塌陷隱患的主要地層。而東南部的寒武系灰巖，受夏墊斷裂影響，埋藏深度達2000m以上，不具備產生巖溶塌陷的條件。故東南部寒武系灰巖與青白口系砂頁巖分布區在本次評價過程中，做穩定區處理。

（2）碳酸鹽巖地層頂板破碎程度

碳酸鹽巖地層頂板附近裂隙發育程度越高，越易發生巖溶塌陷。龍旺莊水源地分布有北東方向大范圍寒武系，歷史上發生過深部巖溶塌陷事件，即TJ-1井處。而探采-2井在鉆遇薊縣系時出現漏失現象，通過雙側向電阻率和聲波時差測井，發現該處薊縣系白云巖巖溶裂隙發育，有明顯漏失。因此，區內寒武系灰巖和薊縣系白云巖，均有可能發育大型孔洞。碳酸鹽巖地層在物性上表現為高密度、高阻特征。在裂隙發育程度高甚至形成溶洞的地區，會出現局部低密度、低阻異常。故可根據高精度重力和電測深資料，圈定裂隙發育程度相對較高區域。結合地質資料，將研究區碳酸鹽巖地層頂板破碎程度分為3個級別：

①Ⅰ級區：碳酸鹽巖地層相對較破碎區。該區域同時滿足以下特征：位于碳酸鹽巖地層分布范圍內;張性斷裂在附近交匯;電測深視電阻率值表現為高阻背景場中的低阻;有詳實鉆孔等資料可以指示基巖地層相對較破碎。本次共推斷兩處Ⅰ級區，見圖2中深紫色區域：一處位于歷史塌陷地TJ-1井及周邊地區，該區碳酸鹽巖為寒武系灰巖;另外一處位于探采-2井一帶，該區碳酸鹽巖為薊縣系白云巖。

②Ⅱ級區：碳酸鹽巖地層較完整區。該區需具備以下特征：碳酸鹽巖地層屬寒武系灰巖;電測深視電阻率值表現為高阻背景場中的低阻。本次推斷Ⅱ級兩處，見圖2中粉紫色區域，位于區內中西部。

③III級區：碳酸鹽巖地層完整區以及下伏基巖為非碳酸鹽巖區。區內除去Ⅰ級區和Ⅱ級區以外的區域推斷為III級區，見圖2中淺紫色區域。

2.2 斷裂構造

巖溶發育程度與斷裂構造位置密切相關。斷裂構造發育區，尤其是張性活動斷裂交匯區，由于受到多角度的應力影響，巖石破碎程度高，易于匯集地下水，引發巖溶塌陷（馮佐海等，2000）。石建省等人（1996）在唐山市的研究表明，80%的巖溶塌陷集中在距離活動斷裂200m以內的范圍，距離500m以上基本不會發生巖溶塌陷。歷史上發生過嚴重的塌鉆事件的TJ-1井位于張家灣斷裂，白云巖地層較破碎的探采2號井位于燕郊分支斷裂附近。因此，進行巖溶塌陷危險性評價時，與張性斷裂的距離應作為主控因素之一加以考慮。根據高精度重力測量、可控源音頻大地電磁測深剖面成果，結合搜集到的區域地質和地球物理資料，可對區內主要斷裂在基巖內的發育情況進行解釋推斷。參考巖溶調查規范，根據主要斷裂在基巖內部的延展特征及距離的遠近，將斷裂緩沖區分為3個級別：

（1）I級區：距離斷裂構造線200m范圍內，見圖3中紅紫色區域，地層相對破碎。

（2）II級區：距離斷裂構造線200～500m范圍內，見圖3中粉紫色區域，地層完整性在一定程度上受斷裂影響，尤其是區域性的深大斷裂帶，影響范圍較大，地層可能局部相對較破碎。

（3）III級區：距離斷裂構造線大于500m，見圖3中淺紫色區域，地層受斷裂影響較小。

綜上所述，需要注意的兩個交匯部位為：張家灣斷裂與南苑-通縣斷裂和宋莊斷裂交匯部位，基巖為寒武系灰巖;張家灣斷裂與燕郊斷裂交匯部位，基巖為薊縣系白云巖。此外，夏墊斷裂與張家灣斷裂交匯處由于上覆地層厚度較大，本次評價暫不重點考慮。

2.3 覆蓋層條件

（1）覆蓋層厚度

巖溶塌陷的發生概率在巖溶發育程度、富水性、水位降低等條件一致的情況下，與覆蓋層厚度呈反比例關系，即覆蓋層厚度越厚，越不易發生巖溶塌陷;覆蓋層越薄，越易發生塌陷。故需研究第四系覆蓋層的厚度問題。本次廣泛搜集了研究區的鉆孔資料，用以約束解釋基巖起伏形態及巖性展布。通過抗干擾電法（李巧靈等，2018）和高密度電法資料，結合區內已有地質及地球物理資料，可反演地層電阻率特征，解釋地層巖性變化情況，勾勒覆蓋層厚度。區內覆蓋層厚度中部較淺，呈北東向條帶狀分布，厚度約在200m到300m之間變化;從中部向西北部覆蓋層厚度逐漸加大，覆蓋層厚度在500m到700m之間變化;從中部向東南角厚度亦逐漸增大，大約在400m到700m之間，至夏墊斷裂帶附近，受該斷裂影響，上盤覆蓋層厚度快速變化至2000m以上（圖4）。據此，把區內覆蓋層厚度分為3個級別：①Ⅰ級區：覆蓋層厚度小于200m。主要位于區內東北部，見圖4中深紫色區域。②Ⅱ級區：覆蓋層厚度為200～300m。從區內東北部至西南部呈北東條帶狀分布，見圖4中粉紫色區域。③Ⅲ級區：覆蓋層厚度大于300m。東南部和西北部屬于Ⅲ級區，見圖4中淺紫色區域。

（2）覆蓋層底部土層結構

覆蓋層底部主要巖性若為砂性土，則由于砂粒間無粘結力，易被地下水侵蝕、掏空和搬運，容易在致塌因素影響下產生塌陷。故需對覆蓋層內部結構進行調查，尤其是碳酸鹽巖分布區的上覆土層巖性。第四系電阻率與巖性顆粒大小密切相關。如粘土電阻率一般小于20Ω·m，濕度大時還會更小，隨著砂礫石含量的增加，電阻率值也有所增加。故本次利用抗干擾電法和高密度電阻率法綜合確定了覆蓋層內部土層結構和性質，結合電測深資料的極小值和尾支角對土層底部巖性進行了判別。將研究區覆蓋層底部土層性質大致分為為中細砂、粉細砂和砂粘土3種類型：①Ⅰ級區：中細砂區域。該區域分兩處，見圖5中藍紫色區域，一處位于北東部;一處位于中西部。該區域覆蓋層底部土層粘結力較差，較易形成深部塌陷隱患。②II級區：粉細砂區域。見圖5中天藍色區域，位于Ⅰ級區周邊。該區域土層粒級較小，較Ⅰ級區穩定。③III級區：砂粘土區域。見圖5中淺紫色區域。該區域粘結性和膨脹性較強，不利于地下水侵蝕。

2.4 地下水動力條件

巖溶地下水具有搬運、遷移及其溶解碎屑物質的能力，其能力大小主要由水流速度、水力坡度以及水流量的大小來決定（賀可強等，2005）。據以往資料，研究區存在3個巖溶裂隙含水層組（炒米店組含水巖組、昌平組與景兒峪組含水巖組和鐵嶺組及霧迷山組含水巖組）、兩個儲水構造（通州向斜儲水構造、張家灣背斜北西翼儲水構造）。研究區中西部區域為多重構造復合區，根據已有資料分析，先后有多期構造形跡。北東--南西向的向斜儲水構造中有后期褶皺疊加在其中，部分炒米店組已被風化剝蝕，部分區域昌平組與景兒峪組直接與第四系接觸（北京市水文地質工程地質大隊，1998）。因此，該區受復合構造影響，巖溶裂隙發育，賦存豐富的地下水資源。

地下水動力條件對巖溶塌陷的發育有重要影響。地下水動力條件除受基礎地質條件的影響外，還與地下水開采等人類活動有密切關系。地下水水位上升與下降的速度對塌陷產生著重要的影響。在天然狀態下，地下水緩慢升降，一般情況下不易引發塌陷。地下水的快速上升或下降產生的水力作用遠大于緩慢升降時產生的水力作用，因此地下水的快速上升或下降導致致塌力相對增大。因此，可以通過收集水位監測資料，特別是深孔承壓水位監測資料來分析水動力條件的變化。圖6為研究區2014年6月與2015年6月之間承壓水水位變幅圖，圖中負值代表水位降低，正值代表水位回升。中東部和中南部水位變幅較大，見圖6中深藍色區域，下降3m以上。根據以上分析可知，地下水水位升降速度越快，塌陷頻率越高，故這兩個區域需加以考慮。

3 深部巖溶塌陷危險性綜合評價

層次分析法是以模糊聚類分析和模式識別為理論基礎建立的，是一種綜合評價模型的方法，可用于解決具有相互聯系、相互制約的多因素復雜問題。由于巖溶是個非常復雜的綜合體，具有明顯的隨機性和模糊性，巖溶塌陷危險性評價是一個典型的定性與定量相結合的問題，綜合運用層次分析法（AHP）和模糊識別理論是評價巖溶塌陷危險性的一個重要手段（曾玉瑩等，2007;姚春梅，2008）。由以往資料和本次綜合物探成果資料分析可知，深部巖溶塌陷的控制性因素包括兩個方面，地質條件和水文地質條件。本次將地質條件概化為巖溶發育程度、覆蓋層厚度和底部土體性質、斷裂構造位置。水文地質條件僅考慮承壓水水位變幅。以上述4個條件、5個因子作為危險性評價因子，構造巖溶塌陷危險性評價層次結構模型。

3.1 評價因子分級

深部巖溶塌陷危險性評價因子的調查和分級，主要從以下角度加以考慮：

（1）碳酸鹽巖的存在是發生巖溶塌陷的物質基礎，故巖溶塌陷危險性評價首先要考慮碳酸鹽巖分布范圍及其破碎程度。

（2）巖溶塌陷一般僅發生在覆蓋層厚度小于50m且巖溶較為發育的地區。覆蓋層厚度大時地下水對土體的潛蝕作用弱，不利于形成有破壞性的深部巖溶塌陷。但如果覆蓋層底部土層粒級類型為中、粗砂，則可能造成地下水活動相對強烈，可能形成一定巖溶發育的條件。故本次評價綜合考慮了覆蓋層厚度和底部土層結構。

（3）斷裂構造發育地區受應力作用影響巖石破碎，易于匯集地下水。水與巖層中的碳酸鹽巖反應，形成巖溶裂隙。如南苑-通縣斷裂與張家灣斷裂交匯于通州老城區東北部的龍旺莊附近，該區覆蓋層下伏基巖為寒武系灰巖，且歷史有過深部巖溶塌陷的案例。故在深部巖溶勘查中，斷裂構造是重點勘查對象。

（4）地下水上升與下降的速度也是巖溶塌陷的重要影響因素之一，水位升降速度越快，塌陷頻率越高。年變幅大于3m的區域應引起注意。

除上述地質及水文地質因素外，還應考慮人類活動的擾動影響。如深部樁基工程、地熱井勘探等，人為擾動越大，巖溶塌陷發生的可能性越大。同時，由于巖溶塌陷具有重復性的特點，已發生塌陷的地區很有可能繼續發生塌陷，故在評價時考慮已發生巖溶塌陷點的分布。

通過以上分析，最終確定地層頂板破碎條件、第四系條件（厚度與底部土層性質）、構造條件（斷裂構造）、地下水動力條件為研究區深部巖溶塌陷危險性評價因子，從而構造出評價層次結構模型，具體劃分參數見表1。

3.2 隸屬度矩陣的確定

根據巖溶塌陷條件及影響因素分析，結合實際經驗，利用 “1-9標度”法，列出層次結構中條件層和因子層的判斷矩陣（即深部巖溶塌陷的基本條件相對于深部巖溶塌陷評價目標的相對重要性比較和針對各基本條件的相關因子之間相對重要性的比較）。分別計算條件層和因子層特征向量，歸一化后得到相對權重，再用條件層的相對權重乘以因子層的相對權重，得到評價因子的計算權重值。然后，分別選取幾個塌陷程度不同，但已明確的單元進行反演，對個別矛盾的因子權重進行調整，調試合理后的權重值作為最終權重。即：

基本條件層（第四系、斷裂構造、巖溶破碎程度、地下水動力條件）最終權重：

3.3 模糊綜合評判

本次基于模糊層次綜合評價法，利用Arcgis空間分析功能，以1km×1km的正方形網格作為評價單元，通過編制程序，逐單元確定模糊評價集。評價區共有470個單元，評判結果存到各預測單元的屬性庫中，把相同隸屬度的單元劃分為同一級別。根據各單元評判的結果，進行整體危險性分區評價（圖7）。

（1）I級防控區：在人類深部工程（>200m）活動影響下，若不采取防控措施，存在較大巖溶塌陷風險的地區。包括I-1、I-2和I-3區，見圖7中暗紫色區域，其中I-1區位于研究區中北部，面積約1.6km2;I-2區位于TJ-1井附近，面積約8.3km2;I-3區位于探采-2井附近，面積約10.5km2，總面積約20.4km2。

將I-1、I-2和I-3區劃為I級防控區，除綜合評價結果外，還因為：位于I-2區的TJ-1井曾在施工過程中發生嚴重的鉆孔塌陷掩埋事件;位于I-3區的探采-2井在薊縣系出現漏失現象，對該鉆孔進行雙側向聲波時差、電阻率等測井測試，發現該處薊縣系白云巖裂隙發育，有明顯漏失。

對于I級防控區在地下水開采、深部樁基工程、地熱井勘探等人類活動擾動下，較可能發生巖溶塌陷。故該區在施工過程中，需提前做好規劃，并做好地下水位監測及下管固孔等工程防控措施。

（2）II級防控區：在人類深部工程（穿透覆蓋層厚度）活動影響下，若不采取防控措施，可能存在巖溶塌陷風險的地區，包括II-1、II-2、II-3和II-4區，見圖7中藍綠色區域。

II級防控區在自然條件下可不考慮巖溶塌陷地質災害，但在深部工程建設或人類活動，如深部鉆井施工、連續大流量抽取巖溶水、造成地下水位強烈波動時，可能導致深部巖溶塌陷。故當工程建設或人類活動穿透覆蓋層底界時，需要做好預防控制工作。

（3）穩定區（III級）：將東南角碳酸鹽巖頂板埋深大（約2000～3500m）的部分及青白口系分布區劃為穩定區，即III級，見圖7中淺藍色區域，該區幾乎沒有發生巖溶塌陷的可能。

4 結論

（1）梳理并定量研究了影響深部巖溶塌陷危險性的五大主控因子，分別是碳酸鹽巖地層巖溶發育程度、斷裂構造位置、覆蓋層厚度、覆蓋層底部土層巖性和地下水動力條件（水位變幅）。

（2）在綜合調查分析主控因子的基礎上，采用模糊綜合評價法，對研究區深部巖溶塌陷危險性進行了定量評價，針對不同的危險性確定了工程防控級別（Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級），提出了有針對性的防控措施。

（3）針對深部巖溶塌陷危險性的調查與評價，目前國內還沒有成熟的方法和標準。本次是利用綜合地球物理方法，通過調查深部巖溶塌陷主控因子，評估深部巖溶塌陷的危險性，可為相似區類似工作的開展提供借鑒。

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