唐山巖溶地質災害的勘查與成因分析

賈 晨，王文慧，許建飛

（河北省地礦局第二地質大隊，河北 唐山 063000）

在自然和人為因素影響下，唐山市曾多次發生過巖溶塌陷地質災害，巖溶塌陷地質災害已經成為唐山市建設和發展面臨的主要地質災害，嚴重制約著城市的建設與發展。本項目地處唐山市中心城區，根據前人資料及現場鉆孔實測，勘查區下伏基巖為薊縣-青白口系灰巖，屬可溶巖類，勘查區第四系厚48m～51m，場地位于巖溶塌陷較不穩定區與不穩定區接觸邊緣，為了確保建筑物安全，最大限度地減輕地質災害造成的損失，需查明項目場地下是否有巖溶或土洞存在[1]。

1 工作區地質概況

1.1 地質構造、地貌及巖性

本區大地構造單元位于中朝準地臺（Ⅰ2）燕山臺褶帶（）馬蘭峪復式背斜（）開灤臺凹（）的東北部。區域基底構造較復雜，新構造活動強烈。燕山運動塑造了本區的主要構造格局，區域內斷裂主要有陡河斷裂，附近褶皺構造為碑子院背斜。

勘查區所處地貌單元為燕山南麓山前沖洪積傾斜平原，灤河中晚更新世沖洪積扇中部，場地及周圍地勢起伏較小，地面標高約30.0m。上覆第四系（Q）松散沉積物，厚約48m～51m，主要巖性為粉土、粘土、中砂、中細砂及含土礫卵石等，其中底部為含土礫卵石。下伏基巖為薊縣-青白口系（Jx-Qn），主要巖性上部為砂礫巖夾粘土質灰巖、泥灰巖，下部為薄層白云質泥灰巖、燧石條帶白云巖等。

1.2 水文地質

根據地下水賦存介質和埋藏條件，勘查區地下水分為第四系松散巖類孔隙水和薊縣-青白口系碳酸鹽巖類巖溶水。

第四系松散巖類孔隙水：含水層巖性一般為中細砂層、卵礫石層，富水性較強，第四系水位埋深約26m，含水層底板埋深約50m。單位涌水量約＜10m3/h·m，水化學類型為HCO3-Ca·Mg型，水位年變幅2m～3m。主要補給來源為大氣降水入滲，其次是河道、地表積水的下滲，排泄途徑是側向徑流。

薊縣-青白口系碳酸鹽巖類巖溶水：含水層主要巖性為灰巖、泥灰巖、燧石條帶白云巖，富水性較強，根據本次勘查工作中實測基巖水位，水位埋深46m左右。單位涌水量30m3/h·m～40m3/h·m，水化學類型為HCO3-Ca·Mg型，礦化度小于0.5g/L。主要補給來源為大氣降水、側向徑流及第四系含水層越流補給，排泄途徑是側向徑流。

2 物探勘查情況

地球物理方法中的地震勘查是利用地層和巖石的彈性差異來探測地下地質構造，尋找有用礦產資源的一種極重要的地球物理勘測方法。此方法以其無損、快速、經濟、勘查精度高、分辨地質體能力顯著和勘探范圍廣等特點在巖溶塌陷地質調查中得到了廣泛的應用，其勘探的主要目的是查明塌陷區內覆蓋層厚度以及基巖構造、巖溶發育情況[2-4]。

本次探測采用高密度地震映象法。為確定巖溶及土洞的分布范圍及其形態，根據測區地質條件，布設8條測線，即L1～L8測線。根據物探勘查結果，測線L1、L2、L3、L6、L7、L8均發現異常區域，推測為裂縫破碎帶或巖溶發育帶。

3 鉆探驗證情況

為了對物探結果的準確性加以判斷，布設鉆孔驗證，結合本項目擬建建筑位置，共布設5個鉆孔，進尺293m。

鉆孔揭露的第四系厚度48m～51m，巖性主要為粉土、細砂、粉砂、粉質粘土、卵石。基巖強風化層基本缺失，中等風化層都存在，61.5m勘查深度內微風化層未被揭穿。根據物探異常區位置，ZK01、ZK02、ZK04及ZK05為異常區驗證孔，ZK03為非異常區驗證孔。

根據5個鉆孔驗證情況，ZK01和ZK02發現有溶洞，ZK03～ZK05未發現土洞及溶洞，但各孔局部均有溶孔、溶隙，ZK03為非異常區驗證，鉆孔驗證鉆探結果與物探解譯結果基本一致，物探準確率為60%。

4 巖溶和土洞的成因機制

4.1 巖溶和土洞的成因機制

巖溶的發育離不開巖石和水，巖石必須具有可溶性和透水性；水必須具有溶蝕性和流動性，并且要有足夠的流量的水和有良好的地下水徑流、排泄和補給條件，即循環交替條件。其中最為頻繁的是地下水的循環交替，氣候、地形地貌、土壤、植物及地質結構構造等都會對其產生影響。

土洞多是巖溶作用的產物，土洞發育區往往是巖溶發育區。土洞的形成和發展受到區域地質構造、水文地質、巖溶發育、地表排水以及人為改變地下水動力條件等諸因素的影響，其中，土、巖溶與水的活動是必不可少的條件。滲透水流在土層中運動，使土層顆粒發生位移，不斷被帶走，從而破壞土體結構，在巖溶裂隙、洞隙發育處，形成土洞，尤其在粘性土分布不連續，砂層直接與基巖接觸處，更容易產生土洞。

4.2 勘查區溶洞發育成因分析

勘查區下伏薊縣-青白口系灰巖巖層厚度大，質地較純，鈣質含量高，裂隙較發育，較易溶解。第四系松散巖類孔隙水和薊縣-青白口系碳酸鹽巖類巖溶水水化學類型均為HCO3-Ca·Mg型，在偏酸性地表水下滲或地下水流動作用下，將巖石中的可溶物溶蝕帶走，形成溶孔、溶隙或溶洞。另外勘查區地處燕山南麓山前沖洪積傾斜平原，場地及周圍地勢起伏較小，降水滲入量較大，也有利于巖溶的發育。

勘查區第四系沉積物主要是殘坡積物，巖性粉土、粉質粘土、細砂為主，第四系厚約48m～51m。勘查鉆孔未見第四系存在土洞及松動擾動帶，僅局部粘土層見細小裂縫，寬度0.2cm～0.5cm，長2cm～4cm，內有細砂填充。考慮應為降水或偏酸性地表水下滲流動，攜帶少量細砂沖蝕黏土層形成細小裂縫。

雖整個勘查區未見土洞、ZK03～ZK05鉆孔未見溶洞，但存在溶孔、溶隙，且勘查區地處燕山南麓山前沖洪積傾斜平原，場地及周圍地勢起伏較小，降水滲入量較大，有利于巖溶發育，隨著降水、偏酸性地表水下滲或地下水流動的持續作用，不排除基巖溶洞、溶孔和溶隙繼續發育，上層第四系黏土層和砂土層形成土洞的可能。

5 巖溶塌陷形成條件

巖溶塌陷一般是指在巖溶發育地區的基巖中的塌陷、土層中的塌陷、和土層與基巖都塌陷的統稱。巖溶塌陷的成因機制存在多種觀點，如潛蝕、真空吸蝕、地震、重力、高壓水氣的沖爆、建筑荷載、溶蝕作用等，其中占主導地位的主要有兩種，即地下水潛蝕機制和真空吸蝕機制。

而不管是什么成因機制，要造成巖溶塌陷地質災害，形成條件可概括為三個方面：一、上覆為第四系蓋層，下伏基巖為碳酸巖類可溶性巖石，巖溶較發育；二、上部為第四系孔隙水位、下部為巖溶裂隙水位，且垂直滲透性較強；三、上覆第四系厚度較薄，一般15m～60m區域易發生巖溶塌陷，60m～100m區域發生的概率相對變小，100m以上不易發生巖溶塌陷地質災害。

勘查區上覆第四系松散沉積物，厚約48m～51m，下伏基巖為薊縣-青白口系灰巖，屬可溶巖類，且有溶洞存在，第四系水位埋深約26m，薊縣-青白口系碳酸鹽巖類巖溶水水位埋深約46m，且垂直滲透性較強，具備發生巖溶塌陷地質災害的所有條件。

6 巖溶地基處理方法建議

由于勘查區具備發生巖溶塌陷地質災害的所有條件，有溶洞存在，同時分布有溶孔和溶隙，在地面進行工程建設前，需要對溶洞和地基進行處理，使地基的穩定性達到建筑荷載要求。

目前勘查區溶洞發育于地下50多米處，采取挖除覆蓋層回填碎石、灰土、混凝土等方法難以實現。工程建設前，可通過鉆孔灌注水泥砂漿、混凝土、瀝青等，以堵填溶洞、溶孔和溶隙，提高地基強度，并且要在灌漿完成后進行物探及鉆探驗證。工程建設時，可用樁基處理，以調節地基沉降和強度的不均勻性。工程建設過程中及建成后嚴禁在勘查區及其附近抽取地下水，做好地面硬化工作，防止地表水下滲，建立有效的監測措施，加強對場區地基基礎變形、地下水位的動態變化的監測，發現問題及時處理。