章丘區(qū)地面塌陷災害形成機理及危險性評價研究

聶玉朋，王慶雷，曹光明，孟慶結

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟南 250014；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014；3.山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南 250014)

1 引言

地面塌陷往往會導致交通道路中斷、房屋坍塌，并造成人員傷亡和財產(chǎn)損失[1,2]。根據(jù)國家統(tǒng)計局近年來的統(tǒng)計資料，我國發(fā)生的地面塌陷數(shù)量居高不下，平均每年發(fā)生268 起。我國許多學者對此進行大量的研究，并提出了相應的防治對策和建議[3～6]。本文以濟南市章丘區(qū)張辛村內(nèi)發(fā)生的地面塌陷為研究內(nèi)容，圍繞塌陷問題開展了研究。

2 研究區(qū)概況

研究范圍以地面塌陷發(fā)生地章丘區(qū)張辛村為中心，北到朱格務村，東到西巴漏河東側，南到棗園街道駐地，西到垛莊村西，東西長約3.4 km，南北寬3.4 km，覆蓋面積11.22 km2，距離濟南中心城區(qū)42.0 km，周邊有S244省道和S102省道。

根據(jù)當?shù)貧庀笳窘邓y(tǒng)計資料，該區(qū)域多年平均降雨量為642.5 mm，降雨多集中在夏季。該區(qū)屬小清河水系，附近主要河流為西巴漏河，屬于季節(jié)性河流。該區(qū)地處山前堆積平原區(qū)，東南部為剝蝕丘陵及西巴漏河，西南鄰近西巴漏河洪積扇，地勢總體上東南高西北低，張辛村附近地面標高55.5～56.5 m。屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)，總體位于濟南至明水以古生代地層為主體、向北傾斜的一個單斜構造上。據(jù)1∶500000 棗園幅地質(zhì)圖及本次水文地質(zhì)調(diào)查資料，在張辛村附近地層由上往下分為第四系大站組、新近系巴漏河組，下伏基巖為二疊系石盒子群。

3 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

3.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于巴漏河沖洪積扇強富水地段東部邊緣，主要含水層為第四系松散巖類孔隙含水層、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層和碎屑巖類裂隙含水層。第四系松散巖類孔隙水主要賦存于西南的山前沖洪積平原、沖洪積扇等地帶。在山前沖洪積平原區(qū)的含水層巖性主要為粉砂、半膠結砂礫石層，累計厚度5.0～7.0 m，水位埋深在15.0～25.0 m，單井涌水量一般500～1000 m3/d。據(jù)附近第四系孔隙水動態(tài)監(jiān)測資料，其水位年變幅在1.0 m左右，歷年最大變幅小于5.0 m。

通過本次水文地質(zhì)調(diào)查顯示，研究區(qū)附近第四系孔隙水水位埋深較大，水位變幅較??；東部巴漏河地表水雖然對西岸第四系孔隙水補給作用明顯，但因距研究區(qū)較遠，其滲漏補給作用所引起的地下水位變幅也較小。并且地下水位常年位于張辛村的地下古防洞、古地道、地窯之下。因此，張辛村發(fā)生的地面塌陷事故受下部地下水及西巴漏河地表水影響程度較小。

3.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)前人對地災勘查的研究，通常是在地面施工地質(zhì)鉆孔和物探工程獲取區(qū)域的地層巖性和地下孔洞分布情況[7～10]。本次在研究區(qū)內(nèi)施工27 個地質(zhì)勘查鉆孔，在獲取地基土巖性資料的同時查清地下古防洞、古地道的分布及埋深情況，結合對區(qū)內(nèi)3口古防井和農(nóng)灌井的調(diào)查，本次勘探深度達到24.2 m。在該深度范圍內(nèi)共分為8層地基土，由上往下依次為①雜填土、素填土、空區(qū)及塌落堆積物；②黏土；③黃土狀粉質(zhì)黏土；④黃土狀粉土；⑤半膠結礫石層；⑥粉土混礫石；⑦半膠結礫石層；⑧礫狀灰?guī)r。其中研究區(qū)范圍內(nèi)古地道、古防洞的開挖層位附近為黃土狀粉土和粉質(zhì)黏土，埋深大致在11.0 m左右。

4 地面塌陷形成機理

根據(jù)以往大量研究表明，導致地面塌陷的形成是由多種影響因素綜合作用的結果，如不良地層巖性、過度開采地下水造成水位急劇下降、地下存在空洞現(xiàn)象等[11～13]。本次研究區(qū)地面塌陷主要是由于建筑物下方存在古防洞、古地道等空洞區(qū)，同時地下空洞位于黃土狀粉質(zhì)黏土和粉土層中，土層性質(zhì)與濕陷性黃土相似，在大氣降雨入滲和自來水管滲漏時，造成土層濕陷塌落。地面塌陷導致墻體裂縫、房屋內(nèi)出現(xiàn)空洞，如圖1所示。

圖1 地表塌陷事故現(xiàn)場

4.1 地下空洞區(qū)

地下空洞區(qū)主要分布在張辛村西北部、東北部、東南部及西部和中部部分地區(qū)，總體呈東西方向稍長的不規(guī)則圖形，東西最長270 m，南北最寬235 m，面積3.03 km2。該區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)古防井14 眼、發(fā)現(xiàn)古防洞4 個、古地道4 處、古地道出口3 個、地面塌陷26 處、房裂住戶38 個。調(diào)查發(fā)現(xiàn)古地道常與古防井相連，并且在靠近古防井的古防洞分布區(qū)受地下自來水管道泄漏或雨水滲漏長期影響，空洞區(qū)規(guī)模往往較大。到目前為止，該區(qū)已發(fā)現(xiàn)的4 處古防洞，其中3 處古防洞發(fā)生過地面塌陷事故，古防洞基本分布在張辛村西北部，呈北東向帶狀展布。

4.2 地層巖性

根據(jù)前期的地質(zhì)鉆探和孔內(nèi)電視探查，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)范圍內(nèi)廣泛發(fā)育一層厚度約為7.0 m以上的黃土狀粉質(zhì)黏土和粉土，且古防空洞多分布在該不良土層之中，并以上部的黃土狀粉質(zhì)黏土底界面作為古防洞和古地道的頂板，土層取樣如圖2所示。由于該類土具有濕陷性黃土的一些性質(zhì)，即土質(zhì)松軟、強度低，遇水強烈崩解，膨脹量小等。雖然在天然狀態(tài)下，地下水水位常年處于空洞區(qū)以下，對土層的影響較小，但該區(qū)域內(nèi)埋設的地下水管常出現(xiàn)滲漏問題，加之夏季降雨多發(fā)，管道水和雨水下滲必然導致下部不良土層吸水崩解，土體強度顯著降低。

圖2 不良土取樣情況

5 危險性評價

對研究區(qū)的地面塌陷進行危險性評價，首先是對區(qū)域的地基穩(wěn)定性進行分析，同時考慮《巖土工程勘查規(guī)范中》有關地面塌陷危險性評估量化指標，如地表傾斜值T。

5.1 地基穩(wěn)定性評價

張辛村的地下空區(qū)多沿古地道、古防洞、古防井或自來水管線呈細線狀或細條帶狀展布，其空區(qū)寬度0.8～4.0 m，頂板埋深2.7～4.2 m，底板埋深5.5～6.8 m。因此，張辛村地下空區(qū)屬淺部空區(qū)，其特點類似小窯采空區(qū)。因此，參照小窯采空區(qū)臨界深度的計算公式(1)，對地基穩(wěn)定性初步分析[14,15]。

(1)

式(1)中，Ho為空區(qū)臨界深度(m)；B為空區(qū)寬度(m)，本次選取0.8～4.0 m；γ為空區(qū)上部地層重度(kN/m3)，取黃土狀粉土的重度1.88×104kN/m3；φ為地層內(nèi)摩擦角(°)，取20.4°；Po為上部建筑物基底單位壓力(kN/m2)，取1.96×105kN/m2。

按照以下判別標準：當H1.5Ho時，地基穩(wěn)定。根據(jù)張辛村古地道和古防洞的寬度，按地面上有無建筑物兩種情況，分別進行了空區(qū)臨界深度的計算。經(jīng)計算，古地道寬度0.8 m且上部沒有住房荷載時，空區(qū)臨界深度為4.45 m；上部有兩層樓房荷載時，空區(qū)臨界深度為9.38 m。古防洞寬度4.0 m，上部沒有住房荷載時，空區(qū)臨界深度為22.25 m；上部有兩層樓房荷載時，空區(qū)臨界深度為29.99 m。

該區(qū)古地道空區(qū)寬度0.8 m，頂板實際深度2.7～4.2 m，均小于所計算的空區(qū)臨界深度4.45 m和9.38 m；古防洞空區(qū)寬度4.0 m，頂板實際深度3.3～4.0 m，均小于所計算的空區(qū)臨界深度22.25 m和29.99 m。即無論是何種工況條件，區(qū)域的地基都是不穩(wěn)定的。

5.2 地面塌陷災害危險性評估

在地基穩(wěn)定性評價的基礎上，利用量化評價指標對研究區(qū)危險性做出分析，評價標準按照有關勘查規(guī)范和有關研究[16,17]，如表1所示。

表1 地面塌陷危險性評估標準

經(jīng)計算，地表傾斜值T均在3 mm/m以上，部分區(qū)域甚至超過10 mm/m，表明研究區(qū)存在地面塌陷的風險。按照分類標準可分為危險中等區(qū)和危險性大區(qū)兩大類，如圖3為兩類地面塌陷災害風險區(qū)分布情況。

圖3 地面塌陷災害危險性分區(qū)

6 結論

本文通過對章丘區(qū)張辛村的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件詳細勘查的基礎上，總結了影響區(qū)內(nèi)地面塌陷的主要因素，同時對區(qū)域地面塌陷發(fā)生的危險性進行了評估，得出如下結論。

(1)經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)地下含水層對地面塌陷的影響程度較小，而主要的影響因素為客觀存在的地下空洞區(qū)(古防井、古地道及防空洞等)、不良的黃土狀粉質(zhì)黏土和粉土，其次是雨水和管道滲水等誘發(fā)因素，增大了地面塌陷發(fā)生的可能性。

(2)通過對區(qū)域地基穩(wěn)定分析，無論地面是否有建筑物，該區(qū)域范圍內(nèi)均為不穩(wěn)定地基。根據(jù)地表傾斜值指標T進一步評價了地面塌陷災害危險性，結果表明研究區(qū)地面塌陷危險性為中等和大兩類。

(3)本次研究的資料和成果對該區(qū)域的地面塌陷災害防治具有一定的理論意義，為下一步制定有效的地面塌陷防控措施提供了科學指導。