黃河泛濫平原第四系地面塌陷機理研究

摘要：本文以菏澤市牡丹區地質災害風險普查為依托，從牡丹區已發生的24處第四系地面塌陷中選取9處塌陷點進行分析，并優選了1處塌陷通過高密度電阻率法、地質雷達、鉆探、原位測試、分析化驗等方法對其形成機理進行了研究。通過綜合物探查出視電阻率低阻異常區，在異常區經鉆探驗證，并取樣分析，在原塌陷坑處的物理力學性質明顯比周圍差。經研究分析可知：第四系地面塌陷的主要原因是由于原地下存在著建（構）筑物，當發育于全新世的黃河古河道改道時，掩埋了原建（構）筑物，形成了空洞，當受到地下水位波動頻繁等外力作用時，打破了古建（構）筑物的應力平衡，當持力層遭到破壞后，便發生了第四系地面塌陷。

關鍵詞：高密度電阻率法；地質雷達；第四系地面塌陷；應力平衡；形成機理

中圖分類號："TP393"文獻標識碼："Adoi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.11.002

引文格式：王華鋒，馬龍，孟凡奇，等.黃河泛濫平原第四系地面塌陷機理研究——以菏澤市牡丹區為例［J］.山東國土資源，2024，40（11）：12-17.WANG Huafeng， MA Long， MENG Fanqi， et al. Analysis on the Mechanism of Quaternary Ground Collapse Induced by Ancient Human Activity Relics in the Yellow River Flood Plain——Taking Mudan District in Heze City as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（11）：12-17.

0引言

地面塌陷是地質災害的一種，主要包括巖溶塌陷、采空塌陷和第四系地面塌陷［1-5］，其中前兩種塌陷機理已基本明確，但第四系地面塌陷機理未查明。

由于第四系地面塌陷發生頻率低、規模小、造成的損失小等特點，并未被單獨列入地質災害內，地面塌陷主要包括巖溶塌陷和采空塌陷，隨著社會經濟的發展和人類工程活動的加劇，在沖積平原區經常發生地面塌陷，由于地表被巨厚的第四系所覆蓋，故稱為第四系地面塌陷，亦屬于地面塌陷范疇。國內外對第四系地面塌陷研究相對較少，僅陳振［6］從工程地質因素、水文地質因素和農田灌溉因素等3個方面對地面塌陷致災因素進行分析，而并未說明第四系地面塌陷發生的先決條件即地下是否存在空洞。而胡海濤［7］等得出了水源地過量抽取地下水是引起第四系地面塌陷的主要原因。由于魯西南地區的地下水屬于常年使用階段，該機理不能很好的解釋該區第四系地面塌陷形成原因。程曉黎［8］則認為烏蘇市四棵樹鎮、百泉鎮一帶地面塌陷地區位于天山南部山前地勢較低，是地下潛水的主要溢出地帶；由于地下水潛蝕作用，將第四系全新統沼澤沉積層中的粉砂、細砂不斷地帶出地表而形成地下土洞，由于該區屬于天山南部山前地區，與本區地層巖性和結構大不一樣，無法在本區適用。由于菏澤市的水源地屬于常年使用階段，該機理不能很好的解釋菏澤市第四系地面塌陷形成原因。

本次通過高密度電阻率法［9-12］、地質雷達法［13-16］、鉆探等方法對菏澤市第四系地面塌陷形成機理進行了相關工作。

1第四系地面塌陷及地質概況

1.1第四系地面塌陷概況

地面塌陷是巖土體覆蓋層向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種地質現象。從有記錄以來（1975年）至今（2023年12月），菏澤市牡丹區共發生第四系地面塌陷24處，塌陷所形成的塌陷坑基本呈圓形或橢圓形，通過調查走訪：24處塌陷坑基本上都屬于上口小，下口大，洞壁上緩下陡，呈甕形。24處塌陷坑中現有7處在建成區內，1處位于文物保護區內，1處位于牡丹基地內，該2處禁止鉆探施工，另外8處因發生時間較久，塌陷具體位置難以確定，本次工作選擇位置精確、便于施工的9處塌陷坑進行物探、鉆探等相關工作。該9處塌陷為大黃集鎮楊湖村、大黃集鎮苑寨村、何樓辦事處岳園村、王浩屯鎮張樓村、王浩屯鎮后劉莊村、安興鎮邢樓張莊村、高莊鎮鮑樓村、安興鎮李集村和牡丹辦事處大閆莊第四系地面塌陷。本次工作優選牡丹區牡丹辦事處大閆莊第四系地面塌陷做為研究對象，該塌陷于2020年7月5日發生于大閆莊村一農戶家中，造成2人死亡。該塌陷坑東西長約3m、南北約2.6m，深約3m，影響面積約20m2。

1.2地質概況

牡丹區被巨厚的第四系和新近系覆蓋［17］，第四系上部為近代黃河沖積形成的黃灰色粉砂質黏土、淺黃色粉砂、細砂、黏土質粉砂和棕色黏土的韻律堆積體，頂部為耕作層，厚約20m左右，第四系下部主要為沖積相的淺黃、灰黃色粉砂質黏土、黏土質粉砂及粉、細砂層，含較多的鈣質結核，厚350m左右。

第四系全新統為一套沖積間夾湖沼、洪積相沉積物，巖性主要為淺黃、灰黃色粉砂質黏土、黏土質粉砂及粉細砂層，含較多的鈣質結核，夾1～2層灰黑色淤泥質層，底板埋深20～30m，粉砂及粉細砂一般有1～2層，厚度1～10m。在沖積平原上，第四系表現出明顯的沉積分異現象，沿黃河故道、黃河決口扇以及河道沉積以粉砂和細砂為主。而遠離河道的淺平洼地及河道中心的河槽洼地以黏土為主，其余為粉砂質黏土［18］。

1.3水文地質條件

牡丹區內地下水運動條件受氣象、水文、地形地貌、巖性結構等因素控制，而這些因素的作用程度，因區內淺、深層地下水及其埋藏條件，水力特征有顯著差異。根據地下水的系統性、賦存條件及水質結構等，可將其劃分為淺層孔隙水含水巖組、中層咸水含水巖組、深層孔隙水含水巖組3個主要含水巖組。以淺層孔隙水含水巖組對第四系地面塌陷的發生具有一定影響。淺層孔隙水含水巖組主要由全新統黃河沖積物組成，含水層巖性為粉砂、粉細砂，局部分布有中細砂，砂層厚度10m左右，底板埋深一般30～110m。該區單井涌水量在20～60m3/h，礦化度小于1.5g/L，水化學成分較復雜，陽離子以Na+、Mg2+為主，陰離子以HCO-3為主［19］。

根據2020年7月10日水位統測結果，該區域淺層地下水水位埋深2.70～5.34m，水位標高42.25～43.99m（圖1）。淺層地下水流向由西北向東南流動，趙王河水面標高高于附近淺層地下水標高，趙王河補給淺層地下水。

根據塌陷坑附近監測孔淺層地下水水位與降水觀測資料，受開采及大氣降水入滲影響，2020年度最大水位標高出現在2月26日，為45.010m（水位埋深4.636m），最小水位標高出現在本年度枯水期的5月1日，為42.76m（水位埋深7.886m），年變幅為3.25m；年初水位低于年末水位。塌陷發生時，地下水位埋深7.345m。

由于該塌陷發生于豐水期，周圍機井未使用，僅該住戶家中一民井用于日常生活用水，開采水量每日約0.6m3。

2大閆莊第四系地面塌陷工作情況

2.1地球物理特征

工作區電阻率和介電常數的大小主要受土體濕潤程度及礦物成分影響，含水黏土、粉質黏土電阻率相對較低一般在8～15Ω·m；砂質黏土、細砂電阻率相對較高，一般在10～30Ω·m；磚、石回填物電阻率在第四系中電阻率高，一般在20～150Ω·m［20］；砂（濕）的介電常數一般為30，黏土（濕）的介電常數一般為8～12，當第四系地層中出現一定規模的空洞體時，無論其含水與否，電阻率剖面圖均會呈現非水平狀態，并出現高阻或低阻形態的閉合體異常。

2.2物探測線布置

探測目標為3m×2.6m的區域，目標區域面積7.8m2，受場地條件限制，現場共布設了3條勘探線，L1和L2線分別在塌陷坑兩側的胡同內布設，線距21.5m，采用了高密度電阻率法和地質雷達法，L3線布設了高密度電阻率法，其中高密度電阻率法點距1m，地質雷達點距0.5m。

2.3物探資料解譯及成果分析

從L1線解譯斷面圖上可以看出（圖2），反演成果圖上電阻率值在2～40Ω·m范圍內，除局部電阻率畸變外主要電阻率變化在6～18Ω·m，主要電阻率變化區間較小，巖土體電性差異一般。測線南部7～16m，電阻率值為5～8Ω·m，推測為富水好區。

圖3為L1線探地雷達法成果圖。電磁波速度取0.08m/ms進行時深轉換成圖，由于電磁波能量擴撒和衰減，本次雷達探測深度大致在7m以內。3m以淺深度，反射能量較小，未發現明顯的同相軸，推測為回填土分布。3～4m左右深度，出現能量較強的同相軸，推測為回填土與原土分界線。測線8～14m處，深度6～7m左右，出現異常波形，頂部及兩側的反射波能量較強，中部波形能量弱且頻率有增大趨勢，推測可能為富水空洞。

2.4鉆探驗證

在高密度電阻率異常區和地質雷達異常區重合的地方進行鉆孔驗證，ZK1號孔0～3.8m為雜填土；3.8～5.7m為粉土；5.7～6.2m為粉質黏土，局部見φ4.5cm青磚塊；為一層河湖相沉積物；6.2～8.2m出現掉鉆現象，初步推斷為空洞；8.2～8.7m為粉質黏土；8.7～11.0m為粉質黏土。為驗證該空洞情況，對ZK1號鉆孔進行擴孔工作，并且采用井下攝像機進行探視，發現該空洞頂部為圓弧形青磚砌成，初步判斷為磚砌構筑物形成的空洞。

3另外8處第四系地面塌陷情況

另外8處第四系地面塌陷點分別進行了不同程度的鉆探工作，通過現場巖心編錄情況，在深度為7～15m之間，8處塌陷坑附近鉆孔均出現了不同程度的鉆具下沉現象，均發現植物腐殖質和藍色或紅色磚塊或紅色陶土塊，且在安興鎮李集村和安興鎮邢廟張莊村第四系地面塌陷點直接出現掉鉆現象。這證明了8處第四系地面塌陷點在歷史上均存在人類活動痕跡。

4第四系地面塌陷機理分析

本次巖土試樣進行了易溶鹽土工試驗，分析結果表明場地中易溶鹽含量低，不存在類似鈣芒硝之類的易溶性巖土類形成的空洞（表1）。

根據菏澤市牡丹區已有24處第四系地面塌陷分布情況可知：第四系地面塌陷發生位置與發育于全新世的黃河古河道分布范圍基本重合。并結合本次鉆探結果，推斷第四系地面塌陷下存在建（構）筑物，因古河改道被沖洪積地層掩埋，形成地下洞穴，當地下水位波動頻繁時，破壞了古建（構）筑物，上部土層發生坍塌，進而發生第四系地面塌陷。

按照太沙基淺埋隧道理論及洞體穩定相關理論假設，地下洞穴的受力狀況如同梁的受力，洞的頂板相當于承載上覆巖土體自重的梁，洞的兩側如同位于梁端的兩個支點，洞穴是否發生塌陷取決于頂板是否能夠形成穩定的支撐拱（圖4）。

當第四系地面塌陷未發生時，在垂直應力和兩側受到的阻力作用下處于自然平衡狀態，隨著持力層被破壞或者上覆應力增加時，原應力平衡被打破，當垂直應力大于等于洞體的摩阻力時，就會形成第四系地面塌陷，見公式（1）（2）（3）。

Q=W-2×T（1）

W=Bt×γ×H（2）

T=12×γ×h×htanβ（3）

式中：Q作用于HG面上單位長度上的垂直應力（kN/m）；

W為上覆土層EFHG單位長度上的重力（kN/m）；

T為洞體單位長度受到的摩阻力（kN）；

γ為上覆土體重度（kN/m3）；

H為洞體頂板到地面的距離（m）；

Bt為洞體的寬度（m）；

h為洞體底到地面的距離（m）；

β為破裂面與水平面的夾角（°）；

該區應力變化的因素主要有：一是當地下水動力條件改變時，原來被堵塞的洞隙及與其相連的下部排水通道復活，重新成為地下水集中活動的地段，即降雨入滲后，洞頂覆土的含水量增大，自重應力加大，且地下水位的升降，使得粉土、粉質黏土層強度降低，進而自穩能力減弱；二是古建（構）筑物頂板隨時間增長，空洞上面持力層經地下水常年累月的侵蝕，逐漸變薄，使得持力層的承載力逐漸減少，其強度降低；三是在地下水滲流和土顆粒自重應力的作用下，古建（構）筑物一側土體發生移動，進入了古建（構）筑物空洞中；四是在潛蝕、真空吸蝕等作用下，空洞逐步增大，向地表發展，頂板變薄，直至拱頂板不足以支撐上部土體自重時，便突然發生塌落，形成第四系地面塌陷。

5結論

本次通過菏澤市第四系地面塌陷這一地質災害現象，通過高密度電阻率法、鉆探、原位測試、巖土試驗等方法，查明了該區第四系地面塌陷形成的機理，即古建（構）筑物在發育于全新世的黃河古河道改道時被掩埋，形成空洞，當受到地下水位波動頻繁時，破壞了古建（構）筑物頂面，原應力平衡被打破，上部土層發生坍塌，進而形成了第四系地面塌陷地質災害。本次工作提出的工作方法和形成機理，對其他地區的黃河沖積平原第四系地面塌陷的研究具有一定的推廣和示范意義。

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Analysis on the Mechanism of Quaternary Ground Collapse Induced

by Ancient Human Activity Relics in the Yellow River Flood Plain

——Taking Mudan District in Heze City as an Example

WANG Huafeng1，MA Long1，MENG Fanqi2，ZHANG Yong2，LIANG Wenji3，QI Zhencai1，JIA Chen1，ZHANG Xiaofei1，CHEN Honghai1，ZHANG Ye1

（1.Shandong Provincial Lu'nan Geology and Exploration Institute （Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources No.2 Geological Brigade），Shandong Ji’ning 272000，China；2.Shandong Monitoring Center of Geological Environment，Shandong Ji'nan 250014，China；3.CGC Geological and Mineral Construction Co.，Ltd，Shandong Ji'nan 250013，China）

Abstract：Based on geological hazard risk survey in Mudan district in Heze city， selecting 9 collapse points from 24 ground collapses in Quaternary and one collapse point， by using high-density resistivity method， geological radar， drilling， in-situ testing， analysis and laboratory testing， the formation mechanism of the collapse have been studied. Through comprehensive exploration， a low resistance anomaly area with apparent resistivity has been identified. Through drilling verification and sampling analysis in the anomaly area， it is found that physical and mechanical properties at the original collapse pit are significantly worse than those around it. Through research and analysis， it can be concluded that main cause of ground collapse in Quaternary system is the presence of buildings underground.

When the ancient Yellow River channel developed in the Holocene changed course， it buried the original buildings （structures） and formed voids. When subjected to frequent fluctuations in groundwater level and other external forces， the stress balance of the ancient buildings （structures） was broken. When the bearing layer was destroyed， the Quaternary ground collapse occurred.

Key words：High-density resistivity；ground penetrating radar；Quaternary ground subsidence; stress balance; formation mechanism

收稿日期：2024-04-30；修訂日期：2024-06-21；編輯："王敏"基金項目："菏澤市牡丹區自然資源局，項目名稱：菏澤市牡丹區地質災害風險普查，編號：HZSMDCGF2021-026"作者簡介："王華鋒（1985—），男，山東菏澤人，工程師，主要從事水工環地質方面的工作；E-mail：371545090@qq.com*"通訊作者："張勇（1987—），男，山東莘縣人，高級工程師，主要從事水工環地質方面的工作；E-mail：459184820@qq.com