焦玉國(guó)，陳偉清，程 鳳

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東泰安 271021)

0 引言

自20世紀(jì)50年代起，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了巖溶塌陷的研究，其研究進(jìn)程可分成三個(gè)階段:零散研究階段(80年代以前)、區(qū)域研究階段(80年代)和綜合防治階段(90年代以后)［1］，同時(shí)，研究重點(diǎn)也先后經(jīng)歷了水化學(xué)溶蝕和風(fēng)化地貌研究-巖溶水文地質(zhì)學(xué)研究-環(huán)境保護(hù)和災(zāi)害防治研究三個(gè)階段［2］，在巖溶塌陷分布規(guī)律、成因類(lèi)型、形成機(jī)理及影響因素等方面的研究成果豐碩，為各地開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害防治提供了重要的基礎(chǔ)資料和決策依據(jù)。而巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估是在對(duì)已有塌陷形成機(jī)理研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展的預(yù)測(cè)性工作，是一個(gè)由已知預(yù)測(cè)未知的過(guò)程［3］，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害防治，可以有效降低地質(zhì)災(zāi)害造成的損失，已成為目前政府防災(zāi)減災(zāi)的重要手段。

泰安市巖溶塌陷發(fā)生歷史久、分布范圍廣、危害程度大，在我國(guó)北方地區(qū)具有較強(qiáng)的代表性(圖1)。近年來(lái)多名學(xué)者圍繞塌陷成因機(jī)理、影響因素及災(zāi)害防治等內(nèi)容，在此開(kāi)展了大量的調(diào)查研究工作，獲得了許多的研究成果［4-7］，在塌陷防治方面也取得了不少成功的經(jīng)驗(yàn)。

本文選取了水動(dòng)力條件、第四系蓋層、巖溶發(fā)育程度和人類(lèi)工程活動(dòng)4個(gè)一級(jí)因子，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二級(jí)影響因素的分析，采用綜合指數(shù)法對(duì)泰安市城區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進(jìn)行評(píng)估和區(qū)劃，并提出相應(yīng)的防治措施，為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)提供了重要依據(jù)。

1 巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)估

1.1 評(píng)估方法

評(píng)估方法采用綜合指數(shù)法，根據(jù)本區(qū)巖溶塌陷形成的條件及主要影響因素，選取10個(gè)指標(biāo)，按照它們對(duì)塌陷發(fā)育的影響大小分為四級(jí)，綜合已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分別賦予經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。評(píng)估公式為:

式中:

R——綜合指數(shù)(無(wú)量綱);

W——水動(dòng)力條件指數(shù)，W=W1+W2+W3;

W1——水位波動(dòng)指數(shù);

W2——地下水徑流條件指數(shù);

W3——地表水系指數(shù);

Q——第四系蓋層指數(shù)，Q=Q1+Q2;

Q1——蓋層厚度指數(shù);

Q2——蓋層巖性結(jié)構(gòu)指數(shù);

K——巖溶發(fā)育程度指數(shù)，K=K1+K2;

K1——現(xiàn)狀巖溶發(fā)育程度指數(shù);

K2——斷裂構(gòu)造指數(shù);

M——人類(lèi)工程活動(dòng)指數(shù)，M=M1+M2+M3;

M1——地下水開(kāi)采量指數(shù);

M2——建筑物密度指數(shù);

M3——對(duì)地下土體的擾動(dòng)指數(shù)。

1.2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)各評(píng)估因子根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值(表1)，以綜合指數(shù)(R)將巖溶塌陷的可能性進(jìn)行四級(jí)分區(qū)，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為:高易發(fā)區(qū)R≥40;中易發(fā)區(qū)35≤R＜40;低易發(fā)區(qū)25≤R＜35;不易發(fā)區(qū)R＜25。

1.3 評(píng)估區(qū)選擇與評(píng)估單元?jiǎng)澐?/h3>

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)情況，將不具備巖溶塌陷發(fā)生的物質(zhì)條件的地區(qū)剔除。這些地區(qū)包括老變質(zhì)巖出露 區(qū)、無(wú)第四系蓋層發(fā)育區(qū)以及無(wú)隱伏灰?guī)r發(fā)育區(qū)。

圖1 泰安市城區(qū)已發(fā)巖溶塌陷分布圖Fig.1 The karst collapse distribution map of Tai'an city

根據(jù)本區(qū)地形地貌特征、人口分布、村莊疏密、水系發(fā)育、塌陷發(fā)生密度以及交通狀況等情況，將上述參與評(píng)估的區(qū)域以500m×500m的正方形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)單位，在對(duì)均勻劃分后的單元格進(jìn)行合并、重組后，最終劃分為510個(gè)參與各指標(biāo)評(píng)估的單元格，參評(píng)區(qū)單元格按照橫向 A、B、CZ、ZA、ZB、ZC、ZD、ZE，縱向按照1～28編號(hào)。

1.4 評(píng)估因子分值的確定

根據(jù)實(shí)際調(diào)查結(jié)果，對(duì)每個(gè)單元格關(guān)于水位波動(dòng)情況、水力梯度、地表水系、蓋層厚度、蓋層巖性結(jié)構(gòu)、現(xiàn)狀巖溶發(fā)育程度、斷裂、地下水開(kāi)采模數(shù)、建筑物密度(荷載)、對(duì)地下土體的擾動(dòng)共10個(gè)二級(jí)因子進(jìn)行打分。

1.5 二級(jí)因子疊加運(yùn)算

將上面得出的每個(gè)單元格的10個(gè)二級(jí)因子打分結(jié)果進(jìn)行累積求和，即得到每個(gè)單元格的綜合評(píng)定分?jǐn)?shù)R。根據(jù)R的取值不同，按評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將評(píng)估區(qū)劃分為巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)，經(jīng)對(duì)相同級(jí)別進(jìn)行圓滑連線，得到巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)估分區(qū)圖(圖2)。

表1 巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估因子取值表Table 1 Karst collapse factor of risk evaluation of geological disaster

1.6 評(píng)估結(jié)果評(píng)述

①高易發(fā)區(qū):分布在泰安市城區(qū)、徐家樓街辦的栗家莊、上高街辦以及省莊鎮(zhèn)的東苑莊、西苑莊、東羊婁、羊南村、羊西村、羊東村、圣元官莊、南北許家埠、前舊縣村、中舊縣村、后舊縣村。

②中易發(fā)區(qū):基本分布在高易發(fā)區(qū)的周邊地區(qū)，為高易發(fā)區(qū)在某些巖溶塌陷二級(jí)因子弱化時(shí)綜合評(píng)分退化的結(jié)果。其次在琵琶灣、尚家樓、白峪店子、篦子店等村莊也零星分布。

③低易發(fā)區(qū):除了巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)以及南部石灰官莊、朱家埠、洪溝店、寨以及東邊桂林官莊、前官莊等灰?guī)r出南邢家露地表的附近區(qū)域外，廣泛分布于評(píng)估區(qū)內(nèi)。

④不易發(fā)區(qū):分布于灰?guī)r出露地表的周邊地區(qū)，如桂林官莊、洪溝店、南邢家寨、興隆莊以及夏莊等，另外在西邊下旺村、東邊前官莊等村也有分布。

2 巖溶塌陷治理對(duì)策與防治效果分析

2.1 預(yù)防措施

對(duì)巖溶塌陷進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行預(yù)防，可未雨綢繆，防患于未然，其預(yù)防措施主要有:①加強(qiáng)宣傳，在巖溶塌陷易發(fā)區(qū)普及巖溶塌陷知識(shí);②樹(shù)立警示牌;③開(kāi)展勘察，搬遷避讓;④設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，進(jìn)行地表排水;⑤調(diào)整開(kāi)采布局，控制地下水位;⑥建立健全預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng);⑦改變建筑物地基結(jié)構(gòu);⑧加速有關(guān)法制、法規(guī)建設(shè)。

2.2 巖溶塌陷的治理措施及其效果分析

巖溶塌陷的治理措施多種多樣，具體方法有清除填堵法、地表封閉處理法、跨越法、強(qiáng)夯法、深基礎(chǔ)法、灌注法、旋噴加固法、地表水的疏排圍改治理及平衡地下水和氣壓力等方法。適用于本地區(qū)的工程治理方法主要包括以下幾種:

①清除填堵法:常用于塌坑較淺或淺埋的土洞，首先清除其中的松土，填入塊石、碎石，做成反濾層，然后上覆粘土夯實(shí)。對(duì)于重要建筑物，一般需要將坑底或洞底與基巖面的通道堵塞，可開(kāi)挖回填混凝土或設(shè)置鋼筋混凝土板，也可灌漿處理。

羊婁、栗家莊等地發(fā)生的小型塌陷，塌坑深度小于2m，直徑小于2m，多采用此種方法由當(dāng)?shù)厝罕娮孕刑幚怼?002年泰山區(qū)財(cái)源街辦更新村兩棟住宅樓之間發(fā)生巖溶塌陷，塌坑長(zhǎng)7m，寬4m，深5m，后用混凝土充填，并作鋼筋混凝土作頂板，監(jiān)測(cè)至今該處地面無(wú)沉降變化。

圖2 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖Fig.2 Susceptibility zonation map of karst collapse

②跨越法:用于塌陷坑或土洞較深大，開(kāi)挖回填有困難的處理方法。一般以梁板跨越，兩端支撐在可靠的巖、土體上。泰山區(qū)鐵路三角區(qū)津浦線上自1977年以來(lái)不斷發(fā)生大小規(guī)模不一的塌陷，使鐵路下沉、橋涵變形，最終的治理方案為壓漿與橋跨法相結(jié)合，即采用“架旱橋”的方式，讓橋墩直接置于基巖上，總治理費(fèi)用超過(guò)3000萬(wàn)元［8］。經(jīng)過(guò)30多年的運(yùn)用實(shí)踐證明，該方法徹底消除了塌陷隱患，治理效果顯著。

③地表水的疏排圍改治理:地表水的排泄不暢也是本地區(qū)巖溶塌陷的另一個(gè)誘因。通過(guò)對(duì)泰山區(qū)訾家灌莊巖溶塌陷區(qū)開(kāi)展勘察工作查明，塌陷區(qū)內(nèi)梳洗河汛期排水不暢，使得地表水大量涌入地勢(shì)低洼處，是導(dǎo)致該區(qū)年年發(fā)生巖溶塌陷的重要誘因。2012年泰山區(qū)已申請(qǐng)財(cái)政資金，對(duì)塌陷區(qū)內(nèi)的梳洗河開(kāi)展河底清淤、抬高岸堤和疏通河道等工程，以此切斷誘發(fā)塌陷的外部因素，達(dá)到控制塌陷進(jìn)一步發(fā)生的可能。

3 建議

3.1 建立巖溶塌陷的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)

泰安市巖溶塌陷發(fā)生已久，在我國(guó)北方巖溶地區(qū)具有較強(qiáng)的代表性。泰安地區(qū)過(guò)去水工環(huán)工作開(kāi)展較多，巖溶塌陷研究程度高，具有經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估與預(yù)警預(yù)報(bào)的條件。建議在下一步工作中，建立泰安地區(qū)巖溶塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)水位、水溫、濁度、地面、建筑物及塌陷前兆現(xiàn)象等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，借助基于GIS的巖溶塌陷預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并結(jié)合物探剖面工作，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)示范工作。

3.2 開(kāi)展巖溶塌陷的恢復(fù)治理示范工程

巖溶塌陷破壞耕地、房屋、交通設(shè)施等，給工農(nóng)業(yè)造成較大損失。泰安市巖溶塌陷除鐵路三角區(qū)由鐵路部門(mén)開(kāi)展過(guò)治理工作和地勘部門(mén)對(duì)東羊婁塌陷區(qū)、訾家灌莊塌陷區(qū)開(kāi)展調(diào)查外，其它地區(qū)至今并沒(méi)有開(kāi)展此項(xiàng)工作，發(fā)生的小塌陷坑多為當(dāng)?shù)厝罕娮孕刑盥瘢駯|羊婁塌陷等大的塌陷坑至今都沒(méi)有開(kāi)展過(guò)治理工程。建議下一步工作中選擇東羊婁大塌坑等典型塌陷開(kāi)展巖溶塌陷的治理研究，作為本區(qū)乃至全省巖溶塌陷的恢復(fù)治理示范工程。

4 結(jié)論

泰安市城區(qū)巖溶塌陷易發(fā)區(qū)主要分布在舊鎮(zhèn)鐵路三角區(qū)、舊縣水源地及羊婁一帶，致塌因子以隱伏灰?guī)r巖溶發(fā)育程度、第四系蓋層厚度和地下水水位波動(dòng)等因素影響最大，是巖溶塌陷易發(fā)程度的主要控制因素。其次，本區(qū)巖溶塌陷在北方地區(qū)具有較強(qiáng)的代表性，開(kāi)展塌陷恢復(fù)治理工程對(duì)于北方地區(qū)巖溶塌陷治理具有較強(qiáng)的示范作用。

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