山東泰安市巖溶塌陷易發(fā)性評估與防治對策

焦玉國，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50年代起，國內(nèi)外相繼開展了巖溶塌陷的研究，其研究進程可分成三個階段: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，研究重點也先后經(jīng)歷了水化學溶蝕和風化地貌研究-巖溶水文地質(zhì)學研究-環(huán)境保護和災害防治研究三個階段［2］，在巖溶塌陷分布規(guī)律、成因類型、形成機理及影響因素等方面的研究成果豐碩，為各地開展地質(zhì)災害防治提供了重要的基礎資料和決策依據(jù)。而巖溶塌陷風險性評估是在對已有塌陷形成機理研究的基礎上開展的預測性工作，是一個由已知預測未知的過程［3］，根據(jù)風險性評估結(jié)果開展地質(zhì)災害防治，可以有效降低地質(zhì)災害造成的損失，已成為目前政府防災減災的重要手段。

泰安市巖溶塌陷發(fā)生歷史久、分布范圍廣、危害程度大，在我國北方地區(qū)具有較強的代表性(圖1)。近年來多名學者圍繞塌陷成因機理、影響因素及災害防治等內(nèi)容，在此開展了大量的調(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。

本文選取了水動力條件、第四系蓋層、巖溶發(fā)育程度和人類工程活動4個一級因子，并在此基礎上進行二級影響因素的分析，采用綜合指數(shù)法對泰安市城區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進行評估和區(qū)劃，并提出相應的防治措施，為當?shù)胤罏臏p災提供了重要依據(jù)。

1 巖溶塌陷易發(fā)性評估

1.1 評估方法

評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個指標，按照它們對塌陷發(fā)育的影響大小分為四級，綜合已有的實踐經(jīng)驗分別賦予經(jīng)驗指標。評估公式為:

式中:

R——綜合指數(shù)(無量綱);

W——水動力條件指數(shù)，W=W1+W2+W3;

W1——水位波動指數(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——人類工程活動指數(shù)，M=M1+M2+M3;

M1——地下水開采量指數(shù);

M2——建筑物密度指數(shù);

M3——對地下土體的擾動指數(shù)。

1.2 評估標準

對各評估因子根據(jù)經(jīng)驗取值(表1)，以綜合指數(shù)(R)將巖溶塌陷的可能性進行四級分區(qū)，評估標準為: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 評估區(qū)選擇與評估單元劃分

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)、無第四系蓋層發(fā)育區(qū)以及無隱伏灰?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，將上述參與評估的區(qū)域以500m×500m的正方形區(qū)域為一個單位，在對均勻劃分后的單元格進行合并、重組后，最終劃分為510個參與各指標評估的單元格，參評區(qū)單元格按照橫向 A、B、CZ、ZA、ZB、ZC、ZD、ZE，縱向按照1～28編號。

1.4 評估因子分值的確定

根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果，對每個單元格關于水位波動情況、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、地下水開采模數(shù)、建筑物密度(荷載)、對地下土體的擾動共10個二級因子進行打分。

1.5 二級因子疊加運算

將上面得出的每個單元格的10個二級因子打分結(jié)果進行累積求和，即得到每個單元格的綜合評定分數(shù)R。根據(jù)R的取值不同，按評估分級標準，將評估區(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)對相同級別進行圓滑連線，得到巖溶塌陷易發(fā)性評估分區(qū)圖(圖2)。

表1 巖溶塌陷地質(zhì)災害風險性評估因子取值表Table 1 Karst collapse factor of risk evaluation of geological disaster

1.6 評估結(jié)果評述

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因子弱化時綜合評分退化的結(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 巖溶塌陷治理對策與防治效果分析

2.1 預防措施

對巖溶塌陷進行預測的基礎上，進行預防，可未雨綢繆，防患于未然，其預防措施主要有:①加強宣傳，在巖溶塌陷易發(fā)區(qū)普及巖溶塌陷知識;②樹立警示牌;③開展勘察，搬遷避讓;④設置完善的排水系統(tǒng)，進行地表排水;⑤調(diào)整開采布局，控制地下水位;⑥建立健全預警預報系統(tǒng);⑦改變建筑物地基結(jié)構(gòu);⑧加速有關法制、法規(guī)建設。

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、強夯法、深基礎法、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。對于重要建筑物，一般需要將坑底或洞底與基巖面的通道堵塞，可開挖回填混凝土或設置鋼筋混凝土板，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?shù)厝罕娮孕刑幚怼?002年泰山區(qū)財源街辦更新村兩棟住宅樓之間發(fā)生巖溶塌陷，塌坑長7m，寬4m，深5m，后用混凝土充填，并作鋼筋混凝土作頂板，監(jiān)測至今該處地面無沉降變化。

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，總治理費用超過3000萬元［8］。經(jīng)過30多年的運用實踐證明，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)巖溶塌陷的另一個誘因。通過對泰山區(qū)訾家灌莊巖溶塌陷區(qū)開展勘察工作查明，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低洼處，是導致該區(qū)年年發(fā)生巖溶塌陷的重要誘因。2012年泰山區(qū)已申請財政資金，對塌陷區(qū)內(nèi)的梳洗河開展河底清淤、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，達到控制塌陷進一步發(fā)生的可能。

3 建議

3.1 建立巖溶塌陷的預警預報系統(tǒng)

泰安市巖溶塌陷發(fā)生已久，在我國北方巖溶地區(qū)具有較強的代表性。泰安地區(qū)過去水工環(huán)工作開展較多，巖溶塌陷研究程度高，具有經(jīng)濟損失評估與預警預報的條件。建議在下一步工作中，建立泰安地區(qū)巖溶塌陷監(jiān)測網(wǎng)絡，通過對水位、水溫、濁度、地面、建筑物及塌陷前兆現(xiàn)象等進行實時監(jiān)測，借助基于GIS的巖溶塌陷預警預報系統(tǒng)，并結(jié)合物探剖面工作，預測其發(fā)展趨勢，開展巖溶塌陷地質(zhì)災害的預警預報示范工作。

3.2 開展巖溶塌陷的恢復治理示范工程

巖溶塌陷破壞耕地、房屋、交通設施等，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)由鐵路部門開展過治理工作和地勘部門對東羊婁塌陷區(qū)、訾家灌莊塌陷區(qū)開展調(diào)查外，其它地區(qū)至今并沒有開展此項工作，發(fā)生的小塌陷坑多為當?shù)厝罕娮孕刑盥?，像東羊婁塌陷等大的塌陷坑至今都沒有開展過治理工程。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)具有較強的代表性，開展塌陷恢復治理工程對于北方地區(qū)巖溶塌陷治理具有較強的示范作用。

［1］雷明堂，項式鈞.近20年來中國巖溶塌陷研究回顧［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，1997，(S1):9-13.LEI Mingtang，XIANG Shijun.Review on the research of karst collapse in China in the past 20 years［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1997，(S1):9-13.

［2］賀可強，王濱，杜汝林，等.中國北方巖溶塌陷［M］.地質(zhì)出版社，2005，13-17.HE Keqiang，WANG Bin，DU Rulin，et al.Karst collapse in North China［M］.Geological Publishing House，2005，13-17.

［3］雷明堂，蔣小珍，李瑜.巖溶塌陷綜合預測評價的理論與方法［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，1997，8(S1):38-42.LEI Mingtang，JIANG Xiaozhen，LI Yu.The theory and method ofcomprehensiveevaluation ofkarstcollapse prediction［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1997，8(S1):38-42.

［4］朱大力.泰安地區(qū)地面塌陷簡析［J］.鐵道工程學報，1985(1):90-92.ZHU Dali.Analysis of ground collapse in Tai'an area［J］.Journal of Railway Engineering，1985(1):90-92.

［5］高宗軍.巖溶地面塌陷形成機理與成因模式研究-以山東泰安-萊蕪為例［J］.中國工程科學，2008(4):38-43.GAO Zongjun.The research on the mechanism and formation of karst collapse-Taking Tai'an and Laiwu as an example［J］.China Engineering Science，2008(4):38-43.

［6］成世才，郭加朋，馬海會，等.泰安市巖溶地面塌陷動力誘導因素分析［J］.山東國土資源，2009(12):44-47.CHENG Shicai，GUO Jiapeng，MA Haihui，et al.Analysis on induced factors of power of the karst surface collapse in Tai'an［J］.Shandong Land and Resources，2009(12):44-47.

［7］高宗軍.泰安巖溶地面塌陷形成機理與防治對策［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2001(12):73-76.GAO Zongjun.The formation mechanism and Countermeasures of Tai'an karst ground collapse［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2001(12):73-76.

［8］曾經(jīng)道，張舉賢.津浦鐵路泰安巖溶地面塌陷成因與整治［J］.鐵道工程學報，1996(2):169-175.ZENG Jingdao，ZHANG Juxian.Formation and regulation of karst ground collapse in Tai'an Jinpu Railway［J］.Journal of Railway Engineering，1996(2):169-175.