路面塌陷地質災害勘察及評估分析

張新磊 （安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

近些年隨著城建的迅猛發展，城市的地下空間被廣泛開發利用，全國各地路面塌陷事故頻發，地下管網、給排水等自來水管道因地下施工或腐蝕老化等因素出現漏水等問題，導致土體流失以及土體結構的直接破壞，從而形成地下空洞引發路面塌陷事故?；蛞虻罔F、隧道等地下建筑物施工時存在施工不當以及連續暴雨、積雪、溫差過大等自然條件或災害，都會影響到回填路基或路基下方土體的有效力分布和結構強度，導致路面塌陷。

內蒙古準格爾經濟開發區創業大道于2008 年通車，是由北向南進入沙圪堵鎮的主要公路。2019年7月26日，創業大道公益蓋溝段路面（壩體）出現地面塌陷險情，為了查明該地面塌陷地質災害的成因及發展趨勢，保證壩體的安全運營，本文呢對創業大道公益蓋溝段路面（壩體）出現的路面塌陷地質災害進行勘查，并提出防治地質災害措施與建議。

2 區域地理概況

準格爾旗位于鄂爾多斯市東部、庫布齊沙漠東南端，北與包頭市隔黃河相望，東與呼和浩特市隔黃河相望，東南、南部與山西省的偏關縣與河曲縣以黃河為界，西南與陜西省的府谷縣隔長城接壤，西部與伊金霍洛旗、東勝區、達拉特旗搭界。準格爾旗位于東經110°05'～110°27'、北緯39°16'～40°20'，總面積7692km2。該壩上公路位于準格爾旗沙圪堵鎮北西部，沙納路k0+940～k1+130處。

路面塌陷區域位于內蒙古準格爾旗沙圪堵鎮西北約1km 處，東側為公益蓋溝水庫、西側為公益蓋溝溝谷、北側約2.5km 處為榮烏高速、南側為沙圪堵客運站，行政隸屬內蒙古準格爾旗沙圪堵鎮管轄。

該區域屬鄂爾多斯波狀高原地貌，微地貌屬丘陵溝谷地貌。工作區最高點為西北部山頂，標高1052.89m，最低點為公益蓋溝的南部溝底，標高1007.96m，相對高差44.93m。區域內黃土廣布，在溝谷西部坡面有基巖出露。水庫位于大壩東側，壩體北側坡面坡度約為30°，南側坡面坡度約為25°。公益蓋溝兩側邊坡坡度25°～30°，地形起伏較大。

該區域氣候特征屬于半干旱的大陸性高原氣候，夏季溫熱、冬季寒冷、春季干燥多風、秋季涼爽多雨。全年降水量小且集中，每年7～9 月為雨季。年蒸發量是年降水量的7～10 倍。無霜期短，結凍期長。區內最高氣溫40.2℃，最低氣溫-34.5℃，年平均氣溫5.5℃；年平均日照時間為304h；歷年平均降水量401.6mm，年平均蒸發量2535.0mm；最大風速20m/s，平均風速3.6m/s，一般多為西北風；最大凍土深度1.50m，一般凍土深度1.24m，結凍期為每年的10 月初至翌年4 月底，無霜期165 天左右；最大沙塵暴日為40天/年。

根據勘察資料，將路面塌陷區域地基巖土自上而下劃分單元層為①-第四系全新統風積（Q4eol）細砂層、②-第四系全新統沖積（Q4al）中砂層、③-白堊系下統（K1）全、強風化細砂巖層。該區域地質構造較為簡單，未見巖漿活動和變質作用，只有中生代及其以后的沉積地層出露。巖層基本水平，傾角一般只有1°～5°，為較穩定的中生代負性構造單元。前人將本區劃歸為華北地臺鄂爾多斯臺向斜，并位于臺向斜的東北部。該區域均位于公益蓋溝大壩壩體，壩頂創業大道路面為粗粒式瀝青混凝土，厚度約20cm，下部為回填的土黃色細砂土，夾有薄層褐黃色粘土，為自重濕陷性黃土場地。

工作區區域屬丘陵貧水水文地質單元區。根據區域水文地質資料分析，場地地下潛水埋深一般20～40m，水位標高1447.9～1449.4m，僅在雨后局部存在少量上層滯水。主要補給來源為大氣降水，水位及水量隨季節性變化較大，水位變幅+2.0～-3.5m，即歷史最高地下水埋深 18～38m，水位標高 1449.9～1451.4m。據調查，一般單井涌水量小于10m3/d，水質良好，為低礦化度淡水。

3 路面塌陷災害點勘察

大壩滲漏通道通常是由不良地質體或工程隱蔽缺陷導致的，若大壩壩體出現水流通道，向下滲漏通道周邊的土體通常含水量較大，水是良導體，從而導致滲漏通道相對于周圍介質而言電導率較高，同時滲漏通道的波速低于周圍正常介質的波速。因此，當大壩壩體或壩基中存在滲漏通道的時候，滲漏通道相對于周圍的介質，會存在明顯的電性、波阻抗差異。若滲漏通道周邊的土體被水帶走，則會在壩體中出現空洞，空洞的電導率較低，而波速較周圍正常介質的波速更低，故針對不同的物性差異采用相應敏感度高的物探方法進行探測，再通過綜合對比分析，可實現對大壩滲漏路徑較準確的探測。

在物探工作中，瞬變電磁方法、反射波法和管線探測法在工作區內均未取得良好的應用效果，而高密度電法和瑞雷面波法應用效果良好，故在路面塌陷災害點勘察中選擇這兩種方法來確定路面塌陷的具體情況。

3.1 技術原理方法

3.1.1 高密度電法原理

高密度電法（即高密度電阻率法）實際上是一種陣列式電法勘探方法。野外測量時，需將全部電極（幾十至上百根）置于測點上，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集。當將測量結果送入微機后，還可對數據進行實時處理并給出關于地電斷面分布的各種圖示結果。水庫大壩滲漏路徑周圍介質的視電阻率會比其他較完整壩體區域的介質視電阻率低，通過測量大壩剖面的視電阻率，推斷滲漏路徑通過的地方。

高密度電阻率法是以地下介質導電性差異為基礎，通過觀測和研究人工電場的分布規律，可達到查明地下地質構造和尋找地下電性不均勻體（巖溶、風化層、滑坡體等）的一種地球物理勘探方法。

3.1.2 瑞雷面波法原理

面波勘探（也稱彈性波勘探）是國內外近幾年發展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波法不受波阻抗差異的約束，探測分辨率較高。面波分為瑞雷波（R 波）和勒夫波（L 波），而R 波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞雷波勘探。瑞雷波法勘探實質上是根據瑞雷面波傳播的頻散特性，利用人工震源激發產生多種頻率成分的瑞雷面波，尋找出波速隨頻率的變化關系，從而最終確定出地表巖土的瑞雷波速度隨場點坐標的變化關系，探查地下空洞和掩埋物體，以解決淺層工程地質和地基巖土的地震工程等問題。

均勻介質或分層介質在點或面震源的作用下，表面波場包含P、SV波及瑞利波，由于在表面P、SV 波衰減快于瑞利波，當距振源一定距離表面波場以瑞利波為主。在大多數情況下，瑞利波能量集中在一個波長深度范圍內，頻率越低，波長越大，影響深度越深。在剖面參數（剪切波速、密度、泊松比）不同分層狀態下，隨著波長的增加，瑞利波穿越的層數也增加，瑞利波傳播速度發生變化，瑞利波傳播出現頻散現象，即瑞利波傳播速度隨頻率（或波長）的變化。頻散曲線的變化與分層參數、分層厚度等有關，通過對頻散曲線的反分析可以得到場地分層剪切波速。

3.2 工程布置

本次物探勘查布置高密度電法物探測線4 條，均使用溫納裝置和偶極裝置進行測量。其中2m 電極距的物探測線3 條，5m 電極距的物探測線1 條，共300個物理點。布置瞬態瑞雷面波測線2條，炮檢距分別是4m 和10m，共131 個物理點。測線以及測點的編號由東-西依次增大，勘探面積3750m2。

圖1 施工布置圖

3.3 勘察結果

本次資料解釋以高密度電法配合瑞雷波法解釋異常區共計23個。

從圖2中可以明顯看到8個異常區。其中y4 位置即對應為已知路面塌陷開挖點附近，從圖中可以看出明顯的低阻異常，中心深度在地表十余米以下，分析為管道破裂漏水處沙土充水嚴重，寬度達15m 左右，并伴有空洞，應高度重視；y2、y3 表現為兩個高阻異常，可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證；y1、y5 表現為相對低阻異常，深度與y4號異常區大致相同，y1 寬度達十余米，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙；y6 表現為一相對高阻帶，可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證；y7、y8 為兩個相鄰的相對高阻異常區，寬度達18m左右，深度與y1、y5相當，可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證。

圖2 DF1高密度電法測線成果圖

解釋方法同理，如圖3 所示為由高密度電法DF2測線所得視電阻率反演結果，顯然y9 為高阻異常區，深度接近8m，寬度4m 左右，分析可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證；y10 上部為高阻異常，可能是干燥的沙土，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，下部為低阻異常，分析為沙土充水嚴重，寬度達12m 左右，并伴有空洞，應高度重視；y11 低阻異常明顯，中心深度在地表十余米以下，分析為管道破裂漏水處沙土充水嚴重，寬度達10m 左右，并伴有空洞，應高度重視；y24 為相對高阻異常區，可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證；y12、y13、y14 為三處深度相當的相對低阻異常區，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙。

圖3 DF2高密度電法測線成果圖

DF3 測線通過瑞典RES2D 反演軟件可得成果圖，如圖4 所示，共劃分9 個異常區。y15 異常區為相對低阻異常區，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙；y16 異常區對應在路面塌陷區中已知管道的鋪設方向上，深度與y15 相當，同樣表現為相對低阻異常區，分析為管道破裂漏水順管道方向擴散，導致沙土充水，可能伴有空洞；y17 為高阻異常區，可能是干燥的沙土，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致；y18 上部為高阻異常區，可能是干燥的沙土，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞，下部為低阻異常區，分析為沙土充水嚴重，寬度達14m 左右，并伴有空洞；y19 上部為相對低阻異常區，下部為低阻異常區且與y18 下部低阻異常區連通，分析為下部沙土嚴重充水并導致上部異常區沙土有裂隙并充水；y20 為相對高阻異常區，可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證；y21 為高阻異常區，深度達12m，可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證；y22 為相對低阻異常區，深度與y15相當，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙；y23 為高阻異常區，可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證。

圖4 DF3高密度電法測線成果圖

結合公益蓋溝大壩現場情況，RL2測線38 號物理點下方為泄洪溝，通過上覆鋼板與路面相連，此路面不利于面波的傳播與接收，故地質剖面圖中所解釋的1 號異常不可信，同樣在高密度電法測線成果圖中也沒有體現出該異常。

4 路面塌陷地質災害評估

4.1 現狀評估

現狀評估是基本查明評估區已發生（或潛在）的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫和地面沉降等各種地質災害的形成條件、分布類型、活動規模、變形特征以及誘發因素與形成機制等，并對其穩定性（發育程度）進行初步評價。同時查明評估區地質災害對生命財產和工程設施造成的危害程度，在此基礎上，根據地質災害發育程度（穩定性）、危害程度，按災種進行地質災害危險性現狀評估。

根據物探勘查發現五處異常區，以壩頂中間隔離綠化帶中高密度電法測線DF4 為例，可明顯看出五個電阻率異常區位置。1 號異常區為目前開挖的塌陷處，由圖5 可知，該處低阻異常明顯，中心深度在地表十余米以下，分析為管道破裂漏水處沙土充水嚴重，寬度達13m左右，并伴有空洞，應高度重視；2 號異常區為高阻異常區，深度接近20m，寬度15m，可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證；3 號異常為一相對低阻異常區，深度與1 號異常區大致相同，寬度達二十余米，分析可能是沙土中含水，或者有局部裂隙；4 號異常為一個相對高阻的異常區，深度較1 號異常區深，寬度10m 左右，可能是干燥的沙土或者是基巖，也有可能是沙土中局部有裂隙空洞導致，應以驗證；5 號異常區為一個相對低低阻區，深度與3 號異常區相當，寬度10m 左右，為沙土中相對含水較強，或局部有裂隙。

圖5 DF4高密度電法測線成果圖

綜上，公益蓋溝大壩壩體主要由回填的細砂土、粗砂、粉質粘土等碾壓夯實建成，由于管道泄漏等原因，壩體出現位置和大小無法確定的空洞和裂隙，破壞了壩體原有的穩定結構，致使壩頂中部路面和東部坡腳出現地面塌陷坑，造成一定的經濟損失。

截止物探勘查完成，塌陷坑面積較小，規模為小型。壩體塌陷坑周邊整體穩定性較差，東部坡腳塌陷坑有擴大趨勢，依然有涌水現象，推測坡面下覆地層存在大量裂隙，壩體穩定性較差。壩體其他區域壩頂路面偶見地面整體下沉現象，穩定性一般，坡面基本穩定。

根據評估區周邊地質災害類型特征、物探勘查成果及地質環境調查結果，現狀條件下，評估區中部塌陷坑附近區域地面塌陷地質災害危險性中等，危害程度小。壩體其他區域地面塌陷地質災害危險性小，危害程度小。

4.2 預測評估

地質災害危險性預測評估是在現狀評估的基礎上，根據評估區地質環境條件、建設工程的類型和工程特點進行的，對工程自身可能遭受的地質災害的可能性、發育程度、危害程度和危險性做出預測評估。

4.2.1 塌陷坑附近區域地面塌陷地質災害危險性預測評估

公益蓋溝大壩壩體出現地面塌陷現象的主要原因是管道漏水沖刷壩體內部沙土層，造成沙土體流失，形成空洞和裂隙，進而引發地面塌陷。目前對已發現破裂管道實施了封堵、停用等措施，但由于大壩為高填土方壩體，且壩內管道布設相關資料缺失，不排除仍有其他管道泄漏情況，路面裂縫也會導致地面水下滲，因此壩體仍有可能受到水流的侵蝕沖刷。隨著水流的沖刷，壩體內將形成新的空洞或裂隙，現有的空洞或裂隙也可能進一步擴大延伸。受重力作用，現有的空洞及新形成的空洞頂部的巖土層可能發生較大的移動變形，由下而上依次發生冒落、斷裂、離層、彎曲，最后移動終止，在地表形成塌陷坑，破壞地表路面設施，同時破壞大壩整體的穩定性，威脅壩頂道路及人員安全。若引發潰壩事故，將會造成較大的人員和經濟損失。預測壩體塌陷坑附近區域自身可能遭受地面塌陷地質災害可能性大、危害程度大、發育程度中等、危險性大。

4.2.2 壩體其他區域地面塌陷地質災害危險性預測評估

公益蓋溝大壩壩體其他區域由于內部土體較松散，受重力作用、震動及可能存在的管道漏水現象影響，現有的巖土層可能發生較大的移動變形，由下而上依次發生冒落、斷裂、離層、彎曲，最后移動終止，在地表形成塌陷坑，破壞地表路面設施，同時破壞大壩整體的穩定性，威脅壩頂道路及人員安全。若引發潰壩事故，將會造成較大的人員和經濟損失。預測壩體東西兩側其他區域自身可能遭受地面塌陷地質災害可能性小、危害程度大、發育程度弱、危險性中等。

根據評估區周邊地質災害類型特征、現狀評估成果及地質環境調查結果，預測評估區中部塌陷坑附近區域地面塌陷地質災害可能性大、危害程度大、發育程度中等、危險性大。壩體其他區域地面塌陷地質災害可能性小、危害程度大、發育程度弱、危險性中等。

4.3 綜合分區評估

地質災害危險性綜合評估是依據地質災害危險性現狀評估和預測評估結果，充分考慮評估區的地質環境條件的差異和潛在的地質災害隱患點的分布、危險程度，確定判別區段危險性的量化指標，根據“區內相似，區際相異”的原則，采用定性、半定量分析法，進行工程建設區和規劃區地質災害危險性等級分區（段），提出防治地質災害的措施和建議。

根據《地質災害危險性評估規范》（DZ/T 0286-2015），將評估區地質災害的危險性劃分為大、中等、小三級，同時根據地質災害危險性現狀評估及預測評估，將本項目評估區劃分為地質災害危險性大區及地質災害危險性中等區兩個大區。其中地質災害危險性大區為公益蓋溝段壩體中部塌陷坑附近區域，面積為12840m2，該區域在現狀條件下，內部土體較松散，壩頂及東部坡腳出現塌陷坑、涌水現象，預測壩體自身可能遭受地面塌陷地質災害可能性大、危害程度大、發育程度中等、危險性大。地質災害危險性中等區為公益蓋溝段壩體南北兩側區域，面積為23160m2，該區域在現狀條件下，內部土體較松散，壩頂偶見路面下沉現象，預測壩體自身可能遭受地面塌陷地質災害可能性小、危害程度大、發育程度弱、危險性中等。

5 結論與建議

本文通過地面調查與物探勘查方法有機配合，完成了針對創業大道公益蓋溝段路面（壩體）出現的地面塌陷的勘察及地質災害評估工作，為該路面塌陷災害點下一步的鉆探勘查及注漿提供了參考。在異常區內排除水泥管道和金屬管道等其他影響因素后，對異常區進行鉆孔驗證并及時對發現的空洞進行注漿充填；對整個壩體進行壓力注漿處理，以改善壩體土質強度和防水性，避免今后遇水下陷，防患未然。取得主要成果如下。

利用地球物理綜合勘探方法，分別布置高密度電法物探測線4 條、瞬態瑞雷面波測線2 條，勘探面積3750m2，坐標物理點共計431 個?；静槊髁藴y區內路面塌陷區附近四條管線的大致走向；基本確定路面塌陷區及其附近高密度圖件上的低阻異常是由管路破裂漏水所致；基本查明了公益蓋溝大壩內其他可能的空洞以及空洞的含水情況。

明確了在地質災害危險性評估中，塌陷坑附近區域地面塌陷地質災害危險性中等、危害程度小，壩體其他區域地面塌陷地質災害危險性小、危害程度??；在地質災害危險性預測評估中，塌陷坑附近區域地面塌陷地質災害可能性大、危害程度大、發育程度中等、危險性大；壩體其他區域地面塌陷地質災害可能性小、危害程度大、發育程度弱、危險性中等；在地質災害危險性綜合分區評估中，將評估區劃分為地質災害危險性大區及地質災害危險性中等區兩個大區，并對壩體自身可能遭受災害進行了預測。