北京地区地裂缝分类及防治措施

贾三满,刘明坤,田 芳,赵守生

(北京市水文地质工程地质大队,北京 100195)

地裂缝泛指地表岩土体中产生的一种线形破裂现象.地裂缝灾害是地质灾害中的地面变形灾害之一.它可能造成各类工程建筑的直接破坏,引发一系列环境问题,对人类的生产和生活威胁极大[1].北京地区位于燕山台褶带(山区)与华北断坳(平原区)两个构造单元交汇部位.历史上曾发生过多起较强烈的地震,是地裂缝灾害的发育区.对人民生产和生活所造成了一定危害,见图1.

图1 北京地区地裂缝位置分布图

1 地裂缝分类

对不同成因的地裂缝采取有针对性的防治措施.地裂缝按成因一般分为构造地裂缝、非构造地裂缝和混合成因地裂缝三类[1].以上三种地裂缝在北京地区均有分布,以混合成因地裂缝为主.

1.1 混合成因地裂缝

混合成因地裂缝主要受地球内动力控制,人类活动加剧了地裂缝的发展.北京顺义地裂缝带、高丽营-土沟地裂缝带和羊房-庙卷地裂缝带都属于混合成因地裂缝.

顺义地裂缝带沿顺义断裂走向展布.顺义断裂是北京市一条主要活动断裂,全新世仍在活动[2].探槽揭露在地表下5m左右有一次明显的地震事件,时间大约2.5万年前,地层错断14cm,东南盘下降.地层中出现顺断裂面向上延展的地裂缝,两侧有明显的变形,变形特征与断裂面一致(图2).

顺义地裂缝区第四纪松散沉积层厚度较大.断裂对地裂缝的控制主要表现在断裂早期活动时形成了地层破裂面,并造成上下两盘第四纪松散沉积层厚度相差三、四百米,导致断裂两侧岩土体的不均匀性.据军营村分别位于该断裂两盘的顺4、顺5钻孔资料,北西盘于孔深474m穿过松散堆积层见白云岩,而南东盘深800m尚未见前新生界基岩,两盘松散堆积厚度相差300多米(图3).

图2 顺义油库探槽南侧剖面图

图3 顺义断裂剖面图

超量开采地下水对地裂缝活动起着诱发促进作用.顺义城区附近是北京平原地下水的超采区.特别是80年代后期,燕京啤酒厂等大型企业大量开采地下水,逐渐形成了以平各庄为中心的地面沉降区.在地下水过量开采,地下水位逐年下降的情况下,顺义断裂东南盘地面相对下沉,造成沿顺义断裂地面不均匀沉降,沿着抗变形能力薄弱的破裂面形成地裂缝带.

高丽营-土沟地裂缝带沿黄庄-高丽营地表变形带发育.黄庄-高丽营断裂是北京平原区重要的断裂之一,是划分京西隆起与北京拗陷的界线,从早白垩世开始发育,明显控制了下白垩统的分布,新生代时期构成了北京拗陷的西边界,是一条边断边沉积的同生正断裂,自中生代晚期以来一直持续活动.探槽揭露,断裂断错直达地表,断距达1.5m左右.根据光释光测年结果,断裂两侧土样年龄大致在13～22ka,为晚更新世地层[3].钻探、物探资料显示,地表变形带与基岩断裂相连.断裂两侧第四系厚度相差600～700m,地层岩性结构有明显差异,为差异沉降提供了地质基础.同时,高丽营、土沟地区为地面沉降发育区,近年来地面沉降速率一般在20～40mm/a,加剧了地裂缝的发育强度,地裂缝两侧的差异变形量达到10mm/a以上.

羊房-庙卷地裂缝带沿张喜庄断裂地表变形带发育.张喜庄断裂虽为黄庄-高丽营断裂之次级断裂,但探槽揭示,断错直达地表,断距300mm左右,断裂两侧第四系厚度有明显差异.沿线地裂缝发育区也是地面沉降量较大的地区.

1.2 构造地裂缝

构造地裂缝是指由地球内动力地质作用产生的地裂缝,其形成、规模、破坏程度与地震、断裂活动及区域地应力场有直接的对应关系.发生大地震时,常常会发生地裂缝,主要是由于强烈的地震动和断裂位移引起的,受震源机制控制并与发震断裂走向吻合.1976年唐山地震时,在极震区出现了一条7.8km长的地裂缝带[1].

在北京地区,大部分构造地裂缝与断裂蠕动变形及地应力场有关.地裂缝具有明显的方向性,其方向只受区域应力场和断裂活动控制,可出现张性、张扭性等不同性质,下部与活动断裂直接相连或受到下伏活动断裂的控制.1976年唐山地震后,顺义马家富村,房山北山村、古庄、纸坊、瑞和庄,昌平西辛峰,大兴鹿圈村,延庆大柏老村等地出现地裂缝,造成民房、厂房设施开裂,这些地裂缝又多与附近小震同步,引起群众恐慌.根据房山县地震局1986年的调查,认为"这次调查的地裂缝与地震关系密切,其大多数是区域应力场作用的产物,是新构造加强的一种表现形式".

1.3 非构造地裂缝

非构造地裂缝是指由各种外动力地质作用产生的地裂缝.这种地裂缝种类繁多,成因各异,主要有滑坡、崩塌地裂缝,塌陷地裂缝,特殊土变异地裂缝和地震液化地裂缝.就北京地区而言,主要有塌陷地裂缝、特殊土地裂缝、地震液化地裂缝几类.

(1)塌陷地裂缝

塌陷地裂缝一般可分为采空塌陷地裂缝和溶蚀地裂缝.

由于地下采空区塌陷涉及地表,在地表岩土体中形成一系列地裂缝.采空塌陷地裂缝与采空塌陷相伴产生.在塌陷沉降区的边缘地带,是岩土体不均匀下降过程中形成的张性地裂缝,其产状较陡,地表有时表现为弧形、曲线形,对地表建筑物破坏严重;在采空区上方发育的地裂缝,大部分呈下宽上窄形,主要发生在北京西山地区[4].

溶蚀地裂缝主要是因为可溶岩在地下水、地表水的作用下发生溶蚀形成溶洞、溶隙,上方土体和其中的水、气所组成的综合体在自然或人为因素作用下产生破坏作用,在土体中形成土洞,并发展到地面,造成地面塌陷和地裂缝.溶蚀地裂缝主要发生在岩溶发育,覆盖层较薄的地区.北京地区岩溶发育较弱,这一类型地裂缝较少发生.但近年来,随着地下水位大幅下降,水压力降低, 此类型地裂缝危害逐渐显现.例如,怀柔桥梓镇桥梓村南林地在2009年8月上旬雨后出现一条长约600m左右,宽约2～3m,深约2m,近东西向的地面塌陷带组成地裂缝带,周围有多处塌陷坑和地裂缝.塌陷坑呈圆形或近椭圆形、大小不等,一般1～5m2,深度0.5～2m.物化探资料显示,在地裂缝下方基岩内未发现断层,地层分布均匀连续.

在地裂缝两侧的钻孔中发现,场地第四系厚度50～60m,下伏基岩为侏罗系砾岩,钻孔穿透第四纪地层进入弱风化砾岩后,发生严重漏浆,及落钻现象钻孔落钻0.8m～1m,推测砾岩层中发育有岩层空洞,空洞呈平行条薄片状,洞深大约1m左右.经岩石成份鉴定,砾岩主要由灰岩和白云岩组成,可溶成份达70%左右,在个别岩样上发现浅灰色的灰岩有早期溶洞,并被黄褐色角砾充填.

由于近年来该地区地下水位大幅下降,地下水向下渗流,水压力降低,浮托力减小,同时造成第四系粉细砂发生渗透液化,引起结构破坏,粉细砂向下流失于基岩空洞中,而上层粉细砂在振动下土粒结构已破坏,再加上负压吸蚀作用,使地表地层失去支持,最终形成地面塌陷,造成地裂缝.

(2)地震液化地裂缝

饱和的松散砂土在地震力的作用下,其孔隙水压力骤然上升,孔隙水压力来不及消散,使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力(有效应力)减少.当有效应力完全消失时,砂层完全丧失抗剪强度和承载能力,发生砂土液化.液化严重区可以造成喷水冒砂,在地表形成地表塌陷和地裂缝.1976年唐山地震时,在通州、顺义、昌平、平谷等地的河漫滩、低级阶地地区多处出现喷水冒砂,形成地表塌陷和地裂缝,造成了大量农田、林地损坏和河岸坍塌.地震液化较轻或上覆有较厚的非液化土层覆盖,虽然没有发生喷水冒砂,但可液化土层发生震动,降低了地基土强度,当地质环境一发生变化时,特别是地下水位下降,孔隙水压力减低时,液化危害会逐渐显现,出现地裂缝和地面塌陷.顺义南采、平谷等地多处发生此类型地裂缝.

(3)特殊岩土地裂缝

特殊土由于气候或气象原因会产生一些规律不明显的地裂缝.如黄土中的湿陷性地裂缝,膨胀土中的膨胀地裂缝,粘性土中的干裂地裂缝.北京地区有膨胀地裂缝和干裂地裂缝分布.上世纪六、七十年代东郊朝阳、通州地区多次出现膨胀地裂缝,并对建筑物造成了不同程度的损坏.

2 防治措施

地裂缝灾害已造成了大量建筑物损坏,其严重性已引起人们的重视.由于地裂缝成因复杂,影响因素众多,防治工作应在查清地裂缝成因的基础上,根据其发育特征和强度,并充分考虑未来发展变化,有针对性的选择防治措施.

地裂缝成因问题一直是其勘察、研究的难点和焦点.不同成因的地裂缝灾害作用特点和成灾机理也不相同.对于构造地裂缝和有构造成因的复合型地裂缝,具有灾害衡生性、三维破坏性、三维空间有限性和成灾过程渐发性的特点[1],主要受构造活动的控制,一般工程措施难以防治.而其他类型地裂缝分布范围、发育深度、强度主要受气候、气象、岩土体结构的控制,采取合理的工程措施如桩基、换填、加强建筑物基础和上部结构刚度等可以消除或减轻危害.

结合工程实例,对构造地裂缝和以构造成因为主的复合型地裂缝可采取以下的防治措施.

2.1 确定合理的避让距离

起因于构造活动的地裂缝向地表下延伸很深,对建筑物的破坏是不可抗拒的.所以防治应以避让为主,确定合理的避让距离是防治成败的关键.

避让距离的确定,应在查清地裂缝发育现状和灾害程度的基础上,综合考虑下部构造活动和地下水开采对地裂缝活动的影响,预测地裂缝未来发展趋势.

在北京高丽营-土沟地裂缝带勘查中,通过地表调查和探槽工作,确定了地裂缝破坏变形带.破坏变形带在地裂缝两侧的表现有所不同,一般下降盘(断裂上盘)破坏严重,变形带较宽,相对上升盘(断裂下盘)破坏较轻,变形带较小.破坏变形带总宽度约60m.通过数学模型,模拟未来50年地下水位变化和基底基岩位错的情况下,预测地裂缝将继续发展,地裂缝破坏变形带将达到100m左右.综合确定一、二类建筑和三类建筑避让距离安全系数分别为1.5和1.2,避让距离分别为74m和100m[5].

顺义地裂缝带的宽度平均为5m,最宽达12m,建筑物损坏带宽度平均7～8m,最大22m,综合研究确定避让宽度为28m,上盘(东南盘)16m,下盘(西北盘) 12m,即以主破裂带为中心基准线,西北侧建筑安全距离为12m,东南侧建筑安全距离为16m[6][7].

可以看出,尽管高丽营-土沟地裂缝带和顺义地裂缝带成因相同,但由于构造背景和地质环境条件的差异,造成地裂缝特征、发育强度不尽相同,避让距离相差很大.

对于线形工程,当无法避免跨越地裂缝时,在跨越地裂缝地段可以采取预应力拱梁、悬空式架设等对不均匀沉降不敏感的结构,或在管道底部铺设一定厚度的碎石层,减小差异变形量,设置专门监测网络,实时掌握地裂缝发展变化,确保工程安全.

对避让带外的地裂缝影响区,可采取一些具体工程措施防止或减轻地裂缝对建筑物的危害,增强建筑物抵抗不均匀沉降的能力.主要措施有加强基础和上部结构的刚度、加设地基褥垫层、采用桩基础等.

2.2 控制地下水开采

地裂缝和地面沉降的长期快速发展与长期超采地下水,导致地下水位大幅下降密不可分.抽汲地下水引发地面变形是产生或加剧地裂缝活动的直接原因.多种成因地裂缝均和地下水开采有关,所以在地裂缝场地内应严格控制地下水开采,合理限制地下水开采范围、开采层位、开采强度.

2.3 加强监测工作

地裂缝成因复杂,影响因素众多,所以监测工作十分重要.通过对地裂缝的监测,掌握其活动特征,分析发展趋势,在规划设计阶段就采取必要的措施,可以达到事半功倍的效果.在建筑物建设和使用中,监测可以随时掌握地裂缝变化,当变形达到设计值时,及时采取工程措施,取保建筑物安全.

3 结语

近年来,北京地区进入地裂缝高发期,形成了顺义、高丽营、土沟等大量地裂缝,地裂缝对城市建设的危害日趋明显.北京地区地裂缝发育有构造型地裂缝、复合型地裂缝、溶蚀型地裂缝和地震液化等多种类型地裂缝.以构造因素为主导的复合型地裂缝是北京地区地裂缝的主要类型,对城市建设的危害也最大,避让是其最有效的防治措施,由于构造背景和地质环境的差异,避让距离差别很大,所以对地裂缝进行具体研究,是影响地裂缝防治效果的关键.

[1]中国地质学会城市地质研究会编.中国城市地质[M].北京:中国大地出版社,2005:199～216.

[2]贾三满,王海刚等.北京市顺义规划新城前期区域工程地质勘查报告[R].北京市水文地质工程地质大队, 2007.

[3]贾三满、郭 萌.从高丽营探槽分析黄庄-高丽营断裂与地裂缝的关系[J].城市地质,2007(4).

[4]《北京地质灾害》编辑委员会编.北京地质灾害[M].北京:中国大地出版社,2008.

[5]北京市水文地质工程地质大队.未来科技城北区土地一级开发项目地裂缝勘查评价报告[R].2010.

[6]张世民,刘旭东,任俊杰等.顺义地裂缝成因与顺义-良乡断裂北段活动性探讨[J].中国地震,2005,21 (1):84～92.

[7]任俊杰,张世民,唐荣余等.北京顺义地裂缝带的活动特征及减灾措施[J].城市地质,2008(2).