地裂与地面沉降灾害机理与预防措施——以陕西为例

陕西延长石油集团管道运输公司（716000） 焦 建

地裂缝和地面沉降是一种地质灾害，自20世纪50年代后期开始显现，地裂缝和地面沉降的产生一方面是受到如地震等自然灾害的影响，另一方面，抽吸地下水也是导致地面沉降、加大地裂缝产生的重要原因。地裂缝和地面沉降对于砖石材料的建筑危害较大，需加以警惕。砖石材料由于具有良好的耐火性，材料便宜，取材便利，施工工艺简单，工期短等优点，在普通建筑中广泛使用。由地裂缝和地面沉降引发的砖体裂缝，轻则影响房屋正常使用和美观，重则形成结构性工程事故。本文结合地裂缝和地面沉降的致灾机理，通过工程设计对该种灾害加以预防和回避。

一、地裂与地面沉降灾害产生的机理

陕西地区的地裂缝，主要位于秦岭北麓断裂、华山山前断裂、长安—临潼断裂、口镇—关山等活动断裂带上或其附近。这些地裂缝大多是张裂性裂缝，平面呈锯齿状，坡面上呈曲折状。地裂缝产生往往伴随着地面沉降。其中西安地裂缝是渭河盆地地裂缝的一部分。该地区地裂和地面沉降都与当地的地质构造关联度很大，构造作用是其发生发展的根本和条件。通过研究地裂缝活动与地面沉降关系，按照地裂缝带的发生与加速发展，在时间上与因地下水开采而引起的地面沉降相对应。以西安地裂缝产生机理为例，它是地质构造作用和人为因素叠加的结果，构造活动是地裂缝产生的条件和基础，人为过量抽取地下水对地裂缝活动的加速发展起到决定性作用。

1. 地质条件导致地裂和地面沉降

渭河盆地位于山西省的中部，属于地堑式构造，介于陕北高原和秦岭山脉之间，为喜马拉雅运动时期形成的巨型断陷带。西起宝鸡，东至黄河，南依秦岭，北靠渭北山。渭河盆地发育于鄂尔多斯地块与秦岭褶皱的交界地带，地质构造格局复杂，盆地周围伴随着明显的挤压褶皱区，也出现了拉张构造迹象。盆地内构造运动强烈，形成了多个构造断块。渭河盆地可分为六个亚区，西部断隆区、北部断坡区、咸阳断阶区、高陵—固市断陷区、周至—西安断陷区和骊山断隆区。这些次级构造断块都被伸展断裂带所围限。以西安为例，西安位于西安断陷与骊山断阶的交接部位，其四周分别被渭河南岸断裂、长安-临潼断裂、河断裂和浐河断裂所围限。(1)渭河南岸断裂位于西安市北，走向近东西，倾向北，南升北降，年平均地形变速率0.13mm。是渭河盆地基底岩相的分界线。(2)临潼-长安断裂位于西安市南郊，走向北东，倾向北西，南升北降，是西安断陷一条铲式边界断裂，以浐河为界，东段活动强烈，西段相对较弱。地裂缝就发育在长安-临潼断裂的上盘与其活动息息相关。(3)河流断裂位于西安市西郊，沿河近南北向分布，倾向北西，属次一级断裂，活动相对微弱。(4)浐河断裂位于西安市东郊，沿浐河北北西向分布，倾向北东，活动微弱。西安地裂缝与其周围的断裂构造密切相关，加上煤矿的开采，地裂缝灾害更为显著。

2. 地震诱发地裂缝和地面沉降

地裂缝的产生与地震活动也有一定关系。渭河盆地属地震多发区，渭河断裂带是其中比较强烈的地震带，超过五级以上的地震对地裂缝的发展有一定影响，自1976年唐山大地震后，地裂缝的活动明显增多。地震的等级、震中距、震源深度都影响着地裂缝的形成。一般震级越大地裂缝发育越多、越深。地裂缝和地震都是地质灾害，都属于地壳活动、地球内部释放能量的一种方式，地裂缝的形成、发展与其所处的构造环境有着密切的关系。

3. 人类活动导致地裂和地面沉降

除了自然构造环境以及地球内力作用外，人类活动对地面变形也起到了明显的作用，比如抽取地下水和开采地下矿产等也会造成地裂缝、地面沉降和地面塌陷等地质灾害。尤其是由于人类活动引发的地面沉降问题愈发显著，在世界范围内多个城市引发恶果。其中我国大约50个城市受到地面沉降灾害的严重影响，比如西安、天津、上海等地。其中西安的地面沉降还伴随着地裂缝。自1959年首次地陷至今，市区沉降量大于500毫米的面积达30平方公里，最大累计沉降量达1800多毫米。同时，地下有13条东西走向的地裂缝，裂缝总长度超过50公里。地裂缝和地面沉降会进一步导致地面建筑物倾斜或下陷、地下排水等公共设施受损。比如西安的唐大雁塔，倾斜已达上千毫米，西安城区南部，由于裂缝活动剧烈，造成地面和台阶严重损毁，这些都严重影响人们的正常生活、出行等活动。

由于社会经济的快速发展，人类对地下矿产资源的需求和开采日益加大，比如石油、天然气、矿石、地下水等等。其中地下水的过度开采是引发世界范围内城市地面沉降的最主要的原因。由于城市化进程的加快，人口激增，需水量大幅提高，并且农业、工业发展都需要大量水资源来支撑，当地表水不足以满足社会发展需求的时候，越来越多地区和城市采用抽取地下水来满足需求，并且近些年地下水超采越来越明显。据统计，我国地下水超采区400多个，总面积达到62万平方公里，主要分布在华北平原、山西六大盆地、关中平原、松嫩平原、下辽河平原、西北内陆盆地的部分流域、长江三角洲、东南沿海平原等地区，其中近六十个城市属于严重超采。由于地下水和底层之间存在一种承压力，可以支撑上面的土地，但当地下水层抽取过量的时候，地下形成大漏斗，地层结构内部应力改变，进一步导致地面沉降，当沉降幅度不一致时，又会进一步引发地裂缝灾害的产生。

除了地下水过度开采导致地面沉降外，一些资源型城市，挖采地下固体矿物和石油、天然气都是地面沉降的人为诱因。

另外，地下工程建设，如地铁施工也会引发地面沉降。这些都会危及施工人员和居民人身安全以及造成人民财产损失。

二、地裂与地面沉降对建筑工程的影响

地裂缝和地面沉降对城市的建设和发展带来了极大的危害。一方面地裂和地面沉降直接对上层建筑物造成破坏，这影响了工程建筑的安全性，另一方面，地裂和地面沉降引发的地质灾害也会干扰城市的布局发展。地裂缝的活动会引起周围地质的变形和移动，这同时也使上层建筑物地基变形。地基的裂缝和不均匀沉降又进一步引发建筑物的下沉、裂缝甚至坍塌，造成经济损失也危害公众安全。随着社会的快速发展，人口增多，交通压力增大。越来越多的城市在城市交通发展上大力开展轨交、高速铁路、高架桥建设、桥梁建设等。而地裂和地面沉降作为慢性地质灾害对以上建设有严重的影响。就地面沉降而言，工程专家认为，建筑物压力和车载压力作用下引发少量地面沉降是不可避免的。而通常情况下地面的沉降是均匀的，表现在路面上为少量细小裂缝，但如果出现不均匀沉降，则非常容易引起建筑体墙体开裂、倾斜甚至倒塌的情况发生。在建筑工程方面，结构裂缝产生的原因很多，除了不均匀沉降外还有温度变化导致的热胀冷缩、干缩变形等，以及各种因素的综合作用结果。按裂缝的成因，墙体裂缝可分为受力裂缝和非受力裂缝两大类。各种直接荷载作用下，墙体产生的裂缝称为受力裂缝，而砌体因收缩、温度、湿度变化、地基沉陷不均匀等引起的裂缝是非受力裂缝，又称为变形裂缝。由地裂缝和地面沉降引发的建筑体裂缝是变形裂缝。

裂缝与地面沉降是地理环境和人类活动共同作用之下的结果。自然地质构造环境是难以抗拒的自然因素，人类无法彻底改变，但是可以通过一些合理的城市布局和建筑工程措施，使砌体房屋墙体的裂缝的产生和发展达到可接受的程度，尽量将地裂和地面沉降造成的人身伤亡和财产损失降到最低。在上述引发地裂和地面沉降的原因中，人类超采地下水和矿物、石油、天然气等地下资源是诱发地面沉降的重要人为原因。针对这个原因，要建立地下水位的监测与报告体系，严格控制地下资源的开采量，做到有效预防措施。对于已经造成地面沉降的区域，可以采取地下水回填等措施加以弥补和治理。

三、灾害预防措施

1. 加强针对地裂缝和地面沉降的工程建设设计

在建筑规划和建筑的结构和加固技术上大力研究。在工程整体布局上充分考虑当地地理环境的情况。比如对于地裂缝严重区域，计算安全避让距离，进行合理布局。在建筑的工艺设计上针对地裂缝和地面沉降做到结构优化和技术加固。

防止主要由地基沉降引起的裂缝，可采用下列工程措施：⑴建筑物的体型力求简单；⑵合理设置沉降缝。在建筑物平面转折处、建筑高度荷载突变处、结构类型不同处以及地基土软硬交界处设置沉降缝；⑶减轻结构自重；⑷增强建筑物的刚度和强度，设置封闭圈梁和构造柱，特别是增强顶层和底层圈梁、合理布置纵横墙、采用整体性好、刚度大的基础形式等；⑸减小或调整基底的附加应力。改变基础地面尺寸，使不同荷载的基础沉降量接近。

通过地裂和地面沉降的产生机理的分析研究和地裂缝和地面沉降给人类生产生活带来的影响和损失，我们可以看到只有正确认识自然、合理利用自然资源才能使我们的社会繁荣发展。以地裂和地面沉降自然灾害为例，我们应该更加清楚的认识到人地关系的发展方向。

自然环境和人类活动就像是跷跷板的两头。自然环境为人类提供生存的物质基础和环境，同时一些自然灾害也会给人类带来损失和灾难；而人类活动就是在自然环境的基础上进行各种生产活动。随着社会生产力水平的提高，人类对自然环境进行改造的能力随之增强。人类的改造能力就像是跷跷板的支点，靠近人类活动一侧，意味着改造能力弱，受自然环境制约大；相反，靠近自然环境一侧，改造能力强，过度改造，这都会引起跷跷板的失衡。两种方式在人类发展的历史上都已经出现过，而现在我们更加追求的是平衡的支点，只有人类与自然环境平衡协调发展，人类社会才能长久延续。

2. 加强地裂缝和地面沉降的监测与调查

建立全国地裂、地面沉降监测与调查网络。全面查明地面沉降分布、成因、发展趋势和灾害损失，以及灾害损失评估。为治理以及城市规划、布局、重点、重大项目建设提供依据。对于预估灾害严重的地区采取避让，在必须建设项目的地区针对地裂和地面沉降做出工程建设的优化和防灾设计。

目前我国监测与调查系统建设的目标是：在地面沉降调查评价的基础上，逐步建立长江三角洲、华北平原、汾渭盆地、松嫩平原、珠江三角洲、江汉—洞庭湖平原等重点地区，以及高速及重载铁路、高速公路、南水北调工程、西气东输等重大工程区的地面沉降监测网。同时，结合地下水动态监测网建设，实现地面沉降三维监测和实时监控。