试论湿陷性黄土、水介质对西安地裂缝的主要影响

张建军，茹建国，李　辉

(陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054)



试论湿陷性黄土、水介质对西安地裂缝的主要影响

张建军，茹建国，李辉

(陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054)

深入研究西安地裂缝的形成原因，对于合理有效的减轻和防治地裂缝，具有重要的现实意义。依据大量的监测资料，研究认为西安地裂缝，是由于黄土梁洼处的正断层，在湿陷性黄土、地表水、承压水或潜水水位持续上升的共同作用下，特定的时空条件，在地表自下而上的开裂显露，地铁的开通，对地裂缝的活动也有一定的影响。

地裂缝；黄土湿陷性；地表水；潜水水位

西安，是西北最大城市，近年来的环境地质问题，尤其是西安地裂缝造成的灾害，给西安市造成重大经济损失。地裂缝所到之处，错断各类管道、文物古迹，路面、隧道、桥梁及各种建筑物。直接经济损失达到 50 亿元。研究地裂缝的形成原因，对于合理有效的减轻和防治地裂缝，具有重要的现实意义。

1　地质概况

西安地处渭河盆地中部，受上地幔的隆起，印度板块向欧亚板块的碰撞，青藏高原及其相邻青甘地块边向东挤压，形成近南北的张应力。在这股张应力的作用下，原先已存在的渭河深大断裂向南北两侧裂开，产生了渭河盆地。

渭河盆地两侧在拉张力的作用下产生许多断块很自然的要向裂谷中间滑落。滑动时下面遇见了软弱的高速低导层，在地面表现近垂直断层面向软弱地带延伸，向盆地中间变缓，而成铲状。铲状断裂的上盘岩石再向下滑落时又会产生顺滑动方向的张力，造成反向的次级、多级“y”型构造。临潼-长安断裂就是铲状断裂，而西安市中心区的活断裂—地裂缝系列f1，f2…f13，f14就是反向断裂，它们共同组成了“y”形构造。

1.1地貌

西安市主要位于临潼-长安断裂上盘西北侧，发育有独特的黄土梁洼地貌。如图1。

图1　西安市梁洼地貌平面图(张家明)

黄土梁和洼地的剖面形态均不对称。黄土梁南高北低，南陡北缓；洼地北深南浅。两者组成簸箕状盆地和“南仰北俯”的断块形式的盆岭构造地貌。黄土梁南侧陡坡下，均对应发育着一条南倾南降得隐伏正断层，黄土梁与洼地的地层结构有显著差异，洼地比黄土梁接受了更多的沉积。

1.2 岩性

西安表层分布有280 km2的湿陷性黄土，上更系统黄土湿陷性强，湿陷性强，湿陷量大，分布在二级阶地及高于二级阶地以上的各地貌单元上；全新黄土状土和素填土湿陷性弱，湿陷量小，前者分布在河流一级阶地上，后者主要分布再西安老城区一带见图3。

1.3地下水

1.3.1潜水

西安黄土梁潜水水位埋深28～38 m，洼地水位埋深0.5～15 m以内。洼地潜水含水层，为马兰(Q3)黄土和古土壤、离石黄土(Q2)及古土壤，地下水主要储存和运移在大孔隙、裂隙和孔洞中，含水层厚约17～25 m。隔水底板(弱透水层)埋深28米以下。洼地不仅是潜水的局部汇集地段，而且又是降水、地表水的汇集区。排泄不畅而形成局部“水丘”，导致“辐射流”的产生。见图2

图2　铁炉庙地区潜水等水位线图(1990年)

1.3.2承压水

含水层底板埋深300 m左右，岩性主要有中细砂和黏土互层，水位埋深60～100 m，开采量从50年代7.7×104m3/a到最大开釆量15 400×104m3/a，黑河供水后，城区自备井限制开采，承压水头有所回升，360 m等值线锁定的降落漏斗面积达246.4km2。

2　湿陷性黄土、水介质和地裂缝的关系

2.1潜水和地裂缝的作用

潜水水位的变化，特别是潜水水位上升时期。见表2，一度决定地裂缝发展变化。

北郊和东北郊(f1，f2和f3地裂缝范围)水位上升1.32～1.7 m，年限为1979-1984年，年平均上升0.22～0.43 m，这个时段也是f1(出露总长度4km，发育带宽度15 m)，f2(出露总长度9.9 km，发育带宽度44～60 m)和f3(出露总长度4.85 km，发育宽度15～45 m)地裂缝活动最快时期。

东郊及城区水位(f4、f5和f6地裂缝范围)上升1.36～3.30 m，年平均上升0.23～0.28 m，年限为1979—1990年，这个时段也是西北大学f4(出露长度5.38 km，发育宽度24～55 m)、和平门f5(出露长度10.40 km，发育宽度50～100 m)和草场坡f6(出露长度11.38，发育带宽度35～75 m)地裂缝发展最快的阶段。

南郊和东南郊水位上升4.43～6.54 m，年平均上升0.40～0.41 m，年限为1979-1994年，这个时段不仅是临近的小寨、大雁塔和陕西师范大学地裂缝发展最快，也是整个地裂缝群 最快成型的时期。

表2　西安城区黄土洼地地区潜水水位

从东南到西北，从水位上升时期和幅度，都表现为依次递减，和地裂缝的活动剧烈程度从东南到西北递减相一致。

2.2黄土湿陷性与地裂缝的关系

西安黄土湿陷性由东向西、自南向北方向一次递减的特征。西安地裂缝有较强的东强西弱、南强北弱的活动特征，两者具有很强的对应关系。见图3。

1) 辛家庙地裂缝(f1)

重型机械厂附近活动强烈，破坏严重，此处黄土湿陷等级为自重湿陷II-III级，湿陷性强，1989年以前污水灌溉，致使潜水水位上升，黄土湿陷发生，地裂缝活动加剧。

2) 红庙坡地裂缝(f2)

1980-1985年地裂缝活动明显，活动速率大于30 mm/a，潜水水位从1980年3 m上升到1984年的1.7 m，年上升0.26 m，地裂缝活动自西向东。有逐渐趋强，湿陷性黄土的等级自西向东从非自重湿陷I级过渡到自重湿陷III级。

3) 劳动公园地裂缝(f3)

东、西两段活动强烈，城区活动较弱。东西两段黄土的湿陷等级为非自重I-II级。这与地裂缝的活动特征大致相同。北石桥大环河和皂河的渗漏，是地裂缝在此段活动的主要原因。地裂缝活动量为7～9.9 mm/a。

图3　西安地区黄土湿陷性性分区与地裂缝分布关系

4)西北大学地裂缝(f4)：西段活动比较强烈，尤其位于西北大学附近活动最强烈，活动速率最大达26 mm/a，主要原因为护城河渗漏，引起黄土湿陷。该条地裂缝西段所处的黄土湿陷等级为非自重I级，但在西北大学附近其湿陷等级达到III级自重湿陷。湿陷性分布和地裂缝有着较强对应关系。

5)和平门地裂缝(f5)：西段活动较弱，东段活动强烈，护城河和兴庆公园附近地裂缝活动明显，主要原因：为护城河和兴庆湖渗漏包气带，致使潜水水位上升，此处的黄土湿陷等级为自重湿陷II级。而东段地裂缝更是剧烈活动，最大活动速率达35 mm/a，十五街坊处所造成的陡坎已超过600 mm。而东段的湿陷性等级为自重湿陷II-III级，局部地段达自重湿陷IV级。

6)秦川厂地裂缝(f6)：中断、东段活动较为强烈，西段活动较弱，长安立交地裂缝活动强烈，错位达210 mm，该立交地下为南郊的大环河，主要为大环河渗漏所致。此段为黄土湿陷等级自重III级，局部达IV级。东段秦川中学北围墙破坏严重、路面断错和秦川厂1-5号家属楼严重开裂，而该地段的黄土湿陷等级为自重湿陷III级。

7)小寨地裂缝(f7)

是西安出露最长的地裂缝，东方厂住宅区38号楼裂开严重，加固三次，省委大院小北楼破裂严重。自西向东，地裂缝活动逐渐增强，湿陷性黄土从非自重I级，过渡到自重III级到IV级。f7铁炉庙潜水水位埋深从1978年12.48 m上升到到1994年的6.26 m。水位抬升6.22 m，年上升速率0.39 m。水位上升的阶段，也是地裂缝发展最快的阶段。1990-1996年f7的活动速率在 35～55 mm/a，为活动最强时期时期，水位的变化与地裂缝的发展具有相关性，相关系数0.87。见图4，长期潜水水位缓慢上升，是黄土湿陷性加剧，地裂缝持续蠕变。

8)大雁塔地裂缝(f8)

东段、西段活动较弱，中间段含光路至北池头，活动强烈，大雁塔大雄宝殿和围墙破裂，西侧环塔路，垂直变形带宽度超过40 m。其中北池头附近的黄头湿陷等级由非自重I级过渡到自重湿陷II-III级，北池头洼地1990年以前，是污水灌区范围，污水渗入包气带致使地下水位上升，北池头的558号潜水井，水位埋深从1980年的5.32 m，持续而上升到1985年的0.54 m，水位上升是造成地裂缝活动加剧的主要原因。

图4　小寨地裂缝活动与潜水水位变化曲线

9)陕西师范大学地裂缝(f9)

陕西师大住宅区43号楼开裂严重，活动速率为20 mm/a，陕西师范大学与长延堡处均属于自重黄土湿陷自重II-III级，该地也属污水灌区，地裂缝活动加剧同上条原因相同。

10)新开门地裂缝(f10)

活动量不大，1990-1996年平均活动速率0.33 mm/a，累计活动量72.56 mm，雁塔南路路面清晰可见，西三爻附近的湿陷等级为自重湿陷III级，西开门和黄渠头附近为非自重湿陷I-II级。

11)东三爻地裂缝(f11)：雁塔南路与雁南五路十字东北因曲江水厂的管道漏水浸泡致使出露与地表。而该处的黄土湿陷等级为自重湿陷III级。

电视塔东南f11监测点，自重湿陷II级，原来活动量在5.3～12.7 mm∕a。自从2007年地铁开始建设到通车以后，多年平均活动量28.62 mm/a，是近年来所有监测点活动最强烈的一个监测点。该地裂缝南倾南降，走向NE 70°～85°，下盘为黄土梁，上盘为洼地，地铁2号线紧邻监测点从长安路地下南北穿过，埋深20 m。截至2015年，地铁西侧地裂缝累计活动量120 mm，开裂宽度超过10 mm；东侧累计活动量240 mm，开裂宽度超过30 mm，潜水水位埋深11.31 m，区域地下水从东南流向西北，地铁线路如一条隔水墙，局部改变地下水流场，引起水位雍升，相对抬高了地铁东侧洼地地下水水位，地铁东西两侧水位东高西低。引起黄土湿陷，产生不均匀沉降，致使地裂缝活动加剧。地铁两侧地裂缝发生“东重西轻”的活动变化。

12)东三爻-曲江池(f12f13)地裂缝：东三爻附近为Ⅱ级非自重湿陷，射击场南为I级非自重湿陷，再向EN 过渡到Ⅱ级非自重湿陷和III级自重湿陷。西段东三爻地面开裂10 mm，南降50 mm，出露长度约500 m。东段2001年6月一场暴雨出露地表的农田中，呈窜珠状落水洞延伸，缝宽80～100 mm，落水洞最大直径1 500 mm，出露长度1 000 m。呈现东西两端活动强烈，中部稍弱，和本区黄土湿陷性相对应。

13)清凉山地裂缝(f14)

出露地段为清凉山东南侧地表，1986年发现，雨后农田出现了10 cm宽的裂缝，南倾南降，两者高差约10 cm，此后累计超过40 cm。此地段湿陷为Ⅱ级非自重湿陷。

3　地裂缝的形成机制

潜水水位因素：以铁炉庙地区为例，来分析其形成机制。观音庙洼地呈北东向展布，夹于大雁塔和乐游原黄土梁之间。小寨(f7)地裂缝就位于洼地和乐游原黄土梁的分界线附近。铁炉庙地处观音庙洼地中心，湿陷性马兰黄土厚约13 m，底下为1.35 m的古土壤。洼地也是自备井开采漏斗中心和地面面沉降中心，累计沉降量达2.6 m。本地区潜水水位普遍高于周围地区，水位从中心向周围发散流动，见图3。当一场有效降雨后，由于黄土的渗透系数垂直大于水平，并使其水平的2～10倍，降水优先沿黄土的垂直裂隙，孔隙和空洞下渗，达到毛细带和潜水面，地表很快在洼地中心积水，犹如一个黄土的“试坑浸水试验”。积水下渗是毛细带和潜水面逐渐向四周扩展和上升，土体含水量逐渐增加而达到饱和，导致土的抗剪强度降低，黄土层的湿陷起始压力小于上覆土的饱和自重压力时则土层将下沉，但由于周围未浸湿土体仍具有较高的抗剪强度，他对中间浸水饱和土体的下沉起有约束作用。当浸水范围较小时，则湿陷仍不产生。在水的渗透力持续作用下，浸水范围较大时，饱和土体的自重足以克服未浸湿土体的摩擦力，崩解作用发生，则土体将由于自重作用而下沉，而产生黄土湿陷。在地表产生张性开裂。

如果洼地中心浸水范围足够大，湿陷进一步发展，形成洼地中心到黄土梁数条平行黄土梁走向，大小不一，主次分明椭圆形同心状裂缝，长轴NE，洼地北深南浅，潜水北边水力梯度大于南边，北边裂缝发育好于洼地南边。剖面上从洼地中心到黄土梁形成一步步上升的台阶，洼地中心北边的台阶，较南边更发育，台阶的分界线，一般为裂缝的发育处。再进一步发展到隐伏活性正断层处，则由于黄土不均匀湿陷、潜水渗透力和自重力作用，导致自下向上地表开裂，平面和剖面上次级裂缝和活断层主裂缝相通，形成西安的地裂缝。

铁炉庙村中，地裂缝的地表的破裂连续，主裂缝宽度一般为30～50 mm，最大可大200 mm， 倾向南，倾角75°，分枝裂缝分布宽度可达10 m左右，它主要位于主裂缝南侧，与主裂缝平行或呈树枝状想接。在剖面上，两者呈“Y”型组合[2]。

大气降水的影响：西安城区由于不合理开采承压水，导致发生地面沉降，沉降区为椭圆状，沉降漏斗限于两条地裂缝之间，水平上向NE发展，地面沉降中心和洼地叠加重合，洼地中心更显低凹，每年5-10月，一场持续较长大雨或暴雨后，在洼地中心将汇入更多大气降水和面积更大的地表径流，直接流入原隐伏活正断层处，沿断层面向下和沿着断层走向向两端径流和渗入，发生潜蚀管涌和黄土湿陷变形，在地表常常出现串珠状塌陷或地槽，最大宽度可达0.5 m，向上延伸至地表，并在地表开裂显露大小不一，主次分明树枝状或花状的，地下相连相通裂缝。形成西安的地裂缝现象。

4　结语

西安梁洼分界线附近隐形正断层的现今活动，是形成西安地裂缝的内在原因。黄土的湿陷性，特别是马兰黄土，在地表水、承压水和潜水的共同作用下，是引起西安地裂缝活动发展的主要因素。

(1)不合理的承压开采，是西安地面沉降的主要因素，而沉降中心和黄土洼地的叠加和重合，是沉降中心更加低凹，将会汇集更多大气降水和面积更大的地表径流。每年5-10月持续的大雨或暴雨，而流向隐伏断层是形成地裂缝和雨后地裂缝活动剧烈的主要原因。

(2)工业和生活废水任意排放，污水灌溉及大气降水，通过包气带的渗入，引起潜水水位持续上升，黄土湿陷发生，形成西安地裂缝，是地裂缝长期蠕动的主要原因。监测和控制好潜水水位，对地裂缝的发展，有一定制控作用。

(3)地铁的开通，引起地下水流场改变，进而产生黄土湿陷变形，引起地裂缝活动。应是我们今后应该研究的方向之一。

[1]张家明.西安地裂缝研究[M]．西北大学出版社．1990．6.

[2]陕西省地质环境监测总站.西安地裂缝报告[R].2007-2013.

[3]彭建兵，等.西安地裂缝灾害[M].北京：科学出版社．2012.

[4]钱鸿缙，王继唐，罗宇生，等.湿陷性黄土地基[M].北京：中国建筑工业出版社.1987.

[5]陕西省地质环境监测总站．西安地区地裂缝与地面沉降调查报告[R]. 2009．8.

[6]陕西省地质矿产局第一水文地质工程队.陕西省渭北黄土台原区黄土地下水赋存条件与运移特征研究报告[R]．1984．8.

[7]李善安，黄润秋，彭建兵．黄土崩解性实验研究[D]．岩土力学与工程学报．2009．5.

[8]陕西省地质矿产局水文地质总站．西安地区地下水位年鉴．1978-1983[M]．1986，5.

[9]陕西省地质矿产局水文地质总站．西安地区地下水位年鉴．1984-1988年[M]．1991．5.

[10]陕西省地质矿产厅.陕西省计划委员会编制[M]．西安地区环境地质图集．西安：西安地图出版社．1999．4.

Main Influences of Collapsible Loess Water Medium on Xi’an Ground Fissures

ZHANG Jian-jun，RU Jian-guo，LIHui

(Shaanxi provincial Geological Environment Monitoring General Station，xian 710054 shaanxi)

To further study formed reasons of ground fissures in Xi’an, it has great significance for reasonable and effective to mitigate and prevent ground fissures. Based on the mass monitoring data, the ground fissures in Xi’an are formed by the normal fault at loess depression gradually exposed，which influenced by collapsible loess, water level rise of surface water and ground water under the specific space and time condition. Metro operation also has influence on the ground fissures movement.

Ground fissures；loess collapsibility；surface water and groundwater level

2016-03-01

张建军(1962-)，男，陕西西安人，工程师，主要从事地质环境监测工作。

P641.13+1

B

1004-1184(2016)04-0100-04