西安地裂缝成因机理及灾害防治措施分析

2018-07-18沈红艳付善春李世成王福龙刘佳易

安阳工学院学报 2018年4期

沈红艳，付善春，李世成，王福龙，刘佳易

（信阳学院a.图书馆；b.土木工程学院，河南信阳464000）

我国是受地裂缝灾害影响最为严重的国家之一，但在地裂缝问题的系统研究方面起步比较晚。谢广林[1]分析了地裂缝分布区域性特点和地壳活动趋势的联系，认为地裂缝是区域性地壳剧烈变动在地表产生的一种缓慢变形，并提出构造成因观；易学发[2]考虑了地面不均匀沉降和深水井水位动态变化与地裂缝活动之间的时间关系，认为西安地裂缝发展的主要原因是超采地下承压水导致的地面下沉；夏其发和张咸恭[3]通过对汾渭地堑地裂缝成因的研究，提出了地裂缝是由构造和地震作用，其后又受人类活动和外力作用共同作用的结果。武强等[4]研究分析了我国地裂缝灾害的分布特征，认为地裂缝具有不可抗拒性、成带性、方向性和周期性的灾害特点，并根据地裂缝的不同成因提出了建筑物加固及减轻地裂缝灾害的措施；李新生[5]等认为西安地裂缝的形成和发展主要受地质构造和人类活动等因素的影响，而近期地裂缝的剧烈活动主要由过度汲取地下承压水引起的地面不均匀沉降引起，并预测西安地裂缝的剧烈活动有减缓或逐渐稳定的趋势。

1 西安地裂缝的基本特征

1.1 西安地裂缝的分布特征

西安城郊区自北向南共发现地裂缝带13条，包括已出露地表的地裂缝和未出露的隐伏地裂缝，其中几条地裂缝周围还伴有次生地裂缝。其分布范围西至唣河，东到纺织城，南起三爻村，北至井上村，面积约155 km2，地裂缝带出露总长度72 km，延伸总长度约114 km。西安地裂缝主要发育在特殊的黄土梁洼地貌范围内，具有成带状发育、准平行等间距、西北向展布和主地裂缝均显示南倾南降的特点。

西安地裂缝具体分布如图1，采用自北向南的编号顺序分别为：大明宫-辛家庙地裂缝带（f1）、红庙坡-八府庄地裂缝带（f2）、劳动公园-铁路材料总厂地裂缝带（f3）、西北大学-西光厂地裂缝带（f4）、黄雁村-和平门地裂缝带（f5）、沙井村-秦川厂地裂缝带（f6）、小寨-铁炉庙地裂缝带（f7）、大雁塔-北池头地裂缝带（f8）、陕西师范大学-陆家寨地裂缝带（f9）、新开门-电视塔南地裂缝带（f10）、新小寨地裂缝带（f11）、东三爻地裂缝带（f12）、曲江池地裂缝带（f13）。

图1 西安市地裂缝分布图

目前，西安城郊区十余条地裂缝在发生时间上虽然有着先后递进次序，在细部构造上呈现出几种不同的破坏形态，但仍存在着许多共同特点[2]（图2）：①地裂缝均发育在特定的构造地貌处，主要位于黄土梁南侧的坡脚下，沿黄土梁和洼地过渡带延伸。②宏观上有统一的延伸方向，总体走向为西北70°～80°，近似平行于临潼-长安断裂，且多由主裂缝和其伴生次裂缝组合而成，带宽从数米到数十米。③地裂缝总体具有连续性，每条地裂缝可达数公里至数十公里的延伸长度；主地裂缝基本上为平行等距排列，每条地裂缝带间距1.2～1.8km。④主、次地裂缝在地表出露形式多样，呈锯齿状、斜列状、雁列状等破裂形态，剖面上多呈锯齿状或阶梯状，裂面粗糙且裂口呈现上宽下窄。

图2 西安地裂缝与地貌构造关系图

1.2 西安地裂缝的成因机理

1）地下水成因说

地下水成因说是西安地裂缝成因最早提出的观点。此观点认为西安地裂缝是由于过量抽取地下水导致大面积地面沉降引起的，在差异沉降剧变带上，由于两侧岩土体变形差大于其极限应变能力而导致了地裂缝的产生。多年来由于西安市近郊区过量抽汲地下水，致使承压水位大幅度下降，导致地层释水压密，引发了大面积地面沉降。由于地裂缝两侧黏性土层厚度差异与土体松动破裂程度不同，使地裂缝两侧释水压密变形沉降程度不同，进而加剧了地裂缝的垂向活动[6]。

2）构造成因说

西安断陷一直处于下沉状态，长安-临潼断裂也进行着南升北降的活动，西安13条地裂缝带均处于下降的北盘，其分布及活动均受长安-临潼断裂控制。对于西安地裂缝的构造成因机制，许多学者先后从不同角度提出了概化模式，基本上一致认为地裂缝是由基底伸展断裂系在横向张拉应力场作用下形成。其中代表性的有张家明[7]的断块掀斜成因，他认为在西北向区域引张应力作用下，以断块掀斜为主要活动形式的西安伸展断裂系活动构成了西安地裂缝形成和发展的本质；王兰生[8]的构造重力扩展成因认为临潼—长安断层的张拉造成侧向卸载临空致使西安地裂缝的形成；水平力偶作用成因的研究者认为，西安地裂缝是由于近西北向反力偶的作用而产生雁行排列的张性破裂。

3）综合成因说

综合成因说认为西安地裂缝的形成是在隐伏断裂构造发育的基础上，加之过量开采地下水为诱因共同作用的结果。但二者的作用又不同，地裂缝是土层中的剪切破碎带在近地表处的延伸扩展，而过量抽取地下水使弱透水层压缩而改变土层中的应力状态，却会造成地裂缝超常活动。

1.3 西安地裂缝的发展趋势

西安地裂缝经过长期的发展，其活动表现出一定的规律性，根据地裂缝的监测资料和学者们对地裂缝的研究[2,9]，有如下发展规律：

1）西安地裂缝的活动速率具有不均匀性

西安市东南郊一带活动速率较高，而西北郊则相对较弱，总体规律为南部大于北部，东部大于西部，同一条地裂缝的活动速率在不同地段也有不同程度的差异，而这种地区差异性是市区地下水超采引起地面不均匀沉降的反映。

2）西安地裂缝的活动具有三维运动的一致性

地裂缝的活动是一缓慢的蠕动过程。总体表现为主地裂缝南侧下降，北侧相对上升，且上升和下降的速度也不同。监测资料表明，西安地裂缝有垂直位移、水平拉张和水平扭动三个方向的活动，其中垂直位移最为剧烈，水平拉张次之，水平扭动最小，三者之比为1:0.31:0.03。

3）地裂缝活动具有周期性

完整的大周期为400～780a，且与地震活动有着较吻合的对应关系；短周期即年周期则与地下承压水位动态基本保持一致，即每年的第三季度活动最强烈，而第一、二季度活动相对较弱。

西安地裂缝是断层位移的一种特殊形式，是断层的蠕动和超采地下承压水引起的地面不均匀沉降运动共同造成的，前者决定了地裂缝的存在位置，而后者反映出它的活动强度及破坏能力。地裂缝和地面沉降二者相互影响、相互制约，但又受到地下水位动态变化的影响，只是在时间上有一定滞后效应。

开采地下水造成地面沉降实质是空隙水压力减小造成的土层压实固结变形，而随着固结变形达到稳定阶段，其变形速率和变形量将减小并趋于停止，据此可以推测当前地裂缝的剧烈活动将会逐步减缓。近年来，有关部门采取了一些措施，缓解了西安承压水位的迅速下降，黑河引水工程的投产和引水力度的加大使南郊地区承压水位停止下降，并可能有小幅回升[10]；随着政府部门治理力度的加大，西安地下水位下降将会得到全面控制，而西安地面沉降及地裂缝活动也会趋于减缓。

2 西安地裂缝的灾害防治措施

2.1 西安地裂缝的灾害特征

地裂缝是西安的主要城市地质灾害，自20世纪60年代以来，西安地裂缝的长期活动造成了建筑物和城市设施不同程度的破坏，给城市建设带来了严重危害[11]。早期建于地裂缝上的建筑物大多变形严重，不得不拆除，据1996年不完全统计，地裂缝活动毁坏楼房168幢，车间57座，民房1 741间，道路90处，错断供水、煤气管道45次，危及名胜古迹8处，直接经济损失1亿多元，造成的间接经济损失及社会影响更大。通过调查，各类建（构）筑物受地裂缝影响和破坏可以归纳为以下几个基本类型[12]：

1）地裂缝带上的建筑物出现开裂及变形，裂缝一般有三种形式，一是垂直张拉裂缝，表现为上宽下窄；二是斜裂缝，多是沉降裂缝，一般是建筑物上部裂口较大，并沿建筑物连接薄弱处通过；三是窗角和外墙水平缝。

2）地裂缝通过地面和路面时，大多呈锯齿张裂破坏，裂缝东南盘下沉，形成北高南低的陡坎。由于地裂缝两边的差异沉降，少数地面和路面明显的呈坡状向南倾斜，在坡度较大的区段局部开裂。而且在有地表水影响的地方，地裂缝活动更加明显；在地面和路面，由于地表水的渗漏使裂缝局部增宽，裂缝两边的差异沉降增大，对地面的影响宽度也相应增加。

3）地裂缝对地下设施破坏也比较严重，混凝土和金属管道往往被拉断，并上下错开；地裂缝两侧错动导致地铁隧道结构开裂，跨地裂缝段的轨道、接触网等设施产生变形；防空洞上拱，洞底部常常裂开，裂缝的东南盘下沉，在上拱处有时可以发现南盘东移现象。

2.2 西安地裂缝的灾害防治

1）减少人类活动的影响

研究表明，西安地裂缝活动量70%-90%是由抽取承压水引起的，所以只要控制承压水开采，就能控制地面沉降和地裂缝强烈活动。西安市1990年8月起引入黑河水作为城市供水水源后，部分地段承压水开采量减少，该地段内地裂缝活动有所减弱，待黑河引水工程全部完工，西安城市供水供需平衡后，应进一步减少直至停止开采承压水，使承压水位停止下降或回复，使地裂缝灾害大为减缓。

2）采取合理的避让措施

由于地裂缝活动对建筑物破坏的难以抵御性，地裂缝灾害防治主要以避让为主，其关键是合理避让距离的确定。根据地裂缝两侧短水准剖面监测资料分析以及其他地裂缝勘测研究成果确定的避让原则，经陕西省城乡建设环保厅批准已列入陕西省标准《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》（DBJ61-6-2006）中。

该规程适用于临潼—长安断裂带西北侧（上盘）西安地裂缝场地的城市规划、铁路、公路、市政建设和工业与民用建筑的建设。规程规定地裂缝最小避让距离（见图3）应符合表1，在地裂缝影响区内的建筑，应增加其结构的整体刚度和强度，体型应简单，体型复杂时，应设置沉降缝将建筑物分为几个体型简单的独立单元，单元长高比不应大于2.5。规程还规定，在地裂缝经过的场地进行建设时，要进行详细的地裂缝场地勘察，确定主、次裂缝准确位置，确定合适的避让距离和选择必要的建筑结构。

图3 建筑物避让距离

表1 地裂缝场地建筑物最小避让距离(m)

3）加强地裂区的工程地质勘查工作

通过对地裂缝的长期监测，设置各种监测点，密切注视地裂缝的发展动向。通过观测资料的长期积累，了解地裂缝活动的时空特点，以进一步分析其成因，并对西安地裂缝今后的活动状况进行预测，为城市地裂缝灾害的防灾减灾提供可靠的依据。

4）其他方法

对已有裂缝进行回填、夯实等，并改善地裂区土体的性质；改进地裂区建筑物的基础形式，提高建筑物的抗裂性能；对地裂区已有建筑物进行加固处理。

2.3 地裂缝场地未来沉降曲线

沙井村-秦川厂地裂缝带（f6）沿西安交通大学黄土梁南侧发育，呈北东80°展布。西起沙井村，经西斜七路过街天桥、南二环立交桥、西安建筑科技大学北院、西安铁路分局和秦川厂，东到纺织城国棉四厂北。沙井村至秦川厂段，出露总长度11.38 km，地裂缝连贯性好，走向变化较大，局部走向北东45°至南东65°，主地裂缝南倾，倾角75°～80°，其西段次级地裂缝在含光路至西斜七路过街天桥段为北倾。发育带宽度35～70m，活动强烈，致灾严重。

由于考虑地裂缝对上部结构安全性能影响研究较少，从建筑工程的安全角度考虑，主要采取避让措施。周洋洋[13]根据已有1989年第三季度至1990年第四季度西安f6地裂缝的沉降监测资料，以灰色系统理论为工具，建立GM（1,1）灰色模型对未来50年内地裂缝沉降量进行预测，得到f6地裂缝未来50年内沉降趋势，并拟合出f6地裂缝沉降模型，如图4和表2所示，根据沉降模型曲线能够更加深入的研究地裂缝影响区内建筑结构的安全性能[14]。