黄土湿陷性对西白地裂缝的影响

曹 兴,田雷瑜,卢全中,2,杨亚磊,乔建伟

(1.长安大学地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054; 2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西 西安 710054)

地裂缝的产生是由于在各种构造应力的作用下,地表发生破裂变形,当积累的构造应力超过了地层内部的作用力时,地表就会发生变形破坏,从而产生地裂缝[1]。地裂缝在世界各地广泛分布,会使建筑物开裂,道路和桥梁发生破坏,水库发生漏水等,给人们的生产生活造成严重的影响和经济损失。因此地裂缝也逐渐成为广大学者广泛关注的地质灾害问题。

对于地裂缝是如何产生的,目前主要有3种成因观点,第1种是构造成因观点,美国的Leonard[2]在1929年分析了亚利桑那州的地裂缝最早提出了构造成因观点,他认为该处的地裂缝是由地震作用造成的。文献[3]中也认为地裂缝是由于构造作用产生的,但是他们认为构造作用是起主导作用的,还有一些其他因素也会产生影响。第2种是抽取地下水成因观点,徐光黎等[4]在研究地面沉降时发现地下水中承压水对地面沉降有重要的影响,当承压水被过量抽取时,地面就会发生不均匀沉降,从而在地表就会形成地裂缝。第3种是构造与地下水开采复合成因观点,Holzer[5]对亚利桑那州的地裂缝重新进行了深入的研究,认为引起地裂缝的产生不只有构造作用的因素,还与该处开采地下水的因素有关。

除此之外,一些学者在研究中发现黄土的湿陷性也会造成地裂缝的产生。谢子强[6]在对晋西南峨眉地台的地裂缝的研究中发现,该处地裂缝的产生是由于黄土的湿陷性使黄土发生不均匀沉降在地表产生裂隙,雨水通过裂隙进入土体内,使该处的古裂缝重新发生活动引起的。2004年以来,王启耀等[7]、邓亚虹等[8]、彭建兵等[9]对汾渭盆地的地裂缝进行了详细的调查和研究,并进行了一系列的物理模型试验,已经基本查明了汾渭盆地地区地裂缝的分布规律,认为其成因机理是在断层张拉应力和水共同作用下产生的。蒋臻蔚[10]、文艳[11]在研究水对地裂缝的影响时发现黄土的湿陷性也会导致地裂缝的产生,并首次提出了悬臂和差异沉降2种成因模式。研究以位于渭河盆地的西白村地裂缝为例,探讨黄土的湿陷性对西白地裂缝的影响。

1 地质背景

1.1 区域地质背景

西白村位于关中盆地渭南地区的澄城县,属暖温带半湿润、半干旱季风气候,年平均气温14.8 ℃,年均降水量516 mm,无霜期218 d。在渭河和洛河的交汇处,该区域位于关中平原的东部,海拔为366～607 m,总体地势为东高西低,从东到西依次降低。区域内的水系主要有洛河和灌溉用渠,水系比较发达。依据基底构造和结构形态特征可将该区域地貌分为黄土台塬和河流冲积平原,如图1所示。

1.2 场地地质特征

西白村所处的地貌单元为黄土台塬,海拔500多米,其地势较为平坦,地形起伏也不大。为了查明其地层,在西白村附近打了一个深约105 m的水文钻,钻孔揭露该处的地层如图2所示。

图1 西白村地貌图Fig.1 The landform map of Xibai village

图2 钻孔柱状图Fig.2 Drilling histogram

根据现场调查,该地区主要有污水渠和用于浇地的水渠,再依据水文地质钻探资料地层中分为一个四系中更新统砂层孔隙承压含水层;埋藏深度为97.2～117.3 m,含水层层厚3.7 m。分布在第四系中更新统的下部,含水段的地层主要为细砂夹层,褐黄色、密实饱和、粉细粒结构、砂质纯净、级配不良,其中的矿物成分主要以石英和长石为主,暗色矿物次之。

2 西白地裂缝的基本特征

2.1 西白地裂缝的平面特征

西白地裂缝位于澄城县西白村南侧的铁路旁,根据地质调查的结果判断其位于黄土台塬上。2007年该处首次出现地裂缝,由于对农田灌溉产生了较大影响,当地农民进行了填埋处理。此后不久地裂缝重新出现。直到在2017年进行野外地质调查时,该地裂缝已经发展成分别位于铁路两侧的f1地裂缝和f2地裂缝,f1地裂缝和f2地裂缝的长度大致相等,走向近似平行。

f1地裂缝位于铁路的北侧,走向约为48°,延伸的方向近似平行于水渠,延伸的距离约为750 m,根据现场调查,f1地裂缝的宽度为0.6～0.9 m,深度最浅的位置约有0.5 m,最深的位置可达1.5 m。在进行地质调查时,据当地村民回忆,从2007年发现第1条地裂缝开始,地裂缝引起的沉降区域就从南向北逐渐发展,沉降区域的最大沉降量可达1 m,但是由于影响当地的村民浇地,他们对其进行了填埋处理,所以在进行野外地质调查时只能在地裂缝的形成处看见约15 cm的陡坎。在现场发现地裂缝距离水渠的距离在30 m左右,最大距离可达60 m; f1地裂缝在地表的表现形式主要以地裂沟、陷坑和陡坎为主,分析地裂缝的形成主要是受到水平张拉引起的。

f2地裂缝位于铁路的南侧,走向约28°,延伸的方向也近似平行于水渠,延伸的距离约为700 m,平地裂缝的宽度约0.2 m,距离铁路的水平距离约为25 m。地裂缝在地表主要以裂沟和陷坑出现,分析其成因可能是地表土体受到水平拉张应力引起的。

2.2 西白地裂缝的剖面结构特征

为了研究该处的地裂缝的产生是否是由于地下的断裂引起的,依据现场的地质条件在铁路南侧的地裂缝附近布置了4个静力触探孔,静力触探结果显示在地下20 m深度的范围内,4个静力触探孔曲线的走向基本一致,说明该处的地层没有断裂也没有大的错断。

为了探明西白地裂缝在地下的破裂扩展情况,对铁路南侧的地裂缝进行开挖,开挖的探槽尺寸为长30 m,宽8 m,深10 m,走向约为6°。从开挖的探槽可以看出,该地裂缝带只有1条主裂缝,该地裂缝的上部较宽,向下逐渐变窄,顶部最宽可达0.5 m,向下逐渐变成1～2 cm宽的细缝,该地裂缝向下延伸约2.5 m,从所挖探槽的剖面可以看到裂缝近直立垂直向下发展,变成细缝又向下延伸7.0 m,并穿透了第1层古土壤又向下延伸了0.5 m。从探槽中还可以看出,主裂缝两侧无次级裂缝发育,裂缝带地层在3～8 m的范围内含水量明显高于探槽的顶部和底部古土壤位置的含水量。在探槽中还可以看出在地裂缝破裂内地层没有明显的错位,如图3所示。

图3 探槽剖面图Fig.3 Cross-section of earth fissure revealed by trench

3 黄土湿陷性对地裂缝的影响

为了详细研究黄土的湿陷性对西白地裂缝的影响,又在远离水渠和靠近水渠开挖了2个深约10 m的探井,依次在距裂缝带南5 m、裂缝带、距裂缝带北5 m、靠近水渠和远离水渠的5个位置进行取样,每挖1 m取1个土样,对取回来的土样进行黄土湿陷试验。

3.1 黄土的湿陷性

黄土的湿陷性是指在上覆土层作用力或者在自重和附加应力共同作用下因浸水后土的结构发生破坏而发生显著变形的现象。湿陷系数是衡量黄土湿陷性的重要指标。

按照规范黄土的湿陷系数依照下述方法进行测定:

(1) 按照所取土样的深度分级加荷至试样的预定压力进行读数,土层深度在10 m 以内,压力分层加载到200 kPa进行读数,然后将试样浸水饱和,再进行读数。

(2) 湿陷系数δzs值计算式为

其中:hz为加至200 kPa时,试样变形稳定后的高度(mm);hz′为在200 kPa时,试样浸水湿陷变形稳定后的高度(mm);h为试样的初始高度(mm)。

对在探槽和探井中所取得的49个土样进行了黄土湿陷实验,得出的湿陷系数如图4所示。

图4 湿陷系数随深度变化曲线Fig.4 Collapsibility coefficient with depth curve

根据规范可知<0.015的土为非湿陷性黄土,从图4可以看出,水渠旁和裂缝带北土层的湿陷系数全部<0.015,说明地裂缝北的土体已完全丧失湿陷性,也就是说该侧已经完全发生了湿陷;裂缝带和裂缝带南3～6 m深的土未完全湿陷;远离水渠的2～8 m的土层也未完全沉降,从图4中还可以看出,古土壤以下的地层是不具有湿陷性的。

3.2 地裂缝两侧的黄土湿陷量

根据规范可知当土体的自重湿陷量>70 mm时,该部分场地即为自重湿陷场地。依据规范自重湿陷量计算式为

其中：δzsi代表第i层的自重湿陷系数；hi代表第i层的厚度,β可取 0.9。

通过上述的计算得出该场地的自重湿陷量为158.67 mm,远大于规范中所规定的70 mm,所以判断该场地为自重湿陷场地,该场地的黄土会发生黄土湿陷作用。

地裂缝两侧黄土的湿陷量的计算式为

其中:δsi代表第i层所计算的湿陷系数;hi代表第i层的厚度,在 0～5 m 深度范围内,β=1.5,在 5～10 m 深度范围内,β=1。

通过上式计算得出该场地的湿陷量为365.28 mm(见表1)。

表1 各位置湿陷量

根据规范和表1的计算结果可以判断出该场地为中等自重湿陷场地，表1还显示，距离水渠的位置越远,黄土的湿陷量越大,在距离水渠较近位置的地裂缝带附近黄土的已湿陷量较大,而远离水渠的位置由于没有受到水渠的影响,几乎没有发生湿陷。通过以上分析说明水体对黄土湿陷性的影响较大,会明显造成地面的不均匀沉降,从而形成地裂缝。

3.3 地裂缝的成因过程

通过上述分析和计算,西白地裂缝主要是由于污水的渗漏和黄土的湿陷性所导致的,因此,西白地裂缝的形成可以分为3个阶段,如图5所示。

图5 地裂缝演化过程图Fig.5 Process map of ground fission evolution

第1阶段:地裂缝的北侧由于污水坑的存在,北侧的土体会发生侧向渗漏。由于马兰黄土的结构具有大的孔隙和垂直节理比较发育,使得污水坑中的土体在发生渗透时,竖直方向的渗透速度远大于水平方向的渗透速度,但是地下深度8 m的位置处有古土壤的存在,古土壤由于结构比较紧密,渗透性较差,阻断了水继续向下渗透,这时水体就会缓慢地向侧面进行渗透。

第2阶段:开始时随着水体的不断渗透,浸润线逐渐向土体内部延伸,浸润线逐渐发展成为折线型。由于该场地的黄土具有湿陷性,所以浸润线内的黄土会产生湿陷变形,土体就会产生不均匀沉降,而在浸润线最陡处差异沉降更加明显,在地表就会产生张拉裂缝。

第3阶段:随着时间的推移,地裂缝不断发展变宽,裂缝处也逐渐被充填,随着水体不断侧向渗漏,浸润线被不断抬升,浸润线内的土体的湿陷量也进一步加大,该部分土体会继续发生不均匀沉降,进而在裂缝处最终形成陡坎。

4 结论

研究通过对西白地裂缝进行详细的野外调查和开挖探槽等工作,查明了西白地裂缝的平面分布特征和剖面结构特征。然后通过室内的黄土湿陷实验,计算了黄土的湿陷系数和湿陷量等参数,并分析了黄土的湿陷性对西白地裂缝的影响,主要结论有:

(1) 西白地裂缝具有比较大的规模,由2条地裂缝组成,分别位于铁路的南北两侧,长700多米。

(2) 该裂缝带主要由1条地裂缝构成,地裂缝上宽下窄,裂缝内部填充素填土和粉土。裂缝近直立向下延伸,延伸约9.5 m。

(3) 根据所计算出的黄土湿陷系数可以看出2～8 m深度内的黄土出现湿陷性,古土壤具有隔断作用,下部土体不会发生湿陷。

(4) 根据地裂缝两侧黄土湿陷量的计算可以得出,西白地裂缝主要是由于污水的侧向渗漏和黄土的湿陷性共同导致的。

(5) 研究结果为由黄土湿陷性所造成的地裂缝提供了有效的技术指导和防治对策。