河北隆尧地裂缝灾害及其安全避让距离分析

吴玉涛，杨为民，周俊杰，于鸿坤，李晓乐，张田田,6,万飞鹏,6

(1.广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；3.中国矿业大学，北京 100083；4.中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053； 5.北京城建集团有限责任公司，北京 100088；6.中国地质大学(北京)，北京 100083)

0 引言

华北平原地裂缝最早于20世纪60年代初在邯郸地区出现[1]，经邢台和唐山地震群后，地裂缝数量有所增加，尤其到80年代后期，经济快速发展，地下水超采严重，地裂缝数量急剧增加。到2019年，华北平原已成为继汾渭盆地后又一地裂缝高发区[2]。由于地裂缝灾害的不可抗拒性，尤其是构造地裂缝，目前对地裂缝灾害最有效的防治措施是以避让为主，因此，厘定地裂缝安全避让距离，使新建建筑处于安全稳定状态和土地资源利用最大化，一直是地裂缝灾害研究的重点[3-4]。

隆尧地裂缝是华北平原地区规模最大、活动性最强的一条地裂缝。该地裂缝于20世纪60年代初露地表，在农田中呈零星状展布，90年代初地裂缝加速变形。地裂缝所过之处，房屋损坏、墙体开裂、道路变形、管道切错和农田漏水等，给当地带来严重的经济财产损失，如何对隆尧地裂缝进行防治是迫需解决的问题。

本文在详细调查隆尧地裂缝地表建筑损坏特征及程度的基础上，依据探槽、地形变测量、地裂缝上下盘变形监测和地表沉降调查，对地裂缝区建筑损毁程度和等级进行划分，尝试使用“损毁度”的概念量化地裂缝破坏等级与安全避让距离之间的相关联系，拟合损毁度与地裂缝避让距离曲线，结合地表变形和潜在威胁区分析，最终厘定隆尧地裂缝安全避让距离。

1 隆尧地裂缝形成的地质背景

隆尧县位于太行山隆起南麓东侧，北接宁晋凸起，东临新河凸起，南为临清凹陷，是华北地块核心部位。从板块运动来看，受印度板块向欧亚板块俯冲影响，自白垩纪以来，太行山以垂直升降为主，受太平洋板块向西俯冲于欧亚板块作用，上地幔软流层物质向上融入并挤入地壳，地壳厚度变薄，沿北西-南东向形成张拉应力场，压应力主轴为北东-南西向。自日本9.0级大地震以后，据东北和华北地应力监测资料分析，华北平原最大压应力主轴显示为近东西向[5]。板块构造运动为华北平原地裂缝产生提供动力来源。

从活动断裂来看，隆尧地区活动断裂发育，主要发育北东和近东西向断裂，平面上呈“叉”型(图1)，隆尧县位于石家庄-保定断裂、晋县断裂、新河断裂、邢台断裂与隆尧断裂的交汇处[6]，近东西向隆尧断裂切割北东向断裂或北东向断裂发育受近东西向断裂限制，而隆尧地裂缝正是发育在近东西向隆尧断裂与北东向元氏断裂、新河断裂的交汇处，断裂构造背景十分复杂，各断裂特征见表1。同时受活动断裂影响，隆尧县附近地震频发，地裂缝开裂期间，近20年内就发生5级以上地震32次，复杂的断裂背景与频繁的地震活动为隆尧地裂缝形成提供孕裂背景。

图1 隆尧地裂缝区域构造图Fig.1 Regional tectonic map of Longyao ground fissure F1-石家庄-保定断裂；F2-晋县断裂；F3-新河断裂； F4-隆尧断裂；F5-邢台断裂；F6-鸡泽断裂；F7-广宗断裂

从地层结构来看，隆尧地区属太行山山前冲洪积平原，第四系厚度从西向东逐渐增加，岩性以粉细砂或黏土质砂与黏土互层，含水层与隔水层相间分布。以东店马村为界，西侧为黏土和砂质黏土层，东侧为粉细砂层。邢台地震期间，该地区首先发现地裂缝及大量沙土液化现象。巨厚的松散沉积物为构造应力的释放提供良好的物理场，同时，第四系土层结构差异是隆尧地裂缝地表形态特征和发育程度不同的物质基础。

2 隆尧地裂缝发育特征

20世纪60年代，隆尧地裂缝初露地表，主要沿莲子镇-毛尔寨村呈零星状分布。到80年代，地裂缝开始向西发展。到2019年，隆尧地裂缝全长约30 km，西起北寺庄西北，向东经周张庄、南小河、虎中村，走向近EW，在东店马村东侧地裂缝发生偏转，走向NE，一直延伸至毛尔寨村附近。

表1 地裂缝场区建筑损毁等级划分

依据地表陡坎是否发育，将隆尧地裂缝分为东西两段：西段西起北寺庄西北1 km，向东经周张庄、南小河、虎中、西店子、东店马村，走向近EW、局部弯曲偏转、斜列，走向由EW转变为NE向，全长约14.5 km。该段地裂缝线性特征明显，地裂缝陡坎高0.5～1.2 m，人工整平后呈缓坡状，地裂缝发育不受地貌、地物限制，方向性强，连续性好，延伸远，陡坎微向南倾，倾角约80°，南盘下降，北盘相对抬升(图2)。

图2 隆尧地裂缝平面图Fig.2 Plane map of Longyao ground fissure

东段为东店马村至毛尔寨村，走向稳定，NE向，全长约15.5 km，该段地裂缝未见明显地表陡坎发育，但存在严重的农田漏水现象，当遇强降雨或灌溉时，地表常见串珠状或条带状塌陷坑。

第四系土层结构是引起隆尧地裂缝平面特征差异的主要原因，西段地层岩性以黏土、粉砂质黏土为主，黏性土具较高的凝聚力，结构性强，受断裂应力发生剪切变形，在地表形成陡坎；东段地层岩性为粉细砂，粉砂，砂层土结构松散，稳定性差，受断裂构造应力发生结构失稳，形成塌陷坑、落水洞等。

3 隆尧地裂缝灾害及地表变形特征

3.1 地裂缝区地表建筑破坏类型

水平拉裂是指地表建筑在地裂缝的影响范围内发生不同程度的开裂，裂口基本上宽下窄，主要呈楔形、斜列形、折线形及倒八字形(图3a～d)。

图3 隆尧地裂缝地表建筑破坏类型Fig.3 Damage types of ground fissures surface buildings in Longyao

垂直位错是由于地裂缝上下盘相对运动致使地基基础产生错动，使上部建筑产生垂向位移差。地表垂直位错致使窗户产生错列变形(图3e)，墙体发生明显垂直位移(图3f)，地表建筑开裂直接与地裂缝相连。

横向剪切常伴随着结构的不均匀沉降，地裂缝本身的扭转分量较小。但当地裂缝与地表建筑斜较，特别是交角较小时，在地表表现的扭转变形现象十分明显。当横向剪切与垂直差异沉降同时作用时，地表建筑往往产生扭转变形和斜列开裂(图3g～h)。

隆尧地裂缝场地建筑破坏不只是以一种形式存在，常是两种或多种以上破坏类型同时作用，即某一建筑物既存在开裂和垂直位错，也存在横向剪切。

3.2 地裂缝区地表建筑损毁等级及损毁度划分

隆尧地裂缝地表建筑损毁受距地裂缝带距离和上部建筑结构、强度等影响，距地裂缝带越近，损毁越严重，反之影响越小；同时，地表建筑的结构、强度及完整性不同，损毁程度也有差异，有圈梁的基础比砖混结构的建筑抗变形破坏能力强。现场调查发现，隆尧地裂缝穿过的村庄建筑结构基本一致，以砖混结构为主，损毁程度由地裂缝带向两侧降低。通过对周张庄、南小河、虎中、西店子等村房屋、墙体损毁程度以及与距地裂缝不同距离建筑物的损毁程度调查对比分析，将地裂缝区建筑物损毁程度划分为5个等级：完全损毁区、重度损毁区、一般损毁区、微影响区和安全区。为探究地表建筑损毁程度与距地裂缝距离之间的相关性，故提出“损毁度”的概念，即：地表建筑损毁类型一致，损坏程度相同，其损毁度值相同。隆尧地裂缝区损毁度划分与损毁等级相对应：1、3、5、7、9，损毁度值越大，地表建筑损毁程度越严重(表1)。

到2019年，隆尧地裂缝上盘影响范围约50 m，下盘约30 m。距离主裂缝越近，地表建筑损毁越为严重，损毁度越高；反之，建筑损毁程度越轻，损毁度越小。除此之外，地裂缝对上盘建筑的损毁程度及影响范围大于下盘(图4)。

图4 隆尧地裂缝上下盘地表建筑破坏程度Fig.4 Damage degree of surface buildings on upper and lower wall of Longyao ground fissures

4 隆尧地裂缝安全避让距离分析

地裂缝成因对其防治措施选择起决定性作用，超采地下水型地裂缝一般可以通过禁采地下水或地下水回灌等措施限制或消除地裂缝发展[7-8]。但隆尧地裂缝是断层蠕滑型地裂缝，其形成发育与隐伏断层蠕滑运动密切相关[9-12]，据历史监测资料和现场调查分析，隆尧地裂缝活动性较强，并具有进一步加强的趋势[13]。因此，对于构造型地裂缝的防治措施以避让为主，厘定地裂缝场区安全避让距离至关重要。

4.1 地裂缝区地表变形监测分析

为实现动态监测隆尧地裂缝变形发展趋势，分别在周张庄、南小河、西店子和东店马村布置4条GPS监测线，上下盘各5个监测点，长400 m，监测间距由地裂缝向两侧变大。收集了一年内时间间隔为0 d、68 d、85 d和128 d的4次监测数据，记录了地裂缝上下盘水平和垂直位移量。

GPS监测结果显示监测点发生水平位移，并具方向性(图5)。各监测点均产生北西方向位移分量，其中上盘最大水平位移量为45 mm，下盘最大水平位移量为22 mm，且上盘多数监测点位移量大于下盘，下盘水平位移较小或基本不发生位移，局部水平位移可能由于超采地下水所致。上盘大量监测点位移是由于蠕滑断层具左旋性质，上盘为主动盘。

图5 隆尧地裂缝GPS监测桩位移方向及位移量Fig.5 Direction and displacement of GPS monitoring piles in Longyan ground fissures

同时，GPS监测数据记录了地裂缝上下盘垂直位移变化(图6)，监测天数越多，垂直位移量越大，其中最大垂直变形量位于南小河村N1监测点，垂向位移量为37.6 mm。主裂缝两侧变形最为明显，且上盘大于下盘，但随着距地裂缝的距离增加，相对变形量逐渐减小，地表相对变形较小，地表相对平缓。上盘基本在N3(距主裂缝约30 m)监测点后地表相对变形量为零，下盘在N7(距主裂缝约15 m)监测点后地表相对变形量为零。

4.2 隐伏裂隙潜在威胁区分析

隆尧地裂缝上下盘均发育大量的分支或次级裂缝，与主裂缝相交或平行，倾角70°～80°，向上倾角变大，近直立状，与主裂缝夹角约30°，埋深一般在4～12 m，基本未在地表出露，但受隐伏断裂或人类活动影响(超采地下水)，隐伏裂缝有向上发育到地表的趋势，从剖面上几何计算可知，当伴生裂缝扩展到地表时，与主裂缝距离小于8 m，仍在上述计算的安全避让距离之内，但随着距主裂缝距离增加，损毁等级影响范围逐渐扩大，完全损毁区将横向扩展3～10 m，同样，其他损毁区影响范围均扩大相应范围。除此之外，隆尧断裂上盘发育伴生断层，与隆尧断裂反倾，倾角约75°，夹角约30°，地震解译显示上断点埋深约100 m[14-15]，若伴生断裂受主断裂影响发生蠕滑作用向上扩展，地裂缝影响范围将会进一步扩大(图7)，计算影响范围约30 m。所以，查明隆尧断裂及其伴生断层活动性和活动速率对确定隆尧地裂缝及其伴生裂缝的活动扩展速率具重要意义。

图6 隆尧地裂缝垂直位移量剖面Fig.6 Vertical displacement profile of Longyao ground fissures

图7 隆尧地裂缝伴生裂隙扩展模式Fig.7 Associated fracture expansion mode of Longyao ground fissures

依据隆尧地裂缝地表形变和隐伏裂隙威胁区分析，对表1建筑损毁等级距地裂缝距离进行修正，最终确定隆尧地裂缝上下盘安全避让距离，上盘避让距离为60 m，下盘避让距离为40 m(表2)。

表2 隆尧地裂缝安全避让距离

拟合损毁度和地裂缝安全避让距离曲线，地裂缝上盘拟合曲线为：y=0.63x2-15.6x+103.38，拟合度相关系数达0.997，下盘拟合曲线为：y=0.75x2-15.2x+78.45，拟合度相关系数达0.996，拟合效果较好，其中x为损毁度，y为避让距离(图8)。根据地表建筑破坏特征，确定等级及其对应的损毁度，依据损毁度和安全距离避让曲线确定地裂缝区建筑避让距离。

图8 隆尧地裂缝区损毁度与避让距离拟合曲线Fig.8 Fitting curve of damage degree and avoidance distance in Longyao ground fissures area

5 结论

(1)隆尧地裂缝长约30 km，平面上分为东西两段，西段为北寺庄-东店马村，走向近东西，地表发育高0.5～1.2 m的连续性陡坎，东段为东店马-毛尔寨村，走向北东，地表偶见塌陷坑或长条状开裂，地裂缝西段灾害较东段严重。

(2)隆尧地裂缝区地表建筑变形破坏分为3种类型：水平拉张、垂直位错和横向剪切。根据地表建筑损毁程度，划分5个损毁等级：完全损毁区、重度损毁区、一般损毁区、微影响区和安全区，统计各损毁区范围，提出了“损毁度”概念，量化损毁区范围。

(3)对比分析隆尧地裂缝区地表变形相对影响范围和潜在隐伏裂隙威胁区，基于安全系统理论，将隆尧地裂缝上下盘损毁等级影响范围扩大3～10 m，最终确定各损毁等级下的安全避让距离，根据最大安全理论，地裂缝上盘安全避让距离为60 m，下盘安全避让距离为40 m。拟合安全避让距离曲线，为全区地裂缝安全设防提供指导建议。