地裂缝分类及地面沉降区构造地裂缝防治对策

卢全中，李 聪，刘 聪，占洁伟

(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； 3. 自然资源部陕西西安地裂缝与地面沉降野外科学观测研究站，陕西 西安 710054)

0 引 言

地裂缝灾害在世界上许多国家均有出现[1-9]，在中国的汾渭盆地、华北平原和苏锡常地区尤为严重[10-19]。其中，西安地裂缝是世界上最著名的城市地质灾害。自20世纪50年代以来，西安城区发现的地裂缝已达14条之多，延伸长度超过200 km，给城市建设带来了巨大的经济损失[20-23]，已成为一种独特的城市地质灾害。

地裂缝类型多样，以往主要从内营力、外营力和人类活动等因素对其进行了成因分类[16-19,24]。在这些地裂缝类型中，有的特征典型，独成体系，需要专门研究；有的是其他灾害伴随的地质现象，无需开展针对性和专项研究。为反映地裂缝的典型特征和成因类型，统一认识和规范技术要求，促进防灾减灾，本课题组正在编写中国地质灾害防治工程行业协会团队标准《地裂缝防治工程勘查规范》，提出地裂缝的分类体系、勘查技术标准和评价方法。构造地裂缝是地裂缝的主要类型和主要研究对象，常造成严重灾害，也是防治的重点[25-33]。

目前针对构造地裂缝的防治，以避让为主，由此带来了大量土地资源的浪费；对于避让不了、必须通过地裂缝的工程(如地铁、高铁、高速公路和地下管道等)，采取特殊的结构措施或地基处理及施工方案进行处理，常造成工程费用高昂[33-39]。本文在对地裂缝进行综合分类的基础上，分析地裂缝活动的根本原因和地面沉降区构造地裂缝发生超常活动的本质原因，并由此提出地面沉降区构造地裂缝的防治对策。通过发展构造地裂缝的防控技术，使一些重大工程能够安全、合理、经济地跨越或穿越地裂缝，从而具有积极的工程和现实意义。

1 地裂缝分类

地裂缝是浅部岩土体在自然或人为因素作用下产生开裂或错动，并在地表形成具有一定长度和宽度的裂缝或变形带的宏观地质现象。地裂缝有的直接出露地表，表现为水平拉张、垂直位错，少数也有水平走滑；也有的尚未出露地表，隐伏于地下，称之为隐伏地裂缝。

不同类型的地裂缝，其形成的地质条件和影响因素是不同的，对其进行活动性评价和防治的方法也不同。在总结以前地裂缝分类的基础上，结合近些年地裂缝的一些调查进展和研究成果，将地裂缝的成因类型分为构造地裂缝和非构造地裂缝两大类，并根据其主导因素及具体的动力类型，进一步细分为16个类别(表1)。不可完全治理或治理难度极大的构造地裂缝和深层地下流体开采诱发的地面沉降型地裂缝，是地裂缝研究的重点。为便于统一名称和认识，一些特殊土(湿陷性黄土、膨胀土、冻土、盐渍土等)在状态或性质发生变化时出现的地裂缝也进行了分类。滑坡、崩塌、地面塌陷等地质灾害伴生的裂缝已有专门的勘查评价和治理设计规范以及较成熟的防治措施，建议都归到对应的地质灾害类型中，在此没有提及。

表1 地裂缝类型及主导因素

另外，有些地裂缝的形成是多种因素共同作用的结果，在确定其类型时，要区分主导因素和诱发因素，突出深层次原因及防治难度。例如，西安地裂缝在历史时期曾多次出现，并不是地下水超采的产物，现今的地下水开采和地面沉降只是诱发因素，加剧了其活动程度，缩短了活动周期，其控制或主导因素还是下面存在隐伏断裂，因此，其类型也只能定为构造地裂缝，或者现阶段存在地面沉降，可以定为地面沉降型构造地裂缝。同样地，在陕西三原地区发生的双槐树地裂缝，在一次暴雨后突然出现，后经调查和勘探，也确定为构造地裂缝，暴雨只是一个诱发因素[40]。

地裂缝属于一种结构面，对土体力学性质和水文地质条件改变等产生较大影响。因此，有必要根据发育规模(累计延伸长度，L)、力学性质、开启程度(D)及主次关系等因素对地裂缝进一步分类(表2)，便于描述地裂缝的特征和统一标准。

表2 地裂缝其他因素分类及特征

地裂缝的规模分类参考了《地质灾害分类分级标准(试行)》(T/CAGHP 001—2018)[24]，并进行了修改。该标准的规模分类方案中包括“累计长度L”和“影响范围S”两个指标，如巨型地裂缝L≥10 000 m或S≥10 km2，大型地裂缝1 000 m ≤L<10 000 m或5 km2≤S<10 km2。根据已有地裂缝调查、监测和勘探经验，地裂缝的影响宽度一般小于100 m。《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ 61-6—2006)[32]中规定西安地裂缝上盘影响区范围为20 m，下盘影响区范围为12 m。北京北七家—高丽营地裂缝上盘影响区范围为30 m，下盘影响区范围为10 m[41]。按不同分类指标对同一分类结果遵循总体一致性的原则，地裂缝影响宽度以最大100 m考虑。巨型地裂缝L≥10 000 m时，S≥1 km2；大型地裂缝1 000 m≤L<10 000 m时，0.1 km2≤S<1 km2。不同长度区间的实际地裂缝影响范围分界值与《地质灾害分类分级标准(试行)》(T/CAGHP 001—2018)[24]中对应的影响范围相差较明显，因此，本文的地裂缝规模分类没有采用“影响范围”这个指标。

图1 陕西三原地区Qp2黄土中的闭合地裂缝 Fig.1 Closed Ground Fissure of Qp2 Loess in Sanyuan Area of Shaanxi

图2 陕西泾阳地区地表张开的地裂缝Fig.2 Open Ground Fissures on Surface in Jingyang Area of Shaanxi

地裂缝的开启程度分类主要考虑了地裂缝的开启或闭合程度、导水或隔水性质以及裂隙两侧土体在受力后的相互影响程度，将其分为闭合、裂开、张开、宽、较宽和极宽地裂缝。对于闭合地裂缝，水在裂隙中渗透的速度与在两侧土体中接近，土体可视为连续介质；一般发育在深度较大、形成时代较早的地层(如Qp2和Qp1)中，具有剪切性质(图1)；多数成为隔水界面，导致在地裂缝两侧水位不一致。对于裂开地裂缝，水可在裂缝中渗漏，土体视为不连续介质，但在压力作用下两侧土体可相互影响；一般发育在深度不大、形成时代较晚的地层中。张开地裂缝将两侧土体分成互不影响的两部分，水在裂缝中可自由流动和侵蚀土体，对土体的性质起着决定性的作用；一般发育在地表的土层中，主要表现为张性地裂缝(图2)；根据开启程度，进一步划分为张开、宽、较宽和极宽地裂缝。地裂缝的开启或闭合程度反映了垂直于地裂缝面的受力情况。当地裂缝面的垂直应力较大时，地裂缝主要呈闭合状态；当地裂缝面的垂直应力较小时，地裂缝可能变为裂开或张开状态。同一地裂缝在不同深度或不同位置可以受力不同，因此，可能呈现不同的张开状态。

地裂缝的力学性质和主次关系分类参考了节理和断裂的分类方法。

2 构造地裂缝发育特征

构造地裂缝防治难度大，是地裂缝的主要类型和研究重点，有必要以此为主要研究对象，总结其发育特征，探索其防治对策。西安地裂缝属于典型的构造地裂缝，在伴有地面沉降时活动强烈。在此以西安地裂缝为例，介绍构造地裂缝的总体特征、工程地质特征、水文地质特征和活动特征。

2.1 总体特征

构造地裂缝是受下伏构造控制，并造成地表开裂或变形的地裂缝。构造地裂缝受下伏构造控制，包括断层、构造节理等，其分布位置及走向都与构造线一致，具有一定的延伸长度，总体走向稳定，线性特征明显。构造地裂缝的活动也受下伏构造的活动性控制，如断层的蠕滑和速滑(或地震)都可导致地裂缝的产生。断层蠕滑地裂缝的活动速率一般最大每年只有数毫米，地震地裂缝则可以一次产生数厘米至数米的位移量。构造地裂缝的活动同时受人类活动的影响，特别是在第四系沉降物较厚的盆地和平原地区，并伴随有大量的地下水开采和较严重的地面沉降时，地裂缝会呈现出超常活动的特点，活动速率可以达到每年数厘米。地下水开采导致的地面差异沉降对地裂缝活动量的贡献率超过仅由断层蠕滑产生的活动量1～2个数量级。

2.2 工程地质特征

西安地裂缝属于构造地裂缝，地层错距随着深度的增大而增大，有些同时期沉积的地层厚度在上盘比下盘大，指示同沉积活动特点。图3揭示了西安上林苑七路f8地裂缝的浅部地层明显错断情况。剖面上，③层古土壤层上盘厚度为4.0 m，大于下盘的厚度(3.2 m)，层底面错断2.3 m；⑦层中砂层错断6.7 m；⑧-1层中砂层错断7.5 m。此外，不同层位的地层错距随深度逐渐变大，并导致一些含水层在地裂缝位置不连续。其中，埋深近60 m的⑧-1层弱承压含水层的上盘顶板和下盘底板相差4.6 m，⑧-1层已完全被地裂缝错断。当该段地裂缝呈闭合状态或充填密实时，渗透性变差而相对隔水，⑧-1层在地裂缝两侧就会变成2个相对独立的含水层。

2.3 水文地质特征

图4绘制了西安f4地裂缝鱼化寨段水文地质剖面，进一步揭露了地裂缝错断深部地层及承压含水层的情况。根据地下水水力性质及埋藏条件，将该区300 m以浅的含水层划分为潜水及第一、二、三承压含水层组。其中，以开采段深度25～85 m为潜水含水层组；第一、二承压含水层组底板埋深分别为130～138 m和203～215 m，又分别分为2个含水段；第三承压含水层组顶板为235～247 m，开采段厚度相应为40、50 m和大于100 m。第一、二承压含水层组为主要开采层位，f4地裂缝将第一含水层组的⑧层中粗砂错断8 m，将第二含水层组的⑩层中粗砂和层粗砂分别错断9 m和13 m，且这3个含水层错断后在f4地裂缝两侧并没有连通，从而把原来的同一含水层都变成了2个隔开的含水层。

图4 西安f4地裂缝鱼化寨段水文地质剖面Fig.4 Hydrogeological Profile of f4 Ground Fissure in Yuhuazhai Section, Xi’an

图件引自文献[45]图5 西安辛家庙地裂缝差异沉降与深井水位变化关系Fig.5 Change Relationship Between Differential Settlement of Ground Fissure and Deep Well Level in Xinjiamiao, Xi’an

2.4 活动特征

2.4.1 地裂缝活动与地下水开采的关系

西安地裂缝的活动与地面沉降密切相关，同时地裂缝的活动程度也与该区承压水位的波动关系对应明显，地裂缝活动量的70%～90%是由抽取承压水引起的[20,42-44]。

西安地裂缝早期的监测结果显示，地裂缝的活动分别于1980年6月和1981年7月至9月突然加快，其活动速率达到平常的2～5倍。图5为1978～1982年西安辛家庙地裂缝差异沉降与深井水位的监测数据。结果显示：地裂缝下盘(北盘)深井水位埋深总体呈缓慢下降，5年内下降2.5 m左右，并呈季节性波动，波动幅度为2～3 m；而在上盘(南盘)，水位埋深5年内下降了近24 m，其中在1980年4月至10月的短短6个月就突降了16 m。地裂缝随着上盘水位的总体下降发生差异沉降活动，在不到5年的时间里，地裂缝两侧差异活动量超过15 mm；同时在上盘水位突降后，地裂缝也发生稍微滞后的快速活动，活动量为8.5 mm[45]。

近年来，西安地裂缝活动强烈的地段位于鱼化寨。该区潜水水位埋深在1990年约为6 m，2002年约为19 m，至2016年有所回升，在地裂缝南部(上盘)为13.05～13.52 m，在地裂缝北部(下盘)为14.15～16.48 m。该区承压水水位埋深在1990年约为40 m，由于自备井的大量开采，且有85%的开采井分布在地裂缝上盘，至2016年，下盘承压水水头埋深为49.57～67.88 m，上盘水头埋深为103.0～106.4 m，两盘平均水头差46 m左右，并在地裂缝位置有突变(图6)。随着承压水位的大幅下降，该区地面沉降呈现日益严重趋势，1959年至1996年地面沉降量为108 mm，至2000年接近300 mm，至2008年超过900 mm，至2018年已超过2 000 mm。伴随地面沉降的发展，发育于该区的f4地裂缝活动也明显加快，地面垂直活动量由2013年的300 mm发展到2016年的650 mm，致使2002年跨地裂缝修建的西安外事学院综合楼发生严重破坏[46-47]。

图件引自文献[46]、[47]图6 西安f4地裂缝鱼化寨段承压水位剖面Fig.6 Confined Level Profile of f4 Ground Fissure in Yuhuazhai Section, Xi’an

图5和图6均显示在地裂缝两侧的深层地下水位存在突变，反映了地裂缝在某一深度段是一个相对隔水边界，主要是由于地裂缝活动错断了含水层。地裂缝上盘在大量开采地下水时引起水位大幅下降，但并未对下盘水位产生明显影响，上盘水位下降导致该盘地层压缩和地面沉降，并与下盘形成差异沉降，从而促使地裂缝活动。地裂缝活动与上盘水位下降有明显的相关性并稍有滞后，一般滞后2到3个月[45]。

2.4.2 地裂缝活动的本质原因

地裂缝形成和活动的根本原因是地面或浅部土层在地裂缝位置发生了明显的不同变形，包括在垂直和水平方向发生的同向不均匀变形和反向变形，其主要表现形式为垂直位错或水平张裂，是一种线状或带状的地表突变或陡变。这种变形可以是由地震活动、火山喷发、断层蠕滑运动、构造应力作用等内营力作用引起的，并由此形成构造地裂缝；也可以是由黄土湿陷、膨胀土胀缩、冻土冻融、盐胀、盐渍土溶陷、土体干缩、地表水侵蚀和地下水潜蚀等自然外营力作用以及地下流体抽汲等人类活动作用引起的，从而形成非构造地裂缝。地裂缝活动既可以是原来已出露地表的裂缝重新活动或加剧活动，也可以是埋藏在地表一定深度的隐伏地裂缝活动并扩展至地表从而形成显现的地裂缝。

构造地裂缝活动的本质原因是在构造应力作用下或在构造部位，地面或浅部土层发生了线状或带状延伸的明显变形。对于受断裂控制的构造地裂缝，其动力源在地下深部，能量释放沿断裂面向上递减，并存在间歇活动或同沉积活动，因此，地层错距随深度的增大而增大。

从西安f4地裂缝鱼化寨段的地质特征和活动特点可以看出，地面沉降区构造地裂缝发生超常活动的本质原因则是地裂缝错断了含水层，在过量抽取承压水时，地裂缝两侧的承压水头下降幅度不一致，并在地裂缝位置有明显的陡降，致使地裂缝两侧的孔隙水压力减小程度不一样且两侧的黏土层发生不均匀固结压缩，并在地表发生差异沉降，从而发生地裂缝活动。

3 地裂缝防控措施

3.1 一般防控措施

地裂缝活动会对跨地裂缝的任何建设工程及设施产生变形和破坏，灾害损失是不可避免的。目前，针对地裂缝采取的防治措施主要包括：①对房屋建筑采用避让的方法；②对地裂缝影响带内的地面建筑进行地基处理、基础加固和上部结构加强；③对地下管线采用柔性接头来加强抗断设计；④对地面道路工程采用柔性材料换填或简支桥梁跨越；⑤对于地铁跨越地裂缝时，采用分段设缝、扩大上盘隧道断面和防水等措施；⑥限制或禁止地下水，特别是承压水的开采，并做好地表排水措施。

上述防治措施中，除了第⑥条限制承压水开采是主动措施外，其他措施均属于被动措施。其中，第①条的避让措施会极大地浪费宝贵土地资源；第②～⑤条跨地裂缝段的工程结构加强及设防措施涉及地裂缝的勘察、设计、地基处理、结构加强等施工环节及对应的高昂费用，对于地裂缝沿线的所有工程如都采用这类措施，其总体社会成本和费用更是不可估量；第⑥条限制承压水开采虽然是有效的措施，但还是避免不了一些城郊地区的地下水偷采，农村地区更是很难有效执行，导致限制或禁止地下水开采的可行性难度较大。另外，极端气候也可能使承压水位异常波动。

3.2 地面沉降区构造地裂缝的调控措施

从地面沉降区构造地裂缝活动本质原因的分析可知：没有地面沉降，就没有地裂缝的较大活动；没有地裂缝位置的不均匀地面沉降，也就没有地裂缝的超常活动。因此，要控制地面沉降区地裂缝的活动，必须控制住地面沉降或不产生不均匀地面沉降，禁止承压水开采和完全控制地面沉降是控制地裂缝活动的根本措施。鉴于存在不可控制的承压水开采和承压水位异常波动情况，寻求可人工调控的地裂缝活动应对措施显得尤为重要。

在地裂缝活动强烈的地段，含水层错断和承压水头高度变化明显，通过人工定向钻孔方式打通被错断的含水层，在地下水开采和承压水异常波动情况下，实现被错断含水层的水头高度自我调节与平衡，避免在地裂缝地段形成较大的承压水头差和产生较大的地面不均匀沉降，从而控制地裂缝的活动或超常活动。在此将这种利用定向钻井打通被错断含水层的构造地裂缝防控方法简称为通水调压控裂法(CABHP)(图7)。该方法主要适用于地面沉降区构造地裂缝，可作为一种常时态防控方法，能够起到一劳永逸的效果。

图7 通水调压控裂法(CABHP)示意图Fig.7 Sketch View of Controlling Growth of Ground Fissure by Connecting Aquifer and Balancing Hydraulic Pressure (CABHP) on Both Sides of Ground Fissure

在实施定向钻孔之前，首先需要收集和调查地裂缝附近的抽水井位置、抽水层位、抽水量、水位变化和地面沉降监测等资料，初步了解该区地层结构、含水层结构和抽水层位；然后通过跨地裂缝钻探，测量地裂缝两侧各含水层的水位，查明地层结构和含水层结构，确定在地裂缝两侧(盘)需要连通的目标含水层，其中上盘(沉降盘)目标含水层是存在水位下降和导致相邻地层失水压缩的承压含水层，下盘(相对上升盘)目标含水层与上盘目标含水层类型和结构都相同或接近，水位和层位比上盘都高；最后在地裂缝下盘并靠近地裂缝的位置实施定向钻井，将下盘目标含水层与上盘目标含水层连通，并在含水层连通段接入滤水管和填入砾料，在钻井的下盘目标含水层顶板位置封堵钻孔和止水，从而实现地下水在水头差的作用下自动从下盘目标含水层流向上盘目标含水层，并逐步达到水位自然平衡。为有效监测上、下盘目标含水层的连通情况，可以在连通管内设置孔压传感器和流量计。

综上所述，在承压水位下降的情况下，通过地裂缝上、下盘之间打通的管道消除或最大程度地减小上、下盘之间的孔压差，这样地裂缝两侧的地层在横向上就不会发生明显的差异排水固结压缩，地表也就不会出现较大的不均匀沉降，从而可以有效控制地裂缝活动。

4 结 语

(1)根据主导因素及动力类型，地裂缝可分为构造地裂缝和非构造地裂缝两大类和16个类别。根据发育规模、力学性质、开启程度及主次关系等因素对地裂缝进一步分类，有助于地裂缝的特征描述。

(2)地裂缝活动的根本原因是位于地裂缝两侧的土层发生了不同变形；地面沉降区构造地裂缝发生超常活动的本质原因是地裂缝错断了含水层并在地裂缝两侧形成明显的水头差，从而在过量抽取地下水时导致地表发生了较大的差异沉降。

(3)通水调压控裂法通过定向钻孔打通被地裂缝错断的含水层，可以实现地裂缝两侧水位的自然平衡和有效控制地面沉降区的构造地裂缝活动。

谨以此文纪念长安大学七十周年华诞，祝愿母校桃李满园，英才辈出，各项工作硕果累累，社会影响日益深远，教育事业蒸蒸日上，为祖国繁荣昌盛贡献更多长大力量！我是土生土长的长大人，自1990年9月进入西安地质学院开始本科学习以来，完成了本科、硕士和博士阶段的学习，经历了母校由西安地质学院到西安工程学院，再到长安大学的重要发展历程，见证了母校翻天覆地的变化。我曾有幸在班级担任临时班长、学习委员，以及在地质工程系兼任实验室主任、系副主任、系主任等职务，所在集体多次荣获学校标杆宿舍、优秀团支部、先进班级和先进系所。个人的点滴成长离不开母校各位老师的悉心指导，特别是赵法锁、杜东菊、彭建兵等导师的谆谆教诲。母校的蓬勃发展也离不开广大师生的努力拼搏和无私奉献，以及对长大校训“弘毅明德，笃学创新”的传承。在此衷心感谢母校的每一位老师和校友，并致以最美好的祝福！祝愿母校永铸辉煌！