山西省交城断裂带东马峪构造地裂缝的影响范围及风险管控研究

2022-09-27焦姗朱清华王晓娅陈晓文田德志张艳

地质找矿论丛 2022年3期

焦姗，朱清华，王晓娅，陈晓文，田德志，张艳

(1.中国冶金地质总局第三地质勘查院，太原 030032；2.山西华冶勘测工程技术有限公司，太原 030032)

0 引言

交城断裂带位于吕梁山—晋中盆地的盆-山耦合过渡带，横跨太原市和吕梁市，延展130 km，这一活动性断层的自20世纪70年代末开始出现构造地裂缝，经21世纪初期的剧烈发展，目前的变形现象趋于稳定。构造地裂缝经历了4个发展阶段，其中，清徐—交城段为延续性较好、变形最为强烈、对当地居民生产、生活影响最为严重的裂缝带之一[1]。

早前有不少学者围绕交城断裂带地裂缝成因机理、形变监测、发育规律等方面开展研究[2-6]，认为地裂缝影响带范围包括主变形带和微变形带两部分(图1)，且正断层上、下盘的影响范围有所区别，为研究各影响范围，王媛[7]、胡宏伟[8]将断裂控制型地裂缝影响范围归纳为“隐伏地裂缝向上扩展”的问题，根据断裂力学理论，断裂扩展在地表形成地裂缝主要有弧形剪切滑移破坏、直线延伸型剪切破坏、拉张剪切破坏和反倾向直线型拉张破坏等4种方式[8]；孟振江[1]通过多种调查手段分析认为，地表出露的地裂缝实际上是地下活动断层在地表的露头，为次级断裂上下两盘错动所致。本次研究在总结前人地裂缝影响范围确定方法的基础上，以东马峪地裂缝为研究对象，考虑承灾体的影响，以地面调查、槽探、理论力学计算为主要手段，综合确定东马峪地裂缝影响范围并科学划分影响范围分区，并对各区提出风险管控建议。

图1 地裂缝影响带范围示意图Fig.1 Sketch of influence range of the ground fissure

1 东马峪地裂缝的发育特征

东马峪地裂缝自2001年开始出现，2003年以来快速发展，2003—2008年为变形最剧烈阶段，根据监测数据，目前变形趋于稳定，为1 mm/a。主裂缝长980 m，是裂缝带中长度最大、变形最强的段落，几乎贯通全村(图2)。

图2 东马峪地裂缝示意图Fig.2 Sketch ofDongmayu ground fissure

东马峪地裂缝对房屋的破坏形式主要有拉裂破坏(图3a)、倾滑破坏(图3b)、道路沉降(图3c)、水平扭动破坏(图3d)等。

图3 地裂缝引起房屋破坏Fig.3 Houses damaged by the fissurea.地裂缝导致墙体拉裂破坏；b.房屋裂缝呈“八”字形；c.地裂缝导致路面下沉错位；d.房屋裂缝呈斜列状

2 研究区地裂缝影响范围研究

采用地面调查、探槽工程及断层力学理论计算等3种方法综合确定东马峪地裂缝的影响范围。

2.1 地面调查

根据调查结果，对东马峪村内的建筑物承灾体的受损范围进行统计，初步确定地裂缝影响范围(表1)。

表1 地面调查统计地裂缝影响范围Table 1 Investigation and statistics of influence range of the ground fissure

2.2 探槽

地表出露的主裂缝走向为80°，垂直于地裂缝走向开挖探槽2处，总长度72 m。探槽TC01：长38 m，槽深4.8 m，槽宽2.8 m，方位175°；探槽TC02：长32 m，槽深4.8 m，槽宽2.8 m，方位175°。

探槽TC01揭露地裂缝LF1(主裂缝)：裂缝呈上窄、中宽、下窄的形态，裂缝整体走向80°，下错型地裂缝，表现为南侧地层下错0.1 m，裂缝深2.7 m，宽0.1～0.25 m，倾向SE，倾角81°；次生裂缝LF2：长1.2 m，宽5 mm，走向78°，倾向SE，倾角75°，无填充。在主裂缝周围还有3～5条较小的裂缝，延伸长度0.3 m左右。

根据探槽揭露的地裂缝情况，综合分析确定裂缝影响范围(表2)。

表2 探槽揭露地裂缝影响范围Table 2 Influence range revealed bytrenching

2.3 应变能密度理论

运用断层力学理论，认为区内的地裂缝影响范围问题应属于地下断裂向上扩展在地表形成的裂缝影响带。其中，地裂缝上盘的破坏模式为反倾向直线型拉张破坏模式，而下盘的破坏模式为弧形剪切滑移破坏模式，可以应用断层力学理论的最小应变能原理来计算地裂缝影响带宽度。

2.3.1 断层上盘的影响范围

最小应变能原理认为，土体为线弹性体，运用断层力学的应变能密度理论来研究土体裂缝的扩展方向，然后运用土体破坏的线弹性断裂力学求解。

根据裂纹的扩展形式可将断裂分为3种基本类型：以拉张破坏为主的张开型断裂(Ⅰ型)；以剪切破坏为主的滑开型断裂(Ⅱ型)；裂缝向相反方向发生变形、以剪切破坏为主撕开型断裂(Ⅲ型)。裂纹开始扩展时，总是以裂纹尖端为起点沿着半径方向扩展，比较以裂纹尖端为圆心的圆上的力学参数，哪一个半径方向的力学参数先达到临界值，裂纹就沿着这个方向扩展，根据断裂最小应变能强度因子理论，可以得出隐伏地裂缝的扩展角度θ0(图4)。

图4 上盘裂缝扩展方向图Fig.4 Hanging wall crack propagation pattern

在平面应变下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ复合型裂纹在裂纹尖端附近区域运用叠加原理可得到其应变能密度

(1)

式中，

S=a11KⅠ2+2a12KⅠKⅡ+a22KⅡ2+KⅢ2

式中，V为体积；v为泊松比；S为应变能密度因子；KⅠ、KⅡ、KⅢ为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹的应力强度因子；(r，θ)为以裂纹尖端为原点的局部极坐标。

预测裂纹扩展方向沿S最小的方向，当Smin达到其临界值S0时，裂纹开始扩展，即

(2)

Smin=S(θ0)=S0

(3)

式中，θ0为裂纹扩展方向与裂纹轴线间的夹角；S0为最小应变能密度因子的临界值，即材料的断裂韧度。

对于东马峪地裂缝只考虑拉张破坏，因此在纯Ⅰ型(即张开型)裂纹问题中，KⅡ=KⅢ=0，则

θ0=arc cos(1-2v)

(4)

在反倾向直线型拉张破坏模式中，假设裂缝沿扩展角方向斜直线发展，隐伏地裂缝破裂扩展影响宽度

θ=180°-β-θ0

(5)

L=D/tanθ

(6)

式中，L为影响宽度；D为隐伏地裂缝埋深；θ为破裂角。

根据土样试验结果和经验参数，β=77°，θ=43°，θ0=60°，代入上述公式计算得到L=47.45 m。

2.3.2 断层下盘的影响范围

五是实施水源储备方略，优先保障饮用水安全。建立和保护备用水源地，尽可能地减少单一水源供给方式。提升水源应急监测及应急供水能力，建立健全饮用水源环境管理技术及方法体系。

在弧形剪切滑移破坏模式下，可以采用求解边坡滑动面微分方程来确定地裂缝的影响带宽度[7](图5)。

图5 下盘裂缝扩展方向图Fig.5 Footwall crackpropagation pattern

假设坡边缘竖直，坡内土体为均质性土，坡体顶面水平，当软弱界面上的滑体土都达到极限平衡状态，发生滑动，设破裂面曲线为y=y(x)，并经过点(0，h)、(x0，0)。求出x0即可求出剪切滑移破坏模式的影响带宽度(图6)。

图6 剪切滑移破坏模式分析模型 Fig.6 Shear slip failure mode analysis model

取任一竖向单元条块，分析其力学平衡条件，根据水平方向力的平衡可得：

(7)

式中，P为土条间侧向作用力；f为破裂面上的摩擦因数且f=tanφ；dN为破裂面上的法向力；y为破裂曲线函数，y′=dy/dx。

同样，根据竖直方向力的平衡可得

(8)

式中，Q为土条间切向作用力。

(9)

(10)

根据x=0 时，y=h，可求得：

(11)

(12)

式中，f为破裂面上的摩擦因数；ξ为与土体的黏聚力和内摩擦角有关，假定ξ为常数，不超过tanφ。

将X及E代入公式中x的表达式，即可得到影响带宽度。

根据土样试验结果，c=49.34 kPa，γ=17.8 kN/m3，ξ=0.17，f=0.55，代入上述公式计算可得下盘影响带宽度L=47.75 m。

2.4 研究区地裂缝影响范围分区

根据以上3种方法的计算结果，结合当地承灾体破坏的具体情况，综合确定东马峪段地裂缝影响范围(表3)。

表3 地裂缝影响范围统计Table 3 Statistics of influence range of ground fissures

3 研究区风险管控建议

根据以上计算结果，结合承灾体具体情况、当地政府部门防灾减灾工作安排，对影响范围分区结果提出风险评价和管控建议。

(1)主变形带范围(上盘33 m范围内，下盘25 m范围内)：建议设为极高风险区，不建议开展大型人类工程活动，包括大规模切坡、加载、开挖以及交通建设等活动，居住于此的村民建议搬迁，避免地裂缝发展带来的威胁。

(2)微变形带范围(上盘33～85 m范围内，下盘25～51 m范围内)：建议设为高风险区，虽然目前交城断裂带处于平稳发展阶段，但要谨慎安排大规模人类工程活动，并且要留有足够的避让距离，并做好监测工作，一旦变形加剧应及时撤离。对于基础设施(包括村民房屋、道路和生活设施)应定期观测裂缝的发展变化，及时采取修补治理措施。

(3)尚未变形带(上盘85 m范围外，下盘51 m范围外)：建议设为中低风险区，可以开展大型人类工程活动和基础设施建设，但也要注意做好群测群防工作，避免断层活动突然加剧并对该范围的人员、建筑产生影响。