山東省單縣高韋莊地區(qū)地裂縫成因分析及防治

黃文峰，皇甫乾，張 楠

(1.菏澤市礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)中心，山東 菏澤 274000;2.菏澤市地租征收處，山東 菏澤 274000;3.菏澤市土地整理中心，山東 菏澤 274000)

山東省單縣高韋莊地區(qū)地裂縫成因分析及防治

黃文峰1，皇甫乾2，張 楠3

(1.菏澤市礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)中心，山東 菏澤 274000;2.菏澤市地租征收處，山東 菏澤 274000;3.菏澤市土地整理中心，山東 菏澤 274000)

單縣高韋莊地區(qū)地裂縫主要發(fā)生在黃河高灘地地區(qū)，地裂縫分布受較厚不飽和粉土、亞砂土層控制，由局部淺層水大幅升降或雨水誘發(fā)形成。此外，地表淤泥和淤泥質(zhì)土產(chǎn)生不均勻沉降加劇對地表建筑物破壞。提出調(diào)整地下水開采層次和提高建筑物地基強度作為其防治措施。

黃河故道;地裂縫;粉土層、觸變性;粘土層;防治措施

地裂縫為一種區(qū)域性的表生地質(zhì)災(zāi)害。截至2009年，單縣高韋莊地區(qū)地裂縫已破壞房屋80余間，涉及周邊趙集、仁集等6個村莊，臨近區(qū)域地質(zhì)條件較為相似的曹縣石香爐地區(qū)也發(fā)生過類似地裂縫和房屋開裂現(xiàn)象。

1 地質(zhì)概況

山東省單縣高韋莊鎮(zhèn)位于單縣西南，地處山東省西南部，魯、豫、皖三省交界處，黃河故道北岸，面積65km2，現(xiàn)有人口4.2萬。高韋莊地區(qū)河灘地、河成高地、有崗階地、低洼地等微地貌發(fā)育，多為是沙壤性混合型土壤，適宜多種農(nóng)作物生長。

該區(qū)沉積了巨厚的第四系地層，其厚度自東向西至西北逐漸增大。第四系厚度為450～600m不等，其下為第三系地層，下伏基巖為古生代二迭系砂頁巖。第四系地層初步劃分為中下更新統(tǒng)(Q1—2)，上更新統(tǒng)(Q3)，全更新統(tǒng)(Q4)3組。全新統(tǒng)(Q4)本組地層為沖積—洪積層。表層為黃河泛濫的沖積帶，以粉土、亞砂土為主。在垂向上以亞砂、粉土、粘土互層，形成了復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。其沉積厚度一般為44～54m，該區(qū)臨近碭山縣謝集、郭莊、黃樓等處厚度為56.27～63.85m，此層常夾有1～3層黃色、灰黃色粉砂，單層厚度1.5～10m，大徐莊厚度達33.09m，均勻松散，以石英粒為主，顆粒分選較好，砂層呈透鏡狀，經(jīng)常尖滅，在水平方向常發(fā)生相變。本組內(nèi)賦存的地下水是目前農(nóng)業(yè)灌溉開采利用的主要對象，此層為潛水和局部承壓水。

2 高韋莊地裂縫分布特征

2.1 發(fā)育現(xiàn)狀

高韋莊地裂縫首次發(fā)現(xiàn)于1993年，根據(jù)國土資源管理部門多次巡查結(jié)果統(tǒng)計，已導致80余間民房開裂，分布面積約9 km2。

(1)1993年夏，高韋莊趙集村內(nèi)路面出現(xiàn)較大地裂縫，裂縫長度約10m，裂縫寬度約6cm可測深度0.5～2m，引起居民恐慌。

(2)2002～2008年，根據(jù)村民報告，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)趙集、沈莊、仁集、張賀莊等多個村莊有民房開裂現(xiàn)象，部分橋梁出現(xiàn)裂縫，但地面沒有明顯地裂縫痕跡。開裂房屋大部分沒有較好的地基，累計出現(xiàn)裂縫房近百間。整個地裂縫分布區(qū)域主要集中在地勢較低地區(qū)。

(3)2010年，曹縣望魯集洼地西側(cè)地區(qū)的石香爐地區(qū)出現(xiàn)房屋開裂現(xiàn)象。

2.2 發(fā)育特征

(1)地裂縫一般在沖積平原高灘地淺洼地區(qū)發(fā)育，尤其是沿黃河故道帶沿線發(fā)生的頻率非常高;

(2)地裂縫主要發(fā)育在淺表地層巖性以亞粘土、粉土、粘土互層為主的區(qū)域，其中具有漲縮性棕紅色粘土層(俗稱膠泥，可制作黑陶)厚度一般在1～2m(照片1)。

(3)地裂縫主要分布地勢稍低地區(qū)，其中趙集村房屋開裂區(qū)大致沿NE向。分布區(qū)域面積約9 km2，表現(xiàn)為地面不均勻塌陷導致房屋開裂。地裂縫出現(xiàn)在干旱季節(jié)較多。

照片1 趙集村一取土坑5m以下棕紅色粘土層揭露面

3 地裂縫成因及影響因素分析

3.1 地裂縫成因

高韋莊地區(qū)沉積有巨厚的第四系，當?shù)貨]有大型礦山和大型工程施工。因此判斷地裂縫的形成原因應(yīng)為非構(gòu)造裂縫。其受控于水位、地貌、地層結(jié)構(gòu)等復(fù)合因素共同作用的產(chǎn)物。當基礎(chǔ)條件具備時，致裂應(yīng)力大于土層的連接應(yīng)力，便能使土層開裂，形成裂縫［1］，進而造成下層粉土和不飽和亞砂土流失。強降雨、干旱和灌溉是促其發(fā)生的輔助條件，它可以加速發(fā)生和顯現(xiàn)，致裂應(yīng)力、基礎(chǔ)條件、誘發(fā)因素三者共同構(gòu)成地裂縫和地面塌陷的產(chǎn)生的充分必要條件。

3.2 影響因素分析

3.2.1 地形地貌

高韋莊地區(qū)地勢平坦，系單縣黃河故道灘區(qū)地勢最高地區(qū)，屬廢黃河高灘地。南部略高，東西稍低，大部分海拔約55～57m。該區(qū)自中部向東西兩側(cè)、自南向北地勢逐漸降低，河溝稀少，地形部位相對周邊較高(圖1)。與其西部11km處望魯集背河洼地的地面高程相差達6～8m。其東部6km為山東省大二型水庫——單縣浮崗水庫，總面積36km2，蓄水量0.96×108m3。該區(qū)為自然高灘地，微地域崗?fù)萜鸱?，以及星羅棋布的片林、村莊村臺、房臺等人工構(gòu)筑物。廢河高灘地一般以壤質(zhì)土為主，河床及和坡地多為沙質(zhì)和沙壤質(zhì)的泡沙土、沙土。高灘地低洼地區(qū)沉積為淤土、粉土、亞砂土及厚粘土層。高韋莊地裂縫區(qū)6個村莊普遍存在地勢較為平坦的淺洼地區(qū)。1∶10000地形圖顯示，趙集村部分地區(qū)與村莊周邊高程相差超過1m，所以有不少住戶筑臺建房，取土位置就位于房前或房后的坑塘地區(qū)，部分取土坑深度達超過5m，破壞了原始的沉積地層，這也成為地裂縫形成的隱患。

圖1 1∶10000高韋莊鎮(zhèn)趙集村地形圖

3.2.2 地下水位

根據(jù)高韋莊鎮(zhèn)東浮崗水庫邊監(jiān)測井監(jiān)測結(jié)果，該區(qū)地下水位一般在2.5～4.5m，豐水期、枯水期變化均在2m以內(nèi)，地下水升降幅度不大，趙集村南一灌溉井水位7.2m，說明灘地水位與周邊地區(qū)水位持平。但在高灘地淺洼地區(qū)，積水不易及時排除，多在各村坑塘溝渠內(nèi)匯集，因此，干旱季節(jié)和汛期淺層地下水水位受地形、地勢、土層和雨水影響較大，局部區(qū)域地下水短時間內(nèi)變化大，加上人為因素如破壞隔水粘土層、農(nóng)用淺機井、局民用井的大量汲水，可引起局部地下水的大幅升降，進而引起局部區(qū)域缺水、失水或積水，這是導致地裂縫產(chǎn)生的直接原因。以趙集村南一自然取土坑為例，20世紀90年代末的一次暴雨過后，一坑水在一日間消失殆盡，并形成地面塌陷，其原因應(yīng)為粘土層人為破壞形成漏斗所致。

3.2.3 土層影響

單縣2010年7月18～19日強降雨日后，趙集村一取土坑塘邊出現(xiàn)沖溝，7月20日菏澤市國土資源局勘測人員對高韋莊鎮(zhèn)趙集村進行了現(xiàn)場勘查，沖溝塌陷處淤土層和粉土層揭露，淤土層厚度約0.6m，粉土層厚未完全揭露。且粉土層上部仍為干燥狀態(tài)，粉土層土塊易碎，手碾摸時有顆粒感，濕土無黏性。強降雨并未影響到該層粉土。即其塑性、抗壓、抗剪、漲縮性不受影響?？辈榻M對趙集村內(nèi)部分房屋開裂戶進行了2處淺鉆驗證，鉆孔深度各6m，2鉆孔各層序基本一致(層序見表1)。村內(nèi)取土坑內(nèi)5m深處有棕紅色粘土層揭露，未完全揭露粘土層，厚度1.2～2m，應(yīng)為首層隔水層。

組成粉土的主要粒組是粒徑在0.005～0.075mm的細粒，其物理力學性質(zhì)受主要粒組的控制，通常表現(xiàn)為孔隙小、透水性弱、結(jié)構(gòu)性差、含毛細水等特點。接近于粉砂的粉土，其土粒間毛細壓力微弱，土粒與土中水的相互作用不明顯，表現(xiàn)出砂土的特性。在地下水位之上，毛細水含量低，結(jié)構(gòu)緊密時，強度高，壓縮性較小;孔隙內(nèi)充滿毛細水或重力水時，土一般呈稍密狀態(tài)，壓縮性高，力學強度低，在地震荷載作用下易產(chǎn)生液化，在水頭作用下易形成流砂。黃河淤泥屬現(xiàn)代沉積物，淤泥的主要特性是:天然含水率高于液限，孔隙比多大于1.0;干密度小，只有0.8～0.9g/cm3;壓縮性特別高，強度極低，常處于流動狀態(tài)，視為軟弱地基。淤泥的自然結(jié)構(gòu)變化十分敏感，結(jié)構(gòu)及其強度受力破壞后能自動復(fù)原，這就是所謂的觸變性。淤泥不宜作天然地基［2］，因為它會產(chǎn)生不均勻沉降，使建筑物產(chǎn)生裂縫、傾斜、影響正常使用。

表1 淺鉆揭露地層層序

4 致災(zāi)原因

高韋莊地裂縫區(qū)位于高灘地地區(qū)，調(diào)查顯示其地下水位低于周邊地區(qū)，部分地區(qū)地表淤土層較薄且不均。地表淤土層、粉土層、粘土層受水環(huán)境影響性能變化較大。粉土層因地勢影響，長期處于水位以上，呈不飽和狀態(tài)。而地表淤土具有漲縮性，吸水后體積膨脹，釋水后體積又大幅度收縮，這種反復(fù)脹縮活動使地表形成地裂縫，當?shù)乇硎艿亓芽p影響或人為破壞造成局部有水頭作用時，引起粉土層含水量變化，壓縮性及力學強度改變，甚至造成粉土流失引發(fā)地面塌陷。通常在氣候干旱或者旱澇無常，膨脹土含水量變化刷烈的情況下，地裂縫最嚴重。膨脹土地裂縫的規(guī)模一般都比較小，長度多在十余米，寬度不超過10cm，深度在2～3m。地裂縫形態(tài)多呈上寬下窄的“v”字形。在地裂縫活動的同時，常產(chǎn)生一定的側(cè)向壓力，因此引起局部地面隆起或下沉，加上村民墊土筑臺建房，所筑地臺、地基土質(zhì)不均，更易造成局部受力不均，形成不均勻起伏。造成房屋開裂。而淤泥的觸變性又可使房基破壞后復(fù)原，不易看出地基不均勻沉降。

此外，該區(qū)地表下5m的首層隔水粘土層如遭破壞，當?shù)叵滤谎杆俳档蜁r也易造成部分粉砂土流失，在坑塘或取水井口周邊形成塌陷或地裂縫。

5 防治措施

針對高韋莊地區(qū)地裂縫和地面塌陷，應(yīng)采取以下措施。

(1)調(diào)整地下水開采層次，以開采Q4地層以下水層為主，禁止過量開采地下水，避免地下水位急速下降產(chǎn)生地裂縫。

(2)在地表建筑房屋時必須采取人工加固措施。如對地臺進行壓密、夯實，加速淤泥固結(jié)。有時可采用柱基，或在建筑物底部和上部采用適應(yīng)于不均勻沉降的剛性圈梁、沉降縫等結(jié)構(gòu)措施，以保證建筑物的穩(wěn)定安全。

(3)禁止挖深坑取土破壞隔水粘土層，避免汛期形成漏斗并引發(fā)地面塌陷。

(4)對地裂縫經(jīng)常發(fā)生的地段采取合理避讓措施，已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的房屋建議根據(jù)需要進行加固或拆除，通過工程勘查選址另建。

(5)加強對該區(qū)地下水的日常監(jiān)測，增加地下水觀測井數(shù)。

［1］張熟，張成兵.滄州地裂縫分布及影響因素分析［J］.地質(zhì)調(diào)查與研究，2006，5(3):91-95.

［2］鄭國萍，汪良軍.深層攪拌法在軟基處理中的施工控制［J］.廣東水利水電，2005，(s1):16.

1003-8035(2010)04-0133-03

P642.26

A

2010-07-23;

2010-09-17

黃文峰(1973—)，男，山東曹縣人，高級工程師，現(xiàn)從事礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)工作。

E-mail:laopang928@tom.com