北京地區(qū)地裂縫分類及防治措施

賈三滿,劉明坤,田 芳,趙守生

(北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,北京 100195)

地裂縫泛指地表巖土體中產(chǎn)生的一種線形破裂現(xiàn)象.地裂縫災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害中的地面變形災(zāi)害之一.它可能造成各類工程建筑的直接破壞,引發(fā)一系列環(huán)境問題,對人類的生產(chǎn)和生活威脅極大[1].北京地區(qū)位于燕山臺褶帶(山區(qū))與華北斷坳(平原區(qū))兩個構(gòu)造單元交匯部位.歷史上曾發(fā)生過多起較強烈的地震,是地裂縫災(zāi)害的發(fā)育區(qū).對人民生產(chǎn)和生活所造成了一定危害,見圖1.

圖1 北京地區(qū)地裂縫位置分布圖

1 地裂縫分類

對不同成因的地裂縫采取有針對性的防治措施.地裂縫按成因一般分為構(gòu)造地裂縫、非構(gòu)造地裂縫和混合成因地裂縫三類[1].以上三種地裂縫在北京地區(qū)均有分布,以混合成因地裂縫為主.

1.1 混合成因地裂縫

混合成因地裂縫主要受地球內(nèi)動力控制,人類活動加劇了地裂縫的發(fā)展.北京順義地裂縫帶、高麗營-土溝地裂縫帶和羊房-廟卷地裂縫帶都屬于混合成因地裂縫.

順義地裂縫帶沿順義斷裂走向展布.順義斷裂是北京市一條主要活動斷裂,全新世仍在活動[2].探槽揭露在地表下5m左右有一次明顯的地震事件,時間大約2.5萬年前,地層錯斷14cm,東南盤下降.地層中出現(xiàn)順斷裂面向上延展的地裂縫,兩側(cè)有明顯的變形,變形特征與斷裂面一致(圖2).

順義地裂縫區(qū)第四紀(jì)松散沉積層厚度較大.斷裂對地裂縫的控制主要表現(xiàn)在斷裂早期活動時形成了地層破裂面,并造成上下兩盤第四紀(jì)松散沉積層厚度相差三、四百米,導(dǎo)致斷裂兩側(cè)巖土體的不均勻性.據(jù)軍營村分別位于該斷裂兩盤的順4、順5鉆孔資料,北西盤于孔深474m穿過松散堆積層見白云巖,而南東盤深800m尚未見前新生界基巖,兩盤松散堆積厚度相差300多米(圖3).

圖2 順義油庫探槽南側(cè)剖面圖

圖3 順義斷裂剖面圖

超量開采地下水對地裂縫活動起著誘發(fā)促進作用.順義城區(qū)附近是北京平原地下水的超采區(qū).特別是80年代后期,燕京啤酒廠等大型企業(yè)大量開采地下水,逐漸形成了以平各莊為中心的地面沉降區(qū).在地下水過量開采,地下水位逐年下降的情況下,順義斷裂東南盤地面相對下沉,造成沿順義斷裂地面不均勻沉降,沿著抗變形能力薄弱的破裂面形成地裂縫帶.

高麗營-土溝地裂縫帶沿黃莊-高麗營地表變形帶發(fā)育.黃莊-高麗營斷裂是北京平原區(qū)重要的斷裂之一,是劃分京西隆起與北京拗陷的界線,從早白堊世開始發(fā)育,明顯控制了下白堊統(tǒng)的分布,新生代時期構(gòu)成了北京拗陷的西邊界,是一條邊斷邊沉積的同生正斷裂,自中生代晚期以來一直持續(xù)活動.探槽揭露,斷裂斷錯直達地表,斷距達1.5m左右.根據(jù)光釋光測年結(jié)果,斷裂兩側(cè)土樣年齡大致在13～22ka,為晚更新世地層[3].鉆探、物探資料顯示,地表變形帶與基巖斷裂相連.斷裂兩側(cè)第四系厚度相差600～700m,地層巖性結(jié)構(gòu)有明顯差異,為差異沉降提供了地質(zhì)基礎(chǔ).同時,高麗營、土溝地區(qū)為地面沉降發(fā)育區(qū),近年來地面沉降速率一般在20～40mm/a,加劇了地裂縫的發(fā)育強度,地裂縫兩側(cè)的差異變形量達到10mm/a以上.

羊房-廟卷地裂縫帶沿張喜莊斷裂地表變形帶發(fā)育.張喜莊斷裂雖為黃莊-高麗營斷裂之次級斷裂,但探槽揭示,斷錯直達地表,斷距300mm左右,斷裂兩側(cè)第四系厚度有明顯差異.沿線地裂縫發(fā)育區(qū)也是地面沉降量較大的地區(qū).

1.2 構(gòu)造地裂縫

構(gòu)造地裂縫是指由地球內(nèi)動力地質(zhì)作用產(chǎn)生的地裂縫,其形成、規(guī)模、破壞程度與地震、斷裂活動及區(qū)域地應(yīng)力場有直接的對應(yīng)關(guān)系.發(fā)生大地震時,常常會發(fā)生地裂縫,主要是由于強烈的地震動和斷裂位移引起的,受震源機制控制并與發(fā)震斷裂走向吻合.1976年唐山地震時,在極震區(qū)出現(xiàn)了一條7.8km長的地裂縫帶[1].

在北京地區(qū),大部分構(gòu)造地裂縫與斷裂蠕動變形及地應(yīng)力場有關(guān).地裂縫具有明顯的方向性,其方向只受區(qū)域應(yīng)力場和斷裂活動控制,可出現(xiàn)張性、張扭性等不同性質(zhì),下部與活動斷裂直接相連或受到下伏活動斷裂的控制.1976年唐山地震后,順義馬家富村,房山北山村、古莊、紙坊、瑞和莊,昌平西辛峰,大興鹿圈村,延慶大柏老村等地出現(xiàn)地裂縫,造成民房、廠房設(shè)施開裂,這些地裂縫又多與附近小震同步,引起群眾恐慌.根據(jù)房山縣地震局1986年的調(diào)查,認為"這次調(diào)查的地裂縫與地震關(guān)系密切,其大多數(shù)是區(qū)域應(yīng)力場作用的產(chǎn)物,是新構(gòu)造加強的一種表現(xiàn)形式".

1.3 非構(gòu)造地裂縫

非構(gòu)造地裂縫是指由各種外動力地質(zhì)作用產(chǎn)生的地裂縫.這種地裂縫種類繁多,成因各異,主要有滑坡、崩塌地裂縫,塌陷地裂縫,特殊土變異地裂縫和地震液化地裂縫.就北京地區(qū)而言,主要有塌陷地裂縫、特殊土地裂縫、地震液化地裂縫幾類.

(1)塌陷地裂縫

塌陷地裂縫一般可分為采空塌陷地裂縫和溶蝕地裂縫.

由于地下采空區(qū)塌陷涉及地表,在地表巖土體中形成一系列地裂縫.采空塌陷地裂縫與采空塌陷相伴產(chǎn)生.在塌陷沉降區(qū)的邊緣地帶,是巖土體不均勻下降過程中形成的張性地裂縫,其產(chǎn)狀較陡,地表有時表現(xiàn)為弧形、曲線形,對地表建筑物破壞嚴(yán)重;在采空區(qū)上方發(fā)育的地裂縫,大部分呈下寬上窄形,主要發(fā)生在北京西山地區(qū)[4].

溶蝕地裂縫主要是因為可溶巖在地下水、地表水的作用下發(fā)生溶蝕形成溶洞、溶隙,上方土體和其中的水、氣所組成的綜合體在自然或人為因素作用下產(chǎn)生破壞作用,在土體中形成土洞,并發(fā)展到地面,造成地面塌陷和地裂縫.溶蝕地裂縫主要發(fā)生在巖溶發(fā)育,覆蓋層較薄的地區(qū).北京地區(qū)巖溶發(fā)育較弱,這一類型地裂縫較少發(fā)生.但近年來,隨著地下水位大幅下降,水壓力降低, 此類型地裂縫危害逐漸顯現(xiàn).例如,懷柔橋梓鎮(zhèn)橋梓村南林地在2009年8月上旬雨后出現(xiàn)一條長約600m左右,寬約2～3m,深約2m,近東西向的地面塌陷帶組成地裂縫帶,周圍有多處塌陷坑和地裂縫.塌陷坑呈圓形或近橢圓形、大小不等,一般1～5m2,深度0.5～2m.物化探資料顯示,在地裂縫下方基巖內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層,地層分布均勻連續(xù).

在地裂縫兩側(cè)的鉆孔中發(fā)現(xiàn),場地第四系厚度50～60m,下伏基巖為侏羅系礫巖,鉆孔穿透第四紀(jì)地層進入弱風(fēng)化礫巖后,發(fā)生嚴(yán)重漏漿,及落鉆現(xiàn)象鉆孔落鉆0.8m～1m,推測礫巖層中發(fā)育有巖層空洞,空洞呈平行條薄片狀,洞深大約1m左右.經(jīng)巖石成份鑒定,礫巖主要由灰?guī)r和白云巖組成,可溶成份達70%左右,在個別巖樣上發(fā)現(xiàn)淺灰色的灰?guī)r有早期溶洞,并被黃褐色角礫充填.

由于近年來該地區(qū)地下水位大幅下降,地下水向下滲流,水壓力降低,浮托力減小,同時造成第四系粉細砂發(fā)生滲透液化,引起結(jié)構(gòu)破壞,粉細砂向下流失于基巖空洞中,而上層粉細砂在振動下土粒結(jié)構(gòu)已破壞,再加上負壓吸蝕作用,使地表地層失去支持,最終形成地面塌陷,造成地裂縫.

(2)地震液化地裂縫

飽和的松散砂土在地震力的作用下,其孔隙水壓力驟然上升,孔隙水壓力來不及消散,使原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力(有效應(yīng)力)減少.當(dāng)有效應(yīng)力完全消失時,砂層完全喪失抗剪強度和承載能力,發(fā)生砂土液化.液化嚴(yán)重區(qū)可以造成噴水冒砂,在地表形成地表塌陷和地裂縫.1976年唐山地震時,在通州、順義、昌平、平谷等地的河漫灘、低級階地地區(qū)多處出現(xiàn)噴水冒砂,形成地表塌陷和地裂縫,造成了大量農(nóng)田、林地損壞和河岸坍塌.地震液化較輕或上覆有較厚的非液化土層覆蓋,雖然沒有發(fā)生噴水冒砂,但可液化土層發(fā)生震動,降低了地基土強度,當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境一發(fā)生變化時,特別是地下水位下降,孔隙水壓力減低時,液化危害會逐漸顯現(xiàn),出現(xiàn)地裂縫和地面塌陷.順義南采、平谷等地多處發(fā)生此類型地裂縫.

(3)特殊巖土地裂縫

特殊土由于氣候或氣象原因會產(chǎn)生一些規(guī)律不明顯的地裂縫.如黃土中的濕陷性地裂縫,膨脹土中的膨脹地裂縫,粘性土中的干裂地裂縫.北京地區(qū)有膨脹地裂縫和干裂地裂縫分布.上世紀(jì)六、七十年代東郊朝陽、通州地區(qū)多次出現(xiàn)膨脹地裂縫,并對建筑物造成了不同程度的損壞.

2 防治措施

地裂縫災(zāi)害已造成了大量建筑物損壞,其嚴(yán)重性已引起人們的重視.由于地裂縫成因復(fù)雜,影響因素眾多,防治工作應(yīng)在查清地裂縫成因的基礎(chǔ)上,根據(jù)其發(fā)育特征和強度,并充分考慮未來發(fā)展變化,有針對性的選擇防治措施.

地裂縫成因問題一直是其勘察、研究的難點和焦點.不同成因的地裂縫災(zāi)害作用特點和成災(zāi)機理也不相同.對于構(gòu)造地裂縫和有構(gòu)造成因的復(fù)合型地裂縫,具有災(zāi)害衡生性、三維破壞性、三維空間有限性和成災(zāi)過程漸發(fā)性的特點[1],主要受構(gòu)造活動的控制,一般工程措施難以防治.而其他類型地裂縫分布范圍、發(fā)育深度、強度主要受氣候、氣象、巖土體結(jié)構(gòu)的控制,采取合理的工程措施如樁基、換填、加強建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)剛度等可以消除或減輕危害.

結(jié)合工程實例,對構(gòu)造地裂縫和以構(gòu)造成因為主的復(fù)合型地裂縫可采取以下的防治措施.

2.1 確定合理的避讓距離

起因于構(gòu)造活動的地裂縫向地表下延伸很深,對建筑物的破壞是不可抗拒的.所以防治應(yīng)以避讓為主,確定合理的避讓距離是防治成敗的關(guān)鍵.

避讓距離的確定,應(yīng)在查清地裂縫發(fā)育現(xiàn)狀和災(zāi)害程度的基礎(chǔ)上,綜合考慮下部構(gòu)造活動和地下水開采對地裂縫活動的影響,預(yù)測地裂縫未來發(fā)展趨勢.

在北京高麗營-土溝地裂縫帶勘查中,通過地表調(diào)查和探槽工作,確定了地裂縫破壞變形帶.破壞變形帶在地裂縫兩側(cè)的表現(xiàn)有所不同,一般下降盤(斷裂上盤)破壞嚴(yán)重,變形帶較寬,相對上升盤(斷裂下盤)破壞較輕,變形帶較小.破壞變形帶總寬度約60m.通過數(shù)學(xué)模型,模擬未來50年地下水位變化和基底基巖位錯的情況下,預(yù)測地裂縫將繼續(xù)發(fā)展,地裂縫破壞變形帶將達到100m左右.綜合確定一、二類建筑和三類建筑避讓距離安全系數(shù)分別為1.5和1.2,避讓距離分別為74m和100m[5].

順義地裂縫帶的寬度平均為5m,最寬達12m,建筑物損壞帶寬度平均7～8m,最大22m,綜合研究確定避讓寬度為28m,上盤(東南盤)16m,下盤(西北盤) 12m,即以主破裂帶為中心基準(zhǔn)線,西北側(cè)建筑安全距離為12m,東南側(cè)建筑安全距離為16m[6][7].

可以看出,盡管高麗營-土溝地裂縫帶和順義地裂縫帶成因相同,但由于構(gòu)造背景和地質(zhì)環(huán)境條件的差異,造成地裂縫特征、發(fā)育強度不盡相同,避讓距離相差很大.

對于線形工程,當(dāng)無法避免跨越地裂縫時,在跨越地裂縫地段可以采取預(yù)應(yīng)力拱梁、懸空式架設(shè)等對不均勻沉降不敏感的結(jié)構(gòu),或在管道底部鋪設(shè)一定厚度的碎石層,減小差異變形量,設(shè)置專門監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),實時掌握地裂縫發(fā)展變化,確保工程安全.

對避讓帶外的地裂縫影響區(qū),可采取一些具體工程措施防止或減輕地裂縫對建筑物的危害,增強建筑物抵抗不均勻沉降的能力.主要措施有加強基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的剛度、加設(shè)地基褥墊層、采用樁基礎(chǔ)等.

2.2 控制地下水開采

地裂縫和地面沉降的長期快速發(fā)展與長期超采地下水,導(dǎo)致地下水位大幅下降密不可分.抽汲地下水引發(fā)地面變形是產(chǎn)生或加劇地裂縫活動的直接原因.多種成因地裂縫均和地下水開采有關(guān),所以在地裂縫場地內(nèi)應(yīng)嚴(yán)格控制地下水開采,合理限制地下水開采范圍、開采層位、開采強度.

2.3 加強監(jiān)測工作

地裂縫成因復(fù)雜,影響因素眾多,所以監(jiān)測工作十分重要.通過對地裂縫的監(jiān)測,掌握其活動特征,分析發(fā)展趨勢,在規(guī)劃設(shè)計階段就采取必要的措施,可以達到事半功倍的效果.在建筑物建設(shè)和使用中,監(jiān)測可以隨時掌握地裂縫變化,當(dāng)變形達到設(shè)計值時,及時采取工程措施,取保建筑物安全.

3 結(jié)語

近年來,北京地區(qū)進入地裂縫高發(fā)期,形成了順義、高麗營、土溝等大量地裂縫,地裂縫對城市建設(shè)的危害日趨明顯.北京地區(qū)地裂縫發(fā)育有構(gòu)造型地裂縫、復(fù)合型地裂縫、溶蝕型地裂縫和地震液化等多種類型地裂縫.以構(gòu)造因素為主導(dǎo)的復(fù)合型地裂縫是北京地區(qū)地裂縫的主要類型,對城市建設(shè)的危害也最大,避讓是其最有效的防治措施,由于構(gòu)造背景和地質(zhì)環(huán)境的差異,避讓距離差別很大,所以對地裂縫進行具體研究,是影響地裂縫防治效果的關(guān)鍵.

[1]中國地質(zhì)學(xué)會城市地質(zhì)研究會編.中國城市地質(zhì)[M].北京:中國大地出版社,2005:199～216.

[2]賈三滿,王海剛等.北京市順義規(guī)劃新城前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查報告[R].北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊, 2007.

[3]賈三滿、郭 萌.從高麗營探槽分析黃莊-高麗營斷裂與地裂縫的關(guān)系[J].城市地質(zhì),2007(4).

[4]《北京地質(zhì)災(zāi)害》編輯委員會編.北京地質(zhì)災(zāi)害[M].北京:中國大地出版社,2008.

[5]北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊.未來科技城北區(qū)土地一級開發(fā)項目地裂縫勘查評價報告[R].2010.

[6]張世民,劉旭東,任俊杰等.順義地裂縫成因與順義-良鄉(xiāng)斷裂北段活動性探討[J].中國地震,2005,21 (1):84～92.

[7]任俊杰,張世民,唐榮余等.北京順義地裂縫帶的活動特征及減災(zāi)措施[J].城市地質(zhì),2008(2).