地裂與地面沉降災(zāi)害機(jī)理與預(yù)防措施——以陜西為例

陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)管道運(yùn)輸公司（716000） 焦 建

地裂縫和地面沉降是一種地質(zhì)災(zāi)害，自20世紀(jì)50年代后期開始顯現(xiàn)，地裂縫和地面沉降的產(chǎn)生一方面是受到如地震等自然災(zāi)害的影響，另一方面，抽吸地下水也是導(dǎo)致地面沉降、加大地裂縫產(chǎn)生的重要原因。地裂縫和地面沉降對(duì)于磚石材料的建筑危害較大，需加以警惕。磚石材料由于具有良好的耐火性，材料便宜，取材便利，施工工藝簡(jiǎn)單，工期短等優(yōu)點(diǎn)，在普通建筑中廣泛使用。由地裂縫和地面沉降引發(fā)的磚體裂縫，輕則影響房屋正常使用和美觀，重則形成結(jié)構(gòu)性工程事故。本文結(jié)合地裂縫和地面沉降的致災(zāi)機(jī)理，通過工程設(shè)計(jì)對(duì)該種災(zāi)害加以預(yù)防和回避。

一、地裂與地面沉降災(zāi)害產(chǎn)生的機(jī)理

陜西地區(qū)的地裂縫，主要位于秦嶺北麓斷裂、華山山前斷裂、長(zhǎng)安—臨潼斷裂、口鎮(zhèn)—關(guān)山等活動(dòng)斷裂帶上或其附近。這些地裂縫大多是張裂性裂縫，平面呈鋸齒狀，坡面上呈曲折狀。地裂縫產(chǎn)生往往伴隨著地面沉降。其中西安地裂縫是渭河盆地地裂縫的一部分。該地區(qū)地裂和地面沉降都與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造關(guān)聯(lián)度很大，構(gòu)造作用是其發(fā)生發(fā)展的根本和條件。通過研究地裂縫活動(dòng)與地面沉降關(guān)系，按照地裂縫帶的發(fā)生與加速發(fā)展，在時(shí)間上與因地下水開采而引起的地面沉降相對(duì)應(yīng)。以西安地裂縫產(chǎn)生機(jī)理為例，它是地質(zhì)構(gòu)造作用和人為因素疊加的結(jié)果，構(gòu)造活動(dòng)是地裂縫產(chǎn)生的條件和基礎(chǔ)，人為過量抽取地下水對(duì)地裂縫活動(dòng)的加速發(fā)展起到?jīng)Q定性作用。

1. 地質(zhì)條件導(dǎo)致地裂和地面沉降

渭河盆地位于山西省的中部，屬于地塹式構(gòu)造，介于陜北高原和秦嶺山脈之間，為喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)時(shí)期形成的巨型斷陷帶。西起寶雞，東至黃河，南依秦嶺，北靠渭北山。渭河盆地發(fā)育于鄂爾多斯地塊與秦嶺褶皺的交界地帶，地質(zhì)構(gòu)造格局復(fù)雜，盆地周圍伴隨著明顯的擠壓褶皺區(qū)，也出現(xiàn)了拉張構(gòu)造跡象。盆地內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，形成了多個(gè)構(gòu)造斷塊。渭河盆地可分為六個(gè)亞區(qū)，西部斷隆區(qū)、北部斷坡區(qū)、咸陽斷階區(qū)、高陵—固市斷陷區(qū)、周至—西安斷陷區(qū)和驪山斷隆區(qū)。這些次級(jí)構(gòu)造斷塊都被伸展斷裂帶所圍限。以西安為例，西安位于西安斷陷與驪山斷階的交接部位，其四周分別被渭河南岸斷裂、長(zhǎng)安-臨潼斷裂、河斷裂和浐河斷裂所圍限。(1)渭河南岸斷裂位于西安市北，走向近東西，傾向北，南升北降，年平均地形變速率0.13mm。是渭河盆地基底巖相的分界線。(2)臨潼-長(zhǎng)安斷裂位于西安市南郊，走向北東，傾向北西，南升北降，是西安斷陷一條鏟式邊界斷裂，以浐河為界，東段活動(dòng)強(qiáng)烈，西段相對(duì)較弱。地裂縫就發(fā)育在長(zhǎng)安-臨潼斷裂的上盤與其活動(dòng)息息相關(guān)。(3)河流斷裂位于西安市西郊，沿河近南北向分布，傾向北西，屬次一級(jí)斷裂，活動(dòng)相對(duì)微弱。(4)浐河斷裂位于西安市東郊，沿浐河北北西向分布，傾向北東，活動(dòng)微弱。西安地裂縫與其周圍的斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，加上煤礦的開采，地裂縫災(zāi)害更為顯著。

2. 地震誘發(fā)地裂縫和地面沉降

地裂縫的產(chǎn)生與地震活動(dòng)也有一定關(guān)系。渭河盆地屬地震多發(fā)區(qū)，渭河斷裂帶是其中比較強(qiáng)烈的地震帶，超過五級(jí)以上的地震對(duì)地裂縫的發(fā)展有一定影響，自1976年唐山大地震后，地裂縫的活動(dòng)明顯增多。地震的等級(jí)、震中距、震源深度都影響著地裂縫的形成。一般震級(jí)越大地裂縫發(fā)育越多、越深。地裂縫和地震都是地質(zhì)災(zāi)害，都屬于地殼活動(dòng)、地球內(nèi)部釋放能量的一種方式，地裂縫的形成、發(fā)展與其所處的構(gòu)造環(huán)境有著密切的關(guān)系。

3. 人類活動(dòng)導(dǎo)致地裂和地面沉降

除了自然構(gòu)造環(huán)境以及地球內(nèi)力作用外，人類活動(dòng)對(duì)地面變形也起到了明顯的作用，比如抽取地下水和開采地下礦產(chǎn)等也會(huì)造成地裂縫、地面沉降和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。尤其是由于人類活動(dòng)引發(fā)的地面沉降問題愈發(fā)顯著，在世界范圍內(nèi)多個(gè)城市引發(fā)惡果。其中我國(guó)大約50個(gè)城市受到地面沉降災(zāi)害的嚴(yán)重影響，比如西安、天津、上海等地。其中西安的地面沉降還伴隨著地裂縫。自1959年首次地陷至今，市區(qū)沉降量大于500毫米的面積達(dá)30平方公里，最大累計(jì)沉降量達(dá)1800多毫米。同時(shí)，地下有13條東西走向的地裂縫，裂縫總長(zhǎng)度超過50公里。地裂縫和地面沉降會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致地面建筑物傾斜或下陷、地下排水等公共設(shè)施受損。比如西安的唐大雁塔，傾斜已達(dá)上千毫米，西安城區(qū)南部，由于裂縫活動(dòng)劇烈，造成地面和臺(tái)階嚴(yán)重?fù)p毀，這些都嚴(yán)重影響人們的正常生活、出行等活動(dòng)。

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)地下礦產(chǎn)資源的需求和開采日益加大，比如石油、天然氣、礦石、地下水等等。其中地下水的過度開采是引發(fā)世界范圍內(nèi)城市地面沉降的最主要的原因。由于城市化進(jìn)程的加快，人口激增，需水量大幅提高，并且農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展都需要大量水資源來支撐，當(dāng)?shù)乇硭蛔阋詽M足社會(huì)發(fā)展需求的時(shí)候，越來越多地區(qū)和城市采用抽取地下水來滿足需求，并且近些年地下水超采越來越明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)地下水超采區(qū)400多個(gè)，總面積達(dá)到62萬平方公里，主要分布在華北平原、山西六大盆地、關(guān)中平原、松嫩平原、下遼河平原、西北內(nèi)陸盆地的部分流域、長(zhǎng)江三角洲、東南沿海平原等地區(qū)，其中近六十個(gè)城市屬于嚴(yán)重超采。由于地下水和底層之間存在一種承壓力，可以支撐上面的土地，但當(dāng)?shù)叵滤畬映槿∵^量的時(shí)候，地下形成大漏斗，地層結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力改變，進(jìn)一步導(dǎo)致地面沉降，當(dāng)沉降幅度不一致時(shí)，又會(huì)進(jìn)一步引發(fā)地裂縫災(zāi)害的產(chǎn)生。

除了地下水過度開采導(dǎo)致地面沉降外，一些資源型城市，挖采地下固體礦物和石油、天然氣都是地面沉降的人為誘因。

另外，地下工程建設(shè)，如地鐵施工也會(huì)引發(fā)地面沉降。這些都會(huì)危及施工人員和居民人身安全以及造成人民財(cái)產(chǎn)損失。

二、地裂與地面沉降對(duì)建筑工程的影響

地裂縫和地面沉降對(duì)城市的建設(shè)和發(fā)展帶來了極大的危害。一方面地裂和地面沉降直接對(duì)上層建筑物造成破壞，這影響了工程建筑的安全性，另一方面，地裂和地面沉降引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害也會(huì)干擾城市的布局發(fā)展。地裂縫的活動(dòng)會(huì)引起周圍地質(zhì)的變形和移動(dòng)，這同時(shí)也使上層建筑物地基變形。地基的裂縫和不均勻沉降又進(jìn)一步引發(fā)建筑物的下沉、裂縫甚至坍塌，造成經(jīng)濟(jì)損失也危害公眾安全。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人口增多，交通壓力增大。越來越多的城市在城市交通發(fā)展上大力開展軌交、高速鐵路、高架橋建設(shè)、橋梁建設(shè)等。而地裂和地面沉降作為慢性地質(zhì)災(zāi)害對(duì)以上建設(shè)有嚴(yán)重的影響。就地面沉降而言，工程專家認(rèn)為，建筑物壓力和車載壓力作用下引發(fā)少量地面沉降是不可避免的。而通常情況下地面的沉降是均勻的，表現(xiàn)在路面上為少量細(xì)小裂縫，但如果出現(xiàn)不均勻沉降，則非常容易引起建筑體墻體開裂、傾斜甚至倒塌的情況發(fā)生。在建筑工程方面，結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因很多，除了不均勻沉降外還有溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮、干縮變形等，以及各種因素的綜合作用結(jié)果。按裂縫的成因，墻體裂縫可分為受力裂縫和非受力裂縫兩大類。各種直接荷載作用下，墻體產(chǎn)生的裂縫稱為受力裂縫，而砌體因收縮、溫度、濕度變化、地基沉陷不均勻等引起的裂縫是非受力裂縫，又稱為變形裂縫。由地裂縫和地面沉降引發(fā)的建筑體裂縫是變形裂縫。

裂縫與地面沉降是地理環(huán)境和人類活動(dòng)共同作用之下的結(jié)果。自然地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境是難以抗拒的自然因素，人類無法徹底改變，但是可以通過一些合理的城市布局和建筑工程措施，使砌體房屋墻體的裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展達(dá)到可接受的程度，盡量將地裂和地面沉降造成的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失降到最低。在上述引發(fā)地裂和地面沉降的原因中，人類超采地下水和礦物、石油、天然氣等地下資源是誘發(fā)地面沉降的重要人為原因。針對(duì)這個(gè)原因，要建立地下水位的監(jiān)測(cè)與報(bào)告體系，嚴(yán)格控制地下資源的開采量，做到有效預(yù)防措施。對(duì)于已經(jīng)造成地面沉降的區(qū)域，可以采取地下水回填等措施加以彌補(bǔ)和治理。

三、災(zāi)害預(yù)防措施

1. 加強(qiáng)針對(duì)地裂縫和地面沉降的工程建設(shè)設(shè)計(jì)

在建筑規(guī)劃和建筑的結(jié)構(gòu)和加固技術(shù)上大力研究。在工程整體布局上充分考慮當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境的情況。比如對(duì)于地裂縫嚴(yán)重區(qū)域，計(jì)算安全避讓距離，進(jìn)行合理布局。在建筑的工藝設(shè)計(jì)上針對(duì)地裂縫和地面沉降做到結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)加固。

防止主要由地基沉降引起的裂縫，可采用下列工程措施：⑴建筑物的體型力求簡(jiǎn)單；⑵合理設(shè)置沉降縫。在建筑物平面轉(zhuǎn)折處、建筑高度荷載突變處、結(jié)構(gòu)類型不同處以及地基土軟硬交界處設(shè)置沉降縫；⑶減輕結(jié)構(gòu)自重；⑷增強(qiáng)建筑物的剛度和強(qiáng)度，設(shè)置封閉圈梁和構(gòu)造柱，特別是增強(qiáng)頂層和底層圈梁、合理布置縱橫墻、采用整體性好、剛度大的基礎(chǔ)形式等；⑸減小或調(diào)整基底的附加應(yīng)力。改變基礎(chǔ)地面尺寸，使不同荷載的基礎(chǔ)沉降量接近。

通過地裂和地面沉降的產(chǎn)生機(jī)理的分析研究和地裂縫和地面沉降給人類生產(chǎn)生活帶來的影響和損失，我們可以看到只有正確認(rèn)識(shí)自然、合理利用自然資源才能使我們的社會(huì)繁榮發(fā)展。以地裂和地面沉降自然災(zāi)害為例，我們應(yīng)該更加清楚的認(rèn)識(shí)到人地關(guān)系的發(fā)展方向。

自然環(huán)境和人類活動(dòng)就像是蹺蹺板的兩頭。自然環(huán)境為人類提供生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境，同時(shí)一些自然災(zāi)害也會(huì)給人類帶來損失和災(zāi)難；而人類活動(dòng)就是在自然環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種生產(chǎn)活動(dòng)。隨著社會(huì)生產(chǎn)力水平的提高，人類對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行改造的能力隨之增強(qiáng)。人類的改造能力就像是蹺蹺板的支點(diǎn)，靠近人類活動(dòng)一側(cè)，意味著改造能力弱，受自然環(huán)境制約大；相反，靠近自然環(huán)境一側(cè)，改造能力強(qiáng)，過度改造，這都會(huì)引起蹺蹺板的失衡。兩種方式在人類發(fā)展的歷史上都已經(jīng)出現(xiàn)過，而現(xiàn)在我們更加追求的是平衡的支點(diǎn)，只有人類與自然環(huán)境平衡協(xié)調(diào)發(fā)展，人類社會(huì)才能長(zhǎng)久延續(xù)。

2. 加強(qiáng)地裂縫和地面沉降的監(jiān)測(cè)與調(diào)查

建立全國(guó)地裂、地面沉降監(jiān)測(cè)與調(diào)查網(wǎng)絡(luò)。全面查明地面沉降分布、成因、發(fā)展趨勢(shì)和災(zāi)害損失，以及災(zāi)害損失評(píng)估。為治理以及城市規(guī)劃、布局、重點(diǎn)、重大項(xiàng)目建設(shè)提供依據(jù)。對(duì)于預(yù)估災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)采取避讓，在必須建設(shè)項(xiàng)目的地區(qū)針對(duì)地裂和地面沉降做出工程建設(shè)的優(yōu)化和防災(zāi)設(shè)計(jì)。

目前我國(guó)監(jiān)測(cè)與調(diào)查系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是：在地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，逐步建立長(zhǎng)江三角洲、華北平原、汾渭盆地、松嫩平原、珠江三角洲、江漢—洞庭湖平原等重點(diǎn)地區(qū)，以及高速及重載鐵路、高速公路、南水北調(diào)工程、西氣東輸?shù)戎卮蠊こ虆^(qū)的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)。同時(shí)，結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)地面沉降三維監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控。