西安地裂縫常規(guī)監(jiān)測(cè)方法及近期活動(dòng)規(guī)律

李 勇

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西西安 710054)

0 前言

西安地裂縫與地面沉降自20世紀(jì)60年代初發(fā)現(xiàn)至今已有五十多年的歷史［1］，二者形成機(jī)制雖然并不相同，但發(fā)生在同一地區(qū)，抽水引發(fā)的附加應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)變場(chǎng)的疊加作用產(chǎn)生了雙重效應(yīng)，二者相互影響，已經(jīng)成為西安地區(qū)影響最為深遠(yuǎn)、最為嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題［2］。其具有持續(xù)性、局部性和隱蔽性等特征，對(duì)城市建設(shè)及規(guī)劃的損害尤其為大。為避免損失，為城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃提供有效參考，對(duì)西安地區(qū)地裂縫的監(jiān)測(cè)自20世紀(jì)90年代以來(lái)從未間斷，而地面沉降監(jiān)測(cè)則由于經(jīng)費(fèi)原因，1992～2002年一度停止，連續(xù)數(shù)據(jù)中間形成了一定的空白。

截至2011年底，在西安地區(qū)經(jīng)勘察確定的地裂縫帶有14條。地裂縫的總體走向?yàn)镹EE，彼此以0.6～1.5km的間距近似平行的展布。由北至南依次是:東三爻—曲江池地裂縫帶(DX1)、南寨子—新小寨地裂縫帶(DX2)、清梁山地裂縫(DX3)、南三爻—射擊場(chǎng)地裂縫帶(D1)、陜西師范大學(xué)—陸家寨地裂縫帶(D2)、大雁塔—北池頭地裂縫帶(D3)、陜西賓館—小寨地裂縫帶(D4)、沙井村—秦川廠地裂縫帶(D5)、黃雁村—和平門地裂縫帶(D6)、西北大學(xué)—西光廠地裂縫帶(D7)、勞動(dòng)公園—鐵路材料總廠地裂縫帶(D8)、紅廟坡—八府莊地裂縫(D9)、大明宮—辛家廟地裂縫帶(D10)和方新村—井上村地裂縫帶(D11)。

西安地裂縫均沿黃土梁展布，除南邊的D3及D4的一部分發(fā)育在黃土梁北側(cè)外，其余都發(fā)育在黃土梁的南側(cè);地裂縫破裂呈鋸齒狀，整條地裂縫呈波狀或折射狀;活動(dòng)強(qiáng)烈的地裂縫連貫也較強(qiáng);活動(dòng)弱的地裂縫連貫性也較弱。

西安市周邊的地面沉降主要發(fā)生在城區(qū)和近郊［3］，西安沉降區(qū)自1959年開(kāi)始大范圍監(jiān)測(cè)以來(lái)，截至1996年，形成了小寨、鐵爐廟、沙坡村、胡家廟、八里村等7個(gè)沉降中心。波及范圍已達(dá)200km2，最大沉降量達(dá)2600mm。自當(dāng)?shù)卣匾暡⑾薏傻叵滤?，地面沉降速率已?002年開(kāi)始逐年減小，并且沉降中心位置開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)移變化。367m地層壓密量由2002年的42mm減小到2011年的5.78mm，并形成了4個(gè)新的沉降中心，包括丈八北路、丈八東路、東三爻村和曲江新區(qū)沉降中心［4］。

2006年以來(lái)，西安地裂縫監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)展緩慢，對(duì)西安地裂縫與地面沉降的監(jiān)測(cè)設(shè)施維護(hù)不足。此前研究認(rèn)為，西安市地裂縫由地質(zhì)斷裂構(gòu)造主導(dǎo)，且由承壓水位變化而導(dǎo)致的地面不均勻沉降因素加劇變化。自1959起，西安市地裂縫一直進(jìn)行著間歇式的蠕變，1988年開(kāi)始由于地下水位下降劇烈而導(dǎo)致地裂縫開(kāi)始加劇活動(dòng)，地下水位下降引發(fā)的地面不均勻沉降成為了影響地裂縫活動(dòng)量的主要因素，因此避免地面不均勻沉降成為了遏制地裂縫活動(dòng)的主要手段和方向。后來(lái)在西安市政府多方努力下，地下水開(kāi)采得到了控制，地裂縫活動(dòng)也逐年減弱。但近期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示進(jìn)入地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍期時(shí)，地裂縫的影響機(jī)制發(fā)生了改變，其活動(dòng)量的主要影響因素已經(jīng)發(fā)生變化，急需建立新的監(jiān)測(cè)對(duì)策。

1 西安地裂縫監(jiān)測(cè)方法

西安地裂縫常規(guī)監(jiān)測(cè)使用水準(zhǔn)點(diǎn)與三位活動(dòng)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另外也有非常規(guī)監(jiān)測(cè)手段，諸如GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)等。地面沉降常規(guī)監(jiān)測(cè)使用分層標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，非常規(guī)監(jiān)測(cè)包括INSAR(合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量)等監(jiān)測(cè)手段。由于近年來(lái)分層標(biāo)破壞嚴(yán)重，截至2011年底僅剩一組5孔的分層標(biāo)尚在正常運(yùn)行。所以其數(shù)據(jù)代表性被削弱，因此在進(jìn)行地面沉降活動(dòng)分析時(shí)也可根據(jù)地裂縫活動(dòng)劇烈程度進(jìn)行逆推判斷。

1.1 水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)

水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)是最常用的一種地裂縫形變監(jiān)測(cè)手段，該手段自20世紀(jì)90年代以來(lái)一直沿用至今。目前西安市共布設(shè)了多個(gè)國(guó)家Ⅰ等水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)地裂縫活動(dòng)持續(xù)進(jìn)行著監(jiān)測(cè)。水準(zhǔn)點(diǎn)是按照國(guó)家測(cè)量規(guī)范(GB12897—91)中的要求進(jìn)行預(yù)制和埋設(shè)的混凝土水準(zhǔn)標(biāo)石。(圖1)其通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)高差變化來(lái)確定垂直位移量，監(jiān)測(cè)精度為0.01mm。

圖1 水準(zhǔn)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of benchmark

(1)水準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)

水準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)是在地裂縫兩側(cè)(西安一般是南側(cè)和北側(cè))各埋設(shè)一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)水準(zhǔn)儀讀數(shù)差來(lái)確定高差，兩次高差相減值即為兩次測(cè)量時(shí)間段內(nèi)(一般為一季度測(cè)量一次)的垂直活動(dòng)量(圖2)。

(2)水準(zhǔn)剖面監(jiān)測(cè)

西安地裂縫往往具有次裂縫，是其在地裂縫活動(dòng)時(shí)強(qiáng)大應(yīng)力形成地裂縫沿線周圍土體的破碎帶造成的(圖3)，該影響寬度范圍內(nèi)建筑物同樣會(huì)遭到破壞。水準(zhǔn)剖面是在垂直橫跨地裂縫的一定范圍內(nèi)布設(shè)多個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，排成直線或者曲線形態(tài)的一種監(jiān)測(cè)方法。其通過(guò)水準(zhǔn)點(diǎn)彼此高差變化來(lái)判定地裂縫影響帶寬度與地裂縫影響帶寬內(nèi)某段距離內(nèi)地裂縫對(duì)工程的影響程度大小(圖4)。

圖2 水準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)Fig.2 Benchmark spotting monitoring

圖3 地裂縫主裂縫及次裂縫Fig.3 Major fracture and minor fracture of groud fracture

圖4 跨地裂縫水準(zhǔn)剖面Fig.4 Benchmark section of crossing ground fracture

1.2 地裂縫三維活動(dòng)監(jiān)測(cè)

地裂縫三維活動(dòng)監(jiān)測(cè)是一種同時(shí)對(duì)地裂縫的垂直、水平、扭動(dòng)(水平錯(cuò)動(dòng))的三維活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的一種高精度監(jiān)測(cè)手段，其使用兩臺(tái)DSJ型水平斷層活動(dòng)測(cè)量?jī)x和一臺(tái)YSL型垂直變形測(cè)量?jī)x橫跨地裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中一臺(tái)DSJ與YSL正交地裂縫設(shè)置，一臺(tái)YSL與地裂縫呈30°斜交設(shè)置(圖5)。分別對(duì)地裂縫水平引張量、兩盤垂直相對(duì)沉降量及水平扭動(dòng)量進(jìn)行觀測(cè)。儀器采用自動(dòng)記錄，一周一次人工換紙，其圖紙曲線可以實(shí)時(shí)描述地裂縫的運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)量精度可達(dá)0.001mm。西安地面沉降常規(guī)監(jiān)測(cè)使用地面沉降分層標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地面沉降分層標(biāo)埋深為97.31～367.29m，每季度末定期監(jiān)測(cè)。旨在通過(guò)土層變形量近似確定地面沉降量。

圖5 地裂縫三維監(jiān)測(cè)Fig.5 3D monitoring of ground fracture

2 西安地裂縫近期活動(dòng)規(guī)律

2.1 垂向活動(dòng)特征

西安地裂縫2006～2011年垂向活動(dòng)主要表現(xiàn)為南強(qiáng)北弱、西強(qiáng)東弱①2006—2011年度地面沉降與地裂縫監(jiān)測(cè)報(bào)告，李勇.2006—2011.。2006～2010年，地裂縫活動(dòng)逐步減弱。2010年開(kāi)始地裂縫活動(dòng)開(kāi)始反彈，活動(dòng)量逐步增大。水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)顯示其活動(dòng)自2006年起變化開(kāi)始變的不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在其兩盤相對(duì)位移反復(fù)上，2007年D8地裂縫中部由此前南盤相對(duì)下降瞬轉(zhuǎn)至北盤相對(duì)下降，2008年汶川地震爆發(fā)，2009年轉(zhuǎn)回南盤下降，活動(dòng)量與2007年的年累計(jì)變化量基本持平，后恢復(fù)正常南降。該變化顯示地震前附近斷裂活動(dòng)或者應(yīng)力異變對(duì)地裂縫造成了前置影響。而該條地裂縫西部則保持相對(duì)南盤下降，可見(jiàn)同條地裂縫雖連貫但位移不連續(xù)且受力不連續(xù)，顯示了西安地裂縫變化具有局部性的特征。

由于西安已經(jīng)采取了控制地下水開(kāi)采等積極措施，地裂縫活動(dòng)自2006～2010年逐步減弱，但并未停止。除少部分地裂縫以外活動(dòng)量大部分減少至10mm以下。其所受地下水開(kāi)采造成的影響逐漸淡化退居其次。

西安地裂縫靠近西側(cè)隱伏斷裂的部分基本為相對(duì)北盤降低，此非出于巧合，中部則基本為相對(duì)南盤降低，而東部縱跨有一條隱伏斷裂［2］(圖6)，斷裂西側(cè)地裂縫大部南盤下降，東側(cè)則體現(xiàn)在汶川震前南盤下降，震后北盤下降，南側(cè)靠近隱伏斷裂帶附近的DX2為運(yùn)動(dòng)最為激烈的地裂縫帶，其運(yùn)動(dòng)雖然因?yàn)榈叵滤_(kāi)采治理而相對(duì)自己減小，由此可見(jiàn)汶川地震已經(jīng)對(duì)西安隱伏斷裂產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，而地裂縫垂向變化主導(dǎo)因素已由原來(lái)的地下水開(kāi)采引發(fā)的不均勻沉降轉(zhuǎn)變成為了斷裂帶活動(dòng)或者活動(dòng)引發(fā)的地質(zhì)應(yīng)力變化。在地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)逐漸激烈的今天，西安地裂縫所受地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的影響逐漸成為決定其變化量的主要因素。

2.2 三維活動(dòng)特征

之前多個(gè)地裂縫研究與監(jiān)測(cè)都已經(jīng)表明，西安地裂縫活動(dòng)分為三維活動(dòng):即水平引張活動(dòng)，垂向相對(duì)活動(dòng)和扭動(dòng)(錯(cuò)動(dòng))。

西安地裂縫三維活動(dòng)監(jiān)測(cè)顯示D4地裂縫自2006年至2011一直處于微變狀態(tài)，其08年汶川地震時(shí)有一次瞬變(突變量很小)后，依舊穩(wěn)定(圖7)。截至2011年底，基本保持水平拉張變化，左旋扭動(dòng)(逆時(shí)針?lè)较?及當(dāng)?shù)乇北P相對(duì)降低狀態(tài)，去除土體自身熱脹冷縮造成的位移誤差外［5］，該狀態(tài)顯示西安地裂縫宏觀正在進(jìn)行北盤向西、南盤向東的運(yùn)動(dòng)。據(jù)此為西安市跨地裂縫工程建設(shè)提供了有效的防護(hù)依據(jù)。

2.3 西安市地面沉降近期活動(dòng)特征淺析

西安市地面沉降2006～2011年呈逐年減弱趨勢(shì)。期間2008年地震造成了短暫時(shí)間的增大跡象，而2009年亦回歸至地層微壓密量階段。監(jiān)測(cè)顯示地震對(duì)西安地層壓密量未有持久影響，而地層壓密量也以逐年遞減到5～10mm/年的速率。西安市地面沉降由于地下水位下降而加劇的變形量部分［6］因?yàn)槲靼彩胁扇×丝刂频叵滤_(kāi)采等措施而逐漸減輕甚至消除。西安市地面沉降活動(dòng)近期已進(jìn)入穩(wěn)定期。

2.4 西安地裂縫活動(dòng)趨勢(shì)

西安地裂縫2010年前一直處于連續(xù)減弱態(tài)勢(shì)，其地下水位下降影響已變微弱，對(duì)活動(dòng)劇烈程度的主要影響因素轉(zhuǎn)為地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響。近期全球多發(fā)地震火山，進(jìn)入地質(zhì)活躍期，西安地裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果與其吻合。自2010年起，西安地裂縫活動(dòng)開(kāi)始加劇但加劇程度不大，地裂縫活動(dòng)速率開(kāi)始穩(wěn)步回升。預(yù)測(cè)西安地裂縫活動(dòng)將在未來(lái)幾年內(nèi)呈現(xiàn)小幅度攀升趨勢(shì)，西安市各類跨地裂縫地上及地下建筑應(yīng)當(dāng)予以足夠的重視，采取更加頻繁的次數(shù)進(jìn)行地裂縫變形量監(jiān)測(cè)。

圖6 西安地裂縫近期活動(dòng)(年活動(dòng)量)圖(截至2011年底)Fig.6 Adiagram about recent activities of ground fracture in Xi'an(annual activty)(by the end of 2011)

圖7 三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示地震波經(jīng)過(guò)時(shí)地裂縫瞬變Fig.7 Transition of ground fracture shown by 3D real-time monitoring when earthquake waves

3 結(jié)論

3.1 監(jiān)測(cè)方法及成效

多年以來(lái)，水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)以布設(shè)簡(jiǎn)單、測(cè)量精確、監(jiān)測(cè)便捷和成本低廉而倍受青睞，成為西安眾多監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行地面變形測(cè)量的手段之一。其長(zhǎng)期來(lái)作為西安市地裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為西安市積累了大量精確數(shù)據(jù)，由水準(zhǔn)點(diǎn)組成的水準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)和水準(zhǔn)剖面使測(cè)量人員不僅掌握了西安市地區(qū)地裂縫的運(yùn)動(dòng)幅度、趨勢(shì)，還掌握了地裂縫的影響寬度帶，為西安市各類跨地裂縫建設(shè)工程提供了準(zhǔn)確的參考依據(jù);而地裂縫的三維監(jiān)測(cè)和地面沉降的分層標(biāo)監(jiān)測(cè)，則為西安市地裂縫的研究分析提供了翔實(shí)的第一手資料。

3.2 近期的地面沉降及地裂縫活動(dòng)規(guī)律總結(jié)

西安市地面沉降活動(dòng)速率已經(jīng)減低至趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，由地下水開(kāi)采引起的地面不均勻沉降已大部消除，近期地面沉降的變化還將繼續(xù)趨于穩(wěn)定微變狀態(tài);汶川地震對(duì)西安地面沉降及地裂縫的突變影響大于漸變影響，未直接對(duì)西安地面變形造成長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響;現(xiàn)西安市地裂縫運(yùn)動(dòng)量的主要影響因素由地下水開(kāi)采引發(fā)的地面不均勻沉降轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔褬?gòu)造的活動(dòng)影響。進(jìn)入地質(zhì)活躍期后，地裂縫活動(dòng)量(尤其是西南郊區(qū))開(kāi)始反彈，且在垂向相對(duì)運(yùn)動(dòng)中顯示出一定的區(qū)域規(guī)律性。

3.3 存在問(wèn)題及建議

西安地裂縫與地面沉降常規(guī)監(jiān)測(cè)主要依托水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)與分層標(biāo)監(jiān)測(cè)。目前西安市內(nèi)城區(qū)規(guī)劃建設(shè)頻繁，各處水準(zhǔn)點(diǎn)保護(hù)得不到當(dāng)?shù)氐闹匾?，大量被破壞，造成了一定的?shù)據(jù)不連續(xù)性，甚至有的地裂縫上的水準(zhǔn)點(diǎn)被破壞殆盡，近期在其上已經(jīng)無(wú)監(jiān)測(cè)點(diǎn)正常運(yùn)作，為地裂縫的詳盡分析構(gòu)成了障礙。而目前分層標(biāo)也僅有一處，無(wú)法覆蓋西安市的廣大城郊區(qū)，以點(diǎn)代面會(huì)對(duì)分析與結(jié)論造成相當(dāng)?shù)恼`差甚至誤判，對(duì)更進(jìn)一步細(xì)化研究斷層對(duì)地面沉降影響造成了很大困難。

西安地裂縫與地面沉降常規(guī)監(jiān)測(cè)的一個(gè)缺點(diǎn)就是測(cè)量的往往是相對(duì)位移，從而以相對(duì)位移來(lái)體現(xiàn)地裂縫與地面沉降的活動(dòng)劇烈程度，而對(duì)于絕對(duì)活動(dòng)量無(wú)法監(jiān)測(cè)，這不利于進(jìn)一步對(duì)西安周邊斷層的活動(dòng)進(jìn)行分析及判定，以及對(duì)被斷裂帶包圍的西安斷陷活動(dòng)進(jìn)行具體分析。

西安地區(qū)應(yīng)重新布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)、增設(shè)多個(gè)分層標(biāo)，并對(duì)周邊的長(zhǎng)安—臨潼斷裂等構(gòu)造斷裂帶進(jìn)行布控，以使水準(zhǔn)點(diǎn)覆蓋地裂縫并增加地面沉降壓密量的代表性，同時(shí)取得周邊斷裂活動(dòng)的第一手資料，以利于在地質(zhì)構(gòu)造活躍期來(lái)臨之時(shí)，能夠準(zhǔn)確的把握其對(duì)地裂縫與地面沉降的影響規(guī)律，更好的為西安地區(qū)的規(guī)劃及建筑工程服務(wù)。

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