試論濕陷性黃土、水介質(zhì)對西安地裂縫的主要影響

張建軍，茹建國，李　輝

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

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試論濕陷性黃土、水介質(zhì)對西安地裂縫的主要影響

張建軍，茹建國，李輝

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

深入研究西安地裂縫的形成原因，對于合理有效的減輕和防治地裂縫，具有重要的現(xiàn)實意義。依據(jù)大量的監(jiān)測資料，研究認為西安地裂縫，是由于黃土梁洼處的正斷層，在濕陷性黃土、地表水、承壓水或潛水水位持續(xù)上升的共同作用下，特定的時空條件，在地表自下而上的開裂顯露，地鐵的開通，對地裂縫的活動也有一定的影響。

地裂縫；黃土濕陷性；地表水；潛水水位

西安，是西北最大城市，近年來的環(huán)境地質(zhì)問題，尤其是西安地裂縫造成的災害，給西安市造成重大經(jīng)濟損失。地裂縫所到之處，錯斷各類管道、文物古跡，路面、隧道、橋梁及各種建筑物。直接經(jīng)濟損失達到 50 億元。研究地裂縫的形成原因，對于合理有效的減輕和防治地裂縫，具有重要的現(xiàn)實意義。

1　地質(zhì)概況

西安地處渭河盆地中部，受上地幔的隆起，印度板塊向歐亞板塊的碰撞，青藏高原及其相鄰青甘地塊邊向東擠壓，形成近南北的張應力。在這股張應力的作用下，原先已存在的渭河深大斷裂向南北兩側(cè)裂開，產(chǎn)生了渭河盆地。

渭河盆地兩側(cè)在拉張力的作用下產(chǎn)生許多斷塊很自然的要向裂谷中間滑落?；瑒訒r下面遇見了軟弱的高速低導層，在地面表現(xiàn)近垂直斷層面向軟弱地帶延伸，向盆地中間變緩，而成鏟狀。鏟狀斷裂的上盤巖石再向下滑落時又會產(chǎn)生順滑動方向的張力，造成反向的次級、多級“y”型構(gòu)造。臨潼-長安斷裂就是鏟狀斷裂，而西安市中心區(qū)的活斷裂—地裂縫系列f1，f2…f13，f14就是反向斷裂，它們共同組成了“y”形構(gòu)造。

1.1地貌

西安市主要位于臨潼-長安斷裂上盤西北側(cè)，發(fā)育有獨特的黃土梁洼地貌。如圖1。

圖1　西安市梁洼地貌平面圖(張家明)

黃土梁和洼地的剖面形態(tài)均不對稱。黃土梁南高北低，南陡北緩；洼地北深南淺。兩者組成簸箕狀盆地和“南仰北俯”的斷塊形式的盆嶺構(gòu)造地貌。黃土梁南側(cè)陡坡下，均對應發(fā)育著一條南傾南降得隱伏正斷層，黃土梁與洼地的地層結(jié)構(gòu)有顯著差異，洼地比黃土梁接受了更多的沉積。

1.2 巖性

西安表層分布有280 km2的濕陷性黃土，上更系統(tǒng)黃土濕陷性強，濕陷性強，濕陷量大，分布在二級階地及高于二級階地以上的各地貌單元上；全新黃土狀土和素填土濕陷性弱，濕陷量小，前者分布在河流一級階地上，后者主要分布再西安老城區(qū)一帶見圖3。

1.3地下水

1.3.1潛水

西安黃土梁潛水水位埋深28～38 m，洼地水位埋深0.5～15 m以內(nèi)。洼地潛水含水層，為馬蘭(Q3)黃土和古土壤、離石黃土(Q2)及古土壤，地下水主要儲存和運移在大孔隙、裂隙和孔洞中，含水層厚約17～25 m。隔水底板(弱透水層)埋深28米以下。洼地不僅是潛水的局部匯集地段，而且又是降水、地表水的匯集區(qū)。排泄不暢而形成局部“水丘”，導致“輻射流”的產(chǎn)生。見圖2

圖2　鐵爐廟地區(qū)潛水等水位線圖(1990年)

1.3.2承壓水

含水層底板埋深300 m左右，巖性主要有中細砂和黏土互層，水位埋深60～100 m，開采量從50年代7.7×104m3/a到最大開釆量15 400×104m3/a，黑河供水后，城區(qū)自備井限制開采，承壓水頭有所回升，360 m等值線鎖定的降落漏斗面積達246.4km2。

2　濕陷性黃土、水介質(zhì)和地裂縫的關(guān)系

2.1潛水和地裂縫的作用

潛水水位的變化，特別是潛水水位上升時期。見表2，一度決定地裂縫發(fā)展變化。

北郊和東北郊(f1，f2和f3地裂縫范圍)水位上升1.32～1.7 m，年限為1979-1984年，年平均上升0.22～0.43 m，這個時段也是f1(出露總長度4km，發(fā)育帶寬度15 m)，f2(出露總長度9.9 km，發(fā)育帶寬度44～60 m)和f3(出露總長度4.85 km，發(fā)育寬度15～45 m)地裂縫活動最快時期。

東郊及城區(qū)水位(f4、f5和f6地裂縫范圍)上升1.36～3.30 m，年平均上升0.23～0.28 m，年限為1979—1990年，這個時段也是西北大學f4(出露長度5.38 km，發(fā)育寬度24～55 m)、和平門f5(出露長度10.40 km，發(fā)育寬度50～100 m)和草場坡f6(出露長度11.38，發(fā)育帶寬度35～75 m)地裂縫發(fā)展最快的階段。

南郊和東南郊水位上升4.43～6.54 m，年平均上升0.40～0.41 m，年限為1979-1994年，這個時段不僅是臨近的小寨、大雁塔和陜西師范大學地裂縫發(fā)展最快，也是整個地裂縫群 最快成型的時期。

表2　西安城區(qū)黃土洼地地區(qū)潛水水位

從東南到西北，從水位上升時期和幅度，都表現(xiàn)為依次遞減，和地裂縫的活動劇烈程度從東南到西北遞減相一致。

2.2黃土濕陷性與地裂縫的關(guān)系

西安黃土濕陷性由東向西、自南向北方向一次遞減的特征。西安地裂縫有較強的東強西弱、南強北弱的活動特征，兩者具有很強的對應關(guān)系。見圖3。

1) 辛家廟地裂縫(f1)

重型機械廠附近活動強烈，破壞嚴重，此處黃土濕陷等級為自重濕陷II-III級，濕陷性強，1989年以前污水灌溉，致使?jié)撍簧仙S土濕陷發(fā)生，地裂縫活動加劇。

2) 紅廟坡地裂縫(f2)

1980-1985年地裂縫活動明顯，活動速率大于30 mm/a，潛水水位從1980年3 m上升到1984年的1.7 m，年上升0.26 m，地裂縫活動自西向東。有逐漸趨強，濕陷性黃土的等級自西向東從非自重濕陷I級過渡到自重濕陷III級。

3) 勞動公園地裂縫(f3)

東、西兩段活動強烈，城區(qū)活動較弱。東西兩段黃土的濕陷等級為非自重I-II級。這與地裂縫的活動特征大致相同。北石橋大環(huán)河和皂河的滲漏，是地裂縫在此段活動的主要原因。地裂縫活動量為7～9.9 mm/a。

圖3　西安地區(qū)黃土濕陷性性分區(qū)與地裂縫分布關(guān)系

4)西北大學地裂縫(f4)：西段活動比較強烈，尤其位于西北大學附近活動最強烈，活動速率最大達26 mm/a，主要原因為護城河滲漏，引起黃土濕陷。該條地裂縫西段所處的黃土濕陷等級為非自重I級，但在西北大學附近其濕陷等級達到III級自重濕陷。濕陷性分布和地裂縫有著較強對應關(guān)系。

5)和平門地裂縫(f5)：西段活動較弱，東段活動強烈，護城河和興慶公園附近地裂縫活動明顯，主要原因：為護城河和興慶湖滲漏包氣帶，致使?jié)撍簧仙?，此處的黃土濕陷等級為自重濕陷II級。而東段地裂縫更是劇烈活動，最大活動速率達35 mm/a，十五街坊處所造成的陡坎已超過600 mm。而東段的濕陷性等級為自重濕陷II-III級，局部地段達自重濕陷IV級。

6)秦川廠地裂縫(f6)：中斷、東段活動較為強烈，西段活動較弱，長安立交地裂縫活動強烈，錯位達210 mm，該立交地下為南郊的大環(huán)河，主要為大環(huán)河滲漏所致。此段為黃土濕陷等級自重III級，局部達IV級。東段秦川中學北圍墻破壞嚴重、路面斷錯和秦川廠1-5號家屬樓嚴重開裂，而該地段的黃土濕陷等級為自重濕陷III級。

7)小寨地裂縫(f7)

是西安出露最長的地裂縫，東方廠住宅區(qū)38號樓裂開嚴重，加固三次，省委大院小北樓破裂嚴重。自西向東，地裂縫活動逐漸增強，濕陷性黃土從非自重I級，過渡到自重III級到IV級。f7鐵爐廟潛水水位埋深從1978年12.48 m上升到到1994年的6.26 m。水位抬升6.22 m，年上升速率0.39 m。水位上升的階段，也是地裂縫發(fā)展最快的階段。1990-1996年f7的活動速率在 35～55 mm/a，為活動最強時期時期，水位的變化與地裂縫的發(fā)展具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)0.87。見圖4，長期潛水水位緩慢上升，是黃土濕陷性加劇，地裂縫持續(xù)蠕變。

8)大雁塔地裂縫(f8)

東段、西段活動較弱，中間段含光路至北池頭，活動強烈，大雁塔大雄寶殿和圍墻破裂，西側(cè)環(huán)塔路，垂直變形帶寬度超過40 m。其中北池頭附近的黃頭濕陷等級由非自重I級過渡到自重濕陷II-III級，北池頭洼地1990年以前，是污水灌區(qū)范圍，污水滲入包氣帶致使地下水位上升，北池頭的558號潛水井，水位埋深從1980年的5.32 m，持續(xù)而上升到1985年的0.54 m，水位上升是造成地裂縫活動加劇的主要原因。

圖4　小寨地裂縫活動與潛水水位變化曲線

9)陜西師范大學地裂縫(f9)

陜西師大住宅區(qū)43號樓開裂嚴重，活動速率為20 mm/a，陜西師范大學與長延堡處均屬于自重黃土濕陷自重II-III級，該地也屬污水灌區(qū)，地裂縫活動加劇同上條原因相同。

10)新開門地裂縫(f10)

活動量不大，1990-1996年平均活動速率0.33 mm/a，累計活動量72.56 mm，雁塔南路路面清晰可見，西三爻附近的濕陷等級為自重濕陷III級，西開門和黃渠頭附近為非自重濕陷I-II級。

11)東三爻地裂縫(f11)：雁塔南路與雁南五路十字東北因曲江水廠的管道漏水浸泡致使出露與地表。而該處的黃土濕陷等級為自重濕陷III級。

電視塔東南f11監(jiān)測點，自重濕陷II級，原來活動量在5.3～12.7 mm∕a。自從2007年地鐵開始建設(shè)到通車以后，多年平均活動量28.62 mm/a，是近年來所有監(jiān)測點活動最強烈的一個監(jiān)測點。該地裂縫南傾南降，走向NE 70°～85°，下盤為黃土梁，上盤為洼地，地鐵2號線緊鄰監(jiān)測點從長安路地下南北穿過，埋深20 m。截至2015年，地鐵西側(cè)地裂縫累計活動量120 mm，開裂寬度超過10 mm；東側(cè)累計活動量240 mm，開裂寬度超過30 mm，潛水水位埋深11.31 m，區(qū)域地下水從東南流向西北，地鐵線路如一條隔水墻，局部改變地下水流場，引起水位雍升，相對抬高了地鐵東側(cè)洼地地下水水位，地鐵東西兩側(cè)水位東高西低。引起黃土濕陷，產(chǎn)生不均勻沉降，致使地裂縫活動加劇。地鐵兩側(cè)地裂縫發(fā)生“東重西輕”的活動變化。

12)東三爻-曲江池(f12f13)地裂縫：東三爻附近為Ⅱ級非自重濕陷，射擊場南為I級非自重濕陷，再向EN 過渡到Ⅱ級非自重濕陷和III級自重濕陷。西段東三爻地面開裂10 mm，南降50 mm，出露長度約500 m。東段2001年6月一場暴雨出露地表的農(nóng)田中，呈竄珠狀落水洞延伸，縫寬80～100 mm，落水洞最大直徑1 500 mm，出露長度1 000 m。呈現(xiàn)東西兩端活動強烈，中部稍弱，和本區(qū)黃土濕陷性相對應。

13)清涼山地裂縫(f14)

出露地段為清涼山東南側(cè)地表，1986年發(fā)現(xiàn)，雨后農(nóng)田出現(xiàn)了10 cm寬的裂縫，南傾南降，兩者高差約10 cm，此后累計超過40 cm。此地段濕陷為Ⅱ級非自重濕陷。

3　地裂縫的形成機制

潛水水位因素：以鐵爐廟地區(qū)為例，來分析其形成機制。觀音廟洼地呈北東向展布，夾于大雁塔和樂游原黃土梁之間。小寨(f7)地裂縫就位于洼地和樂游原黃土梁的分界線附近。鐵爐廟地處觀音廟洼地中心，濕陷性馬蘭黃土厚約13 m，底下為1.35 m的古土壤。洼地也是自備井開采漏斗中心和地面面沉降中心，累計沉降量達2.6 m。本地區(qū)潛水水位普遍高于周圍地區(qū)，水位從中心向周圍發(fā)散流動，見圖3。當一場有效降雨后，由于黃土的滲透系數(shù)垂直大于水平，并使其水平的2～10倍，降水優(yōu)先沿黃土的垂直裂隙，孔隙和空洞下滲，達到毛細帶和潛水面，地表很快在洼地中心積水，猶如一個黃土的“試坑浸水試驗”。積水下滲是毛細帶和潛水面逐漸向四周擴展和上升，土體含水量逐漸增加而達到飽和，導致土的抗剪強度降低，黃土層的濕陷起始壓力小于上覆土的飽和自重壓力時則土層將下沉，但由于周圍未浸濕土體仍具有較高的抗剪強度，他對中間浸水飽和土體的下沉起有約束作用。當浸水范圍較小時，則濕陷仍不產(chǎn)生。在水的滲透力持續(xù)作用下，浸水范圍較大時，飽和土體的自重足以克服未浸濕土體的摩擦力，崩解作用發(fā)生，則土體將由于自重作用而下沉，而產(chǎn)生黃土濕陷。在地表產(chǎn)生張性開裂。

如果洼地中心浸水范圍足夠大，濕陷進一步發(fā)展，形成洼地中心到黃土梁數(shù)條平行黃土梁走向，大小不一，主次分明橢圓形同心狀裂縫，長軸NE，洼地北深南淺，潛水北邊水力梯度大于南邊，北邊裂縫發(fā)育好于洼地南邊。剖面上從洼地中心到黃土梁形成一步步上升的臺階，洼地中心北邊的臺階，較南邊更發(fā)育，臺階的分界線，一般為裂縫的發(fā)育處。再進一步發(fā)展到隱伏活性正斷層處，則由于黃土不均勻濕陷、潛水滲透力和自重力作用，導致自下向上地表開裂，平面和剖面上次級裂縫和活斷層主裂縫相通，形成西安的地裂縫。

鐵爐廟村中，地裂縫的地表的破裂連續(xù)，主裂縫寬度一般為30～50 mm，最大可大200 mm， 傾向南，傾角75°，分枝裂縫分布寬度可達10 m左右，它主要位于主裂縫南側(cè)，與主裂縫平行或呈樹枝狀想接。在剖面上，兩者呈“Y”型組合[2]。

大氣降水的影響：西安城區(qū)由于不合理開采承壓水，導致發(fā)生地面沉降，沉降區(qū)為橢圓狀，沉降漏斗限于兩條地裂縫之間，水平上向NE發(fā)展，地面沉降中心和洼地疊加重合，洼地中心更顯低凹，每年5-10月，一場持續(xù)較長大雨或暴雨后，在洼地中心將匯入更多大氣降水和面積更大的地表徑流，直接流入原隱伏活正斷層處，沿斷層面向下和沿著斷層走向向兩端徑流和滲入，發(fā)生潛蝕管涌和黃土濕陷變形，在地表常常出現(xiàn)串珠狀塌陷或地槽，最大寬度可達0.5 m，向上延伸至地表，并在地表開裂顯露大小不一，主次分明樹枝狀或花狀的，地下相連相通裂縫。形成西安的地裂縫現(xiàn)象。

4　結(jié)語

西安梁洼分界線附近隱形正斷層的現(xiàn)今活動，是形成西安地裂縫的內(nèi)在原因。黃土的濕陷性，特別是馬蘭黃土，在地表水、承壓水和潛水的共同作用下，是引起西安地裂縫活動發(fā)展的主要因素。

(1)不合理的承壓開采，是西安地面沉降的主要因素，而沉降中心和黃土洼地的疊加和重合，是沉降中心更加低凹，將會匯集更多大氣降水和面積更大的地表徑流。每年5-10月持續(xù)的大雨或暴雨，而流向隱伏斷層是形成地裂縫和雨后地裂縫活動劇烈的主要原因。

(2)工業(yè)和生活廢水任意排放，污水灌溉及大氣降水，通過包氣帶的滲入，引起潛水水位持續(xù)上升，黃土濕陷發(fā)生，形成西安地裂縫，是地裂縫長期蠕動的主要原因。監(jiān)測和控制好潛水水位，對地裂縫的發(fā)展，有一定制控作用。

(3)地鐵的開通，引起地下水流場改變，進而產(chǎn)生黃土濕陷變形，引起地裂縫活動。應是我們今后應該研究的方向之一。

[1]張家明.西安地裂縫研究[M]．西北大學出版社．1990．6.

[2]陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.西安地裂縫報告[R].2007-2013.

[3]彭建兵，等.西安地裂縫災害[M].北京：科學出版社．2012.

[4]錢鴻縉，王繼唐，羅宇生，等.濕陷性黃土地基[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.1987.

[5]陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站．西安地區(qū)地裂縫與地面沉降調(diào)查報告[R]. 2009．8.

[6]陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一水文地質(zhì)工程隊.陜西省渭北黃土臺原區(qū)黃土地下水賦存條件與運移特征研究報告[R]．1984．8.

[7]李善安，黃潤秋，彭建兵．黃土崩解性實驗研究[D]．巖土力學與工程學報．2009．5.

[8]陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局水文地質(zhì)總站．西安地區(qū)地下水位年鑒．1978-1983[M]．1986，5.

[9]陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局水文地質(zhì)總站．西安地區(qū)地下水位年鑒．1984-1988年[M]．1991．5.

[10]陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)廳.陜西省計劃委員會編制[M]．西安地區(qū)環(huán)境地質(zhì)圖集．西安：西安地圖出版社．1999．4.

Main Influences of Collapsible Loess Water Medium on Xi’an Ground Fissures

ZHANG Jian-jun，RU Jian-guo，LIHui

(Shaanxi provincial Geological Environment Monitoring General Station，xian 710054 shaanxi)

To further study formed reasons of ground fissures in Xi’an, it has great significance for reasonable and effective to mitigate and prevent ground fissures. Based on the mass monitoring data, the ground fissures in Xi’an are formed by the normal fault at loess depression gradually exposed，which influenced by collapsible loess, water level rise of surface water and ground water under the specific space and time condition. Metro operation also has influence on the ground fissures movement.

Ground fissures；loess collapsibility；surface water and groundwater level

2016-03-01

張建軍(1962-)，男，陜西西安人，工程師，主要從事地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作。

P641.13+1

B

1004-1184(2016)04-0100-04