西安地裂縫成因機理及災(zāi)害防治措施分析

沈紅艷，付善春，李世成，王福龍，劉佳易

（信陽學院a.圖書館；b.土木工程學院，河南信陽464000）

我國是受地裂縫災(zāi)害影響最為嚴重的國家之一，但在地裂縫問題的系統(tǒng)研究方面起步比較晚。謝廣林[1]分析了地裂縫分布區(qū)域性特點和地殼活動趨勢的聯(lián)系，認為地裂縫是區(qū)域性地殼劇烈變動在地表產(chǎn)生的一種緩慢變形，并提出構(gòu)造成因觀；易學發(fā)[2]考慮了地面不均勻沉降和深水井水位動態(tài)變化與地裂縫活動之間的時間關(guān)系，認為西安地裂縫發(fā)展的主要原因是超采地下承壓水導(dǎo)致的地面下沉；夏其發(fā)和張咸恭[3]通過對汾渭地塹地裂縫成因的研究，提出了地裂縫是由構(gòu)造和地震作用，其后又受人類活動和外力作用共同作用的結(jié)果。武強等[4]研究分析了我國地裂縫災(zāi)害的分布特征，認為地裂縫具有不可抗拒性、成帶性、方向性和周期性的災(zāi)害特點，并根據(jù)地裂縫的不同成因提出了建筑物加固及減輕地裂縫災(zāi)害的措施；李新生[5]等認為西安地裂縫的形成和發(fā)展主要受地質(zhì)構(gòu)造和人類活動等因素的影響，而近期地裂縫的劇烈活動主要由過度汲取地下承壓水引起的地面不均勻沉降引起，并預(yù)測西安地裂縫的劇烈活動有減緩或逐漸穩(wěn)定的趨勢。

1 西安地裂縫的基本特征

1.1 西安地裂縫的分布特征

西安城郊區(qū)自北向南共發(fā)現(xiàn)地裂縫帶13條，包括已出露地表的地裂縫和未出露的隱伏地裂縫，其中幾條地裂縫周圍還伴有次生地裂縫。其分布范圍西至唣河，東到紡織城，南起三爻村，北至井上村，面積約155 km2，地裂縫帶出露總長度72 km，延伸總長度約114 km。西安地裂縫主要發(fā)育在特殊的黃土梁洼地貌范圍內(nèi)，具有成帶狀發(fā)育、準平行等間距、西北向展布和主地裂縫均顯示南傾南降的特點。

西安地裂縫具體分布如圖1，采用自北向南的編號順序分別為：大明宮-辛家廟地裂縫帶（f1）、紅廟坡-八府莊地裂縫帶（f2）、勞動公園-鐵路材料總廠地裂縫帶（f3）、西北大學-西光廠地裂縫帶（f4）、黃雁村-和平門地裂縫帶（f5）、沙井村-秦川廠地裂縫帶（f6）、小寨-鐵爐廟地裂縫帶（f7）、大雁塔-北池頭地裂縫帶（f8）、陜西師范大學-陸家寨地裂縫帶（f9）、新開門-電視塔南地裂縫帶（f10）、新小寨地裂縫帶（f11）、東三爻地裂縫帶（f12）、曲江池地裂縫帶（f13）。

圖1 西安市地裂縫分布圖

目前，西安城郊區(qū)十余條地裂縫在發(fā)生時間上雖然有著先后遞進次序，在細部構(gòu)造上呈現(xiàn)出幾種不同的破壞形態(tài)，但仍存在著許多共同特點[2]（圖2）：①地裂縫均發(fā)育在特定的構(gòu)造地貌處，主要位于黃土梁南側(cè)的坡腳下，沿黃土梁和洼地過渡帶延伸。②宏觀上有統(tǒng)一的延伸方向，總體走向為西北70°～80°，近似平行于臨潼-長安斷裂，且多由主裂縫和其伴生次裂縫組合而成，帶寬從數(shù)米到數(shù)十米。③地裂縫總體具有連續(xù)性，每條地裂縫可達數(shù)公里至數(shù)十公里的延伸長度；主地裂縫基本上為平行等距排列，每條地裂縫帶間距1.2～1.8km。④主、次地裂縫在地表出露形式多樣，呈鋸齒狀、斜列狀、雁列狀等破裂形態(tài)，剖面上多呈鋸齒狀或階梯狀，裂面粗糙且裂口呈現(xiàn)上寬下窄。

圖2 西安地裂縫與地貌構(gòu)造關(guān)系圖

1.2 西安地裂縫的成因機理

1）地下水成因說

地下水成因說是西安地裂縫成因最早提出的觀點。此觀點認為西安地裂縫是由于過量抽取地下水導(dǎo)致大面積地面沉降引起的，在差異沉降劇變帶上，由于兩側(cè)巖土體變形差大于其極限應(yīng)變能力而導(dǎo)致了地裂縫的產(chǎn)生。多年來由于西安市近郊區(qū)過量抽汲地下水，致使承壓水位大幅度下降，導(dǎo)致地層釋水壓密，引發(fā)了大面積地面沉降。由于地裂縫兩側(cè)黏性土層厚度差異與土體松動破裂程度不同，使地裂縫兩側(cè)釋水壓密變形沉降程度不同，進而加劇了地裂縫的垂向活動[6]。

2）構(gòu)造成因說

西安斷陷一直處于下沉狀態(tài)，長安-臨潼斷裂也進行著南升北降的活動，西安13條地裂縫帶均處于下降的北盤，其分布及活動均受長安-臨潼斷裂控制。對于西安地裂縫的構(gòu)造成因機制，許多學者先后從不同角度提出了概化模式，基本上一致認為地裂縫是由基底伸展斷裂系在橫向張拉應(yīng)力場作用下形成。其中代表性的有張家明[7]的斷塊掀斜成因，他認為在西北向區(qū)域引張應(yīng)力作用下，以斷塊掀斜為主要活動形式的西安伸展斷裂系活動構(gòu)成了西安地裂縫形成和發(fā)展的本質(zhì)；王蘭生[8]的構(gòu)造重力擴展成因認為臨潼—長安斷層的張拉造成側(cè)向卸載臨空致使西安地裂縫的形成；水平力偶作用成因的研究者認為，西安地裂縫是由于近西北向反力偶的作用而產(chǎn)生雁行排列的張性破裂。

3）綜合成因說

綜合成因說認為西安地裂縫的形成是在隱伏斷裂構(gòu)造發(fā)育的基礎(chǔ)上，加之過量開采地下水為誘因共同作用的結(jié)果。但二者的作用又不同，地裂縫是土層中的剪切破碎帶在近地表處的延伸擴展，而過量抽取地下水使弱透水層壓縮而改變土層中的應(yīng)力狀態(tài)，卻會造成地裂縫超?；顒?。

1.3 西安地裂縫的發(fā)展趨勢

西安地裂縫經(jīng)過長期的發(fā)展，其活動表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，根據(jù)地裂縫的監(jiān)測資料和學者們對地裂縫的研究[2,9]，有如下發(fā)展規(guī)律：

1）西安地裂縫的活動速率具有不均勻性

西安市東南郊一帶活動速率較高，而西北郊則相對較弱，總體規(guī)律為南部大于北部，東部大于西部，同一條地裂縫的活動速率在不同地段也有不同程度的差異，而這種地區(qū)差異性是市區(qū)地下水超采引起地面不均勻沉降的反映。

2）西安地裂縫的活動具有三維運動的一致性

地裂縫的活動是一緩慢的蠕動過程?？傮w表現(xiàn)為主地裂縫南側(cè)下降，北側(cè)相對上升，且上升和下降的速度也不同。監(jiān)測資料表明，西安地裂縫有垂直位移、水平拉張和水平扭動三個方向的活動，其中垂直位移最為劇烈，水平拉張次之，水平扭動最小，三者之比為1:0.31:0.03。

3）地裂縫活動具有周期性

完整的大周期為400～780a，且與地震活動有著較吻合的對應(yīng)關(guān)系；短周期即年周期則與地下承壓水位動態(tài)基本保持一致，即每年的第三季度活動最強烈，而第一、二季度活動相對較弱。

西安地裂縫是斷層位移的一種特殊形式，是斷層的蠕動和超采地下承壓水引起的地面不均勻沉降運動共同造成的，前者決定了地裂縫的存在位置，而后者反映出它的活動強度及破壞能力。地裂縫和地面沉降二者相互影響、相互制約，但又受到地下水位動態(tài)變化的影響，只是在時間上有一定滯后效應(yīng)。

開采地下水造成地面沉降實質(zhì)是空隙水壓力減小造成的土層壓實固結(jié)變形，而隨著固結(jié)變形達到穩(wěn)定階段，其變形速率和變形量將減小并趨于停止，據(jù)此可以推測當前地裂縫的劇烈活動將會逐步減緩。近年來，有關(guān)部門采取了一些措施，緩解了西安承壓水位的迅速下降，黑河引水工程的投產(chǎn)和引水力度的加大使南郊地區(qū)承壓水位停止下降，并可能有小幅回升[10]；隨著政府部門治理力度的加大，西安地下水位下降將會得到全面控制，而西安地面沉降及地裂縫活動也會趨于減緩。

2 西安地裂縫的災(zāi)害防治措施

2.1 西安地裂縫的災(zāi)害特征

地裂縫是西安的主要城市地質(zhì)災(zāi)害，自20世紀60年代以來，西安地裂縫的長期活動造成了建筑物和城市設(shè)施不同程度的破壞，給城市建設(shè)帶來了嚴重危害[11]。早期建于地裂縫上的建筑物大多變形嚴重，不得不拆除，據(jù)1996年不完全統(tǒng)計，地裂縫活動毀壞樓房168幢，車間57座，民房1 741間，道路90處，錯斷供水、煤氣管道45次，危及名勝古跡8處，直接經(jīng)濟損失1億多元，造成的間接經(jīng)濟損失及社會影響更大。通過調(diào)查，各類建（構(gòu)）筑物受地裂縫影響和破壞可以歸納為以下幾個基本類型[12]：

1）地裂縫帶上的建筑物出現(xiàn)開裂及變形，裂縫一般有三種形式，一是垂直張拉裂縫，表現(xiàn)為上寬下窄；二是斜裂縫，多是沉降裂縫，一般是建筑物上部裂口較大，并沿建筑物連接薄弱處通過；三是窗角和外墻水平縫。

2）地裂縫通過地面和路面時，大多呈鋸齒張裂破壞，裂縫東南盤下沉，形成北高南低的陡坎。由于地裂縫兩邊的差異沉降，少數(shù)地面和路面明顯的呈坡狀向南傾斜，在坡度較大的區(qū)段局部開裂。而且在有地表水影響的地方，地裂縫活動更加明顯；在地面和路面，由于地表水的滲漏使裂縫局部增寬，裂縫兩邊的差異沉降增大，對地面的影響寬度也相應(yīng)增加。

3）地裂縫對地下設(shè)施破壞也比較嚴重，混凝土和金屬管道往往被拉斷，并上下錯開；地裂縫兩側(cè)錯動導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)開裂，跨地裂縫段的軌道、接觸網(wǎng)等設(shè)施產(chǎn)生變形；防空洞上拱，洞底部常常裂開，裂縫的東南盤下沉，在上拱處有時可以發(fā)現(xiàn)南盤東移現(xiàn)象。

2.2 西安地裂縫的災(zāi)害防治

1）減少人類活動的影響

研究表明，西安地裂縫活動量70%-90%是由抽取承壓水引起的，所以只要控制承壓水開采，就能控制地面沉降和地裂縫強烈活動。西安市1990年8月起引入黑河水作為城市供水水源后，部分地段承壓水開采量減少，該地段內(nèi)地裂縫活動有所減弱，待黑河引水工程全部完工，西安城市供水供需平衡后，應(yīng)進一步減少直至停止開采承壓水，使承壓水位停止下降或回復(fù)，使地裂縫災(zāi)害大為減緩。

2）采取合理的避讓措施

由于地裂縫活動對建筑物破壞的難以抵御性，地裂縫災(zāi)害防治主要以避讓為主，其關(guān)鍵是合理避讓距離的確定。根據(jù)地裂縫兩側(cè)短水準剖面監(jiān)測資料分析以及其他地裂縫勘測研究成果確定的避讓原則，經(jīng)陜西省城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)保廳批準已列入陜西省標準《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》（DBJ61-6-2006）中。

該規(guī)程適用于臨潼—長安斷裂帶西北側(cè)（上盤）西安地裂縫場地的城市規(guī)劃、鐵路、公路、市政建設(shè)和工業(yè)與民用建筑的建設(shè)。規(guī)程規(guī)定地裂縫最小避讓距離（見圖3）應(yīng)符合表1，在地裂縫影響區(qū)內(nèi)的建筑，應(yīng)增加其結(jié)構(gòu)的整體剛度和強度，體型應(yīng)簡單，體型復(fù)雜時，應(yīng)設(shè)置沉降縫將建筑物分為幾個體型簡單的獨立單元，單元長高比不應(yīng)大于2.5。規(guī)程還規(guī)定，在地裂縫經(jīng)過的場地進行建設(shè)時，要進行詳細的地裂縫場地勘察，確定主、次裂縫準確位置，確定合適的避讓距離和選擇必要的建筑結(jié)構(gòu)。

圖3 建筑物避讓距離

表1 地裂縫場地建筑物最小避讓距離(m)

3）加強地裂區(qū)的工程地質(zhì)勘查工作

通過對地裂縫的長期監(jiān)測，設(shè)置各種監(jiān)測點，密切注視地裂縫的發(fā)展動向。通過觀測資料的長期積累，了解地裂縫活動的時空特點，以進一步分析其成因，并對西安地裂縫今后的活動狀況進行預(yù)測，為城市地裂縫災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供可靠的依據(jù)。

4）其他方法

對已有裂縫進行回填、夯實等，并改善地裂區(qū)土體的性質(zhì)；改進地裂區(qū)建筑物的基礎(chǔ)形式，提高建筑物的抗裂性能；對地裂區(qū)已有建筑物進行加固處理。

2.3 地裂縫場地未來沉降曲線

沙井村-秦川廠地裂縫帶（f6）沿西安交通大學黃土梁南側(cè)發(fā)育，呈北東80°展布。西起沙井村，經(jīng)西斜七路過街天橋、南二環(huán)立交橋、西安建筑科技大學北院、西安鐵路分局和秦川廠，東到紡織城國棉四廠北。沙井村至秦川廠段，出露總長度11.38 km，地裂縫連貫性好，走向變化較大，局部走向北東45°至南東65°，主地裂縫南傾，傾角75°～80°，其西段次級地裂縫在含光路至西斜七路過街天橋段為北傾。發(fā)育帶寬度35～70m，活動強烈，致災(zāi)嚴重。

由于考慮地裂縫對上部結(jié)構(gòu)安全性能影響研究較少，從建筑工程的安全角度考慮，主要采取避讓措施。周洋洋[13]根據(jù)已有1989年第三季度至1990年第四季度西安f6地裂縫的沉降監(jiān)測資料，以灰色系統(tǒng)理論為工具，建立GM（1,1）灰色模型對未來50年內(nèi)地裂縫沉降量進行預(yù)測，得到f6地裂縫未來50年內(nèi)沉降趨勢，并擬合出f6地裂縫沉降模型，如圖4和表2所示，根據(jù)沉降模型曲線能夠更加深入的研究地裂縫影響區(qū)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)的安全性能[14]。

圖4 未來50年內(nèi)地裂縫沉降擬合曲線圖

表2 f6地裂縫沉降模型

3 結(jié)論

1）西安市已發(fā)現(xiàn)13地裂縫，在分布上具有方向性、連續(xù)性、多樣性且均沿黃土梁發(fā)育等特點；西安地裂縫成因主要有地下水成因、構(gòu)造成因和綜合成因三種觀點，經(jīng)過長期的發(fā)展，其活動表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

2）西安地裂縫活動造成了各類建筑物、道路橋梁、市政設(shè)施等不同程度的破壞，目前比較普遍的做法是采取合理的避讓措施來減少其災(zāi)害，并控制承壓水開采來緩解西安地裂縫活動。

3）利用灰色系統(tǒng)理論預(yù)測的西安市f6地裂縫未來50年內(nèi)沉降曲線，并選取地裂縫未來50年沉降曲線作為結(jié)構(gòu)分析的沉降模型，為地裂縫影響區(qū)建設(shè)工程提供設(shè)計依據(jù)。