北京平原區(qū)地裂縫受災(zāi)體形態(tài)特征及影響因素

趙 龍，羅 勇，李玉梅，張有全，劉 賀，沙 特，孔祥如，齊鳴歡，田苗壯，王新惠

(1.北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100195；2中國地震局發(fā)展研究中心，北京 100045;3.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100037)

北京地裂縫出現(xiàn)于1965年邢臺(tái)地震后：一類地裂縫發(fā)育于平原區(qū)，空間展布與主要構(gòu)造方向一致；另一類發(fā)育于西山采空塌陷區(qū)[1]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示20世紀(jì)60年代至今，北京平原區(qū)已發(fā)現(xiàn)40余條地裂縫，最近調(diào)查發(fā)現(xiàn)平原區(qū)仍有7條地裂縫在快速發(fā)育[2]。為全面了解地裂縫分布及演化特征，研究人員先后開展了多期調(diào)查、監(jiān)測(cè)工作，以此為基礎(chǔ)對(duì)地裂縫成因開展了大量研究工作[2-3]。

以往文獻(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注地裂縫發(fā)育程度、規(guī)模及成因，地裂縫受災(zāi)體災(zāi)害特征鮮見報(bào)道。筆者在開展長(zhǎng)期地裂縫調(diào)查及監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)北京平原區(qū)地裂縫受災(zāi)體存在不同表現(xiàn)形式：一類地裂縫受災(zāi)體主要展現(xiàn)為水平拉張，另一類地裂縫受災(zāi)體主要展現(xiàn)為垂向錯(cuò)動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)兩類表現(xiàn)形式與受災(zāi)體類型無關(guān)，具有明顯的區(qū)域特征。那么這類現(xiàn)象受哪些因素影響，成因模式有哪些不同？不同的成因模式是否對(duì)今后開展防治工作產(chǎn)生影響？本文選擇災(zāi)害現(xiàn)象典型的兩處地裂縫(高麗營(yíng)地裂縫、宋莊地裂縫)，利用調(diào)查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地下水開發(fā)利用情況，從地震、區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、隱伏斷裂、地下水動(dòng)力等角度詳細(xì)分析了其災(zāi)害體表現(xiàn)特征及影響因素。

1 研究區(qū)概況

本次研究涉及黃莊—高麗營(yíng)斷裂及南苑—通縣斷裂。

黃莊—高麗營(yíng)斷裂屬張性反扭性斷裂，是劃分京西隆起與北京迭斷陷的界限，總體走向?yàn)镹E20°～50°，斷裂面傾向SE，傾角為65°～75°[4]。高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育于黃莊—高麗營(yíng)斷裂北七家—高麗營(yíng)段，該段構(gòu)成了順義魯町第四紀(jì)次級(jí)凹陷盆地的西邊界，斷裂兩側(cè)的新近系底面最大垂直落差800 m，第四系落差達(dá)140～280 m[5]。早更新世至全新世該段平均垂直活動(dòng)速率分別為0.07，0.04，0.23，0.10 mm/a，本段全新世仍有繼承性活動(dòng)[5]。

南苑—通縣斷裂是劃分北京凹陷和大興隆起的分界線。斷裂總的走向NE，斷裂面傾面NW，傾角50°左右，北西盤下降，南東盤上升，性質(zhì)為正斷層[4]。宋莊地裂縫發(fā)育于南苑—通縣斷裂北段(高碑店以北地段)，斷裂第四系落差225 m，該段在早、中、晚更新世有一定活動(dòng)性[6]。

高麗營(yíng)地裂縫所在區(qū)域第四系沉積物由溫榆河沖洪積扇構(gòu)成，本區(qū)由潛水層(底界深度4～30 m)及多層承壓水層組成，含水層巖性以粉土、砂為主，夾少量砂礫石層，層次多而薄，單層厚度多小于10 m，滲透系數(shù)20～100 m/d，富水性在500～1500 m3/d之間[2]。

宋莊地裂縫所在區(qū)域第四系沉積物由永定河沖洪積扇和潮白河沖洪積扇構(gòu)成，本區(qū)第四系含水由潛水含水層(底界深度40～50 m)、淺層承壓水含水層(底界深度50～100 m)及深層承壓水含水層(底界深度大于100 m)。淺層、深層含水層主要由砂層和黏土相間分布，形成多元結(jié)構(gòu)，這些含水層既相對(duì)獨(dú)立，又有一定的水力聯(lián)系[3]。

2 地裂縫形態(tài)特征

2.1 地表形態(tài)特征

宋莊地裂縫發(fā)育于通州區(qū)東北部，NE向展布，南起小中河經(jīng)雙埠頭村、溝渠村、大龐村至平家疃村，斷續(xù)發(fā)育，全長(zhǎng)8.7 km。該裂縫于1976年唐山地震時(shí)開啟，2011年再次開啟，最大影響帶寬度達(dá)400 m。高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育于昌平與順義交界處，NE向展布，由昌平區(qū)八仙別墅穿越溫榆河延伸至順義區(qū)西王路村，斷續(xù)發(fā)育，全長(zhǎng)10 km，該裂縫最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，受災(zāi)體呈線性分布，影響帶約為40 m(圖1)。

為充分揭示兩者不同形態(tài)特征，選取兩處地裂縫災(zāi)害發(fā)育嚴(yán)重區(qū)，分別從墻體、地面等受災(zāi)體形態(tài)特征進(jìn)行對(duì)比分析(圖2～3)。宋莊地裂縫受災(zāi)體主要展現(xiàn)為拉張破壞，在建筑物上破壞形式主要表現(xiàn)為：頂部發(fā)育近似直立裂縫(圖2a)，裂縫表現(xiàn)上寬下窄，在房檐處開裂程度最大，裂縫近似直立，至墻面裂縫呈一定角度傾斜并向下延伸，裂縫開裂程度逐漸減弱，至墻體中下部逐漸消失。底部發(fā)育高角度傾斜裂縫(圖2b)，裂縫表現(xiàn)為下寬上窄，呈高角度向上發(fā)育，在墻體底部先發(fā)生破壞，隨后以高角度向上擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中裂縫寬度逐漸減小。塊狀密集龜裂(圖2c)主要發(fā)育于硬化的水泥路面，地裂縫優(yōu)先沿優(yōu)勢(shì)走向方向形成拉張破碎帶，隨后在破碎帶兩側(cè)沿著薄弱帶，發(fā)育形成多方向密集龜裂狀次級(jí)破碎帶。在地面上表現(xiàn)出拉張變形，多分布于主裂縫沿線，具體表現(xiàn)形式為等距張裂縫(圖2d)，受災(zāi)體多為瓷磚、地板等剛性介質(zhì)，地裂縫發(fā)育于其接縫處，相對(duì)薄弱的位置先發(fā)生破壞，逐漸沿一定方向線性延伸，拉裂形成等距裂縫。

圖2 宋莊地裂縫災(zāi)害現(xiàn)象

高麗營(yíng)地裂縫受災(zāi)體則主要表現(xiàn)為垂向錯(cuò)動(dòng)及剪切破壞，在建筑物上破壞形式主要表現(xiàn)為:底部破壞單斜階梯型裂縫(圖3a)，裂縫下寬上窄，靠近下部墻體率先破壞，隨后沿一定方向向上部階段狀延伸，受破壞的磚與磚之間出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)。拉剪裂縫(圖3b)，在墻體裂縫呈高角度發(fā)育，形成下窄上寬的剪切帶。受地裂縫破壞，在帶內(nèi)主裂縫延伸處，磚與磚之間出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，剪切帶內(nèi)墻體出現(xiàn)扭動(dòng)。受地裂縫影響在地面上形成凹坑、錯(cuò)臺(tái)，改變了路面坡度，致使汽車通過時(shí)出現(xiàn)顛簸感，在路面和路牙之間有明顯的傾斜錯(cuò)動(dòng)(圖3c、d)。

圖3 高麗營(yíng)地裂縫災(zāi)害現(xiàn)象

2.2 淺部剖面特征

探槽分別揭示了兩地裂縫的淺表層剖面結(jié)構(gòu)特征。

宋莊地裂縫近地表鉛直縱向延伸，產(chǎn)狀近于直立，傾向不明顯，裂縫寬度上寬下窄，呈邊界不規(guī)則的似“喇叭”形，地面開口較寬，最寬達(dá)1 m，向下延伸逐漸變窄最窄約1 cm，至探槽底部逐漸閉合。地層產(chǎn)狀近似水平，巖性主要為粉土、粉質(zhì)黏土，地裂縫兩側(cè)地層未見明顯錯(cuò)動(dòng)。主裂縫處充填大量次生堆積物，次生堆積物含水率高于兩側(cè)土體含水量，有明顯的水動(dòng)力沖刷現(xiàn)象。

高麗營(yíng)地裂縫由地表曲折縱向延伸，走向NE65°，傾向SE，傾角80°，與黃莊高麗營(yíng)地裂縫產(chǎn)狀基本一致。從揭示地層來看，揭示出9套地層，分別為人工填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂及砂質(zhì)粉土。該地裂縫錯(cuò)開左右兩側(cè)地層(地層相對(duì)下降一側(cè)稱為上盤，另一側(cè)稱為下盤)，錯(cuò)開了③層黏質(zhì)粉土、④層粉砂、⑤層黏質(zhì)粉土、⑥層中砂、⑧層粉質(zhì)黏土，其中③層黏質(zhì)粉土錯(cuò)動(dòng)距離最大達(dá)1.24 m。地裂縫上盤地層缺失⑦層砂質(zhì)粉土，上盤⑤層粉土的厚度也小于下盤的厚度(圖4)。

2.3 深部結(jié)構(gòu)特征

利用鉆探剖面揭示兩處地裂縫深部結(jié)構(gòu)特征，橫跨宋莊地裂縫50 m短鉆探剖面揭示宋莊地裂縫地層連續(xù)無明顯錯(cuò)動(dòng)和缺失，未發(fā)現(xiàn)其下伏存在隱伏斷裂(圖4a)。但高密度電法探測(cè)結(jié)果則揭示，在宋莊地裂縫走向上存在低電阻帶推測(cè)存在隱伏斷裂(圖4a)[3]。為此利用距地裂縫兩側(cè)500 m的兩個(gè)100 m鉆孔對(duì)其深部特征進(jìn)行揭示(圖5)，依靠測(cè)年及剪切波速數(shù)據(jù)識(shí)別出晚更新世時(shí)期存在地層錯(cuò)動(dòng)，垂直落差為12 m，與徐錫偉、江娃利等[7]研究結(jié)果一致。地層錯(cuò)動(dòng)位置位于地裂縫東側(cè)200 m處，推斷此處為隱伏斷裂上斷點(diǎn)延伸位置。

圖4 地裂縫淺部剖面圖(宋莊地裂縫(a)；高麗營(yíng)地裂縫(b))

鉆探結(jié)果揭示，南苑—通縣斷裂最后活動(dòng)時(shí)期為晚更新世，其上斷點(diǎn)埋深約為45～60 m。綜上，南苑—通縣斷裂為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，其上斷點(diǎn)并未錯(cuò)段至地表且宋莊地裂縫并非該斷裂地表顯現(xiàn)，其發(fā)育于南苑—通縣斷裂破碎帶上盤。

橫跨高麗營(yíng)地裂縫鉆探剖面共揭示10套地層，地裂縫由上至下依次錯(cuò)段第②層粉質(zhì)黏土底部3.5 m，錯(cuò)斷距離3.3 m；第③層粉質(zhì)黏土底部13 m，錯(cuò)斷距離9.5 m；第⑤層粉質(zhì)黏土底部23.9 m，錯(cuò)斷距離7.2 m；第⑦層粉質(zhì)黏土底部34.2 m，錯(cuò)斷距離6.1 m；第⑨層粉質(zhì)黏土底部46.5 m，錯(cuò)斷距離7.8 m。淺層地震時(shí)間剖面顯示在地裂縫處存在明顯錯(cuò)段，淺層傾角近80°，向深部逐漸變緩，錯(cuò)段至基巖面，推斷為黃莊—高麗營(yíng)斷裂[3，8](圖4b)。深部特征顯示地裂縫與隱伏斷裂相連，推測(cè)地裂縫是黃莊—高麗營(yíng)生長(zhǎng)斷層的向上延伸或地裂縫由包氣帶形成的盲裂縫，經(jīng)外力作用向上及向下生長(zhǎng)，最終與隱伏斷裂相連。

圖5 宋莊(ZK5～ZK6)、高麗營(yíng)(Z5～Z6)地裂縫深部剖面

2.4 活動(dòng)特征

為獲取地裂縫三維形變特征，分別在雙埠頭村(宋莊地裂縫典型發(fā)育區(qū))、西王路村(高麗營(yíng)地裂縫典型發(fā)育區(qū))安裝布設(shè)了橫跨地裂縫的三維形變測(cè)量裝置、跨地裂縫的短水準(zhǔn)剖面(布設(shè)于地裂縫監(jiān)測(cè)站)(圖1，7)。宋莊地裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地裂縫存在水平拉張、水平扭動(dòng)、垂向位移三維形變特征，其中水平拉張量最大年平均拉張速率約為2 mm/a(2010—2017 年)，水平扭動(dòng)主要表現(xiàn)為右旋順扭，垂向位移較小，年平均位移量小于0.1 mm(2010—2017年)。高麗營(yíng)地裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，高麗營(yíng)地裂縫同樣存在水平拉張、水平扭動(dòng)、垂向位移三維形變特征，其中垂直位移量最大，達(dá)7.8 mm/a(2010—2017年)，水平扭動(dòng)以右旋順扭為主，水平拉張量較小約5 mm/a。地裂縫兩側(cè)垂向變形梯度在地裂縫附近形變梯度最大，隨著距離的增加，形變梯度逐漸減小。

3 影響因素分析

大量研究結(jié)果表明，地震、隱伏斷裂、地下水動(dòng)力因素為北京地裂縫形成、發(fā)育的主要影響因素[3，8-9]。本文利用長(zhǎng)序列監(jiān)測(cè)資料，綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，系統(tǒng)分析不同因素對(duì)地裂縫形態(tài)特征塑造的響應(yīng)。

3.1 地震作用

時(shí)間尺度內(nèi)宋莊地裂縫存在兩次開啟且兩側(cè)開啟時(shí)間分別與唐山大地震及日本島大地震發(fā)生時(shí)間相吻合；高麗營(yíng)地裂縫形成晚于唐山大地震，但其發(fā)育過程中經(jīng)歷日本島大地震。

形變特征上，唐山大地震發(fā)震過程中雙埠頭村、大龐村一線受災(zāi)嚴(yán)重，受災(zāi)體形變特征表現(xiàn)為水平變形量為垂直變形量的1～2倍[10]。2011年日本島大地震應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行短暫釋放，主要造成水平方向位移，垂直方向影響較小[7]。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：地震發(fā)生時(shí)高麗營(yíng)地裂縫水平拉張量為日平均變化速率的5 300倍，而垂直形變量?jī)H為日平均變化速率的4.4倍。因此，受災(zāi)體破壞形式上宋莊地裂縫主形變特征與兩側(cè)地震造成的形變特征具有較好的一致性，高麗營(yíng)地裂縫主形變?yōu)榇瓜蝈e(cuò)動(dòng)，與地震造成瞬時(shí)最大形變量的形變特征不一致。

3.2 區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及隱伏斷裂

在太平洋板塊俯沖和青藏塊體向北運(yùn)移的聯(lián)合作用力影響下，華北平原處于近EW向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)中。發(fā)育于北京平原的南苑—通縣斷裂及黃莊—高麗營(yíng)斷裂為NE向展布斷裂，該斷裂受近EW向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)擠壓作用，產(chǎn)生右旋扭動(dòng)[11]。發(fā)育于兩斷裂上的宋莊地裂縫和高麗營(yíng)地裂縫形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示：地裂縫呈現(xiàn)三維形變特征，其中水平形變除水平拉張外均兼有水平右旋形變，監(jiān)測(cè)結(jié)果與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下的斷裂形變結(jié)果一致，推測(cè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)是塑造地裂縫形態(tài)的重要影響因素，而斷裂在其中扮演應(yīng)力積累及傳遞角色。空間分布上，宋莊地裂縫集中發(fā)育于南苑—通縣斷裂上盤，與斷裂走向一致。時(shí)間上，南苑—通縣斷裂最新活動(dòng)時(shí)期為晚更新世，宋莊地裂縫發(fā)育于全新世地層中，與南苑—通縣斷裂無重接復(fù)合關(guān)系。形變特征上，宋莊地裂縫展現(xiàn)出主要的水平拉張?zhí)卣?，而南苑—通縣斷裂主要表現(xiàn)為垂向地層錯(cuò)動(dòng)，二者有較大差別。

綜上，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)制約著地裂縫形態(tài)特征，是地裂縫發(fā)育中的主要影響因素。南苑—通縣斷裂控制著地裂縫發(fā)育范圍，與地裂縫無重接復(fù)合關(guān)系，其在地裂縫發(fā)展全過程中扮演著應(yīng)力傳遞及積累的角色。

空間分布上，高麗營(yíng)地裂縫受災(zāi)體呈線性分布，地裂縫影響帶范圍較小，地裂縫走向與黃莊—高麗營(yíng)斷裂(北七家—高麗營(yíng)段)走向一致。時(shí)間上，黃莊—高麗營(yíng)斷裂最新活動(dòng)時(shí)期為全新世，高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育于全新世地層中，與黃莊—高麗營(yíng)斷裂存在重接復(fù)合關(guān)系。賈三滿等[8]利用測(cè)年數(shù)據(jù)揭示地層為正向沉積，無地層倒轉(zhuǎn)，排除了上述地裂縫由中間發(fā)育向上或向下擴(kuò)展的假說，因此，高麗營(yíng)地裂縫為黃莊—高麗營(yíng)斷裂延伸發(fā)育并于地表表現(xiàn)的結(jié)果。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示，兩處地裂縫垂向錯(cuò)動(dòng)為主要變形特征?？臻g上，黃莊—高麗營(yíng)斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，錯(cuò)斷方式表現(xiàn)為東南盤下降，西北盤上升呈正斷層性質(zhì)。從主要形變特征角度看，二者較為一致。表1顯示，高麗營(yíng)地裂縫最大垂直位錯(cuò)速率為9.82 mm/a(表1)，該值高出黃莊—高麗營(yíng)斷裂最活躍期滑動(dòng)速率達(dá)65倍(表2)。如果斷裂活動(dòng)速率以地裂縫現(xiàn)今活動(dòng)速率計(jì)，則全新世以來其垂直位錯(cuò)量應(yīng)達(dá)98.2 m。而據(jù)上所述，黃莊—高麗營(yíng)斷裂(北七家—高麗營(yíng)段)全新世垂向位錯(cuò)量?jī)H為0.2 m，可見難以用斷裂錯(cuò)動(dòng)解釋高麗營(yíng)地裂縫帶的現(xiàn)今活動(dòng)量。

表1 高麗營(yíng)地裂縫垂向形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 黃莊—高麗營(yíng)斷裂第四紀(jì)分期活動(dòng)特征[5]

綜上，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)制約著地裂縫形態(tài)特征，是地裂縫發(fā)育中的主要影響因素。高麗營(yíng)地裂縫為黃莊—高麗斷裂地表延伸結(jié)果，其活動(dòng)性對(duì)該地裂縫發(fā)生發(fā)展具有一定影響，但并非主要貢獻(xiàn)。

3.3 地下水動(dòng)力

大量研究表明：地下水開采引起局部應(yīng)力場(chǎng)變化形成地面沉降，是導(dǎo)致地裂縫形成的重要因素[12-13]。圖6為2014年InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果，解譯結(jié)果通過水準(zhǔn)和GPS單點(diǎn)檢驗(yàn)，最大相關(guān)系數(shù)0.889。圖6(c)顯示，兩地裂縫均發(fā)育于地面沉降漏斗邊緣。圖6(a)顯示，由A到A’沉降速率呈現(xiàn)波動(dòng)減小趨勢(shì)，形變梯度位于正負(fù)之間。其中宋莊地裂縫發(fā)育于沉降速率陡變區(qū)及地表形變梯度大值區(qū)。圖6(b)顯示，由B到B’沉降速率呈現(xiàn)波動(dòng)減小趨勢(shì)，形變梯度位于正負(fù)之間。其中高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育于沉降速率陡變區(qū)及地表形變梯度大值區(qū)?？臻g上北京平原區(qū)地面沉降與地下水漏斗分布具有較好的一致性[12]，因此兩地裂縫又同時(shí)發(fā)育在地下水漏斗邊緣，推測(cè)地下水作用在一定程度上影響著地裂縫發(fā)育。

本節(jié)有關(guān)地下水對(duì)地裂縫形態(tài)塑造過程，分別從以下幾點(diǎn)進(jìn)行分析：①水位下降過程造成土層發(fā)生垂向形變，長(zhǎng)期持續(xù)、集中開采地下水作用，導(dǎo)致地層發(fā)生由開采中心向外的差異壓縮。在構(gòu)造影響下沉降邊緣處多發(fā)育于構(gòu)造脆弱帶[14]，拉應(yīng)力在脆弱帶傳遞并累積，最終超過土體抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致地層發(fā)生剛性反轉(zhuǎn)[15]，在地表形成拉張破壞。②長(zhǎng)期持續(xù)、集中開采地下水作用下，導(dǎo)致原有地下水流發(fā)生改變，水流向地下水降落漏斗中心運(yùn)動(dòng)，水力梯度增大，流速逐漸增大。水流對(duì)二元結(jié)構(gòu)土層中松散的細(xì)顆粒產(chǎn)生沖刷作用，大量砂質(zhì)細(xì)顆粒被帶走，導(dǎo)致含水層形成大量空洞，形成拉張應(yīng)力區(qū)，改變含水層原有應(yīng)力狀態(tài)[13]。③滲流作用下，使得原有含水層骨架產(chǎn)生明顯的黏滯拖拽作用，發(fā)生水平方向壓縮[16]。在Darcy-Gersevanov廣義關(guān)系式基礎(chǔ)上，結(jié)合體積滲透量關(guān)系、滲透力作用關(guān)系，獲得式(1)。式(1)表示固體顆粒徑向平均流速與滲透力及水力梯度關(guān)系，用于分析含水層中土體水平向壓縮。

圖6 地裂縫沿線地面沉降速率及形變特征分布圖

(1)

式中：Vs——固體顆粒的徑向平均流速；

Fb——單位體積內(nèi)滲透力；

ρ——水的密度/(kg·m-3)；

g——重力加速度/(m·s-2)；

K——含水層電導(dǎo)率張量；

h——水頭差/m;

r——滲流水度/m;

k——含水層滲透系數(shù)/(m·d-1)。

式(1)顯示土顆粒水平運(yùn)動(dòng)速率受滲透系數(shù)、水力梯度影響，地下水系統(tǒng)具有復(fù)雜性，因此土顆粒產(chǎn)生差異化的水平運(yùn)動(dòng)速率。高麗營(yíng)地裂縫GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果佐證了這一點(diǎn)(圖7)，在差異化水平運(yùn)動(dòng)速率下，土層中形成張應(yīng)力，張應(yīng)力積累在地表薄弱處釋放，導(dǎo)致地裂縫展現(xiàn)出線狀拉張破壞特性。

圖7 高麗營(yíng)地裂縫GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果(2012年)

以上分析表明，地下水動(dòng)力、隱伏斷裂、地震及區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分別在地裂縫發(fā)生、發(fā)展全過程中扮演著重要角色。而其所扮演的不同角色又造就了差異化的地裂縫形態(tài)特征。

宋莊地裂縫形態(tài)主要表現(xiàn)為水平拉張，該形態(tài)的形成經(jīng)歷應(yīng)力積累與釋放過程。在先存隱伏斷裂環(huán)境下，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)易于集中而產(chǎn)生地表薄弱帶，地震形成的應(yīng)力易沿此軟弱帶向上傳遞，到達(dá)地表后形成拉張型裂縫。區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的擠壓作用，導(dǎo)致隱伏斷裂發(fā)生右旋扭動(dòng)，不斷向上傳遞至地表，但受土層厚度影響傳遞過程中應(yīng)力逐漸消減嚴(yán)重，到達(dá)地表后對(duì)原有裂縫形態(tài)改變不大，此時(shí)地裂縫水平拉張較小且伴隨著右旋扭動(dòng)變形。長(zhǎng)期持續(xù)、集中開采地下水作用下，導(dǎo)致地層發(fā)生由開采中心向外的差異壓縮，在沉降邊緣處地層發(fā)生剛性反轉(zhuǎn)，拉張應(yīng)力集中，該應(yīng)力與滲流作用下土顆粒差異化水平運(yùn)動(dòng)形成的拉張應(yīng)力疊加，導(dǎo)致原有地裂縫不斷擴(kuò)張并快速發(fā)育，此時(shí)水平拉張形變量加大，開始對(duì)墻體及路面產(chǎn)生大規(guī)模破壞。

高麗營(yíng)地裂縫形態(tài)主要表現(xiàn)為垂向錯(cuò)動(dòng)，該形態(tài)的形成經(jīng)歷以下應(yīng)力積累與釋放過程：先存斷裂不斷活動(dòng)，通過多次應(yīng)力積累釋放過程，活動(dòng)至地表形成裂縫，該裂縫繼承了斷裂主要性質(zhì)，兼有垂向錯(cuò)動(dòng)及右旋扭動(dòng)變形特征。長(zhǎng)期持續(xù)、集中開采地下水作用，導(dǎo)致地層發(fā)生由開采中心向外的差異壓縮，在沉降邊緣處地層發(fā)生剛性反轉(zhuǎn)，拉張應(yīng)力集中。該應(yīng)力與滲流作用下土顆粒差異化水平運(yùn)動(dòng)形成的拉張應(yīng)力疊加，對(duì)地裂縫形態(tài)進(jìn)行塑造，此時(shí)地裂縫具有水平、垂向三維形變特征。黃莊—高麗營(yíng)斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，其活動(dòng)造成斷裂兩側(cè)含水層發(fā)生錯(cuò)段，使得含水層與部分隔水層接觸，改變?cè)泻畬舆B通性。槽探及鉆探結(jié)果揭示，斷裂兩側(cè)地層中細(xì)顆粒黏性土等塑性物質(zhì)含量相對(duì)較多，因此在斷層兩盤相對(duì)位移過程中，塑性物質(zhì)被拖拽擠入并充填于斷層帶中，使斷層具有阻水性能。斷層的阻水性質(zhì)阻斷斷層兩側(cè)的水力聯(lián)系，使得斷層兩側(cè)產(chǎn)生水位差(圖8)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地裂縫上盤一側(cè)有大量村落，同時(shí)在村落中存在多個(gè)小型工廠(圖1)，小范圍開采地下水會(huì)不斷加大水位差，最終引起差異沉降，但此時(shí)差異沉降僅在斷裂兩側(cè)位移量最大，隨著距離增大位移量逐漸減少。差異沉降與斷裂活動(dòng)量疊加，增大了垂向位移量，此時(shí)地裂縫具有垂向位移、水平拉張及右旋扭動(dòng)的三維形變特征。

圖8 高麗營(yíng)地裂縫剖面信息及水位變化曲線

4 結(jié)論及建議

(1)宋莊地裂縫受災(zāi)體表現(xiàn)出明顯的拉張變形，淺部近地表鉛直縱向延伸，延伸深度較淺，剖面呈上寬下窄“喇叭”型，深部未與隱伏斷裂重接復(fù)合；高麗營(yíng)地裂縫受災(zāi)體表現(xiàn)為顯著的垂向錯(cuò)動(dòng)及剪切破壞，淺部由地表曲折縱向延伸，延伸深度較大且錯(cuò)開上下地層兩盤，深部與隱伏斷裂重接復(fù)合。

(2)宋莊地裂縫形態(tài)塑造過程中受地震、區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、隱伏斷裂及地下水動(dòng)力多因素影響。地震應(yīng)力作用于隱伏斷裂造成拉張應(yīng)力場(chǎng)集中，通過多次傳遞并釋放在地表形成水平拉張裂縫雛形，長(zhǎng)期持續(xù)、集中開采地下水，導(dǎo)致在滲流作用下的土顆粒差異化水平運(yùn)動(dòng)及沉降邊緣處地層發(fā)生剛性反轉(zhuǎn)造成的拉應(yīng)力集中，為主要擴(kuò)縫因素。該條件為水平拉張作用持續(xù)加大的主要原因。

(3)高麗營(yíng)地裂縫形態(tài)塑造過程先存斷裂不斷活動(dòng)，通過多次應(yīng)力積累釋放過程，活動(dòng)至地表形成裂縫雛形，斷層的阻水性質(zhì)使得斷層兩側(cè)產(chǎn)生水位差。小范圍開采地下水會(huì)不斷加大水位差，最終引起差異沉降，該條件為垂直位移作用持續(xù)加大的重要原因。此外，受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的改造作用，區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)影響下發(fā)育于NE向斷裂上的地裂縫均伴有右旋扭動(dòng)特征。

(4)宋莊地裂縫發(fā)育受地下水開采影響，對(duì)此類地裂縫防治應(yīng)實(shí)施地下水減采、壓采限采等方式。高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育受地下水開采及隱伏斷裂雙重影響，對(duì)此類地裂縫防治中除控制地下水位下降外，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隱伏斷裂活動(dòng)情況，建立有效的預(yù)警預(yù)報(bào)體系。

(5)本文研究成果僅定性揭示了北京平原區(qū)典型地裂縫形態(tài)特征及影響因素，建議開展大型物理模擬試驗(yàn)研究，更全面地分析地裂縫破壞擴(kuò)展模式及變形機(jī)理，為地裂縫防災(zāi)減災(zāi)及預(yù)警預(yù)報(bào)提供理論基礎(chǔ)。