黃土濕陷性對西白地裂縫的影響

曹 興,田雷瑜,盧全中,2,楊亞磊,喬建偉

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

地裂縫的產(chǎn)生是由于在各種構(gòu)造應(yīng)力的作用下,地表發(fā)生破裂變形,當(dāng)積累的構(gòu)造應(yīng)力超過了地層內(nèi)部的作用力時(shí),地表就會(huì)發(fā)生變形破壞,從而產(chǎn)生地裂縫[1]。地裂縫在世界各地廣泛分布,會(huì)使建筑物開裂,道路和橋梁發(fā)生破壞,水庫發(fā)生漏水等,給人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此地裂縫也逐漸成為廣大學(xué)者廣泛關(guān)注的地質(zhì)災(zāi)害問題。

對于地裂縫是如何產(chǎn)生的,目前主要有3種成因觀點(diǎn),第1種是構(gòu)造成因觀點(diǎn),美國的Leonard[2]在1929年分析了亞利桑那州的地裂縫最早提出了構(gòu)造成因觀點(diǎn),他認(rèn)為該處的地裂縫是由地震作用造成的。文獻(xiàn)[3]中也認(rèn)為地裂縫是由于構(gòu)造作用產(chǎn)生的,但是他們認(rèn)為構(gòu)造作用是起主導(dǎo)作用的,還有一些其他因素也會(huì)產(chǎn)生影響。第2種是抽取地下水成因觀點(diǎn),徐光黎等[4]在研究地面沉降時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水中承壓水對地面沉降有重要的影響,當(dāng)承壓水被過量抽取時(shí),地面就會(huì)發(fā)生不均勻沉降,從而在地表就會(huì)形成地裂縫。第3種是構(gòu)造與地下水開采復(fù)合成因觀點(diǎn),Holzer[5]對亞利桑那州的地裂縫重新進(jìn)行了深入的研究,認(rèn)為引起地裂縫的產(chǎn)生不只有構(gòu)造作用的因素,還與該處開采地下水的因素有關(guān)。

除此之外,一些學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)黃土的濕陷性也會(huì)造成地裂縫的產(chǎn)生。謝子強(qiáng)[6]在對晉西南峨眉地臺的地裂縫的研究中發(fā)現(xiàn),該處地裂縫的產(chǎn)生是由于黃土的濕陷性使黃土發(fā)生不均勻沉降在地表產(chǎn)生裂隙,雨水通過裂隙進(jìn)入土體內(nèi),使該處的古裂縫重新發(fā)生活動(dòng)引起的。2004年以來,王啟耀等[7]、鄧亞虹等[8]、彭建兵等[9]對汾渭盆地的地裂縫進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查和研究,并進(jìn)行了一系列的物理模型試驗(yàn),已經(jīng)基本查明了汾渭盆地地區(qū)地裂縫的分布規(guī)律,認(rèn)為其成因機(jī)理是在斷層張拉應(yīng)力和水共同作用下產(chǎn)生的。蔣臻蔚[10]、文艷[11]在研究水對地裂縫的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)黃土的濕陷性也會(huì)導(dǎo)致地裂縫的產(chǎn)生,并首次提出了懸臂和差異沉降2種成因模式。研究以位于渭河盆地的西白村地裂縫為例,探討黃土的濕陷性對西白地裂縫的影響。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

西白村位于關(guān)中盆地渭南地區(qū)的澄城縣,屬暖溫帶半濕潤、半干旱季風(fēng)氣候,年平均氣溫14.8 ℃,年均降水量516 mm,無霜期218 d。在渭河和洛河的交匯處,該區(qū)域位于關(guān)中平原的東部,海拔為366～607 m,總體地勢為東高西低,從東到西依次降低。區(qū)域內(nèi)的水系主要有洛河和灌溉用渠,水系比較發(fā)達(dá)。依據(jù)基底構(gòu)造和結(jié)構(gòu)形態(tài)特征可將該區(qū)域地貌分為黃土臺塬和河流沖積平原,如圖1所示。

1.2 場地地質(zhì)特征

西白村所處的地貌單元為黃土臺塬,海拔500多米,其地勢較為平坦,地形起伏也不大。為了查明其地層,在西白村附近打了一個(gè)深約105 m的水文鉆,鉆孔揭露該處的地層如圖2所示。

圖1 西白村地貌圖Fig.1 The landform map of Xibai village

圖2 鉆孔柱狀圖Fig.2 Drilling histogram

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,該地區(qū)主要有污水渠和用于澆地的水渠,再依據(jù)水文地質(zhì)鉆探資料地層中分為一個(gè)四系中更新統(tǒng)砂層孔隙承壓含水層;埋藏深度為97.2～117.3 m,含水層層厚3.7 m。分布在第四系中更新統(tǒng)的下部,含水段的地層主要為細(xì)砂夾層,褐黃色、密實(shí)飽和、粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)、砂質(zhì)純凈、級配不良,其中的礦物成分主要以石英和長石為主,暗色礦物次之。

2 西白地裂縫的基本特征

2.1 西白地裂縫的平面特征

西白地裂縫位于澄城縣西白村南側(cè)的鐵路旁,根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果判斷其位于黃土臺塬上。2007年該處首次出現(xiàn)地裂縫,由于對農(nóng)田灌溉產(chǎn)生了較大影響,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民進(jìn)行了填埋處理。此后不久地裂縫重新出現(xiàn)。直到在2017年進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查時(shí),該地裂縫已經(jīng)發(fā)展成分別位于鐵路兩側(cè)的f1地裂縫和f2地裂縫,f1地裂縫和f2地裂縫的長度大致相等,走向近似平行。

f1地裂縫位于鐵路的北側(cè),走向約為48°,延伸的方向近似平行于水渠,延伸的距離約為750 m,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,f1地裂縫的寬度為0.6～0.9 m,深度最淺的位置約有0.5 m,最深的位置可達(dá)1.5 m。在進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查時(shí),據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窕貞?從2007年發(fā)現(xiàn)第1條地裂縫開始,地裂縫引起的沉降區(qū)域就從南向北逐漸發(fā)展,沉降區(qū)域的最大沉降量可達(dá)1 m,但是由于影響當(dāng)?shù)氐拇迕駶驳?他們對其進(jìn)行了填埋處理,所以在進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查時(shí)只能在地裂縫的形成處看見約15 cm的陡坎。在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)地裂縫距離水渠的距離在30 m左右,最大距離可達(dá)60 m; f1地裂縫在地表的表現(xiàn)形式主要以地裂溝、陷坑和陡坎為主,分析地裂縫的形成主要是受到水平張拉引起的。

f2地裂縫位于鐵路的南側(cè),走向約28°,延伸的方向也近似平行于水渠,延伸的距離約為700 m,平地裂縫的寬度約0.2 m,距離鐵路的水平距離約為25 m。地裂縫在地表主要以裂溝和陷坑出現(xiàn),分析其成因可能是地表土體受到水平拉張應(yīng)力引起的。

2.2 西白地裂縫的剖面結(jié)構(gòu)特征

為了研究該處的地裂縫的產(chǎn)生是否是由于地下的斷裂引起的,依據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件在鐵路南側(cè)的地裂縫附近布置了4個(gè)靜力觸探孔,靜力觸探結(jié)果顯示在地下20 m深度的范圍內(nèi),4個(gè)靜力觸探孔曲線的走向基本一致,說明該處的地層沒有斷裂也沒有大的錯(cuò)斷。

為了探明西白地裂縫在地下的破裂擴(kuò)展情況,對鐵路南側(cè)的地裂縫進(jìn)行開挖,開挖的探槽尺寸為長30 m,寬8 m,深10 m,走向約為6°。從開挖的探槽可以看出,該地裂縫帶只有1條主裂縫,該地裂縫的上部較寬,向下逐漸變窄,頂部最寬可達(dá)0.5 m,向下逐漸變成1～2 cm寬的細(xì)縫,該地裂縫向下延伸約2.5 m,從所挖探槽的剖面可以看到裂縫近直立垂直向下發(fā)展,變成細(xì)縫又向下延伸7.0 m,并穿透了第1層古土壤又向下延伸了0.5 m。從探槽中還可以看出,主裂縫兩側(cè)無次級裂縫發(fā)育,裂縫帶地層在3～8 m的范圍內(nèi)含水量明顯高于探槽的頂部和底部古土壤位置的含水量。在探槽中還可以看出在地裂縫破裂內(nèi)地層沒有明顯的錯(cuò)位,如圖3所示。

圖3 探槽剖面圖Fig.3 Cross-section of earth fissure revealed by trench

3 黃土濕陷性對地裂縫的影響

為了詳細(xì)研究黃土的濕陷性對西白地裂縫的影響,又在遠(yuǎn)離水渠和靠近水渠開挖了2個(gè)深約10 m的探井,依次在距裂縫帶南5 m、裂縫帶、距裂縫帶北5 m、靠近水渠和遠(yuǎn)離水渠的5個(gè)位置進(jìn)行取樣,每挖1 m取1個(gè)土樣,對取回來的土樣進(jìn)行黃土濕陷試驗(yàn)。

3.1 黃土的濕陷性

黃土的濕陷性是指在上覆土層作用力或者在自重和附加應(yīng)力共同作用下因浸水后土的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而發(fā)生顯著變形的現(xiàn)象。濕陷系數(shù)是衡量黃土濕陷性的重要指標(biāo)。

按照規(guī)范黃土的濕陷系數(shù)依照下述方法進(jìn)行測定:

(1) 按照所取土樣的深度分級加荷至試樣的預(yù)定壓力進(jìn)行讀數(shù),土層深度在10 m 以內(nèi),壓力分層加載到200 kPa進(jìn)行讀數(shù),然后將試樣浸水飽和,再進(jìn)行讀數(shù)。

(2) 濕陷系數(shù)δzs值計(jì)算式為

其中:hz為加至200 kPa時(shí),試樣變形穩(wěn)定后的高度(mm);hz′為在200 kPa時(shí),試樣浸水濕陷變形穩(wěn)定后的高度(mm);h為試樣的初始高度(mm)。

對在探槽和探井中所取得的49個(gè)土樣進(jìn)行了黃土濕陷實(shí)驗(yàn),得出的濕陷系數(shù)如圖4所示。

圖4 濕陷系數(shù)隨深度變化曲線Fig.4 Collapsibility coefficient with depth curve

根據(jù)規(guī)范可知<0.015的土為非濕陷性黃土,從圖4可以看出,水渠旁和裂縫帶北土層的濕陷系數(shù)全部<0.015,說明地裂縫北的土體已完全喪失濕陷性,也就是說該側(cè)已經(jīng)完全發(fā)生了濕陷;裂縫帶和裂縫帶南3～6 m深的土未完全濕陷;遠(yuǎn)離水渠的2～8 m的土層也未完全沉降,從圖4中還可以看出,古土壤以下的地層是不具有濕陷性的。

3.2 地裂縫兩側(cè)的黃土濕陷量

根據(jù)規(guī)范可知當(dāng)土體的自重濕陷量>70 mm時(shí),該部分場地即為自重濕陷場地。依據(jù)規(guī)范自重濕陷量計(jì)算式為

其中：δzsi代表第i層的自重濕陷系數(shù)；hi代表第i層的厚度,β可取 0.9。

通過上述的計(jì)算得出該場地的自重濕陷量為158.67 mm,遠(yuǎn)大于規(guī)范中所規(guī)定的70 mm,所以判斷該場地為自重濕陷場地,該場地的黃土?xí)l(fā)生黃土濕陷作用。

地裂縫兩側(cè)黃土的濕陷量的計(jì)算式為

其中:δsi代表第i層所計(jì)算的濕陷系數(shù);hi代表第i層的厚度,在 0～5 m 深度范圍內(nèi),β=1.5,在 5～10 m 深度范圍內(nèi),β=1。

通過上式計(jì)算得出該場地的濕陷量為365.28 mm(見表1)。

表1 各位置濕陷量

根據(jù)規(guī)范和表1的計(jì)算結(jié)果可以判斷出該場地為中等自重濕陷場地，表1還顯示，距離水渠的位置越遠(yuǎn),黃土的濕陷量越大,在距離水渠較近位置的地裂縫帶附近黃土的已濕陷量較大,而遠(yuǎn)離水渠的位置由于沒有受到水渠的影響,幾乎沒有發(fā)生濕陷。通過以上分析說明水體對黃土濕陷性的影響較大,會(huì)明顯造成地面的不均勻沉降,從而形成地裂縫。

3.3 地裂縫的成因過程

通過上述分析和計(jì)算,西白地裂縫主要是由于污水的滲漏和黃土的濕陷性所導(dǎo)致的,因此,西白地裂縫的形成可以分為3個(gè)階段,如圖5所示。

圖5 地裂縫演化過程圖Fig.5 Process map of ground fission evolution

第1階段:地裂縫的北側(cè)由于污水坑的存在,北側(cè)的土體會(huì)發(fā)生側(cè)向滲漏。由于馬蘭黃土的結(jié)構(gòu)具有大的孔隙和垂直節(jié)理比較發(fā)育,使得污水坑中的土體在發(fā)生滲透時(shí),豎直方向的滲透速度遠(yuǎn)大于水平方向的滲透速度,但是地下深度8 m的位置處有古土壤的存在,古土壤由于結(jié)構(gòu)比較緊密,滲透性較差,阻斷了水繼續(xù)向下滲透,這時(shí)水體就會(huì)緩慢地向側(cè)面進(jìn)行滲透。

第2階段:開始時(shí)隨著水體的不斷滲透,浸潤線逐漸向土體內(nèi)部延伸,浸潤線逐漸發(fā)展成為折線型。由于該場地的黃土具有濕陷性,所以浸潤線內(nèi)的黃土?xí)a(chǎn)生濕陷變形,土體就會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降,而在浸潤線最陡處差異沉降更加明顯,在地表就會(huì)產(chǎn)生張拉裂縫。

第3階段:隨著時(shí)間的推移,地裂縫不斷發(fā)展變寬,裂縫處也逐漸被充填,隨著水體不斷側(cè)向滲漏,浸潤線被不斷抬升,浸潤線內(nèi)的土體的濕陷量也進(jìn)一步加大,該部分土體會(huì)繼續(xù)發(fā)生不均勻沉降,進(jìn)而在裂縫處最終形成陡坎。

4 結(jié)論

研究通過對西白地裂縫進(jìn)行詳細(xì)的野外調(diào)查和開挖探槽等工作,查明了西白地裂縫的平面分布特征和剖面結(jié)構(gòu)特征。然后通過室內(nèi)的黃土濕陷實(shí)驗(yàn),計(jì)算了黃土的濕陷系數(shù)和濕陷量等參數(shù),并分析了黃土的濕陷性對西白地裂縫的影響,主要結(jié)論有:

(1) 西白地裂縫具有比較大的規(guī)模,由2條地裂縫組成,分別位于鐵路的南北兩側(cè),長700多米。

(2) 該裂縫帶主要由1條地裂縫構(gòu)成,地裂縫上寬下窄,裂縫內(nèi)部填充素填土和粉土。裂縫近直立向下延伸,延伸約9.5 m。

(3) 根據(jù)所計(jì)算出的黃土濕陷系數(shù)可以看出2～8 m深度內(nèi)的黃土出現(xiàn)濕陷性,古土壤具有隔斷作用,下部土體不會(huì)發(fā)生濕陷。

(4) 根據(jù)地裂縫兩側(cè)黃土濕陷量的計(jì)算可以得出,西白地裂縫主要是由于污水的側(cè)向滲漏和黃土的濕陷性共同導(dǎo)致的。

(5) 研究結(jié)果為由黃土濕陷性所造成的地裂縫提供了有效的技術(shù)指導(dǎo)和防治對策。