河北隆堯地裂縫災害及其安全避讓距離分析

吳玉濤，楊為民，周俊杰，于鴻坤，李曉樂，張?zhí)锾?6,萬飛鵬,6

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京 100081；3.中國礦業(yè)大學，北京 100083；4.中兵勘察設計研究院有限公司，北京 100053； 5.北京城建集團有限責任公司，北京 100088；6.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083)

0 引言

華北平原地裂縫最早于20世紀60年代初在邯鄲地區(qū)出現(xiàn)[1]，經(jīng)邢臺和唐山地震群后，地裂縫數(shù)量有所增加，尤其到80年代后期，經(jīng)濟快速發(fā)展，地下水超采嚴重，地裂縫數(shù)量急劇增加。到2019年，華北平原已成為繼汾渭盆地后又一地裂縫高發(fā)區(qū)[2]。由于地裂縫災害的不可抗拒性，尤其是構造地裂縫，目前對地裂縫災害最有效的防治措施是以避讓為主，因此，厘定地裂縫安全避讓距離，使新建建筑處于安全穩(wěn)定狀態(tài)和土地資源利用最大化，一直是地裂縫災害研究的重點[3-4]。

隆堯地裂縫是華北平原地區(qū)規(guī)模最大、活動性最強的一條地裂縫。該地裂縫于20世紀60年代初露地表，在農(nóng)田中呈零星狀展布，90年代初地裂縫加速變形。地裂縫所過之處，房屋損壞、墻體開裂、道路變形、管道切錯和農(nóng)田漏水等，給當?shù)貛韲乐氐慕?jīng)濟財產(chǎn)損失，如何對隆堯地裂縫進行防治是迫需解決的問題。

本文在詳細調(diào)查隆堯地裂縫地表建筑損壞特征及程度的基礎上，依據(jù)探槽、地形變測量、地裂縫上下盤變形監(jiān)測和地表沉降調(diào)查，對地裂縫區(qū)建筑損毀程度和等級進行劃分，嘗試使用“損毀度”的概念量化地裂縫破壞等級與安全避讓距離之間的相關聯(lián)系，擬合損毀度與地裂縫避讓距離曲線，結合地表變形和潛在威脅區(qū)分析，最終厘定隆堯地裂縫安全避讓距離。

1 隆堯地裂縫形成的地質(zhì)背景

隆堯縣位于太行山隆起南麓東側(cè)，北接寧晉凸起，東臨新河凸起，南為臨清凹陷，是華北地塊核心部位。從板塊運動來看，受印度板塊向歐亞板塊俯沖影響，自白堊紀以來，太行山以垂直升降為主，受太平洋板塊向西俯沖于歐亞板塊作用，上地幔軟流層物質(zhì)向上融入并擠入地殼，地殼厚度變薄，沿北西-南東向形成張拉應力場，壓應力主軸為北東-南西向。自日本9.0級大地震以后，據(jù)東北和華北地應力監(jiān)測資料分析，華北平原最大壓應力主軸顯示為近東西向[5]。板塊構造運動為華北平原地裂縫產(chǎn)生提供動力來源。

從活動斷裂來看，隆堯地區(qū)活動斷裂發(fā)育，主要發(fā)育北東和近東西向斷裂，平面上呈“叉”型(圖1)，隆堯縣位于石家莊-保定斷裂、晉縣斷裂、新河斷裂、邢臺斷裂與隆堯斷裂的交匯處[6]，近東西向隆堯斷裂切割北東向斷裂或北東向斷裂發(fā)育受近東西向斷裂限制，而隆堯地裂縫正是發(fā)育在近東西向隆堯斷裂與北東向元氏斷裂、新河斷裂的交匯處，斷裂構造背景十分復雜，各斷裂特征見表1。同時受活動斷裂影響，隆堯縣附近地震頻發(fā)，地裂縫開裂期間，近20年內(nèi)就發(fā)生5級以上地震32次，復雜的斷裂背景與頻繁的地震活動為隆堯地裂縫形成提供孕裂背景。

圖1 隆堯地裂縫區(qū)域構造圖Fig.1 Regional tectonic map of Longyao ground fissure F1-石家莊-保定斷裂；F2-晉縣斷裂；F3-新河斷裂； F4-隆堯斷裂；F5-邢臺斷裂；F6-雞澤斷裂；F7-廣宗斷裂

從地層結構來看，隆堯地區(qū)屬太行山山前沖洪積平原，第四系厚度從西向東逐漸增加，巖性以粉細砂或黏土質(zhì)砂與黏土互層，含水層與隔水層相間分布。以東店馬村為界，西側(cè)為黏土和砂質(zhì)黏土層，東側(cè)為粉細砂層。邢臺地震期間，該地區(qū)首先發(fā)現(xiàn)地裂縫及大量沙土液化現(xiàn)象。巨厚的松散沉積物為構造應力的釋放提供良好的物理場，同時，第四系土層結構差異是隆堯地裂縫地表形態(tài)特征和發(fā)育程度不同的物質(zhì)基礎。

2 隆堯地裂縫發(fā)育特征

20世紀60年代，隆堯地裂縫初露地表，主要沿蓮子鎮(zhèn)-毛爾寨村呈零星狀分布。到80年代，地裂縫開始向西發(fā)展。到2019年，隆堯地裂縫全長約30 km，西起北寺莊西北，向東經(jīng)周張莊、南小河、虎中村，走向近EW，在東店馬村東側(cè)地裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，走向NE，一直延伸至毛爾寨村附近。

表1 地裂縫場區(qū)建筑損毀等級劃分

依據(jù)地表陡坎是否發(fā)育，將隆堯地裂縫分為東西兩段：西段西起北寺莊西北1 km，向東經(jīng)周張莊、南小河、虎中、西店子、東店馬村，走向近EW、局部彎曲偏轉(zhuǎn)、斜列，走向由EW轉(zhuǎn)變?yōu)镹E向，全長約14.5 km。該段地裂縫線性特征明顯，地裂縫陡坎高0.5～1.2 m，人工整平后呈緩坡狀，地裂縫發(fā)育不受地貌、地物限制，方向性強，連續(xù)性好，延伸遠，陡坎微向南傾，傾角約80°，南盤下降，北盤相對抬升(圖2)。

圖2 隆堯地裂縫平面圖Fig.2 Plane map of Longyao ground fissure

東段為東店馬村至毛爾寨村，走向穩(wěn)定，NE向，全長約15.5 km，該段地裂縫未見明顯地表陡坎發(fā)育，但存在嚴重的農(nóng)田漏水現(xiàn)象，當遇強降雨或灌溉時，地表常見串珠狀或條帶狀塌陷坑。

第四系土層結構是引起隆堯地裂縫平面特征差異的主要原因，西段地層巖性以黏土、粉砂質(zhì)黏土為主，黏性土具較高的凝聚力，結構性強，受斷裂應力發(fā)生剪切變形，在地表形成陡坎；東段地層巖性為粉細砂，粉砂，砂層土結構松散，穩(wěn)定性差，受斷裂構造應力發(fā)生結構失穩(wěn)，形成塌陷坑、落水洞等。

3 隆堯地裂縫災害及地表變形特征

3.1 地裂縫區(qū)地表建筑破壞類型

水平拉裂是指地表建筑在地裂縫的影響范圍內(nèi)發(fā)生不同程度的開裂，裂口基本上寬下窄，主要呈楔形、斜列形、折線形及倒八字形(圖3a～d)。

圖3 隆堯地裂縫地表建筑破壞類型Fig.3 Damage types of ground fissures surface buildings in Longyao

垂直位錯是由于地裂縫上下盤相對運動致使地基基礎產(chǎn)生錯動，使上部建筑產(chǎn)生垂向位移差。地表垂直位錯致使窗戶產(chǎn)生錯列變形(圖3e)，墻體發(fā)生明顯垂直位移(圖3f)，地表建筑開裂直接與地裂縫相連。

橫向剪切常伴隨著結構的不均勻沉降，地裂縫本身的扭轉(zhuǎn)分量較小。但當?shù)亓芽p與地表建筑斜較，特別是交角較小時，在地表表現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)變形現(xiàn)象十分明顯。當橫向剪切與垂直差異沉降同時作用時，地表建筑往往產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和斜列開裂(圖3g～h)。

隆堯地裂縫場地建筑破壞不只是以一種形式存在，常是兩種或多種以上破壞類型同時作用，即某一建筑物既存在開裂和垂直位錯，也存在橫向剪切。

3.2 地裂縫區(qū)地表建筑損毀等級及損毀度劃分

隆堯地裂縫地表建筑損毀受距地裂縫帶距離和上部建筑結構、強度等影響，距地裂縫帶越近，損毀越嚴重，反之影響越??；同時，地表建筑的結構、強度及完整性不同，損毀程度也有差異，有圈梁的基礎比磚混結構的建筑抗變形破壞能力強?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隆堯地裂縫穿過的村莊建筑結構基本一致，以磚混結構為主，損毀程度由地裂縫帶向兩側(cè)降低。通過對周張莊、南小河、虎中、西店子等村房屋、墻體損毀程度以及與距地裂縫不同距離建筑物的損毀程度調(diào)查對比分析，將地裂縫區(qū)建筑物損毀程度劃分為5個等級：完全損毀區(qū)、重度損毀區(qū)、一般損毀區(qū)、微影響區(qū)和安全區(qū)。為探究地表建筑損毀程度與距地裂縫距離之間的相關性，故提出“損毀度”的概念，即：地表建筑損毀類型一致，損壞程度相同，其損毀度值相同。隆堯地裂縫區(qū)損毀度劃分與損毀等級相對應：1、3、5、7、9，損毀度值越大，地表建筑損毀程度越嚴重(表1)。

到2019年，隆堯地裂縫上盤影響范圍約50 m，下盤約30 m。距離主裂縫越近，地表建筑損毀越為嚴重，損毀度越高；反之，建筑損毀程度越輕，損毀度越小。除此之外，地裂縫對上盤建筑的損毀程度及影響范圍大于下盤(圖4)。

圖4 隆堯地裂縫上下盤地表建筑破壞程度Fig.4 Damage degree of surface buildings on upper and lower wall of Longyao ground fissures

4 隆堯地裂縫安全避讓距離分析

地裂縫成因?qū)ζ浞乐未胧┻x擇起決定性作用，超采地下水型地裂縫一般可以通過禁采地下水或地下水回灌等措施限制或消除地裂縫發(fā)展[7-8]。但隆堯地裂縫是斷層蠕滑型地裂縫，其形成發(fā)育與隱伏斷層蠕滑運動密切相關[9-12]，據(jù)歷史監(jiān)測資料和現(xiàn)場調(diào)查分析，隆堯地裂縫活動性較強，并具有進一步加強的趨勢[13]。因此，對于構造型地裂縫的防治措施以避讓為主，厘定地裂縫場區(qū)安全避讓距離至關重要。

4.1 地裂縫區(qū)地表變形監(jiān)測分析

為實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測隆堯地裂縫變形發(fā)展趨勢，分別在周張莊、南小河、西店子和東店馬村布置4條GPS監(jiān)測線，上下盤各5個監(jiān)測點，長400 m，監(jiān)測間距由地裂縫向兩側(cè)變大。收集了一年內(nèi)時間間隔為0 d、68 d、85 d和128 d的4次監(jiān)測數(shù)據(jù)，記錄了地裂縫上下盤水平和垂直位移量。

GPS監(jiān)測結果顯示監(jiān)測點發(fā)生水平位移，并具方向性(圖5)。各監(jiān)測點均產(chǎn)生北西方向位移分量，其中上盤最大水平位移量為45 mm，下盤最大水平位移量為22 mm，且上盤多數(shù)監(jiān)測點位移量大于下盤，下盤水平位移較小或基本不發(fā)生位移，局部水平位移可能由于超采地下水所致。上盤大量監(jiān)測點位移是由于蠕滑斷層具左旋性質(zhì)，上盤為主動盤。

圖5 隆堯地裂縫GPS監(jiān)測樁位移方向及位移量Fig.5 Direction and displacement of GPS monitoring piles in Longyan ground fissures

同時，GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄了地裂縫上下盤垂直位移變化(圖6)，監(jiān)測天數(shù)越多，垂直位移量越大，其中最大垂直變形量位于南小河村N1監(jiān)測點，垂向位移量為37.6 mm。主裂縫兩側(cè)變形最為明顯，且上盤大于下盤，但隨著距地裂縫的距離增加，相對變形量逐漸減小，地表相對變形較小，地表相對平緩。上盤基本在N3(距主裂縫約30 m)監(jiān)測點后地表相對變形量為零，下盤在N7(距主裂縫約15 m)監(jiān)測點后地表相對變形量為零。

4.2 隱伏裂隙潛在威脅區(qū)分析

隆堯地裂縫上下盤均發(fā)育大量的分支或次級裂縫，與主裂縫相交或平行，傾角70°～80°，向上傾角變大，近直立狀，與主裂縫夾角約30°，埋深一般在4～12 m，基本未在地表出露，但受隱伏斷裂或人類活動影響(超采地下水)，隱伏裂縫有向上發(fā)育到地表的趨勢，從剖面上幾何計算可知，當伴生裂縫擴展到地表時，與主裂縫距離小于8 m，仍在上述計算的安全避讓距離之內(nèi)，但隨著距主裂縫距離增加，損毀等級影響范圍逐漸擴大，完全損毀區(qū)將橫向擴展3～10 m，同樣，其他損毀區(qū)影響范圍均擴大相應范圍。除此之外，隆堯斷裂上盤發(fā)育伴生斷層，與隆堯斷裂反傾，傾角約75°，夾角約30°，地震解譯顯示上斷點埋深約100 m[14-15]，若伴生斷裂受主斷裂影響發(fā)生蠕滑作用向上擴展，地裂縫影響范圍將會進一步擴大(圖7)，計算影響范圍約30 m。所以，查明隆堯斷裂及其伴生斷層活動性和活動速率對確定隆堯地裂縫及其伴生裂縫的活動擴展速率具重要意義。

圖6 隆堯地裂縫垂直位移量剖面Fig.6 Vertical displacement profile of Longyao ground fissures

圖7 隆堯地裂縫伴生裂隙擴展模式Fig.7 Associated fracture expansion mode of Longyao ground fissures

依據(jù)隆堯地裂縫地表形變和隱伏裂隙威脅區(qū)分析，對表1建筑損毀等級距地裂縫距離進行修正，最終確定隆堯地裂縫上下盤安全避讓距離，上盤避讓距離為60 m，下盤避讓距離為40 m(表2)。

表2 隆堯地裂縫安全避讓距離

擬合損毀度和地裂縫安全避讓距離曲線，地裂縫上盤擬合曲線為：y=0.63x2-15.6x+103.38，擬合度相關系數(shù)達0.997，下盤擬合曲線為：y=0.75x2-15.2x+78.45，擬合度相關系數(shù)達0.996，擬合效果較好，其中x為損毀度，y為避讓距離(圖8)。根據(jù)地表建筑破壞特征，確定等級及其對應的損毀度，依據(jù)損毀度和安全距離避讓曲線確定地裂縫區(qū)建筑避讓距離。

圖8 隆堯地裂縫區(qū)損毀度與避讓距離擬合曲線Fig.8 Fitting curve of damage degree and avoidance distance in Longyao ground fissures area

5 結論

(1)隆堯地裂縫長約30 km，平面上分為東西兩段，西段為北寺莊-東店馬村，走向近東西，地表發(fā)育高0.5～1.2 m的連續(xù)性陡坎，東段為東店馬-毛爾寨村，走向北東，地表偶見塌陷坑或長條狀開裂，地裂縫西段災害較東段嚴重。

(2)隆堯地裂縫區(qū)地表建筑變形破壞分為3種類型：水平拉張、垂直位錯和橫向剪切。根據(jù)地表建筑損毀程度，劃分5個損毀等級：完全損毀區(qū)、重度損毀區(qū)、一般損毀區(qū)、微影響區(qū)和安全區(qū)，統(tǒng)計各損毀區(qū)范圍，提出了“損毀度”概念，量化損毀區(qū)范圍。

(3)對比分析隆堯地裂縫區(qū)地表變形相對影響范圍和潛在隱伏裂隙威脅區(qū)，基于安全系統(tǒng)理論，將隆堯地裂縫上下盤損毀等級影響范圍擴大3～10 m，最終確定各損毀等級下的安全避讓距離，根據(jù)最大安全理論，地裂縫上盤安全避讓距離為60 m，下盤安全避讓距離為40 m。擬合安全避讓距離曲線，為全區(qū)地裂縫安全設防提供指導建議。