咸陽城區(qū)地裂縫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與防控研究

蔣臻蔚,鄭瑞杰,盧全中,牛 琰

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

據(jù)調(diào)查,渭河盆地現(xiàn)有136處共計(jì)191條地裂縫,這些地裂縫大小不一,呈一定的規(guī)律性不均勻地分布在渭河盆地的各個(gè)部位[1]。其中西安市區(qū)的地裂縫破壞性最大,受關(guān)注度最高。而一水之隔的咸陽城區(qū)雖然也發(fā)育有多條地裂縫,但由于其規(guī)模相對西安地裂縫小,得到的關(guān)注度較低,僅有少數(shù)幾位學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[2-5]。但由于其發(fā)育在城區(qū),歷史上也造成了較大規(guī)模的破壞[6],對城市的規(guī)劃與建設(shè)有重大的影響,因此有必要開展進(jìn)一步的研究。

通過詳細(xì)調(diào)查和對歷史資料的整理分析,在對咸陽地裂縫發(fā)育特征充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,采用層次分析法與風(fēng)險(xiǎn)矩陣法相結(jié)合的定性—半定量評價(jià)方法,對咸陽城區(qū)地裂縫災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)段劃分,確定了重點(diǎn)區(qū)段,并提出了相應(yīng)的防治措施,為后續(xù)開展地裂縫災(zāi)害防治和城市規(guī)劃建設(shè)提供 了有益的參考。

1 咸陽城區(qū)地裂縫特征發(fā)育分析

1.1 平面分布特征

咸陽城區(qū)地裂縫主要分布于二級階地后緣,沿渭河斷裂展布。地裂縫分為2組:一組基本與渭河斷裂平行,是渭河斷裂的伴生地裂縫,其發(fā)育程度較高,延伸較長,造成的危害較大,是咸陽城區(qū)主要的地裂縫,此次主要就這一組地裂縫進(jìn)行分析研究;另一組地裂縫則與前一組地裂縫近于垂直,短小且數(shù)量少,造成的危害小,是咸陽城區(qū)次要的地裂縫。咸陽城區(qū)地裂縫分布如圖1所示。

分析咸陽城區(qū)地裂縫發(fā)育歷史和現(xiàn)狀分布圖,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)與渭河斷裂相關(guān)的地裂縫平面分布具有如下特征:

(1) 地裂縫主要分布在渭河斷裂沿線上盤附近400 m范圍以內(nèi),每處1～3條,近東西走向,平行于斷裂;

(2) 地裂縫發(fā)育地段可以分為3個(gè)區(qū)域,西段(渭店村—石斗村)地裂縫強(qiáng)發(fā)育段,中段(石斗村—石何楊村)地裂縫零星發(fā)育段,東段(石何楊村—擺旗寨村)強(qiáng)發(fā)育段;

(3) 西段地裂縫主要分布在西北橡膠廠沉降漏斗邊緣,中段地裂縫與城區(qū)中心沉降漏斗相關(guān),東段與沉降漏斗關(guān)系不明;

圖1 咸陽城區(qū)地裂縫分布Fig.1 Ground fissure distribution map of Xianyang urban area

(4) 地裂縫以雁列左旋形式為主,渭店村—程家村段左旋形式更為明顯。

1.2 地裂縫剖面特征及分類

根據(jù)槽探、鉆探和物探工作得到的結(jié)果,地裂縫與渭河斷裂剖面上的關(guān)系如圖2所示。

圖2 咸陽地裂縫剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of Xianyang ground fissure profile

由地裂縫的剖面特征,可將渭河斷裂伴生地裂縫分為3類:

Ⅰ類地裂縫:緊靠渭河斷裂發(fā)育,是斷裂的直接露頭或平行次級斷裂,傾向南,地表近直立,往下與斷裂相連,程家村和擺旗寨均有這類地裂縫出露。

Ⅱ類地裂縫:與渭河斷裂有一定距離,范圍50～200 m,是與渭河斷裂傾向相反的次級斷裂,發(fā)育在斷裂的上盤,與渭河斷裂呈“y”字形組合模式,大部分地區(qū)出露的地裂縫都是這種地裂縫。

Ⅲ類地裂縫:分布在渭河斷裂的最南側(cè),距離斷裂較遠(yuǎn),是淺層地表的微破裂,裂縫向下延伸有限,裂縫規(guī)模相對較小。

1.3 地裂縫活動(dòng)歷史情況

據(jù)調(diào)查,咸陽城區(qū)的地裂縫最早出現(xiàn)于上世紀(jì)70～80年代(例如畢塬西路醫(yī)藥化玻公司地裂縫),然后在1991—2006年高發(fā),2006年之后活動(dòng)減弱。地裂縫活動(dòng)的階段性與抽水引起的地下水水位變動(dòng)具有很好的一致性,如圖3所示。

圖3 潛水平均埋深變化與地裂縫發(fā)展對應(yīng)圖Fig.3 Correspondence graph of the change of phreatic average buried depth and ground fissure development

2 咸陽城區(qū)地裂縫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與分區(qū)

地裂縫的發(fā)育過程具有長期性、緩變性的特征,很多因素都會(huì)影響地裂縫的發(fā)育,因此具有很大的不確定性。對地裂縫進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估,不僅可以為防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù),也可以為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、城市建設(shè)規(guī)劃和土地資源開發(fā)利用提供參考,具有重大的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 地裂縫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

(1) 風(fēng)險(xiǎn)的定義及風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)的選擇 風(fēng)險(xiǎn)具有客觀性、突發(fā)性、損害性、不確定性、發(fā)展性。諸多學(xué)者和機(jī)構(gòu)都對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行過定義,雖然定義的形式有所差別,但實(shí)際上都是關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率和造成損失的某種數(shù)學(xué)表達(dá)。對風(fēng)險(xiǎn)定義的差異僅僅是這二者之間的運(yùn)算關(guān)系不同而己。目前比較通用的風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)定義為

R=p·c,

(1)

其中:R為風(fēng)險(xiǎn);p為風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率;c為風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的后果,即損失。

若將風(fēng)險(xiǎn)R看作關(guān)于p和c的函數(shù),最簡單同時(shí)應(yīng)用最多的是二者的相乘關(guān)系,即R=p·c。本文采用Van Westen等[7]提出的風(fēng)險(xiǎn)函數(shù),即風(fēng)險(xiǎn)=危險(xiǎn)性×[易損性×數(shù)量],等同于風(fēng)險(xiǎn)=危險(xiǎn)性×后果。

地裂縫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估為單一風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)評估,其內(nèi)容包括風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)估算和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)3個(gè)方面。首先是認(rèn)識(shí)災(zāi)情和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),取得基本要素,總結(jié)以往的災(zāi)害事件;其次是統(tǒng)計(jì)分析,建立模型,分析推算可能產(chǎn)生的新的地裂縫災(zāi)害的性質(zhì)、規(guī)模及危害范圍和程度;最后結(jié)合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃及相關(guān)工程及非工程措施,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)損失估算及減災(zāi)效益評價(jià),為決策者提供決策建議[8]。

(2) 風(fēng)險(xiǎn)評估范圍和方法 根據(jù)調(diào)查,咸陽主城區(qū)的地裂縫為渭河斷裂控制的抽水構(gòu)造復(fù)合型地裂縫,其位置直接與渭河斷裂相關(guān),主要分布在斷裂上盤400 m范圍以內(nèi),下盤400 m范圍以內(nèi)局部地段?？紤]到咸陽城區(qū)地裂縫的這種帶狀分布的特點(diǎn),此風(fēng)險(xiǎn)評估的范圍限定在咸陽城區(qū)渭河斷裂帶附近,評估范圍長約23 km,寬以渭河斷裂為中心南北各400 m。對于這樣一個(gè)狹長的條帶狀的評估范圍,類似于道路、管道等生命線工程的風(fēng)險(xiǎn)評估,進(jìn)一步的評估單元的劃分只需要沿縱向分段即可。需要注意的是,該評估結(jié)果并不代表該分段區(qū)域所有地方的地裂縫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)都一樣,而只是表明該區(qū)段存在的最大地裂縫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度,具體場地的地裂縫風(fēng)險(xiǎn)情況還要綜合該段地裂縫的分布情況和發(fā)育特征來判定。

風(fēng)險(xiǎn)評估的方法可分為定性方法、定性-半定量方法和定量方法(定量的概率和損失)[8]。對于地裂縫災(zāi)害,要達(dá)到定量評價(jià)需要有長期的大量監(jiān)測資料和完備的地質(zhì)環(huán)境資料,現(xiàn)階段還難以實(shí)現(xiàn)。目前對于地裂縫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評估多采用定性方法或是定性-半定量方法。

2.2 咸陽城區(qū)地裂縫災(zāi)害危險(xiǎn)性評估

影響地裂縫災(zāi)害危險(xiǎn)性的因素層次相對較為簡單,因此采用層次分析法來進(jìn)行咸陽城區(qū)地裂縫災(zāi)害危險(xiǎn)性評估。

(1) 危險(xiǎn)性指標(biāo)體系 地裂縫災(zāi)害的危險(xiǎn)性是指發(fā)生某種規(guī)模地裂縫災(zāi)害的可能性大小,它與地裂縫的成因及活動(dòng)性有關(guān)。根據(jù)對咸陽城區(qū)地裂縫的分布特征與歷史發(fā)展活動(dòng)狀況分析,反映和影響地裂縫形成及活動(dòng)性的主要因素包括地裂縫發(fā)育現(xiàn)狀、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地下水開采、地形地貌、地層巖性、降水以及人類工程活動(dòng)等,其中前面幾種是最主要的因素,這些影響因素與地裂縫之間既表現(xiàn)有空間分布上的對應(yīng)性,也表現(xiàn)有相對的時(shí)序特點(diǎn),且各因素之間還有一定的相互作用關(guān)系。考慮到是對同區(qū)域同一斷裂構(gòu)造帶影響的地裂縫災(zāi)害危險(xiǎn)性分析,評估指標(biāo)的選取可以忽略降水等相同因素,最后選擇的評估指標(biāo)體系如圖4所示。每個(gè)指標(biāo)危險(xiǎn)性的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

(2) 判斷矩陣的標(biāo)度及權(quán)重計(jì)算 為量化各因素相對重要性,我們采用T.L.Saaty標(biāo)度方法[9],見表2。由此構(gòu)建的影響因素比較判斷矩陣見表3。

圖4 咸陽城區(qū)地裂縫危險(xiǎn)性評估指標(biāo)體系Fig.4 The index system of risk assessment of ground fissure in Xianyang urban area

表1 地裂縫危險(xiǎn)性指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 T.L. Saaty 1～9標(biāo)度法

計(jì)算得到各因素權(quán)重分別為:地裂縫發(fā)育狀況0.527,地下水超采情況0.217,地質(zhì)構(gòu)造0.217,地形地貌0.039。

表3 影響因素判斷矩陣

(3) 危險(xiǎn)性評估結(jié)果 對評估區(qū)段按照100 m寬度劃分評估單元,每個(gè)單元根據(jù)地裂縫調(diào)查結(jié)果及地質(zhì)環(huán)境條件參照表1給各個(gè)指標(biāo)打分,然后按照以上得到的指標(biāo)權(quán)重綜合計(jì)算危險(xiǎn)度,最后進(jìn)行適當(dāng)歸并得到的地裂縫危險(xiǎn)性評估結(jié)果可劃分為6個(gè)區(qū)段(見表4)。

表4 地裂縫災(zāi)害危險(xiǎn)性評估結(jié)果

2.3 咸陽城區(qū)地裂縫災(zāi)害損失分析

(1) 計(jì)算理論和指標(biāo)體系 地裂縫災(zāi)害的期望損失是由承災(zāi)體的類型、數(shù)量和易損性決定的。易損性是指承災(zāi)體受地質(zhì)災(zāi)害破壞發(fā)生損毀的難易程度,這一概念暗含了人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平應(yīng)對正在發(fā)生的災(zāi)害性事件的能力,主要包括社會(huì)易損性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)易損性指標(biāo)和物質(zhì)易損性指標(biāo)[10]。社會(huì)易損性指標(biāo)主要是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生導(dǎo)致的人員傷亡;經(jīng)濟(jì)易損性指標(biāo)主要指地裂縫災(zāi)害的發(fā)生對國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的間接影響,例如對地價(jià)的影響;物質(zhì)易損性指標(biāo)主要包括建筑物、基礎(chǔ)工程、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生命線工程等的易損性指標(biāo),是地裂縫災(zāi)害的直接經(jīng)濟(jì)損失。咸陽地裂縫基本為緩變式地質(zhì)災(zāi)害,對人類的生命一般不構(gòu)成威脅,因此不考慮人員死亡和受傷的后果,僅考慮經(jīng)濟(jì)和物質(zhì)易損性指標(biāo),研究不同評估區(qū)段地裂縫災(zāi)害侵襲的后果,采用的方法為實(shí)際調(diào)查和理論分析。

結(jié)合咸陽城區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況,構(gòu)建的區(qū)域地裂縫災(zāi)害后果評價(jià)指標(biāo)體系如圖5所示。指標(biāo)體系包括鐵路的分布、公路的分布、居民點(diǎn)的分布、土地價(jià)值等。地裂縫災(zāi)害損失后果(期望損失)的計(jì)算公式為

V=∑Ni·Vi·Si,

(2)

其中:V為災(zāi)害損失(萬元);Ni為i類承載體數(shù)量(棟或m2);Vi為i類承載體價(jià)值(萬元/計(jì)算單位);Si為i類承載體易損性,0～1之間取值。

圖5 地裂縫災(zāi)害后果評價(jià)指標(biāo)體系Fig.5 Evaluation index system of ground fissure disaster consequences

(2) 災(zāi)害后果分析結(jié)果 由于評估區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,工程建設(shè)速度快,早幾年的地質(zhì)圖已經(jīng)無法反應(yīng)該區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)況,因此評估主要根據(jù)實(shí)時(shí)的衛(wèi)星云圖和實(shí)地考察,用得到的建筑類型、數(shù)量以及位置來定性判斷地裂縫災(zāi)害可能帶來的后果。評估結(jié)果見表5。

表5 地裂縫災(zāi)害后果分析

2.4 地裂縫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與分區(qū)

(1) 風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣 在地裂縫危險(xiǎn)性評估和災(zāi)害后果評估的基礎(chǔ)上采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法來確定地裂縫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級。風(fēng)險(xiǎn)矩陣法因其操作簡單便捷的特性被廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評估中,通過建立二維表格得到半定性的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果。參考區(qū)域滑坡風(fēng)險(xiǎn)定性分析的方法[11],按照4個(gè)級別來構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣(見表6)。

(2) 風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果與分區(qū) 根據(jù)以上危險(xiǎn)性和災(zāi)害后果等級的評估結(jié)論,按照表6的風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣得到的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果見表7。從表7可見,整個(gè)評估區(qū)可劃分為6個(gè)區(qū)段,風(fēng)險(xiǎn)性高、中、低各2 段。風(fēng)險(xiǎn)性高的區(qū)段總長7.41 km,占評估區(qū)總長的32.5%;風(fēng)險(xiǎn)性中等的區(qū)段總長10.20 km,占評估區(qū)總長的44.8%;風(fēng)險(xiǎn)性低的區(qū)段總長5.18 km,占評估區(qū)總長的22.7%。

表6 地裂縫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣

表7 地裂縫災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果及分區(qū)

3 重點(diǎn)防治區(qū)段與防治措施建議

3.1 重點(diǎn)防治區(qū)段

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)果,可將咸陽城區(qū)地裂縫災(zāi)害危險(xiǎn)性高的兩個(gè)區(qū)段劃為重點(diǎn)防治區(qū)段,分別是位于秦都區(qū)的渭店村—石斗村段和位于渭城區(qū)的石何楊村—擺旗寨村段。兩段的特征如下:

(1) 重要防治區(qū)段A1(渭店村—石斗村段) 該段地裂縫災(zāi)害發(fā)育,在渭河斷裂南側(cè)400 m東西向條帶范圍內(nèi)發(fā)育多條地裂縫,災(zāi)害較為嚴(yán)重,地裂縫帶內(nèi)房屋及道路都有不同程度的開裂。上世紀(jì)80～90年代地裂縫活動(dòng)性較大,嚴(yán)重影響當(dāng)時(shí)居民生活及農(nóng)田灌溉。近幾年,雖然地裂縫活動(dòng)性明顯減弱,但一些村民2000年后新建房屋,仍然有開裂的現(xiàn)象發(fā)生。該段目前為城市西郊的城中村,房屋建筑主要為磚石砌體結(jié)構(gòu),抗災(zāi)能力差。根據(jù)規(guī)劃,該區(qū)段將為咸陽市的重點(diǎn)發(fā)展地段,今后的詳細(xì)規(guī)劃需要結(jié)合地裂縫的分布來進(jìn)行。

(2) 重要防治區(qū)段A2(石何楊村-擺旗寨村段) 該段位于渭城區(qū)石何楊村—擺旗寨村,地裂縫也較為發(fā)育,基本與渭河斷裂平行,兩條地裂縫并行,間距200 m左右,影響帶內(nèi)房屋全部出現(xiàn)開裂,且地裂縫仍在活動(dòng),新修房屋基本1～2年就會(huì)出現(xiàn)開裂,該區(qū)地裂縫是咸陽市現(xiàn)階段活動(dòng)性較大的地裂縫。該段同樣位于咸陽市重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃區(qū),其建設(shè)也需要結(jié)合地裂縫的分布進(jìn)行。

3.2 防治措施建議

咸陽城區(qū)地裂縫與大多數(shù)危害較大的地裂縫類似,是斷裂構(gòu)造控制作用下過度抽取地下水而引發(fā)或加劇的地質(zhì)災(zāi)害。斷裂構(gòu)造限制了地裂縫的大致位置、規(guī)模和產(chǎn)狀特征,地下水開采引起的地面沉降則貢獻(xiàn)了大部分的活動(dòng)量,影響了地裂縫的活動(dòng)特征。鑒于地面沉降和地裂縫之間密切的關(guān)系,對于它們的防治首先要以區(qū)域上的聯(lián)動(dòng)防治為主,控制和優(yōu)化地下水開采,減輕地面沉降,從而降低地裂縫災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

對于具體的工程,單點(diǎn)式建筑物的基礎(chǔ)不得跨越地裂縫布置。具體的避讓距離根據(jù)地裂縫的影響寬度以及各類建筑物對不均勻沉降的敏感性綜合確定。《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程》[12]規(guī)定了西安地裂縫場地建筑物的具體避讓距離,但是咸陽市地裂縫有其特殊性,地裂縫產(chǎn)狀近于垂直,差異沉降較小,地裂縫影響區(qū)范圍較窄,地面調(diào)查和探槽揭示其影響區(qū)總寬度均小于西安地裂縫。不過由于其主斷裂(渭河斷裂)為發(fā)震斷裂,其避讓還需結(jié)合活動(dòng)斷裂的相關(guān)研究來執(zhí)行[13]。對于穿越地裂縫的生命線工程,可以在準(zhǔn)確評價(jià)地裂縫的特征及活動(dòng)趨勢的基礎(chǔ)上,結(jié)合西安市地裂縫的研究成果采取相應(yīng)的措施。

4 結(jié)論

(1) 咸陽城區(qū)地裂縫主要分布于二級階地后緣,可以分為2組,主要的一組基本與渭河斷裂平行,是渭河斷裂的伴生地裂縫,其發(fā)育程度較高,延伸較長,造成的危害較大,是咸陽城區(qū)主要的地裂縫。

(2) 剖面上渭河斷裂的伴生地裂縫可以分為3類:一是斷裂的直接露頭或平行次級斷裂;二是與渭河斷裂傾向相反的次級斷裂;三是距離較遠(yuǎn)的淺層地表的微破裂。

(3) 按照危險(xiǎn)性和災(zāi)害后果等級的評估結(jié)論,咸陽城區(qū)地裂縫可能發(fā)育的地段可劃分為6個(gè)區(qū)段,風(fēng)險(xiǎn)性高、中、低各2段,風(fēng)險(xiǎn)性高的區(qū)段總長7.41 km,占評估區(qū)總長的32.5%。

(4) 對于風(fēng)險(xiǎn)較高的兩段需列入地裂縫災(zāi)害防治的重點(diǎn)區(qū)段,在該區(qū)開展工程建設(shè)時(shí)要采取相應(yīng)的措施來防止災(zāi)害的發(fā)生。