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地裂缝发育规律及防控措施

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《煤田地质与勘探杂志》2016年第二期

摘要:

地裂缝灾害的发生直接影响着太原盆地工农业生产和城镇居民生活,掌握地裂缝的发育规律和成因机理对减少灾害损失显得尤为必要。以地质环境为基础,系统分析了太原盆地地裂缝的发育特征。在此基础上,从主控因素的角度将区内地裂缝划分成采空塌陷成因、地下水超采成因、地震成因、断裂活动成因4种类型。系统分析了各类型地裂缝的力学形成机制,据此提出了防治措施。研究结果可为当地环境条件改善、地质灾害治理提供参考。

关键词:

地裂缝;太原盆地;地震;地下水;断层;采空区

地裂缝是地表岩层、土体在自然因素或人为因素作用下引起的地面开裂现象。自20世纪50年代以来,世界上许多国家和地区时常有地裂缝灾害的报道,其发生频率和灾害损失呈逐年加剧的趋势[1-2]。我国是受地裂缝灾害影响最大的国家之一,据初步对陕西、山西、山东、河北、河南、安徽、江苏、北京、天津、上海等10省市的统计,已有40多个地级市(区)发现1000余处地裂缝,累计损失达数百亿元。这些地裂缝时常穿越大型厂矿、重要建筑、城市道路、农田和水利工程等,造成沿线建筑损坏、管道破裂、道路开裂和农田荒废,对区域经济发展和人民安居乐业构成了严重威胁[3]。因此,开展相关地区地裂缝发育规律的研究,对区域经济社会的可持续发展具有一定实际意义。目前国内关于地裂缝发育规律的研究比较多,代表性的研究成果有:于军等[4]从地下水过量开采的角度研究了苏锡常地区地裂缝;邓亚虹等[5]从深部构造活动的角度对渭河盆地地裂缝的孕育机理进行了探讨;徐扬等[6]从区域断裂的角度研究了交城地裂缝;白海波[7]从构造、大气降水、人类活动等角度对徐州矿区地裂缝进行了分析。由于影响地裂缝形成的因素众多,现有的研究成果有时并不能全面的反映出地裂缝的形成机理,因此仍需加强对已有的地裂缝进行系统研究。太原盆地位于山西省中部,是山西三大断陷盆地之一,区内人口密度大,煤炭采矿业发达。改革开放以来经济社会获得快速发展的同时,也带来了地裂缝等地质环境问题。不时出现的地裂缝对人民的生产、生活造成了较大影响。本研究以区内地裂缝为研究对象,在区域地质环境背景条件的基础上,对煤矿开采、地下水超采、地震活动、断裂活动等条件下的地裂缝发育特征与作用机制进行了刻画,研究结果可为区内地裂缝灾害防治、城市远景规划及地下水合理开采提供参考。

1地质环境背景条件

太原盆地又称晋中盆地,属于典型的断陷盆地,其东西两侧分布有吕梁山脉和太行山脉。空间上呈NE—SW向展布,北至太原市的阳曲县,南达晋中的介休市,面积约5.0×103km2(图1)[3]。区内地势北高南低,四周高中间低,地面标高740.0~1813.8m。东西两侧隆起带出露的地层有奥陶系、石炭系、二叠系及三叠系,中间凹陷区沉积的地层主要为新生界以来的第四系[8]。区内NE向断裂较为发育,东侧太谷和西侧交城两条区域性大断裂构成了盆地东西边界,大断裂之间另发育30余条次生小断裂(图1)。太谷断裂总体走向NE,倾向NW,为高角度正断层,自北端的范村到南端的常乐村,长约9.0×104m[9];交城断裂总体走向NE,倾向SE,为高角度正断层,北起上兰村,向南经清徐、交城、文水,至汾阳栗家庄,长约1.3×105m[10]。自新生代以来,盆地范围内构造活动较为强烈,并呈现出盆地西部断裂带构造活动强于东部断裂带的特征,不均一的构造活动强度造成盆地东西部产生差异沉降,其中西部沉降幅度大于东部,形成的新生界地层也厚于东部,结果使得太原盆地的基底呈现掀斜状态[3,11]。

2地裂缝发育特征

太原盆地地裂缝于1974年在榆次县修文镇首次发现,近40a相继在平遥、介休、文水等县多处发生,至今已发现145处(不包含隐伏地裂缝),其中129处仍处于活动或间断活动状态。初步统计,该区地裂缝灾害已造成直接经济损失达5.39亿元,对当地社会经济发展造成了严重影响(图1、表1)。

2.1分布情况根据收集的资料和现场踏勘成果,太原盆地地裂缝可划分为3大分布区,盆地南部煤矿开采区地裂缝、盆地中东部平原区地裂缝及盆地西部交城断裂带地裂缝。a.煤矿开采区地裂缝煤矿开采区地裂缝主要分布在盆地南部孝义、介休矿区,以及平遥的西南侧矿区,共调查59处地裂缝,其中孝义矿区19处,介休矿区35处,平遥矿区5处。矿区地裂缝主要出现在1991年以后,在1996—2005年为集中出现期,共出现40处地裂缝,占总数的68%。b.中东部平原区地裂缝太原盆地中东部平原区地裂缝位于榆次、太谷、祁县、平遥等县,合计有69处,其中有38处出现在2000年以后。从发育程度来看,太谷、祁县最为发育,祁县西管村地裂缝长度达到22.4×103m,为山西省最长的地裂缝;从分布情况来看,榆次分布有4处(带)地裂缝,其中3处(带)位于城区及近郊;太谷分布有43处(带)地裂缝,走向以NE向为主,长度最大达3.5×103m;祁县分布有8处(带)地裂缝,走向也以NE向为主,长度一般为5.0×103~7.0×103m;平遥县分布有17处(带)地裂缝,其中12处位于县境中部冲洪积倾斜平原区和与其相邻的冲积平原区,5处位于董家庄村、邢家庄、枣林、石奄村等煤炭开采村庄,长度均小于300m。c.交城断裂带地裂缝交城断裂带地裂缝主要位于盆地西部清徐—交城—文水—汾阳一带,合计17处,其中8处出现在2000年以后。该区地裂缝多沿边山地带分布,位于交城隆起和沉积平原的交界地带,一般在断裂的南侧出露,具有走向稳定,延伸性长等特点。地裂缝平面形态多呈直线状,水平张开量一般在1.0×10–2~8.0×10–2m,最宽达1.0m,地裂缝两侧兼有垂直位错,房屋裂缝两侧垂直位错量一般为1.0×10–2~1.0×10–1m,影响带宽度2.0×101~1.6×102m。

2.2基本特征a.形态特征煤矿开采区地裂缝通常以直线型居多,少数为折线型,长度主要为5.0×101~3.0×102m,宽度一般8.0×10–2~8.0×10–1m,可见深度1.5~5.0m;中东部平原区地裂缝以直线型、锯齿型居多,长度一般为1.0×102~7.0×103m,宽度0.1~1.5m;断裂带地裂缝形态以折线型、直线型居多,长度3.0×102~9.0×103m,宽度2.0×10–2~4.0×10–1m。b.展布方向煤矿开采区出现的地裂缝展布方向一般与采掘方向一致,顺着采空塌陷区周边开裂;地下水超采区地裂缝一般出现在地表沉降区边缘;断裂带附近出现的地裂缝,其展布方向常与山前黄土台地前缘陡坎的走向相平行。c.剖面特征太原盆地地裂缝总体上呈现出上宽下窄楔形的特征。d.出现形式煤矿开采区地裂缝通常以多缝组合形式出现,每处由3~5条单缝组成,局部由数十条单缝组成;地下水超采区和交城断裂带附近地裂缝以单缝形式出现较多,偶尔以双缝或多缝组合形式出现。

2.3随时间变化规律1974年在修文—西双—王香村一带出现的地裂缝是太原盆地最早发现的地裂缝,之后在盆地的不同区域陆续出现新的地裂缝。从时间上看,采空塌陷区出现的地裂缝与煤矿开采活动有明显的相关性,如20世纪80年代在平遥县卜宜乡矿区一带初现地裂缝,随着煤炭开采范围向南扩大,90年代以后陆续在南部董家庄村等煤矿开采区发现新的地裂缝;又如20世纪90年代末至21世纪初为介休、孝义煤矿大规模开采期,而此期间在矿区陆续出现了大量地裂缝。地下水超采区地裂缝,其出现时间通常滞后于地下水的超采时间,如平遥、太谷、祁县等县的平原区在20世纪90年代末陆续出现地下水降落漏斗,但在出现降落漏斗1a甚至数年后才陆续在漏斗边缘出现地裂缝。断裂带附近的地裂缝出现时间受自然、人为等多重因素影响,出现时间无明显规律可循。通过对太原盆地地裂缝出现时间的统计发现(表2),地裂缝的发生年份可分为3个时间阶段,其中1990年以前为缓慢出现期,合计有24处,占地裂缝总数的17%;1991—2005年为密集出现期,合计112处,占总数的77%;2006年至今为相对平衡期,合计9处,占总数的6%。上述统计揭示太原盆地地裂缝灾害主要发生在1991—2005年,而这一时期正是煤矿开采、地下水过量开采相对强烈的时期,这表明人类活动在很大程度上决定着地裂缝的发生与发展。

3地裂缝成因机制

太原盆地地裂缝是内动力、外动力及人类活动相互作用的产物,其发育发展受新构造运动、地层岩性、包气带土壤特性、地震活动、大气降水、煤矿开采、地下水开采等多因素影响。总的来看,地质构造和地应力释放是地裂缝形成的内因,煤炭开采和地下水超采是地裂缝形成的主要激发因素,地震活动及大气降水促进了地裂缝的进一步发展。

3.1采空塌陷成因地裂缝煤矿开采过程中因产生采空塌陷而易形成地裂缝,其力学机理是:地下矿层被大面积采空后,原先的应力平衡将会被打破,新的应力平衡将会在矿柱上得到重建[12]。此时,如果承受应力的矿柱设计合理,则矿柱系统稳定,进而整个井巷稳定;若矿柱设计尺寸不合理,在某些必然(矿柱受到的荷载超过岩石强度)或偶然因素(如风化、地震以及累进破坏)的作用下,某一矿柱承受的应力首先超过其允许强度而产生破坏,遭到破坏的矿柱所承载的荷载必将转移到邻近矿柱上,使矿柱系统产生连锁破坏而打破原有的平衡,顶板岩层在自重和上覆岩土体压力的双重作用下向采空区垮落。由于采空区内岩土体工程地质条件存在差异,使地表发生不均匀沉降,并在采空区上方形成弯曲、倾斜、水平拉伸或压缩3种变形[3]。随着这些变形进一步发展,沉降区会形成差异性的拉、压应力分布(图2),即在中间部位出现压应力,在沉降边缘处出现拉应力,并在最大拉应力a、d两点处形成张性地裂缝,孝义、平遥、介休3县矿区发生的59处地裂缝就属于这种成因。

3.2地下水超采成因地裂缝已有的模型试验和监测成果[1,4]表明,超采地下水也是加剧地裂缝发生、发展的主要因素。根据地下水埋藏赋存条件,可将区内含水岩组划分为4种基本类型[3]:第四系全新统含水岩组,埋深0~50m;第四系中、上更新统承压含水岩组,埋深在50~200m;第四系下更新统湖积冲积层承压弱含水岩组,埋深200~400m;古近系和新近系红土夹薄层砂砾石湖积承压弱含水岩组。目前区内主要开采埋深在50~200m的弱承压含水层。由于持续的过量开采,从20世纪90年代起榆次、太谷、祁县、平遥等县陆续出现地下水降落漏斗和地面沉降,并在局部沉降带周边出现了地裂缝。这种因地下水超采而引发地裂缝的过程可以通过太沙基应力原理来解释:自然条件下地下土层所承受的荷载主要为上覆土层的自重,当地下水水位逐渐下降,土层将不断地被压缩。由太沙基应力原理[13]可知,在土层压缩的过程中,总应力没有变化,随着孔隙水压力不断减小,有效应力必将逐渐增加。当地下水水位下降到一定阈值时,就会在主采区域形成降落漏斗。此时,当漏斗范围内的应力差异传到地表时,就会形成地面沉降。随着沉降量的进一步增大,在差异沉降带的边缘将首先出现地裂缝,榆次、太谷、祁县、平遥4县出现的69处地裂缝与之有关。在上述土层压缩的过程中,由于不同土层压缩程度和固结速度差异较大,从而导致在地下水超采的条件下,地表出现的地面沉降在时间上又有所差别。对于砂性土含水层,由于孔隙水压力消散的速度较快,在短时间内就可完成压缩过程,反映到地表就是在短时间内就能见到地面沉降,但由于砂土含水层压缩过程具有可恢复性,在一定条件下由之引起的地面沉降可得到控制;对于黏性土层来说,由于孔隙水压力消散缓慢,短期内压缩效果并不显著,其固结压缩过程将持续较长时间,地下水超采几个月甚至几年后才能在地表产生地面沉降,由于黏性土层压缩变形一经形成就不易恢复,从而导致在地表沉降带应力差异处产生永久裂缝。

3.3地震成因地裂缝太原盆地位于山西地震带中部,属华北地震带发震最频繁的地区之一。据史料记载,从1289—1968年,太原盆地发生地震震级ML≥4.75级地震就有25次[14-15],其中1618年5月20日发生的地震6.5级为最大一次。而从1969年以来[16],太原盆地发生2级以上地震多达210余次(图3),其中以3~4级居多,最高4.75级发生在太原小店区(1993年6月26日)。从图3可以看出太原盆地地震震源主要集中在3个区域,一是盆地北部的太原、清徐、榆次三角区;二是盆地东部太谷断裂带沿线;三是在盆地南缘的汾阳、孝义、介休一带的断裂带上。总体上来看,从20世纪60年代末至21世纪初,太原盆地发生的地震震级小但频率高,而太原盆地地裂缝于1974年初现于榆次,从80年代初至90年代末地裂缝相继在祁县、太谷等十个县出现,地裂缝的出现与地震在时间上同步,表明地裂缝很可能与同期频繁的小震活动相关。小震活动不像大震活动使近地岩土层在短期内就产生强烈剪切变形、错位移动,而是通过频繁的震动不断地对上覆岩层进行应力作用,逐渐使岩层发生形变,当累积应力超过岩层弹性极限时,上覆岩层就会产生错位变形,此时当上覆地层为软弱层(疏松砂、砾、人工填土),则可能发生强烈沉降,当上覆地层为与地基岩性不同或厚度不同的区域,则可能产生不均匀沉降,这两种情况最终均能使横跨地表的工程设施发生裂缝。3.4断裂活动成因地裂缝区内断层比较发育,主次断裂30余条,其中交城断裂和太谷断裂为区内的主断裂,北田、平遥等断裂为交城、太谷主断裂下的次级断裂。据野外探槽资料[10-11],自全新世以来,交城断裂带累计错动位移约11.5m,年平均错动速率约为1mm,这表明盆地西部构造活动比较活跃。而对汾阳、文水、交城、清徐4县10处地裂缝发育特征的分析,发现这些地裂缝展布方向常与山前黄土台地前缘陡坎走向相平行,不受地形地貌、水文地质条件及人类活动的影响,可能是区内构造活动或深部断裂的蠕动而引起的地表开裂现象[3]。另据地震勘探资料[6],清徐西部、交城北部及汾阳杏花村地裂缝在空间位置上与交城断裂高度吻合(图1),在垂向上均与下伏断层间断相连,这进一步证实了断层活动是该区地裂缝形成的内在原因。从力学的角度来看,断层活动促进地裂缝发育的力学过程为:随着交城断层在内应力作用下发生张性蠕动,基底断裂会出现缓缓的上下错动,并呈现出上盘下降、下盘上升的运动趋势,这为数百米厚的第四系土层提供了潜在的临空面[3,11],在水平拉张应力和自重应力的复合作用下,上覆土层逐步产生自下而上的侧向扩展,并进行着侧向应力蓄积,当侧向应力蓄积到一定程度时,将会以开裂形式在近地表低围压状态的土体中释放应变能量,最终在地表形成裂缝。

4地裂缝灾害的防治对策

太原盆地地裂缝成因复杂,地裂缝有时是由某一因素起主导作用,其它因素起促进作用,如太谷40余处地裂缝主要是由地下水的超采导致地面沉降所引起的,后期的降雨促使原有地裂缝进一步发展;有时是两种或多种因素共同作用下形成的,如清徐地裂缝就是在地下水超采和断层活动共同作用下形成的。为了保障区域内人民安居乐业,减小地裂缝灾害造成的损失,可以采取以下措施进行防治。a.划分影响带范围。首先根据地裂缝的发育特征和分布情况来划分影响带范围,在影响带范围内进行城市规划与建设时,要查明区内断裂构造分布与活动情况,拟建场地尽可能避开地裂缝核心影响带;同时需针对性地减少人为活动,如对于地下水超采区,需控制和减少开采量,必要时可对超采区进行人工回灌。b.避让加固法。对于地裂缝两侧的建筑,局部的微小变形或开裂可以通过加固处理,如通过高压喷射注浆来加固地基,或通过钢筋混凝土梁来加固上部结构;对于已经遭受较大破坏的工程设施,根据实际情况进行局部拆除,必要时进行全部拆除,避免造成更大的损失。c.动态监测法。在人口密集区和重要工民建建筑设施附近可安置一定密度的固定监测设备,通过卫星、音频大地电场、高分辨率中波反射等方法监测地面沉降、地裂缝活动情况,根据地面沉降情况和地裂缝发展变化情况划分潜在地裂缝易发区,对年沉降量不断增大和地裂缝不断发展的区域要提前做好地裂缝的防灾工作。d.开采回填法。在水文地质条件适合的时候,开矿废渣可以就地填充到采空区,保证采空区围岩的稳定性,减少地裂缝发生的概率[17]。对于某些采空区,条件具备时甚至可改造成地下水库。

作者:周长松 邹胜章 夏日元 李录娟 陈旭坤 单位:中国地质科学院岩溶地质研究所 江苏省南通市水利勘测设计研究院有限公司

煤田地质与勘探杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次