賈三滿,劉明坤,田 芳,趙守生

(北京市水文地質工程地質大隊,北京 100195)

地裂縫泛指地表巖土體中產生的一種線形破裂現(xiàn)象.地裂縫災害是地質災害中的地面變形災害之一.它可能造成各類工程建筑的直接破壞,引發(fā)一系列環(huán)境問題,對人類的生產和生活威脅極大[1].北京地區(qū)位于燕山臺褶帶(山區(qū))與華北斷坳(平原區(qū))兩個構造單元交匯部位.歷史上曾發(fā)生過多起較強烈的地震,是地裂縫災害的發(fā)育區(qū).對人民生產和生活所造成了一定危害,見圖1.

圖1 北京地區(qū)地裂縫位置分布圖

1 地裂縫分類

對不同成因的地裂縫采取有針對性的防治措施.地裂縫按成因一般分為構造地裂縫、非構造地裂縫和混合成因地裂縫三類[1].以上三種地裂縫在北京地區(qū)均有分布,以混合成因地裂縫為主.

1.1 混合成因地裂縫

混合成因地裂縫主要受地球內動力控制,人類活動加劇了地裂縫的發(fā)展.北京順義地裂縫帶、高麗營-土溝地裂縫帶和羊房-廟卷地裂縫帶都屬于混合成因地裂縫.

順義地裂縫帶沿順義斷裂走向展布.順義斷裂是北京市一條主要活動斷裂,全新世仍在活動[2].探槽揭露在地表下5m左右有一次明顯的地震事件,時間大約2.5萬年前,地層錯斷14cm,東南盤下降.地層中出現(xiàn)順斷裂面向上延展的地裂縫,兩側有明顯的變形,變形特征與斷裂面一致(圖2).

順義地裂縫區(qū)第四紀松散沉積層厚度較大.斷裂對地裂縫的控制主要表現(xiàn)在斷裂早期活動時形成了地層破裂面,并造成上下兩盤第四紀松散沉積層厚度相差三、四百米,導致斷裂兩側巖土體的不均勻性.據軍營村分別位于該斷裂兩盤的順4、順5鉆孔資料,北西盤于孔深474m穿過松散堆積層見白云巖,而南東盤深800m尚未見前新生界基巖,兩盤松散堆積厚度相差300多米(圖3).

圖2 順義油庫探槽南側剖面圖

圖3 順義斷裂剖面圖

超量開采地下水對地裂縫活動起著誘發(fā)促進作用.順義城區(qū)附近是北京平原地下水的超采區(qū).特別是80年代后期,燕京啤酒廠等大型企業(yè)大量開采地下水,逐漸形成了以平各莊為中心的地面沉降區(qū).在地下水過量開采,地下水位逐年下降的情況下,順義斷裂東南盤地面相對下沉,造成沿順義斷裂地面不均勻沉降,沿著抗變形能力薄弱的破裂面形成地裂縫帶.

高麗營-土溝地裂縫帶沿黃莊-高麗營地表變形帶發(fā)育.黃莊-高麗營斷裂是北京平原區(qū)重要的斷裂之一,是劃分京西隆起與北京拗陷的界線,從早白堊世開始發(fā)育,明顯控制了下白堊統(tǒng)的分布,新生代時期構成了北京拗陷的西邊界,是一條邊斷邊沉積的同生正斷裂,自中生代晚期以來一直持續(xù)活動.探槽揭露,斷裂斷錯直達地表,斷距達1.5m左右.根據光釋光測年結果,斷裂兩側土樣年齡大致在13～22ka,為晚更新世地層[3].鉆探、物探資料顯示,地表變形帶與基巖斷裂相連.斷裂兩側第四系厚度相差600～700m,地層巖性結構有明顯差異,為差異沉降提供了地質基礎.同時,高麗營、土溝地區(qū)為地面沉降發(fā)育區(qū),近年來地面沉降速率一般在20～40mm/a,加劇了地裂縫的發(fā)育強度,地裂縫兩側的差異變形量達到10mm/a以上.

羊房-廟卷地裂縫帶沿張喜莊斷裂地表變形帶發(fā)育.張喜莊斷裂雖為黃莊-高麗營斷裂之次級斷裂,但探槽揭示,斷錯直達地表,斷距300mm左右,斷裂兩側第四系厚度有明顯差異.沿線地裂縫發(fā)育區(qū)也是地面沉降量較大的地區(qū).

1.2 構造地裂縫

構造地裂縫是指由地球內動力地質作用產生的地裂縫,其形成、規(guī)模、破壞程度與地震、斷裂活動及區(qū)域地應力場有直接的對應關系.發(fā)生大地震時,常常會發(fā)生地裂縫,主要是由于強烈的地震動和斷裂位移引起的,受震源機制控制并與發(fā)震斷裂走向吻合.1976年唐山地震時,在極震區(qū)出現(xiàn)了一條7.8km長的地裂縫帶[1].

在北京地區(qū),大部分構造地裂縫與斷裂蠕動變形及地應力場有關.地裂縫具有明顯的方向性,其方向只受區(qū)域應力場和斷裂活動控制,可出現(xiàn)張性、張扭性等不同性質,下部與活動斷裂直接相連或受到下伏活動斷裂的控制.1976年唐山地震后,順義馬家富村,房山北山村、古莊、紙坊、瑞和莊,昌平西辛峰,大興鹿圈村,延慶大柏老村等地出現(xiàn)地裂縫,造成民房、廠房設施開裂,這些地裂縫又多與附近小震同步,引起群眾恐慌.根據房山縣地震局1986年的調查,認為"這次調查的地裂縫與地震關系密切,其大多數(shù)是區(qū)域應力場作用的產物,是新構造加強的一種表現(xiàn)形式".

1.3 非構造地裂縫

非構造地裂縫是指由各種外動力地質作用產生的地裂縫.這種地裂縫種類繁多,成因各異,主要有滑坡、崩塌地裂縫,塌陷地裂縫,特殊土變異地裂縫和地震液化地裂縫.就北京地區(qū)而言,主要有塌陷地裂縫、特殊土地裂縫、地震液化地裂縫幾類.

(1)塌陷地裂縫

塌陷地裂縫一般可分為采空塌陷地裂縫和溶蝕地裂縫.

由于地下采空區(qū)塌陷涉及地表,在地表巖土體中形成一系列地裂縫.采空塌陷地裂縫與采空塌陷相伴產生.在塌陷沉降區(qū)的邊緣地帶,是巖土體不均勻下降過程中形成的張性地裂縫,其產狀較陡,地表有時表現(xiàn)為弧形、曲線形,對地表建筑物破壞嚴重;在采空區(qū)上方發(fā)育的地裂縫,大部分呈下寬上窄形,主要發(fā)生在北京西山地區(qū)[4].

溶蝕地裂縫主要是因為可溶巖在地下水、地表水的作用下發(fā)生溶蝕形成溶洞、溶隙,上方土體和其中的水、氣所組成的綜合體在自然或人為因素作用下產生破壞作用,在土體中形成土洞,并發(fā)展到地面,造成地面塌陷和地裂縫.溶蝕地裂縫主要發(fā)生在巖溶發(fā)育,覆蓋層較薄的地區(qū).北京地區(qū)巖溶發(fā)育較弱,這一類型地裂縫較少發(fā)生.但近年來,隨著地下水位大幅下降,水壓力降低, 此類型地裂縫危害逐漸顯現(xiàn).例如,懷柔橋梓鎮(zhèn)橋梓村南林地在2009年8月上旬雨后出現(xiàn)一條長約600m左右,寬約2～3m,深約2m,近東西向的地面塌陷帶組成地裂縫帶,周圍有多處塌陷坑和地裂縫.塌陷坑呈圓形或近橢圓形、大小不等,一般1～5m2,深度0.5～2m.物化探資料顯示,在地裂縫下方基巖內未發(fā)現(xiàn)斷層,地層分布均勻連續(xù).

在地裂縫兩側的鉆孔中發(fā)現(xiàn),場地第四系厚度50～60m,下伏基巖為侏羅系礫巖,鉆孔穿透第四紀地層進入弱風化礫巖后,發(fā)生嚴重漏漿,及落鉆現(xiàn)象鉆孔落鉆0.8m～1m,推測礫巖層中發(fā)育有巖層空洞,空洞呈平行條薄片狀,洞深大約1m左右.經巖石成份鑒定,礫巖主要由灰?guī)r和白云巖組成,可溶成份達70%左右,在個別巖樣上發(fā)現(xiàn)淺灰色的灰?guī)r有早期溶洞,并被黃褐色角礫充填.

由于近年來該地區(qū)地下水位大幅下降,地下水向下滲流,水壓力降低,浮托力減小,同時造成第四系粉細砂發(fā)生滲透液化,引起結構破壞,粉細砂向下流失于基巖空洞中,而上層粉細砂在振動下土粒結構已破壞,再加上負壓吸蝕作用,使地表地層失去支持,最終形成地面塌陷,造成地裂縫.

(2)地震液化地裂縫

飽和的松散砂土在地震力的作用下,其孔隙水壓力驟然上升,孔隙水壓力來不及消散,使原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力(有效應力)減少.當有效應力完全消失時,砂層完全喪失抗剪強度和承載能力,發(fā)生砂土液化.液化嚴重區(qū)可以造成噴水冒砂,在地表形成地表塌陷和地裂縫.1976年唐山地震時,在通州、順義、昌平、平谷等地的河漫灘、低級階地地區(qū)多處出現(xiàn)噴水冒砂,形成地表塌陷和地裂縫,造成了大量農田、林地損壞和河岸坍塌.地震液化較輕或上覆有較厚的非液化土層覆蓋,雖然沒有發(fā)生噴水冒砂,但可液化土層發(fā)生震動,降低了地基土強度,當?shù)刭|環(huán)境一發(fā)生變化時,特別是地下水位下降,孔隙水壓力減低時,液化危害會逐漸顯現(xiàn),出現(xiàn)地裂縫和地面塌陷.順義南采、平谷等地多處發(fā)生此類型地裂縫.

(3)特殊巖土地裂縫

特殊土由于氣候或氣象原因會產生一些規(guī)律不明顯的地裂縫.如黃土中的濕陷性地裂縫,膨脹土中的膨脹地裂縫,粘性土中的干裂地裂縫.北京地區(qū)有膨脹地裂縫和干裂地裂縫分布.上世紀六、七十年代東郊朝陽、通州地區(qū)多次出現(xiàn)膨脹地裂縫,并對建筑物造成了不同程度的損壞.

2 防治措施

地裂縫災害已造成了大量建筑物損壞,其嚴重性已引起人們的重視.由于地裂縫成因復雜,影響因素眾多,防治工作應在查清地裂縫成因的基礎上,根據其發(fā)育特征和強度,并充分考慮未來發(fā)展變化,有針對性的選擇防治措施.

地裂縫成因問題一直是其勘察、研究的難點和焦點.不同成因的地裂縫災害作用特點和成災機理也不相同.對于構造地裂縫和有構造成因的復合型地裂縫,具有災害衡生性、三維破壞性、三維空間有限性和成災過程漸發(fā)性的特點[1],主要受構造活動的控制,一般工程措施難以防治.而其他類型地裂縫分布范圍、發(fā)育深度、強度主要受氣候、氣象、巖土體結構的控制,采取合理的工程措施如樁基、換填、加強建筑物基礎和上部結構剛度等可以消除或減輕危害.

結合工程實例,對構造地裂縫和以構造成因為主的復合型地裂縫可采取以下的防治措施.

2.1 確定合理的避讓距離

起因于構造活動的地裂縫向地表下延伸很深,對建筑物的破壞是不可抗拒的.所以防治應以避讓為主,確定合理的避讓距離是防治成敗的關鍵.

避讓距離的確定,應在查清地裂縫發(fā)育現(xiàn)狀和災害程度的基礎上,綜合考慮下部構造活動和地下水開采對地裂縫活動的影響,預測地裂縫未來發(fā)展趨勢.

在北京高麗營-土溝地裂縫帶勘查中,通過地表調查和探槽工作,確定了地裂縫破壞變形帶.破壞變形帶在地裂縫兩側的表現(xiàn)有所不同,一般下降盤(斷裂上盤)破壞嚴重,變形帶較寬,相對上升盤(斷裂下盤)破壞較輕,變形帶較小.破壞變形帶總寬度約60m.通過數(shù)學模型,模擬未來50年地下水位變化和基底基巖位錯的情況下,預測地裂縫將繼續(xù)發(fā)展,地裂縫破壞變形帶將達到100m左右.綜合確定一、二類建筑和三類建筑避讓距離安全系數(shù)分別為1.5和1.2,避讓距離分別為74m和100m[5].

順義地裂縫帶的寬度平均為5m,最寬達12m,建筑物損壞帶寬度平均7～8m,最大22m,綜合研究確定避讓寬度為28m,上盤(東南盤)16m,下盤(西北盤) 12m,即以主破裂帶為中心基準線,西北側建筑安全距離為12m,東南側建筑安全距離為16m[6][7].

可以看出,盡管高麗營-土溝地裂縫帶和順義地裂縫帶成因相同,但由于構造背景和地質環(huán)境條件的差異,造成地裂縫特征、發(fā)育強度不盡相同,避讓距離相差很大.

對于線形工程,當無法避免跨越地裂縫時,在跨越地裂縫地段可以采取預應力拱梁、懸空式架設等對不均勻沉降不敏感的結構,或在管道底部鋪設一定厚度的碎石層,減小差異變形量,設置專門監(jiān)測網絡,實時掌握地裂縫發(fā)展變化,確保工程安全.

對避讓帶外的地裂縫影響區(qū),可采取一些具體工程措施防止或減輕地裂縫對建筑物的危害,增強建筑物抵抗不均勻沉降的能力.主要措施有加強基礎和上部結構的剛度、加設地基褥墊層、采用樁基礎等.

2.2 控制地下水開采

地裂縫和地面沉降的長期快速發(fā)展與長期超采地下水,導致地下水位大幅下降密不可分.抽汲地下水引發(fā)地面變形是產生或加劇地裂縫活動的直接原因.多種成因地裂縫均和地下水開采有關,所以在地裂縫場地內應嚴格控制地下水開采,合理限制地下水開采范圍、開采層位、開采強度.

2.3 加強監(jiān)測工作

地裂縫成因復雜,影響因素眾多,所以監(jiān)測工作十分重要.通過對地裂縫的監(jiān)測,掌握其活動特征,分析發(fā)展趨勢,在規(guī)劃設計階段就采取必要的措施,可以達到事半功倍的效果.在建筑物建設和使用中,監(jiān)測可以隨時掌握地裂縫變化,當變形達到設計值時,及時采取工程措施,取保建筑物安全.

3 結語

近年來,北京地區(qū)進入地裂縫高發(fā)期,形成了順義、高麗營、土溝等大量地裂縫,地裂縫對城市建設的危害日趨明顯.北京地區(qū)地裂縫發(fā)育有構造型地裂縫、復合型地裂縫、溶蝕型地裂縫和地震液化等多種類型地裂縫.以構造因素為主導的復合型地裂縫是北京地區(qū)地裂縫的主要類型,對城市建設的危害也最大,避讓是其最有效的防治措施,由于構造背景和地質環(huán)境的差異,避讓距離差別很大,所以對地裂縫進行具體研究,是影響地裂縫防治效果的關鍵.

[1]中國地質學會城市地質研究會編.中國城市地質[M].北京:中國大地出版社,2005:199～216.

[2]賈三滿,王海剛等.北京市順義規(guī)劃新城前期區(qū)域工程地質勘查報告[R].北京市水文地質工程地質大隊, 2007.

[3]賈三滿、郭 萌.從高麗營探槽分析黃莊-高麗營斷裂與地裂縫的關系[J].城市地質,2007(4).

[4]《北京地質災害》編輯委員會編.北京地質災害[M].北京:中國大地出版社,2008.

[5]北京市水文地質工程地質大隊.未來科技城北區(qū)土地一級開發(fā)項目地裂縫勘查評價報告[R].2010.

[6]張世民,劉旭東,任俊杰等.順義地裂縫成因與順義-良鄉(xiāng)斷裂北段活動性探討[J].中國地震,2005,21 (1):84～92.

[7]任俊杰,張世民,唐榮余等.北京順義地裂縫帶的活動特征及減災措施[J].城市地質,2008(2).