李 勇

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西西安 710054)

0 前言

西安地裂縫與地面沉降自20世紀60年代初發(fā)現(xiàn)至今已有五十多年的歷史［1］，二者形成機制雖然并不相同，但發(fā)生在同一地區(qū)，抽水引發(fā)的附加應力場與構(gòu)造應變場的疊加作用產(chǎn)生了雙重效應，二者相互影響，已經(jīng)成為西安地區(qū)影響最為深遠、最為嚴重的環(huán)境地質(zhì)問題［2］。其具有持續(xù)性、局部性和隱蔽性等特征，對城市建設及規(guī)劃的損害尤其為大。為避免損失，為城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃提供有效參考，對西安地區(qū)地裂縫的監(jiān)測自20世紀90年代以來從未間斷，而地面沉降監(jiān)測則由于經(jīng)費原因，1992～2002年一度停止，連續(xù)數(shù)據(jù)中間形成了一定的空白。

截至2011年底，在西安地區(qū)經(jīng)勘察確定的地裂縫帶有14條。地裂縫的總體走向為NEE，彼此以0.6～1.5km的間距近似平行的展布。由北至南依次是:東三爻—曲江池地裂縫帶(DX1)、南寨子—新小寨地裂縫帶(DX2)、清梁山地裂縫(DX3)、南三爻—射擊場地裂縫帶(D1)、陜西師范大學—陸家寨地裂縫帶(D2)、大雁塔—北池頭地裂縫帶(D3)、陜西賓館—小寨地裂縫帶(D4)、沙井村—秦川廠地裂縫帶(D5)、黃雁村—和平門地裂縫帶(D6)、西北大學—西光廠地裂縫帶(D7)、勞動公園—鐵路材料總廠地裂縫帶(D8)、紅廟坡—八府莊地裂縫(D9)、大明宮—辛家廟地裂縫帶(D10)和方新村—井上村地裂縫帶(D11)。

西安地裂縫均沿黃土梁展布，除南邊的D3及D4的一部分發(fā)育在黃土梁北側(cè)外，其余都發(fā)育在黃土梁的南側(cè);地裂縫破裂呈鋸齒狀，整條地裂縫呈波狀或折射狀;活動強烈的地裂縫連貫也較強;活動弱的地裂縫連貫性也較弱。

西安市周邊的地面沉降主要發(fā)生在城區(qū)和近郊［3］，西安沉降區(qū)自1959年開始大范圍監(jiān)測以來，截至1996年，形成了小寨、鐵爐廟、沙坡村、胡家廟、八里村等7個沉降中心。波及范圍已達200km2，最大沉降量達2600mm。自當?shù)卣匾暡⑾薏傻叵滤?，地面沉降速率已?002年開始逐年減小，并且沉降中心位置開始發(fā)生轉(zhuǎn)移變化。367m地層壓密量由2002年的42mm減小到2011年的5.78mm，并形成了4個新的沉降中心，包括丈八北路、丈八東路、東三爻村和曲江新區(qū)沉降中心［4］。

2006年以來，西安地裂縫監(jiān)測網(wǎng)絡建設進展緩慢，對西安地裂縫與地面沉降的監(jiān)測設施維護不足。此前研究認為，西安市地裂縫由地質(zhì)斷裂構(gòu)造主導，且由承壓水位變化而導致的地面不均勻沉降因素加劇變化。自1959起，西安市地裂縫一直進行著間歇式的蠕變，1988年開始由于地下水位下降劇烈而導致地裂縫開始加劇活動，地下水位下降引發(fā)的地面不均勻沉降成為了影響地裂縫活動量的主要因素，因此避免地面不均勻沉降成為了遏制地裂縫活動的主要手段和方向。后來在西安市政府多方努力下，地下水開采得到了控制，地裂縫活動也逐年減弱。但近期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示進入地質(zhì)構(gòu)造運動活躍期時，地裂縫的影響機制發(fā)生了改變，其活動量的主要影響因素已經(jīng)發(fā)生變化，急需建立新的監(jiān)測對策。

1 西安地裂縫監(jiān)測方法

西安地裂縫常規(guī)監(jiān)測使用水準點與三位活動儀器進行監(jiān)測，另外也有非常規(guī)監(jiān)測手段，諸如GPS觀測網(wǎng)絡監(jiān)測等。地面沉降常規(guī)監(jiān)測使用分層標進行監(jiān)測，非常規(guī)監(jiān)測包括INSAR(合成孔徑雷達干涉測量)等監(jiān)測手段。由于近年來分層標破壞嚴重，截至2011年底僅剩一組5孔的分層標尚在正常運行。所以其數(shù)據(jù)代表性被削弱，因此在進行地面沉降活動分析時也可根據(jù)地裂縫活動劇烈程度進行逆推判斷。

1.1 水準點監(jiān)測

水準點監(jiān)測是最常用的一種地裂縫形變監(jiān)測手段，該手段自20世紀90年代以來一直沿用至今。目前西安市共布設了多個國家Ⅰ等水準點對地裂縫活動持續(xù)進行著監(jiān)測。水準點是按照國家測量規(guī)范(GB12897—91)中的要求進行預制和埋設的混凝土水準標石。(圖1)其通過兩個或多個水準點的相對高差變化來確定垂直位移量，監(jiān)測精度為0.01mm。

圖1 水準點結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of benchmark

(1)水準對點監(jiān)測

水準對點是在地裂縫兩側(cè)(西安一般是南側(cè)和北側(cè))各埋設一個水準點，通過水準儀讀數(shù)差來確定高差，兩次高差相減值即為兩次測量時間段內(nèi)(一般為一季度測量一次)的垂直活動量(圖2)。

(2)水準剖面監(jiān)測

西安地裂縫往往具有次裂縫，是其在地裂縫活動時強大應力形成地裂縫沿線周圍土體的破碎帶造成的(圖3)，該影響寬度范圍內(nèi)建筑物同樣會遭到破壞。水準剖面是在垂直橫跨地裂縫的一定范圍內(nèi)布設多個水準點，排成直線或者曲線形態(tài)的一種監(jiān)測方法。其通過水準點彼此高差變化來判定地裂縫影響帶寬度與地裂縫影響帶寬內(nèi)某段距離內(nèi)地裂縫對工程的影響程度大小(圖4)。

圖2 水準對點監(jiān)測Fig.2 Benchmark spotting monitoring

圖3 地裂縫主裂縫及次裂縫Fig.3 Major fracture and minor fracture of groud fracture

圖4 跨地裂縫水準剖面Fig.4 Benchmark section of crossing ground fracture

1.2 地裂縫三維活動監(jiān)測

地裂縫三維活動監(jiān)測是一種同時對地裂縫的垂直、水平、扭動(水平錯動)的三維活動進行實時監(jiān)測的一種高精度監(jiān)測手段，其使用兩臺DSJ型水平斷層活動測量儀和一臺YSL型垂直變形測量儀橫跨地裂縫進行監(jiān)測。其中一臺DSJ與YSL正交地裂縫設置，一臺YSL與地裂縫呈30°斜交設置(圖5)。分別對地裂縫水平引張量、兩盤垂直相對沉降量及水平扭動量進行觀測。儀器采用自動記錄，一周一次人工換紙，其圖紙曲線可以實時描述地裂縫的運動軌跡，測量精度可達0.001mm。西安地面沉降常規(guī)監(jiān)測使用地面沉降分層標進行監(jiān)測。地面沉降分層標埋深為97.31～367.29m，每季度末定期監(jiān)測。旨在通過土層變形量近似確定地面沉降量。

圖5 地裂縫三維監(jiān)測Fig.5 3D monitoring of ground fracture

2 西安地裂縫近期活動規(guī)律

2.1 垂向活動特征

西安地裂縫2006～2011年垂向活動主要表現(xiàn)為南強北弱、西強東弱①2006—2011年度地面沉降與地裂縫監(jiān)測報告，李勇.2006—2011.。2006～2010年，地裂縫活動逐步減弱。2010年開始地裂縫活動開始反彈，活動量逐步增大。水準點監(jiān)測顯示其活動自2006年起變化開始變的不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在其兩盤相對位移反復上，2007年D8地裂縫中部由此前南盤相對下降瞬轉(zhuǎn)至北盤相對下降，2008年汶川地震爆發(fā)，2009年轉(zhuǎn)回南盤下降，活動量與2007年的年累計變化量基本持平，后恢復正常南降。該變化顯示地震前附近斷裂活動或者應力異變對地裂縫造成了前置影響。而該條地裂縫西部則保持相對南盤下降，可見同條地裂縫雖連貫但位移不連續(xù)且受力不連續(xù)，顯示了西安地裂縫變化具有局部性的特征。

由于西安已經(jīng)采取了控制地下水開采等積極措施，地裂縫活動自2006～2010年逐步減弱，但并未停止。除少部分地裂縫以外活動量大部分減少至10mm以下。其所受地下水開采造成的影響逐漸淡化退居其次。

西安地裂縫靠近西側(cè)隱伏斷裂的部分基本為相對北盤降低，此非出于巧合，中部則基本為相對南盤降低，而東部縱跨有一條隱伏斷裂［2］(圖6)，斷裂西側(cè)地裂縫大部南盤下降，東側(cè)則體現(xiàn)在汶川震前南盤下降，震后北盤下降，南側(cè)靠近隱伏斷裂帶附近的DX2為運動最為激烈的地裂縫帶，其運動雖然因為地下水開采治理而相對自己減小，由此可見汶川地震已經(jīng)對西安隱伏斷裂產(chǎn)生了深遠影響，而地裂縫垂向變化主導因素已由原來的地下水開采引發(fā)的不均勻沉降轉(zhuǎn)變成為了斷裂帶活動或者活動引發(fā)的地質(zhì)應力變化。在地質(zhì)構(gòu)造活動逐漸激烈的今天，西安地裂縫所受地質(zhì)構(gòu)造活動的影響逐漸成為決定其變化量的主要因素。

2.2 三維活動特征

之前多個地裂縫研究與監(jiān)測都已經(jīng)表明，西安地裂縫活動分為三維活動:即水平引張活動，垂向相對活動和扭動(錯動)。

西安地裂縫三維活動監(jiān)測顯示D4地裂縫自2006年至2011一直處于微變狀態(tài)，其08年汶川地震時有一次瞬變(突變量很小)后，依舊穩(wěn)定(圖7)。截至2011年底，基本保持水平拉張變化，左旋扭動(逆時針方向)及當?shù)乇北P相對降低狀態(tài)，去除土體自身熱脹冷縮造成的位移誤差外［5］，該狀態(tài)顯示西安地裂縫宏觀正在進行北盤向西、南盤向東的運動。據(jù)此為西安市跨地裂縫工程建設提供了有效的防護依據(jù)。

2.3 西安市地面沉降近期活動特征淺析

西安市地面沉降2006～2011年呈逐年減弱趨勢。期間2008年地震造成了短暫時間的增大跡象，而2009年亦回歸至地層微壓密量階段。監(jiān)測顯示地震對西安地層壓密量未有持久影響，而地層壓密量也以逐年遞減到5～10mm/年的速率。西安市地面沉降由于地下水位下降而加劇的變形量部分［6］因為西安市采取了控制地下水開采等措施而逐漸減輕甚至消除。西安市地面沉降活動近期已進入穩(wěn)定期。

2.4 西安地裂縫活動趨勢

西安地裂縫2010年前一直處于連續(xù)減弱態(tài)勢，其地下水位下降影響已變微弱，對活動劇烈程度的主要影響因素轉(zhuǎn)為地質(zhì)構(gòu)造活動影響。近期全球多發(fā)地震火山，進入地質(zhì)活躍期，西安地裂縫監(jiān)測結(jié)果與其吻合。自2010年起，西安地裂縫活動開始加劇但加劇程度不大，地裂縫活動速率開始穩(wěn)步回升。預測西安地裂縫活動將在未來幾年內(nèi)呈現(xiàn)小幅度攀升趨勢，西安市各類跨地裂縫地上及地下建筑應當予以足夠的重視，采取更加頻繁的次數(shù)進行地裂縫變形量監(jiān)測。

圖6 西安地裂縫近期活動(年活動量)圖(截至2011年底)Fig.6 Adiagram about recent activities of ground fracture in Xi'an(annual activty)(by the end of 2011)

圖7 三維實時監(jiān)測顯示地震波經(jīng)過時地裂縫瞬變Fig.7 Transition of ground fracture shown by 3D real-time monitoring when earthquake waves

3 結(jié)論

3.1 監(jiān)測方法及成效

多年以來，水準點監(jiān)測以布設簡單、測量精確、監(jiān)測便捷和成本低廉而倍受青睞，成為西安眾多監(jiān)測機構(gòu)進行地面變形測量的手段之一。其長期來作為西安市地裂縫監(jiān)測點，為西安市積累了大量精確數(shù)據(jù)，由水準點組成的水準對點和水準剖面使測量人員不僅掌握了西安市地區(qū)地裂縫的運動幅度、趨勢，還掌握了地裂縫的影響寬度帶，為西安市各類跨地裂縫建設工程提供了準確的參考依據(jù);而地裂縫的三維監(jiān)測和地面沉降的分層標監(jiān)測，則為西安市地裂縫的研究分析提供了翔實的第一手資料。

3.2 近期的地面沉降及地裂縫活動規(guī)律總結(jié)

西安市地面沉降活動速率已經(jīng)減低至趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，由地下水開采引起的地面不均勻沉降已大部消除，近期地面沉降的變化還將繼續(xù)趨于穩(wěn)定微變狀態(tài);汶川地震對西安地面沉降及地裂縫的突變影響大于漸變影響，未直接對西安地面變形造成長遠的影響;現(xiàn)西安市地裂縫運動量的主要影響因素由地下水開采引發(fā)的地面不均勻沉降轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔褬?gòu)造的活動影響。進入地質(zhì)活躍期后，地裂縫活動量(尤其是西南郊區(qū))開始反彈，且在垂向相對運動中顯示出一定的區(qū)域規(guī)律性。

3.3 存在問題及建議

西安地裂縫與地面沉降常規(guī)監(jiān)測主要依托水準點監(jiān)測與分層標監(jiān)測。目前西安市內(nèi)城區(qū)規(guī)劃建設頻繁，各處水準點保護得不到當?shù)氐闹匾?，大量被破壞，造成了一定的?shù)據(jù)不連續(xù)性，甚至有的地裂縫上的水準點被破壞殆盡，近期在其上已經(jīng)無監(jiān)測點正常運作，為地裂縫的詳盡分析構(gòu)成了障礙。而目前分層標也僅有一處，無法覆蓋西安市的廣大城郊區(qū)，以點代面會對分析與結(jié)論造成相當?shù)恼`差甚至誤判，對更進一步細化研究斷層對地面沉降影響造成了很大困難。

西安地裂縫與地面沉降常規(guī)監(jiān)測的一個缺點就是測量的往往是相對位移，從而以相對位移來體現(xiàn)地裂縫與地面沉降的活動劇烈程度，而對于絕對活動量無法監(jiān)測，這不利于進一步對西安周邊斷層的活動進行分析及判定，以及對被斷裂帶包圍的西安斷陷活動進行具體分析。

西安地區(qū)應重新布設水準點、增設多個分層標，并對周邊的長安—臨潼斷裂等構(gòu)造斷裂帶進行布控，以使水準點覆蓋地裂縫并增加地面沉降壓密量的代表性，同時取得周邊斷裂活動的第一手資料，以利于在地質(zhì)構(gòu)造活躍期來臨之時，能夠準確的把握其對地裂縫與地面沉降的影響規(guī)律，更好的為西安地區(qū)的規(guī)劃及建筑工程服務。

［1］楊凱元，吳成基，等.西安地裂縫形變監(jiān)測與研究［M］.西安:陜西師范大學出版社，1986.YANG Kaiyuan， WU Chengji， et al.Monitoring and research on shape change in ground fracture in Xi'an［M］.Xi'an:Shaanxi Normal University Press，1986.

［2］李永善，李金正，等.西安地裂與渭河盆地斷裂研究［M］.西安:地震出版社，1986.LI Yongshan，LI Jinzheng，et al.Research on ground fracture in Xi'an and fracture of Weihe basin［M］.Xi'an:Seismological Press，1986.

［3］張茂省，董英，張新社，等.地面沉降預測及其風險防控對策——以大西安西咸新區(qū)為例［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2013，24(4):115-126.ZHANG Maosheng，DONG Ying，ZHANG Xinshe，et al.The concentration region numerical simuation analysis and prediction research in Daanshan coal mine deep stress［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2013，24(4):115-126.

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［5］孫建中，吳瑋江，田春生，等.黃土學(下篇)［G］.西安地圖出版社，2011.SUN jianzhong，WU Weijiang，TIAN Chunsheng，et al.Loess Study(Sequel)［G］.Xi'an Cartographic Publishing House，2011.

［6］王永炎，等.黃土與第四紀地質(zhì)［M］.西安:陜西人民出版社，1982.WANG Yongyan，et al.Loess and quaternary geology［M］.Xi'an Shaanxi Renmin Press，1982.