盧全中，李 聰，劉 聰，占潔偉

(1. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054； 2. 長安大學 西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710054； 3. 自然資源部陜西西安地裂縫與地面沉降野外科學觀測研究站，陜西 西安 710054)

0 引 言

地裂縫災害在世界上許多國家均有出現[1-9]，在中國的汾渭盆地、華北平原和蘇錫常地區(qū)尤為嚴重[10-19]。其中，西安地裂縫是世界上最著名的城市地質災害。自20世紀50年代以來，西安城區(qū)發(fā)現的地裂縫已達14條之多，延伸長度超過200 km，給城市建設帶來了巨大的經濟損失[20-23]，已成為一種獨特的城市地質災害。

地裂縫類型多樣，以往主要從內營力、外營力和人類活動等因素對其進行了成因分類[16-19,24]。在這些地裂縫類型中，有的特征典型，獨成體系，需要專門研究；有的是其他災害伴隨的地質現象，無需開展針對性和專項研究。為反映地裂縫的典型特征和成因類型，統(tǒng)一認識和規(guī)范技術要求，促進防災減災，本課題組正在編寫中國地質災害防治工程行業(yè)協(xié)會團隊標準《地裂縫防治工程勘查規(guī)范》，提出地裂縫的分類體系、勘查技術標準和評價方法。構造地裂縫是地裂縫的主要類型和主要研究對象，常造成嚴重災害，也是防治的重點[25-33]。

目前針對構造地裂縫的防治，以避讓為主，由此帶來了大量土地資源的浪費；對于避讓不了、必須通過地裂縫的工程(如地鐵、高鐵、高速公路和地下管道等)，采取特殊的結構措施或地基處理及施工方案進行處理，常造成工程費用高昂[33-39]。本文在對地裂縫進行綜合分類的基礎上，分析地裂縫活動的根本原因和地面沉降區(qū)構造地裂縫發(fā)生超?；顒拥谋举|原因，并由此提出地面沉降區(qū)構造地裂縫的防治對策。通過發(fā)展構造地裂縫的防控技術，使一些重大工程能夠安全、合理、經濟地跨越或穿越地裂縫，從而具有積極的工程和現實意義。

1 地裂縫分類

地裂縫是淺部巖土體在自然或人為因素作用下產生開裂或錯動，并在地表形成具有一定長度和寬度的裂縫或變形帶的宏觀地質現象。地裂縫有的直接出露地表，表現為水平拉張、垂直位錯，少數也有水平走滑；也有的尚未出露地表，隱伏于地下，稱之為隱伏地裂縫。

不同類型的地裂縫，其形成的地質條件和影響因素是不同的，對其進行活動性評價和防治的方法也不同。在總結以前地裂縫分類的基礎上，結合近些年地裂縫的一些調查進展和研究成果，將地裂縫的成因類型分為構造地裂縫和非構造地裂縫兩大類，并根據其主導因素及具體的動力類型，進一步細分為16個類別(表1)。不可完全治理或治理難度極大的構造地裂縫和深層地下流體開采誘發(fā)的地面沉降型地裂縫，是地裂縫研究的重點。為便于統(tǒng)一名稱和認識，一些特殊土(濕陷性黃土、膨脹土、凍土、鹽漬土等)在狀態(tài)或性質發(fā)生變化時出現的地裂縫也進行了分類?；?、崩塌、地面塌陷等地質災害伴生的裂縫已有專門的勘查評價和治理設計規(guī)范以及較成熟的防治措施，建議都歸到對應的地質災害類型中，在此沒有提及。

表1 地裂縫類型及主導因素

另外，有些地裂縫的形成是多種因素共同作用的結果，在確定其類型時，要區(qū)分主導因素和誘發(fā)因素，突出深層次原因及防治難度。例如，西安地裂縫在歷史時期曾多次出現，并不是地下水超采的產物，現今的地下水開采和地面沉降只是誘發(fā)因素，加劇了其活動程度，縮短了活動周期，其控制或主導因素還是下面存在隱伏斷裂，因此，其類型也只能定為構造地裂縫，或者現階段存在地面沉降，可以定為地面沉降型構造地裂縫。同樣地，在陜西三原地區(qū)發(fā)生的雙槐樹地裂縫，在一次暴雨后突然出現，后經調查和勘探，也確定為構造地裂縫，暴雨只是一個誘發(fā)因素[40]。

地裂縫屬于一種結構面，對土體力學性質和水文地質條件改變等產生較大影響。因此，有必要根據發(fā)育規(guī)模(累計延伸長度，L)、力學性質、開啟程度(D)及主次關系等因素對地裂縫進一步分類(表2)，便于描述地裂縫的特征和統(tǒng)一標準。

表2 地裂縫其他因素分類及特征

地裂縫的規(guī)模分類參考了《地質災害分類分級標準(試行)》(T/CAGHP 001—2018)[24]，并進行了修改。該標準的規(guī)模分類方案中包括“累計長度L”和“影響范圍S”兩個指標，如巨型地裂縫L≥10 000 m或S≥10 km2，大型地裂縫1 000 m ≤L<10 000 m或5 km2≤S<10 km2。根據已有地裂縫調查、監(jiān)測和勘探經驗，地裂縫的影響寬度一般小于100 m?！段靼驳亓芽p場地勘察與工程設計規(guī)程》(DBJ 61-6—2006)[32]中規(guī)定西安地裂縫上盤影響區(qū)范圍為20 m，下盤影響區(qū)范圍為12 m。北京北七家—高麗營地裂縫上盤影響區(qū)范圍為30 m，下盤影響區(qū)范圍為10 m[41]。按不同分類指標對同一分類結果遵循總體一致性的原則，地裂縫影響寬度以最大100 m考慮。巨型地裂縫L≥10 000 m時，S≥1 km2；大型地裂縫1 000 m≤L<10 000 m時，0.1 km2≤S<1 km2。不同長度區(qū)間的實際地裂縫影響范圍分界值與《地質災害分類分級標準(試行)》(T/CAGHP 001—2018)[24]中對應的影響范圍相差較明顯，因此，本文的地裂縫規(guī)模分類沒有采用“影響范圍”這個指標。

圖1 陜西三原地區(qū)Qp2黃土中的閉合地裂縫 Fig.1 Closed Ground Fissure of Qp2 Loess in Sanyuan Area of Shaanxi

圖2 陜西涇陽地區(qū)地表張開的地裂縫Fig.2 Open Ground Fissures on Surface in Jingyang Area of Shaanxi

地裂縫的開啟程度分類主要考慮了地裂縫的開啟或閉合程度、導水或隔水性質以及裂隙兩側土體在受力后的相互影響程度，將其分為閉合、裂開、張開、寬、較寬和極寬地裂縫。對于閉合地裂縫，水在裂隙中滲透的速度與在兩側土體中接近，土體可視為連續(xù)介質；一般發(fā)育在深度較大、形成時代較早的地層(如Qp2和Qp1)中，具有剪切性質(圖1)；多數成為隔水界面，導致在地裂縫兩側水位不一致。對于裂開地裂縫，水可在裂縫中滲漏，土體視為不連續(xù)介質，但在壓力作用下兩側土體可相互影響；一般發(fā)育在深度不大、形成時代較晚的地層中。張開地裂縫將兩側土體分成互不影響的兩部分，水在裂縫中可自由流動和侵蝕土體，對土體的性質起著決定性的作用；一般發(fā)育在地表的土層中，主要表現為張性地裂縫(圖2)；根據開啟程度，進一步劃分為張開、寬、較寬和極寬地裂縫。地裂縫的開啟或閉合程度反映了垂直于地裂縫面的受力情況。當地裂縫面的垂直應力較大時，地裂縫主要呈閉合狀態(tài)；當地裂縫面的垂直應力較小時，地裂縫可能變?yōu)榱验_或張開狀態(tài)。同一地裂縫在不同深度或不同位置可以受力不同，因此，可能呈現不同的張開狀態(tài)。

地裂縫的力學性質和主次關系分類參考了節(jié)理和斷裂的分類方法。

2 構造地裂縫發(fā)育特征

構造地裂縫防治難度大，是地裂縫的主要類型和研究重點，有必要以此為主要研究對象，總結其發(fā)育特征，探索其防治對策。西安地裂縫屬于典型的構造地裂縫，在伴有地面沉降時活動強烈。在此以西安地裂縫為例，介紹構造地裂縫的總體特征、工程地質特征、水文地質特征和活動特征。

2.1 總體特征

構造地裂縫是受下伏構造控制，并造成地表開裂或變形的地裂縫。構造地裂縫受下伏構造控制，包括斷層、構造節(jié)理等，其分布位置及走向都與構造線一致，具有一定的延伸長度，總體走向穩(wěn)定，線性特征明顯。構造地裂縫的活動也受下伏構造的活動性控制，如斷層的蠕滑和速滑(或地震)都可導致地裂縫的產生。斷層蠕滑地裂縫的活動速率一般最大每年只有數毫米，地震地裂縫則可以一次產生數厘米至數米的位移量。構造地裂縫的活動同時受人類活動的影響，特別是在第四系沉降物較厚的盆地和平原地區(qū)，并伴隨有大量的地下水開采和較嚴重的地面沉降時，地裂縫會呈現出超常活動的特點，活動速率可以達到每年數厘米。地下水開采導致的地面差異沉降對地裂縫活動量的貢獻率超過僅由斷層蠕滑產生的活動量1～2個數量級。

2.2 工程地質特征

西安地裂縫屬于構造地裂縫，地層錯距隨著深度的增大而增大，有些同時期沉積的地層厚度在上盤比下盤大，指示同沉積活動特點。圖3揭示了西安上林苑七路f8地裂縫的淺部地層明顯錯斷情況。剖面上，③層古土壤層上盤厚度為4.0 m，大于下盤的厚度(3.2 m)，層底面錯斷2.3 m；⑦層中砂層錯斷6.7 m；⑧-1層中砂層錯斷7.5 m。此外，不同層位的地層錯距隨深度逐漸變大，并導致一些含水層在地裂縫位置不連續(xù)。其中，埋深近60 m的⑧-1層弱承壓含水層的上盤頂板和下盤底板相差4.6 m，⑧-1層已完全被地裂縫錯斷。當該段地裂縫呈閉合狀態(tài)或充填密實時，滲透性變差而相對隔水，⑧-1層在地裂縫兩側就會變成2個相對獨立的含水層。

2.3 水文地質特征

圖4繪制了西安f4地裂縫魚化寨段水文地質剖面，進一步揭露了地裂縫錯斷深部地層及承壓含水層的情況。根據地下水水力性質及埋藏條件，將該區(qū)300 m以淺的含水層劃分為潛水及第一、二、三承壓含水層組。其中，以開采段深度25～85 m為潛水含水層組；第一、二承壓含水層組底板埋深分別為130～138 m和203～215 m，又分別分為2個含水段；第三承壓含水層組頂板為235～247 m，開采段厚度相應為40、50 m和大于100 m。第一、二承壓含水層組為主要開采層位，f4地裂縫將第一含水層組的⑧層中粗砂錯斷8 m，將第二含水層組的⑩層中粗砂和層粗砂分別錯斷9 m和13 m，且這3個含水層錯斷后在f4地裂縫兩側并沒有連通，從而把原來的同一含水層都變成了2個隔開的含水層。

圖4 西安f4地裂縫魚化寨段水文地質剖面Fig.4 Hydrogeological Profile of f4 Ground Fissure in Yuhuazhai Section, Xi’an

圖件引自文獻[45]圖5 西安辛家廟地裂縫差異沉降與深井水位變化關系Fig.5 Change Relationship Between Differential Settlement of Ground Fissure and Deep Well Level in Xinjiamiao, Xi’an

2.4 活動特征

2.4.1 地裂縫活動與地下水開采的關系

西安地裂縫的活動與地面沉降密切相關，同時地裂縫的活動程度也與該區(qū)承壓水位的波動關系對應明顯，地裂縫活動量的70%～90%是由抽取承壓水引起的[20,42-44]。

西安地裂縫早期的監(jiān)測結果顯示，地裂縫的活動分別于1980年6月和1981年7月至9月突然加快，其活動速率達到平常的2～5倍。圖5為1978～1982年西安辛家廟地裂縫差異沉降與深井水位的監(jiān)測數據。結果顯示：地裂縫下盤(北盤)深井水位埋深總體呈緩慢下降，5年內下降2.5 m左右，并呈季節(jié)性波動，波動幅度為2～3 m；而在上盤(南盤)，水位埋深5年內下降了近24 m，其中在1980年4月至10月的短短6個月就突降了16 m。地裂縫隨著上盤水位的總體下降發(fā)生差異沉降活動，在不到5年的時間里，地裂縫兩側差異活動量超過15 mm；同時在上盤水位突降后，地裂縫也發(fā)生稍微滯后的快速活動，活動量為8.5 mm[45]。

近年來，西安地裂縫活動強烈的地段位于魚化寨。該區(qū)潛水水位埋深在1990年約為6 m，2002年約為19 m，至2016年有所回升，在地裂縫南部(上盤)為13.05～13.52 m，在地裂縫北部(下盤)為14.15～16.48 m。該區(qū)承壓水水位埋深在1990年約為40 m，由于自備井的大量開采，且有85%的開采井分布在地裂縫上盤，至2016年，下盤承壓水水頭埋深為49.57～67.88 m，上盤水頭埋深為103.0～106.4 m，兩盤平均水頭差46 m左右，并在地裂縫位置有突變(圖6)。隨著承壓水位的大幅下降，該區(qū)地面沉降呈現日益嚴重趨勢，1959年至1996年地面沉降量為108 mm，至2000年接近300 mm，至2008年超過900 mm，至2018年已超過2 000 mm。伴隨地面沉降的發(fā)展，發(fā)育于該區(qū)的f4地裂縫活動也明顯加快，地面垂直活動量由2013年的300 mm發(fā)展到2016年的650 mm，致使2002年跨地裂縫修建的西安外事學院綜合樓發(fā)生嚴重破壞[46-47]。

圖件引自文獻[46]、[47]圖6 西安f4地裂縫魚化寨段承壓水位剖面Fig.6 Confined Level Profile of f4 Ground Fissure in Yuhuazhai Section, Xi’an

圖5和圖6均顯示在地裂縫兩側的深層地下水位存在突變，反映了地裂縫在某一深度段是一個相對隔水邊界，主要是由于地裂縫活動錯斷了含水層。地裂縫上盤在大量開采地下水時引起水位大幅下降，但并未對下盤水位產生明顯影響，上盤水位下降導致該盤地層壓縮和地面沉降，并與下盤形成差異沉降，從而促使地裂縫活動。地裂縫活動與上盤水位下降有明顯的相關性并稍有滯后，一般滯后2到3個月[45]。

2.4.2 地裂縫活動的本質原因

地裂縫形成和活動的根本原因是地面或淺部土層在地裂縫位置發(fā)生了明顯的不同變形，包括在垂直和水平方向發(fā)生的同向不均勻變形和反向變形，其主要表現形式為垂直位錯或水平張裂，是一種線狀或帶狀的地表突變或陡變。這種變形可以是由地震活動、火山噴發(fā)、斷層蠕滑運動、構造應力作用等內營力作用引起的，并由此形成構造地裂縫；也可以是由黃土濕陷、膨脹土脹縮、凍土凍融、鹽脹、鹽漬土溶陷、土體干縮、地表水侵蝕和地下水潛蝕等自然外營力作用以及地下流體抽汲等人類活動作用引起的，從而形成非構造地裂縫。地裂縫活動既可以是原來已出露地表的裂縫重新活動或加劇活動，也可以是埋藏在地表一定深度的隱伏地裂縫活動并擴展至地表從而形成顯現的地裂縫。

構造地裂縫活動的本質原因是在構造應力作用下或在構造部位，地面或淺部土層發(fā)生了線狀或帶狀延伸的明顯變形。對于受斷裂控制的構造地裂縫，其動力源在地下深部，能量釋放沿斷裂面向上遞減，并存在間歇活動或同沉積活動，因此，地層錯距隨深度的增大而增大。

從西安f4地裂縫魚化寨段的地質特征和活動特點可以看出，地面沉降區(qū)構造地裂縫發(fā)生超?；顒拥谋举|原因則是地裂縫錯斷了含水層，在過量抽取承壓水時，地裂縫兩側的承壓水頭下降幅度不一致，并在地裂縫位置有明顯的陡降，致使地裂縫兩側的孔隙水壓力減小程度不一樣且兩側的黏土層發(fā)生不均勻固結壓縮，并在地表發(fā)生差異沉降，從而發(fā)生地裂縫活動。

3 地裂縫防控措施

3.1 一般防控措施

地裂縫活動會對跨地裂縫的任何建設工程及設施產生變形和破壞，災害損失是不可避免的。目前，針對地裂縫采取的防治措施主要包括：①對房屋建筑采用避讓的方法；②對地裂縫影響帶內的地面建筑進行地基處理、基礎加固和上部結構加強；③對地下管線采用柔性接頭來加強抗斷設計；④對地面道路工程采用柔性材料換填或簡支橋梁跨越；⑤對于地鐵跨越地裂縫時，采用分段設縫、擴大上盤隧道斷面和防水等措施；⑥限制或禁止地下水，特別是承壓水的開采，并做好地表排水措施。

上述防治措施中，除了第⑥條限制承壓水開采是主動措施外，其他措施均屬于被動措施。其中，第①條的避讓措施會極大地浪費寶貴土地資源；第②～⑤條跨地裂縫段的工程結構加強及設防措施涉及地裂縫的勘察、設計、地基處理、結構加強等施工環(huán)節(jié)及對應的高昂費用，對于地裂縫沿線的所有工程如都采用這類措施，其總體社會成本和費用更是不可估量；第⑥條限制承壓水開采雖然是有效的措施，但還是避免不了一些城郊地區(qū)的地下水偷采，農村地區(qū)更是很難有效執(zhí)行，導致限制或禁止地下水開采的可行性難度較大。另外，極端氣候也可能使承壓水位異常波動。

3.2 地面沉降區(qū)構造地裂縫的調控措施

從地面沉降區(qū)構造地裂縫活動本質原因的分析可知：沒有地面沉降，就沒有地裂縫的較大活動；沒有地裂縫位置的不均勻地面沉降，也就沒有地裂縫的超?；顒印Ｒ虼?，要控制地面沉降區(qū)地裂縫的活動，必須控制住地面沉降或不產生不均勻地面沉降，禁止承壓水開采和完全控制地面沉降是控制地裂縫活動的根本措施。鑒于存在不可控制的承壓水開采和承壓水位異常波動情況，尋求可人工調控的地裂縫活動應對措施顯得尤為重要。

在地裂縫活動強烈的地段，含水層錯斷和承壓水頭高度變化明顯，通過人工定向鉆孔方式打通被錯斷的含水層，在地下水開采和承壓水異常波動情況下，實現被錯斷含水層的水頭高度自我調節(jié)與平衡，避免在地裂縫地段形成較大的承壓水頭差和產生較大的地面不均勻沉降，從而控制地裂縫的活動或超?；顒?。在此將這種利用定向鉆井打通被錯斷含水層的構造地裂縫防控方法簡稱為通水調壓控裂法(CABHP)(圖7)。該方法主要適用于地面沉降區(qū)構造地裂縫，可作為一種常時態(tài)防控方法，能夠起到一勞永逸的效果。

圖7 通水調壓控裂法(CABHP)示意圖Fig.7 Sketch View of Controlling Growth of Ground Fissure by Connecting Aquifer and Balancing Hydraulic Pressure (CABHP) on Both Sides of Ground Fissure

在實施定向鉆孔之前，首先需要收集和調查地裂縫附近的抽水井位置、抽水層位、抽水量、水位變化和地面沉降監(jiān)測等資料，初步了解該區(qū)地層結構、含水層結構和抽水層位；然后通過跨地裂縫鉆探，測量地裂縫兩側各含水層的水位，查明地層結構和含水層結構，確定在地裂縫兩側(盤)需要連通的目標含水層，其中上盤(沉降盤)目標含水層是存在水位下降和導致相鄰地層失水壓縮的承壓含水層，下盤(相對上升盤)目標含水層與上盤目標含水層類型和結構都相同或接近，水位和層位比上盤都高；最后在地裂縫下盤并靠近地裂縫的位置實施定向鉆井，將下盤目標含水層與上盤目標含水層連通，并在含水層連通段接入濾水管和填入礫料，在鉆井的下盤目標含水層頂板位置封堵鉆孔和止水，從而實現地下水在水頭差的作用下自動從下盤目標含水層流向上盤目標含水層，并逐步達到水位自然平衡。為有效監(jiān)測上、下盤目標含水層的連通情況，可以在連通管內設置孔壓傳感器和流量計。

綜上所述，在承壓水位下降的情況下，通過地裂縫上、下盤之間打通的管道消除或最大程度地減小上、下盤之間的孔壓差，這樣地裂縫兩側的地層在橫向上就不會發(fā)生明顯的差異排水固結壓縮，地表也就不會出現較大的不均勻沉降，從而可以有效控制地裂縫活動。

4 結 語

(1)根據主導因素及動力類型，地裂縫可分為構造地裂縫和非構造地裂縫兩大類和16個類別。根據發(fā)育規(guī)模、力學性質、開啟程度及主次關系等因素對地裂縫進一步分類，有助于地裂縫的特征描述。

(2)地裂縫活動的根本原因是位于地裂縫兩側的土層發(fā)生了不同變形；地面沉降區(qū)構造地裂縫發(fā)生超?；顒拥谋举|原因是地裂縫錯斷了含水層并在地裂縫兩側形成明顯的水頭差，從而在過量抽取地下水時導致地表發(fā)生了較大的差異沉降。

(3)通水調壓控裂法通過定向鉆孔打通被地裂縫錯斷的含水層，可以實現地裂縫兩側水位的自然平衡和有效控制地面沉降區(qū)的構造地裂縫活動。

謹以此文紀念長安大學七十周年華誕，祝愿母校桃李滿園，英才輩出，各項工作碩果累累，社會影響日益深遠，教育事業(yè)蒸蒸日上，為祖國繁榮昌盛貢獻更多長大力量！我是土生土長的長大人，自1990年9月進入西安地質學院開始本科學習以來，完成了本科、碩士和博士階段的學習，經歷了母校由西安地質學院到西安工程學院，再到長安大學的重要發(fā)展歷程，見證了母校翻天覆地的變化。我曾有幸在班級擔任臨時班長、學習委員，以及在地質工程系兼任實驗室主任、系副主任、系主任等職務，所在集體多次榮獲學校標桿宿舍、優(yōu)秀團支部、先進班級和先進系所。個人的點滴成長離不開母校各位老師的悉心指導，特別是趙法鎖、杜東菊、彭建兵等導師的諄諄教誨。母校的蓬勃發(fā)展也離不開廣大師生的努力拼搏和無私奉獻，以及對長大校訓“弘毅明德，篤學創(chuàng)新”的傳承。在此衷心感謝母校的每一位老師和校友，并致以最美好的祝福！祝愿母校永鑄輝煌！