趙振財(cái) 高存喜 劉亮 唐競(jìng) 寇楊軍 史禮文

(西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710003)

0 引言

西安地裂縫是一種地區(qū)性的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，包括已出露地表的地裂縫和未在地表出露的隱伏地裂縫［2，11］。目前已發(fā)現(xiàn)14條，均分布在黃土梁南側(cè)、洼地北側(cè)，面積約150 km2，地裂縫出露總長(zhǎng)度72 km，延伸長(zhǎng)約103 km，單條地裂縫地表出露最長(zhǎng)14.5 km，最短2 km［1］。地裂縫向東西兩側(cè)延伸，東過(guò)灞河，西過(guò)皂河［4］。西安地裂縫已成為城市建設(shè)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。

我們把跨兩個(gè)或兩個(gè)以上地貌單元的地裂縫場(chǎng)地稱為跨地貌單元地裂縫場(chǎng)地，該種地裂縫在勘察設(shè)計(jì)方面具有地層復(fù)雜、標(biāo)志層不統(tǒng)一、分析研究難度大等特點(diǎn)。

本文以西安某工程項(xiàng)目為例，通過(guò)收集擬建場(chǎng)地附近工程地質(zhì)、地裂縫研究資料，對(duì)場(chǎng)地及其附近進(jìn)行詳細(xì)的地面調(diào)查，了解場(chǎng)地及其附近區(qū)域構(gòu)造、地貌形態(tài)、地裂縫地表活動(dòng)現(xiàn)狀，進(jìn)行系統(tǒng)的綜合分析。同時(shí)采用野外鉆探方法，查明三級(jí)階地上更新統(tǒng)紅褐色古土壤(二類標(biāo)志層)或二級(jí)階地中更新統(tǒng)河湖相堆積(三類標(biāo)志層)的厚層淺灰色粘性土、砂土和碎石土產(chǎn)狀、錯(cuò)斷位置、斷距等，確定地裂縫的平面展布位置、活動(dòng)性及勘探精度修正值Δk。評(píng)價(jià)地裂縫對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響，確定建筑物的合理避讓距離，為地裂縫場(chǎng)地的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。并對(duì)該類地裂縫場(chǎng)地的勘察設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)具有借鑒意義的建議。

1 西安地裂縫特征與成因

1.1 西安地裂縫特征

地裂縫是指過(guò)量開采利用地下水或強(qiáng)烈地震時(shí)，因地下斷裂帶的錯(cuò)動(dòng)使地層發(fā)生位移或錯(cuò)動(dòng)，并在地面上形成開裂［3］。其主要特征如下:

1)在分布與活動(dòng)方面，西安地裂縫表現(xiàn)為規(guī)模大，常呈帶狀分布，總體走向 NE ～NEE，近似平行于臨潼—長(zhǎng)安斷裂［1，10］;傾向SE ～SSE，與臨潼—長(zhǎng)安斷裂傾向相反［1］，彼此以 0.6 km ～1.5 km的間距近平行的展布于市區(qū)。它們大都沿著黃土梁的南側(cè)坡下展布。目前發(fā)現(xiàn)的地裂縫都是傾滑張破裂，裂縫南傾，傾角75°～85°［5］，主要表現(xiàn)為主地裂縫的南盤(上盤)下降，北盤(下盤)相對(duì)上升［11］?！盎顒?dòng)”速率以5 mm/年 ～30 mm/年居多，最大者逾50 mm/年，標(biāo)志層(古土壤)被錯(cuò)斷。其活動(dòng)速率與抽取深層承壓水密切相關(guān)。西安市地裂縫剖面特征如圖1所示。

2)地層特征方面，在西安地裂縫場(chǎng)地的揭露地層中，第三系主要由河湖相沉積的泥巖和砂、礫巖組成。第四系以沖、洪積和風(fēng)積為主，巖性多為砂、礫石、粉質(zhì)粘土、粘土和黃土。在水平方向上，東南郊的粉質(zhì)粘土、黃土與黃土狀土層較厚，砂層較薄，而西北郊處砂層較厚。粘性土易失水壓密，對(duì)地裂縫和地面沉降有較大影響。風(fēng)成黃土大孔隙發(fā)育，具有較為強(qiáng)烈的濕陷性和自重濕陷性，加劇了地裂縫活動(dòng)在地表的顯現(xiàn)［8］。

圖1 西安地區(qū)地裂縫剖面特征圖[6]

3)在水文地質(zhì)條件方面，目前西安地裂縫的研究資料說(shuō)明，潛水的開采量較小，沒(méi)有改變其動(dòng)態(tài)類型，不是產(chǎn)生西安地面沉降的主要原因。多年來(lái)承壓水的過(guò)量汲取，水位大幅度降低，使得含水系統(tǒng)釋水壓密，是產(chǎn)生西安地面沉降的主要原因［7］，也是西安地裂縫在地表顯露和“活動(dòng)”強(qiáng)化的主要誘因，這在降落漏斗附近非常顯著。

1.2 西安地裂縫成因

首先，西安斷塊和驪山斷塊的掀斜是伸展作用和重力作用的結(jié)果［7］，NW向的伸展應(yīng)變是掀斜的基礎(chǔ)，重力是掀斜的條件，重力作用對(duì)非直立張性斷裂的作用能使斷塊發(fā)生有規(guī)律的掀斜。這就是臨潼—長(zhǎng)安斷裂上盤發(fā)育一系列陡傾正斷層，即西安地裂縫產(chǎn)生的構(gòu)造原因［9］。

其次，過(guò)量開采深層承壓水，產(chǎn)生不均勻地面沉降的條件下，隱伏地裂縫會(huì)出現(xiàn)活動(dòng)，在地表形成破裂［10］，是地裂縫在地面的反映。地裂縫大都發(fā)育在特定的構(gòu)造地貌部位，即黃土梁南側(cè)陡坡上，黃土梁間洼地的北側(cè)邊緣。

地裂縫的成因機(jī)制極其復(fù)雜，除了上述兩個(gè)重要因素外，其他諸如地貌界限、地層巖性條件(不均勻、濕陷等)、降雨及地表水入滲、建筑荷載及動(dòng)荷載等也對(duì)地裂縫的活動(dòng)顯現(xiàn)有一定影響作用［2-6］。

2 工程實(shí)例

本地裂縫場(chǎng)地位于西安市東郊紡織城堡子村盤道，根據(jù)《西安城市工程地質(zhì)圖集》、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆探結(jié)果，勘察場(chǎng)地東部處在浐河三級(jí)階地上，淺層普遍分布第四紀(jì)晚更新世棕紅～棕褐色古土壤，屬二類場(chǎng)地;場(chǎng)地西部處在浐河二級(jí)階地上，缺失二類標(biāo)志層(古土壤)，為三類場(chǎng)地。

2.1 地層巖性與水文地質(zhì)條件

本場(chǎng)地揭露的地層主要由第四紀(jì)全新世人工填土、沖洪積黃土狀土和沖積圓礫，第四紀(jì)晚更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤、沖積粉質(zhì)粘土和砂土、第四紀(jì)中更新世沖積粉質(zhì)粘土、砂土和碎石土組成。

各層地基土厚度及層底標(biāo)高如表1所示。

表1 場(chǎng)地地層厚度及層底標(biāo)高統(tǒng)計(jì)表 m

本場(chǎng)地地下水屬潛水類型，主要由大氣降水和地下徑流補(bǔ)給，以自然蒸發(fā)和地下徑流排泄為主。勘察期間屬平水期，鉆孔測(cè)得穩(wěn)定水位埋深約為12.20 m～15.80 m，相應(yīng)標(biāo)高為398.10 m～403.40 m。

2.2 地裂縫場(chǎng)地的工程勘察

為查明地裂縫經(jīng)過(guò)本場(chǎng)地的確切位置，本次勘察采用工程地質(zhì)資料收集、地面調(diào)查和鉆探相結(jié)合的勘察方法。

外業(yè)勘察沿垂直于地裂縫的可能展布方向上共布置勘探剖面9條，其中場(chǎng)地東部(二類場(chǎng)地)布置勘探剖面5條，勘探線間距為 14.0 m ～29.0 m，勘探點(diǎn)間距為3.99 m ～28.77 m，勘探點(diǎn)深度為15.0 m～60.0 m;場(chǎng)地西部(三類場(chǎng)地)布置勘探剖面4條，勘探線間距為59.0 m ～62.0 m，勘探點(diǎn)間距為4.62 m ～40.37 m，勘探點(diǎn)深度為15.0 m ～74.0 m。

本地裂縫場(chǎng)地的二類標(biāo)志層判斷地裂縫錯(cuò)斷位置的工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示。從圖2可以看出，⑤古土壤層明顯被地裂縫錯(cuò)斷，具有南側(cè)⑤古土壤層下降，厚度增大，北側(cè)相對(duì)上升的特征，是判定地裂縫的二類標(biāo)志地層。

圖2 二類標(biāo)志層（⑤古土壤）判別地裂縫剖面圖

圖3和圖4為三類標(biāo)志層判別地裂縫錯(cuò)段位置的工程地質(zhì)剖面圖。本場(chǎng)地西側(cè)的三類場(chǎng)地(浐河二級(jí)階地)缺失二類標(biāo)志層，判別地裂縫錯(cuò)段位置的標(biāo)志層選取中更新世河湖相堆積的厚層淺灰色粘性土和砂土(三類標(biāo)志地層)，由圖3和圖4可見，③圓礫層和⑧粗砂層分布不連續(xù)，明顯被地裂縫錯(cuò)斷，具有南側(cè)下降，北側(cè)相對(duì)上升特征，是判定地裂縫的三類標(biāo)志地層之一。

圖3 三類標(biāo)志層（③圓礫）判別地裂縫剖面圖

圖4 三類標(biāo)志層（⑧粗砂）判別地裂縫剖面圖

根據(jù)鉆探結(jié)果，本場(chǎng)地附近的地裂縫總體走向約為NE11°～NE35°，場(chǎng)地東部(三級(jí)階地)的二類標(biāo)志地層⑤古土壤、西部(二級(jí)階地)的三類標(biāo)志地層③圓礫、⑧粗砂和⑩圓礫分布不連續(xù)，明顯被地裂縫錯(cuò)斷，地裂縫南側(cè)(上盤)下降，北側(cè)(下盤)相對(duì)上升，二類標(biāo)志層⑤古土壤的垂直斷距約為1.85 m～3.47 m，三類標(biāo)志層③圓礫、⑧粗砂和⑩圓礫的垂直斷距大于12 m。破裂面南傾。樁基設(shè)計(jì)時(shí)地裂縫傾角可按80°考慮。

地裂縫兩側(cè)二類標(biāo)志地層⑤古土壤、三類標(biāo)志地層③圓礫、⑧粗砂和⑩圓礫厚度、層底標(biāo)高和高差詳見表2。

表2 地裂縫兩側(cè)標(biāo)志地層分布特征一覽表

為便于設(shè)計(jì)，根據(jù)本次勘察揭露的二類標(biāo)志地層⑤古土壤、三類標(biāo)志層③圓礫和⑧粗砂錯(cuò)斷位置，結(jié)合西安地裂縫空間展布特征，自上述標(biāo)志地層底部按80°傾角推算至地面的控制點(diǎn)坐標(biāo)詳見表3。

2.3 地裂縫場(chǎng)地的工程設(shè)計(jì)

表3 地裂縫地面控制點(diǎn)坐標(biāo)一覽表

據(jù)西安地裂縫場(chǎng)地多年的勘察設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，地裂縫場(chǎng)地中的建(構(gòu))筑物在設(shè)計(jì)時(shí)宜采取以合理避讓為主、結(jié)構(gòu)措施為輔的綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)思路，這是防止地裂縫危害既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。

本次勘察結(jié)果顯示，地裂縫對(duì)擬建橋梁的影響范圍如圖5所示。由圖5可見，擬建橋梁處在西安地裂縫上盤的主變形區(qū)之外，可按一般場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，不考慮地裂縫的影響。

圖5 地裂縫對(duì)擬建橋梁影響范圍示意圖

地裂縫對(duì)擬建廣場(chǎng)的影響范圍如圖6所示。擬建廣場(chǎng)北部跨地裂縫，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理調(diào)整總平面圖規(guī)劃布局，并采取適宜的結(jié)構(gòu)措施，以增強(qiáng)其整體剛度與強(qiáng)度，體型力求簡(jiǎn)單。

圖6 地裂縫對(duì)擬建廣場(chǎng)影響范圍示意圖

擬建廣場(chǎng)基礎(chǔ)底面外緣(采用樁基時(shí)則為樁端外緣)至地裂縫的最小避讓距離應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程規(guī)定，即對(duì)于地裂縫南盤(上盤)布置的三類建筑，最小避讓距離為6.0 m，北盤(下盤)為4.0 m［6］。必要時(shí)可通過(guò)召開專門會(huì)議，研究確定擬建建(構(gòu))筑物與地裂縫的合理距離。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

1)本場(chǎng)地地裂縫橫跨浐河二級(jí)階地和三級(jí)階地，從擬建場(chǎng)地北側(cè)附近隱伏經(jīng)過(guò)，其歷史活動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)。隨著經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的發(fā)展很可能會(huì)重新活動(dòng)。

2)本場(chǎng)地附近的地裂縫總體走向約為NE11°～NE35°，南盤(上盤)下降，北盤(下盤)相對(duì)上升，二類標(biāo)志地層⑤古土壤的層底垂直斷距約為1.85 m～3.47 m，三類標(biāo)志地層⑦粉質(zhì)粘土、⑧粗砂、⑨粉質(zhì)粘土和⑩圓礫的層底垂直斷距一般大于12 m，破裂面南傾。樁基設(shè)計(jì)時(shí)地裂縫傾角可按80°考慮。

3)西安地裂縫的地面控制點(diǎn)坐標(biāo)可按文中表3使用。

4)擬建橋梁處在西安地裂縫上盤的主變形區(qū)之外，可按一般場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)。擬建廣場(chǎng)北部跨地裂縫，且處在地貌單元分界線上，應(yīng)合理調(diào)整總平面圖規(guī)劃布局，并應(yīng)采取結(jié)構(gòu)措施，且應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。必要時(shí)可通過(guò)召開專門會(huì)議，研究確定合理避讓距離。

3.2 建議

1)對(duì)跨地貌單元地裂縫場(chǎng)地的勘察，首先應(yīng)通過(guò)資料收集分析，合理地對(duì)地貌界線做出初步判別后，有針對(duì)性的布置勘察方案，并在地貌界線處做重點(diǎn)勘察。2)地裂縫勘察時(shí)，要加強(qiáng)地層的野外鑒別，為分析地裂縫的錯(cuò)段位置掌握好第一手資料。3)對(duì)于場(chǎng)地施工條件限制的影響，應(yīng)在后期補(bǔ)充勘察，準(zhǔn)確分析確定地裂縫的地面控制點(diǎn)坐標(biāo)。4)由于西安地裂縫場(chǎng)地大多處在城區(qū)及市郊，勘察設(shè)計(jì)工作前期應(yīng)和地下管線設(shè)施的相關(guān)管理部門做好溝通工作，充分考慮地裂縫活動(dòng)對(duì)路面、地下管線設(shè)施(如天然氣管道、光纜、電纜等)造成的突然性破壞，且須有相對(duì)的應(yīng)急預(yù)案。

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