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(yīng)力場與構(gòu)造應(yīng)變場的疊加作用產(chǎn)生了雙重效應(yīng)，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(shè)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(xué)—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(xué)—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(dāng)?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(luò)建設(shè)進展緩慢，對西安地裂縫與地面沉降的監(jiān)測設(shè)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(dǎo)，且由承壓水位變化而導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)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(luò)監(jiān)測等。地面沉降常規(guī)監(jiān)測使用分層標(biāo)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(biāo)破壞嚴重，截至2011年底僅剩一組5孔的分層標(biāo)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(zhǔn)點監(jiān)測

水準(zhǔn)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(shè)了多個國家Ⅰ等水準(zhǔn)點對地裂縫活動持續(xù)進行著監(jiān)測。水準(zhǔn)點是按照國家測量規(guī)范(GB12897—91)中的要求進行預(yù)制和埋設(shè)的混凝土水準(zhǔn)標(biāo)石。(圖1)其通過兩個或多個水準(zhǔn)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(zhǔn)點結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of benchmark

(1)水準(zhǔn)對點監(jiān)測

水準(zhǔn)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(shè)一個水準(zhǔn)點，通過水準(zhǔn)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(zhǔn)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(yīng)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(zhǔn)剖面是在垂直橫跨地裂縫的一定范圍內(nèi)布設(shè)多個水準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)置，一臺YSL與地裂縫呈30°斜交設(shè)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(biāo)進行監(jiān)測。地面沉降分層標(biāo)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(zhǔn)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(fù)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(fù)正常南降。該變化顯示地震前附近斷裂活動或者應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dāng)?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(shè)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(yù)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(yīng)當(dāng)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(zhǔn)點監(jiān)測以布設(shè)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(zhǔn)點組成的水準(zhǔn)對點和水準(zhǔn)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(shè)工程提供了準(zhǔn)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(biāo)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(zhǔn)點監(jiān)測與分層標(biāo)監(jiān)測。目前西安市內(nèi)城區(qū)規(guī)劃建設(shè)頻繁，各處水準(zhǔn)點保護得不到當(dāng)?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(zhǔn)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(biāo)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(dāng)?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(yīng)重新布設(shè)水準(zhǔn)點、增設(shè)多個分層標(biāo)，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(zhǔn)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(zhǔn)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(wù)。

［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(xué)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(yù)測及其風(fēng)險防控對策——以大西安西咸新區(qū)為例［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)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.

［4］寧社教，閆文中，許超美，等.西安地區(qū)地裂縫與地面沉降調(diào)查報告［M］.2009.NING Shejiao，YAN Wengzhong，XU Chaomei，et al.A survey report on ground fracture and surface subsidence in Xi'an［M］.2009.

［5］孫建中，吳瑋江，田春生，等.黃土學(xué)(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.

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