張建軍，張鶴馨，張茂省，李勇，董英，張全貴

(1.礦山地質(zhì)成災(zāi)機理與防控重點實驗室，西安 710054；2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安 710054;3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083；4.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心,西安 710054；5.陜西地礦綜合地質(zhì)大隊,渭南 714000)

西安是一個千年文明古都，主城區(qū)的棋盤狀格局，就是依據(jù)梁凹地貌，隋朝初期建筑師宇文愷，根據(jù) “易經(jīng)”理論規(guī)劃的。每一個梁凹地貌的分界線地下，都隱藏著一條隱伏斷裂，隱伏斷裂發(fā)育到地表形成地裂縫。地裂縫古亦有之，自20世紀20、30年代發(fā)現(xiàn)，唐山大地震以后活動明顯加強，20世紀90年代后期隨著黑河飲水工程投入，區(qū)域上地裂縫的災(zāi)害有所減緩。四川汶川地震以后部分地段地裂縫又趨活躍。截止2016年，已發(fā)現(xiàn)有14條地裂縫，尤其是位于西安西南郊魚化寨地段F4地裂縫活動更是震驚中外。

40 a來，張家明、王景明、王蘭生、李永善，吳嘉毅、索傳郿、張茂省和彭建兵[1-8]等先后對西安地裂縫進行了較深入的分析研究。大范圍、宏觀上解剖較多，具體某區(qū)域、某地段地裂縫精細化專題探討較少。本文依托項目，通過1∶1萬魚化寨地段F4地裂縫地面沉降的現(xiàn)狀調(diào)查，查明其分布特征和范圍；空間上的三維伸展活動速率和變化規(guī)律；地裂縫兩盤地下水的動態(tài)特征，滲透變形等；形成的地質(zhì)環(huán)境條件、成因類型及其誘發(fā)因素。為今后小區(qū)域、精細化地面沉降地裂縫專題研究提供素材。

1 F4地裂縫研究范圍及現(xiàn)狀

F4沿槐芽嶺黃土梁南側(cè)發(fā)育。西起經(jīng)十三路、過皂河、經(jīng)勞動南路、西北大學(xué)、甜水井、中山門、西京醫(yī)院，東到西北光學(xué)儀器廠，出露總長度7.91 km。本次探討西段魚化寨部分。

魚化寨地區(qū)研究區(qū)域：東起灃恵南路，西至西三環(huán),南自科技三路老煙莊一線，北到昆明路，面積約13 km2，即108°50′14″～108°53′0″，34°13′8″～34°15′14″。

F4地裂縫(以后簡稱“地裂縫”)自東從灃惠路科技路什字北50 m進入本研究區(qū)，經(jīng)過中華世紀城、團結(jié)南路、楓韻藍灣小區(qū)，過丈八北路、灃惠渠和丈八路廉租房工地，再穿外事學(xué)院北校區(qū)，斜穿富魚路和地下東西向地鐵3號線、天然氣加氣站、公共汽車站停車場和西安市工業(yè)交通干部學(xué)校和西邊爛尾樓工地，過皂河向西延伸150 m穿過工地，終止經(jīng)十三路后呈隱伏狀，如圖1、圖4。本研究區(qū)長度為3.41 km地裂縫為高角度近于直立的正斷層，地裂縫可見深度1.5～3 m(表1)。

圖1 2017年魚化寨楓韻藍灣F4地裂縫

2008年汶川地震以后，地裂縫從丈八北路向西及西北方向發(fā)展，截至2016年11月底，走向上累計發(fā)展長度2 150 m，平均速度230 m/a。

2013～2016年，垂直位移由最大300 mm，發(fā)展為650 mm,每年平均活動速率87.5 mm/a，是活動強烈標(biāo)準的3.33倍[9]。水平拉張由200 mm變?yōu)?00 mm,水平拉張活動速率25 mm/a。水平左行反向扭動由30 mm到110 mm.扭動速率20 mm/a。

2 地裂縫地面沉降形成的環(huán)境地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

地裂縫和地面沉降魚化寨段位于西安西郊古河道發(fā)育的地區(qū)。地面高程397～411 m。東南高，西北低。區(qū)域上分為一、二、三級階地。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

西安主城區(qū)地處鄂爾多斯臺地和秦嶺山地所夾持的關(guān)中盆地中部西安凹陷東南，凹陷周圍和內(nèi)部斷裂構(gòu)造發(fā)育。主要有EW向秦嶺山前斷裂、余下鐵爐子斷裂和渭河斷裂，NE向長安-臨潼斷裂,NW向岐山-周至馬召等一級斷裂，還存在二級斷裂，如浐灞河斷裂、灃河和皂河斷裂。更存在更多次一級凹陷內(nèi)的新的隱伏活動斷裂。

F4地裂縫就是原有的隱伏斷裂在本區(qū)地表的繼承、延續(xù)、發(fā)展和顯露。特別在地裂縫走向拐點處，主次地裂縫特別發(fā)育，地裂縫三維活動也更強烈。

2.3 地層結(jié)構(gòu)

地裂縫在西段魚化寨部分，大部分在二級階地和一級階地之間通過(北部下盤為二級階地，南部上盤為一級階地)，只有中部150 m左右從三級階地和一級階地之間通過[10],北部下盤為三級階地，南部上盤為一級階地。階地上大部分有覆蓋層，巖性為：

素填土(Qml):黃褐色，土質(zhì)不均，含少量磚屑、灰渣植物根等。硬塑，本層厚度0.3～2.2 m。層底標(biāo)高396～402.36 m。

黃土狀土(Q4al+pl):黃褐色為主，土質(zhì)欠均勻，具不規(guī)則孔隙，大孔隙發(fā)育，稍具小塊裝，含有少量植物根、蝸牛殼、鈣質(zhì)小結(jié)核。厚度0.9～2.8 m。層底標(biāo)高397.65～400.21 m。壓縮系數(shù)0.19 mPa-1,壓縮模量10.08 mPa,為中壓縮性土，濕陷系數(shù)0.011。

2.4 氣象和水文特征

2.4.1 氣象

西安地區(qū)的多年平均降水量586.1 mm,最大年降水量903.2 mm，最小年降水量285.2 mm，雨量集中在7～9月，最大日降水量92.3 mm,多年平均蒸發(fā)量1 562 mm。

2.4.2 水文

魚化寨地區(qū)分布有皂河，灃惠三支渠。

皂河：幾十年來，皂河兩岸工業(yè)企業(yè)的迅猛發(fā)展，皂河成了一個名副其實的排污渠，排入渭河污水最高達85×104t/d，接納西安市主城區(qū)60%以上的生活污水。

灃惠三支渠：灃河?xùn)|岸引水，從鎬京的焦村南渠入雁塔區(qū)，在漳滸寨分為兩渠，流量為4.6 m3/s。

2.5 水文地質(zhì)條件

魚化寨地區(qū)上部為松散沉積物，分為孔隙潛水和承壓水。

2.5.1 潛水

含水層厚度38～40 m,為中細砂。底板埋深78～82 m,潛水底板為灰綠色有機質(zhì)土和灰棕色粘土互層(Q2al+l)，厚度20 m左右。

1985年以前潛水水位1.49～2.79 m，1995年以后，水位從6.31 m，持續(xù)降到 26.42 m，2004年逐漸開采深層承壓水，潛水水位的不斷雍高回升，2016年水位埋深13.03～16.68 m。

地裂縫南部上盤，地下水埋深較小，為13.05～13.52 m,水力坡度0.000 2～0.005，越接近地裂縫埋深越小，水力坡度數(shù)值越小。地裂縫北邊下盤埋深14.15～16.48 m，水力坡度0.167～0.25,徑流條件較好。

2.5.2 承壓水

承壓水段巖性主要為含礫粗砂、中砂、粉細砂和粘土，含水層頂板埋深100～112 m,承壓粘土、砂質(zhì)粘土厚度約64 m，占含水層系統(tǒng)厚度的59.25%，砂層厚度約44 m。

1989年以前，魚化寨地區(qū)承壓水水頭為28.79 m，到2013年底，每年水頭以0.98 m的速度在下降(圖3)。2016年，地裂縫下盤水位埋深49.57～67.88 m，上盤水位埋深103～106.4 m。

3 地裂縫地面沉降的成因

地裂縫和地面沉降成因較多，本文僅討論人類活動和開采地下水引起的地面沉降和地裂縫。

3.1 地面沉降

魚化寨地面沉降主要的220 m以上可壓縮土層，深度81.2～99.7 m，117.1～121.95 m、135.6～146.2 m、158.95～169.3 m、206.65～220 m,5個可壓縮土層，巖性為灰綠色有機質(zhì)土和灰棕色粘土。

圖3 魚化寨地區(qū)承壓水多年動態(tài)曲線圖

在壓縮層之間主要為含水層，主要為粗砂、中砂和粉細砂。從淺到深，巖性顆粒由粗變細，主要以粉細砂為主。

魚化寨地區(qū)地面沉降從1996年開始，每年沉降量為100 mm左右，2016～2017年，最大沉降速率超過200 mm/a，見圖4[12]。根據(jù)收集到歷年地面沉降速率的資料[13]和我站多年的調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合計算1996年魚化寨開始地面沉降至2016年，累計沉降量1.8～2.0 m。根據(jù)最新的承壓水等水頭線圖5和地面沉降圖圖4，漏斗中心和沉降中心基本重合。沉降中心位于老年大學(xué)、河?xùn)|村和外事學(xué)院北校區(qū)地鐵3號線以南區(qū)域。

圖4 魚化寨地區(qū)地面沉降圖

3.1.1 建筑荷載引起的地面沉降

(1) 城中村建筑荷載引起的地面沉降

魚化寨村位于地裂縫的上盤，常駐人口近30萬人。城中村居民利益驅(qū)動，不斷加高樓層，有的甚至達到11層，不顧本地區(qū)的地質(zhì)條件，建筑物的荷載嚴重超過巖土的承載力，引起局部路面隆起，建筑物下沉，在強烈開采承壓水的共同作用下，引起沉降中心地面嚴重不均勻沉降。2015年6月20日中午1時許，魚化寨街道八家巷北的小什字，坐標(biāo)：E108°51′16″，N34°14′14″，馬路長3～5 m、寬1 m的水泥路面自然升起，兩小時內(nèi)抬起0.50 m，現(xiàn)場看到東西裂縫長達70～80 m,裂縫北升南降垂直位移超過40 mm，路基發(fā)生明顯變形。四周建筑物下沉明顯。

(2) 高層建筑荷載引起的地面沉降

魚化寨地區(qū)地面沉降中心附近的高層有風(fēng)韻藍灣、左岸春天和河?xùn)|村的爛尾樓等小區(qū)，樓層一般為25～30層，高度為60 m以上的高層建筑。地鐵3號線附近、楓韻藍灣和河?xùn)|村高層一線南部，自備井集中開采區(qū)，地面沉降最為嚴重，最新調(diào)查顯示，地面沉降量超200 mm/a。

高層建筑的密集程度、容積率、樁基礎(chǔ)施工、基坑開挖和井點降水工程和地鐵的修建與運營等對地面沉降有較大影響。

3.1.2 開采承壓水引起的地面沉降

表2是根據(jù)收集和實際調(diào)查得出的西安部分自備井出砂情況表，這些開采井主要位于開采降落漏斗中心和地面沉降中心。

沙坡沉降中心微波無線電廠、陜西第二汽車制造廠；辛家廟沉降中心的重機所福利老井、八里村沉降中心的外語學(xué)院、郵電部第四研究所;電子城沉降中心的東風(fēng)儀表廠和西京公司;魚化寨沉降中心的柯家莊和河?xùn)|村。在沉降中心這么多井抽水引起井內(nèi)涌砂和流砂，說明這并非個例，而是普遍現(xiàn)象。

地質(zhì)技校、西姜村分層標(biāo)和魚化寨地面沉降和地裂縫調(diào)查得到地質(zhì)孔表明，西安承壓含水層中有一層20～30 m的粉細砂。在強烈開采承壓水過程中，由于降落漏斗不斷加深，水力梯度不斷加大，引起滲透變形，含水層受到剪應(yīng)力和力矩作用，致使井內(nèi)管涌和流砂、涌砂進一步使部分含水層壓密和掏空，含水層騰出空間，上部土層失去支撐，從而造成地面不均勻坍塌，引起地面沉降和地裂縫的發(fā)生。

表2 西安部分自備井抽出砂一覽表

(1) 粉細砂是引起滲透變形井內(nèi)涌砂和流砂的主要原因

魚化寨地區(qū)屬于原古河道區(qū)，含水層巖性主要為含礫粗砂、中砂、粉細砂和粘土。呈水平多層型互相疊置分布，細粉砂占承壓水開采段的25.5%。厚度在20～30 m,在高水頭差、不良成井工藝的情況下，產(chǎn)生流土流砂。

(2) 大功率強力抽水、較大的水力坡度是滲透變形的第二因素

魚化寨地區(qū)有深井45口，開采量為3～3.3×104m3/d，井深200～220 m，潛水泵埋深130～150 m，開采井之間最近距離20 m，由于超強度開采地下水，有1.5 km2承壓水頭低于承壓水頂板以下。頂板埋深一般為100 m，水頭最深處已低于頂板22 m以下。漏斗中心水頭埋深122.60 m，水力梯度最大0.4～1.0，本開采段為粉細砂，粒徑0.05～0.25 mm，滲透系數(shù)0.006～0.012 cm/s[14]，已超過滲透變形的臨界水力梯度。大功率潛水泵的強力抽水，濾水管進水流速超過2 m/s，遠遠超過粉細砂涌砂的基本條件10～20 mm/s[15]，引起涌砂流砂。每年因涌砂流砂、毀壞開采井2～3口井。毀壞井周圍，地面沉降嚴重。

承壓含水巖組中的淤泥質(zhì)土,屬于弱透水層(隔水層)，它的釋水壓密是引起地面沉降的主要因素。主要分布深度82.28～85.88 m、171.78～175.43 m和179.18～181.18 m。累計厚度9.25 m。屬于湖沼相飽和軟土，含水量高，屬于低強度高壓縮土。

3.2 地裂縫形成機制

魚化寨自備開采井主要分布在地裂縫上盤南側(cè)東南側(cè)附近，在開采井外圍，承壓水頭位于含水層頂板以上。距離北部、西北部F4地裂縫70～100 m，水力坡度為最大變化密集區(qū)[16](圖5)，水力坡度0.4～1.0，見圖6。地下水以垂直運動為主，即上部潛水和弱含水層的越流補給承壓水的同時,還發(fā)生接觸流土現(xiàn)象。

潛水和下伏承壓水的水頭差達77 m，潛水和承壓水的隔水層為20 m。由于隱伏斷裂屬于張扭性正斷層，屬于導(dǎo)水?dāng)鄬?，抽水的作用，斷裂面的抗剪強度降低，空隙度變大，透水性和?dǎo)水性變好。在滲透力作用下，滲透水流形成最大的剪應(yīng)力和力矩的增長區(qū)，在引張區(qū)潛水通過導(dǎo)水?dāng)嗔衙婧驮搅餮a給承壓水，沿斷裂面和上盤承壓含水層到開采井管形成潛蝕管涌和部分流土流砂現(xiàn)象，引起松散層結(jié)構(gòu)變松，強度降低，沿斷裂面剪切滑動[17]。在上盤引張區(qū)整體形成剪切破壞和力矩作用，使土層壓密及塌陷，由下至上，傳至地表，造成地表兩盤不均勻沉降，形成多在上盤引張區(qū)出現(xiàn)大小不一主次分明的“y”主次地裂縫。

圖5 西安魚化寨地區(qū)2016年等水頭線圖

圖6 東西向垂直F4地裂縫承壓水頭剖面圖

外事學(xué)院的2002年修建的綜合樓，緊鄰地鐵3號線，東西橫跨在F4地裂縫上，2004～2005年開始使用。受汶川地震影響，在自然地質(zhì)因素和自備深井承壓水超量開采的作用下，受建筑物上部荷載及修建地鐵的影響，地裂縫兩盤沉積環(huán)境、地形地貌、巖性的不同，巖土的水理性質(zhì)和力學(xué)指標(biāo)差異,造成地裂縫兩盤不均勻沉降。建筑物地基累計相差450 mm，建筑物頂部水平裂縫達300 mm,迫不得已，2016年11月建筑物被拆除。

對于一個松散的多層孔隙含水層系統(tǒng)，地下水的開采過程，實際上是在抽水井的某個特定深度段給含水層施加人為的一個不斷增加的負壓，使含水層的該井段與周圍出現(xiàn)壓力差。周圍土層中的水在這種壓力差的驅(qū)使下向井運動[18]。這樣抽水首先在含水層系統(tǒng)形成一個降落漏斗，隨著降落漏斗的加深和范圍的不斷擴大，水力坡度增大，孔隙水壓力也隨之降低，相鄰弱透水層將不斷向含水砂層中釋水并壓密沉降。同時，含水層在滲透力的影響下，受到剪應(yīng)力和力矩作用，承壓水頭低于隔水頂板的區(qū)域形成壓縮區(qū)。部分承壓含水層被疏干，引起三維結(jié)構(gòu)變形，含水層骨架變形壓密，部分含水層因井內(nèi)涌砂和流砂被掏空，含水層騰出空間，上部弱透水層失去支撐造成不均勻塌陷與弱透水層的釋水壓密共同導(dǎo)致地面沉降，在承壓水頭低于含水頂板的范圍為主沉降區(qū)。在外圍引張區(qū)，已有張扭性隱伏斷裂處附近，發(fā)生上部潛水通過斷裂面向下導(dǎo)水，含水層越流作用共同引起滲透變形，造成斷裂兩盤的剪切滑動而由于巖性的的不同，產(chǎn)生不均勻沉降，由下至上，延伸地表而形成地裂縫。

4 結(jié)論

(1) F4地裂縫的走向總是沿著地貌的分界線通過，在地裂縫走向拐點處，地裂縫活動強烈，主次地裂縫發(fā)育。F4地裂縫走向上向西發(fā)展，速度230 m/a，垂直位移累計最大650 mm,年活動速率87.5 mm;水平拉張最大累計300 mm，水平拉張活動速率25 mm/a；水平反向扭動最大累計110 mm，扭動速率20 mm/a。

(2) 魚化寨從1996年開始地面沉降，經(jīng)計算至今已超過1.8～2.0 m。2016～2017年沉降最大速率200 mm/a，沉降中心位于老年大學(xué)、河?xùn)|村和外事學(xué)院南部地鐵3號線附近區(qū)域。

(3) 淺層承壓水已超強開采，形成區(qū)域降落漏斗。降落漏斗的范圍和中心與地面沉降的范圍和中心基本一致。淺層承壓水頭低于隔水頂板的區(qū)域是地面沉降主要沉降區(qū)；水力坡度變化最大的外延地區(qū)，成為F4地裂縫發(fā)育區(qū)。

(4) 淺層承壓含水巖組中的粉細砂的滲透變形和弱透水層中(特別是淤泥質(zhì)土)釋水壓密是引起地面沉降地裂縫最主要因素。建筑荷載、地鐵的修建運營對地裂縫和地面沉降影響也不容忽視。

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