焦姍，朱清華，王曉婭，陳曉文，田德志，張艷

(1.中國冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院，太原 030032；2.山西華冶勘測工程技術(shù)有限公司，太原 030032)

0 引言

交城斷裂帶位于呂梁山—晉中盆地的盆-山耦合過渡帶，橫跨太原市和呂梁市，延展130 km，這一活動性斷層的自20世紀70年代末開始出現(xiàn)構(gòu)造地裂縫，經(jīng)21世紀初期的劇烈發(fā)展，目前的變形現(xiàn)象趨于穩(wěn)定。構(gòu)造地裂縫經(jīng)歷了4個發(fā)展階段，其中，清徐—交城段為延續(xù)性較好、變形最為強烈、對當?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活影響最為嚴重的裂縫帶之一[1]。

早前有不少學者圍繞交城斷裂帶地裂縫成因機理、形變監(jiān)測、發(fā)育規(guī)律等方面開展研究[2-6]，認為地裂縫影響帶范圍包括主變形帶和微變形帶兩部分(圖1)，且正斷層上、下盤的影響范圍有所區(qū)別，為研究各影響范圍，王媛[7]、胡宏偉[8]將斷裂控制型地裂縫影響范圍歸納為“隱伏地裂縫向上擴展”的問題，根據(jù)斷裂力學理論，斷裂擴展在地表形成地裂縫主要有弧形剪切滑移破壞、直線延伸型剪切破壞、拉張剪切破壞和反傾向直線型拉張破壞等4種方式[8]；孟振江[1]通過多種調(diào)查手段分析認為，地表出露的地裂縫實際上是地下活動斷層在地表的露頭，為次級斷裂上下兩盤錯動所致。本次研究在總結(jié)前人地裂縫影響范圍確定方法的基礎(chǔ)上，以東馬峪地裂縫為研究對象，考慮承災體的影響，以地面調(diào)查、槽探、理論力學計算為主要手段，綜合確定東馬峪地裂縫影響范圍并科學劃分影響范圍分區(qū)，并對各區(qū)提出風險管控建議。

圖1 地裂縫影響帶范圍示意圖Fig.1 Sketch of influence range of the ground fissure

1 東馬峪地裂縫的發(fā)育特征

東馬峪地裂縫自2001年開始出現(xiàn)，2003年以來快速發(fā)展，2003—2008年為變形最劇烈階段，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前變形趨于穩(wěn)定，為1 mm/a。主裂縫長980 m，是裂縫帶中長度最大、變形最強的段落，幾乎貫通全村(圖2)。

圖2 東馬峪地裂縫示意圖Fig.2 Sketch ofDongmayu ground fissure

東馬峪地裂縫對房屋的破壞形式主要有拉裂破壞(圖3a)、傾滑破壞(圖3b)、道路沉降(圖3c)、水平扭動破壞(圖3d)等。

圖3 地裂縫引起房屋破壞Fig.3 Houses damaged by the fissurea.地裂縫導致墻體拉裂破壞；b.房屋裂縫呈“八”字形；c.地裂縫導致路面下沉錯位；d.房屋裂縫呈斜列狀

2 研究區(qū)地裂縫影響范圍研究

采用地面調(diào)查、探槽工程及斷層力學理論計算等3種方法綜合確定東馬峪地裂縫的影響范圍。

2.1 地面調(diào)查

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，對東馬峪村內(nèi)的建筑物承災體的受損范圍進行統(tǒng)計，初步確定地裂縫影響范圍(表1)。

表1 地面調(diào)查統(tǒng)計地裂縫影響范圍Table 1 Investigation and statistics of influence range of the ground fissure

2.2 探槽

地表出露的主裂縫走向為80°，垂直于地裂縫走向開挖探槽2處，總長度72 m。探槽TC01：長38 m，槽深4.8 m，槽寬2.8 m，方位175°；探槽TC02：長32 m，槽深4.8 m，槽寬2.8 m，方位175°。

探槽TC01揭露地裂縫LF1(主裂縫)：裂縫呈上窄、中寬、下窄的形態(tài)，裂縫整體走向80°，下錯型地裂縫，表現(xiàn)為南側(cè)地層下錯0.1 m，裂縫深2.7 m，寬0.1～0.25 m，傾向SE，傾角81°；次生裂縫LF2：長1.2 m，寬5 mm，走向78°，傾向SE，傾角75°，無填充。在主裂縫周圍還有3～5條較小的裂縫，延伸長度0.3 m左右。

根據(jù)探槽揭露的地裂縫情況，綜合分析確定裂縫影響范圍(表2)。

表2 探槽揭露地裂縫影響范圍Table 2 Influence range revealed bytrenching

2.3 應變能密度理論

運用斷層力學理論，認為區(qū)內(nèi)的地裂縫影響范圍問題應屬于地下斷裂向上擴展在地表形成的裂縫影響帶。其中，地裂縫上盤的破壞模式為反傾向直線型拉張破壞模式，而下盤的破壞模式為弧形剪切滑移破壞模式，可以應用斷層力學理論的最小應變能原理來計算地裂縫影響帶寬度。

2.3.1 斷層上盤的影響范圍

最小應變能原理認為，土體為線彈性體，運用斷層力學的應變能密度理論來研究土體裂縫的擴展方向，然后運用土體破壞的線彈性斷裂力學求解。

根據(jù)裂紋的擴展形式可將斷裂分為3種基本類型：以拉張破壞為主的張開型斷裂(Ⅰ型)；以剪切破壞為主的滑開型斷裂(Ⅱ型)；裂縫向相反方向發(fā)生變形、以剪切破壞為主撕開型斷裂(Ⅲ型)。裂紋開始擴展時，總是以裂紋尖端為起點沿著半徑方向擴展，比較以裂紋尖端為圓心的圓上的力學參數(shù)，哪一個半徑方向的力學參數(shù)先達到臨界值，裂紋就沿著這個方向擴展，根據(jù)斷裂最小應變能強度因子理論，可以得出隱伏地裂縫的擴展角度θ0(圖4)。

圖4 上盤裂縫擴展方向圖Fig.4 Hanging wall crack propagation pattern

在平面應變下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ復合型裂紋在裂紋尖端附近區(qū)域運用疊加原理可得到其應變能密度

(1)

式中，

S=a11KⅠ2+2a12KⅠKⅡ+a22KⅡ2+KⅢ2

式中，V為體積；v為泊松比；S為應變能密度因子；KⅠ、KⅡ、KⅢ為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂紋的應力強度因子；(r，θ)為以裂紋尖端為原點的局部極坐標。

預測裂紋擴展方向沿S最小的方向，當Smin達到其臨界值S0時，裂紋開始擴展，即

(2)

Smin=S(θ0)=S0

(3)

式中，θ0為裂紋擴展方向與裂紋軸線間的夾角；S0為最小應變能密度因子的臨界值，即材料的斷裂韌度。

對于東馬峪地裂縫只考慮拉張破壞，因此在純Ⅰ型(即張開型)裂紋問題中，KⅡ=KⅢ=0，則

θ0=arc cos(1-2v)

(4)

在反傾向直線型拉張破壞模式中，假設(shè)裂縫沿擴展角方向斜直線發(fā)展，隱伏地裂縫破裂擴展影響寬度

θ=180°-β-θ0

(5)

L=D/tanθ

(6)

式中，L為影響寬度；D為隱伏地裂縫埋深；θ為破裂角。

根據(jù)土樣試驗結(jié)果和經(jīng)驗參數(shù)，β=77°，θ=43°，θ0=60°，代入上述公式計算得到L=47.45 m。

2.3.2 斷層下盤的影響范圍

五是實施水源儲備方略，優(yōu)先保障飲用水安全。建立和保護備用水源地，盡可能地減少單一水源供給方式。提升水源應急監(jiān)測及應急供水能力，建立健全飲用水源環(huán)境管理技術(shù)及方法體系。

在弧形剪切滑移破壞模式下，可以采用求解邊坡滑動面微分方程來確定地裂縫的影響帶寬度[7](圖5)。

圖5 下盤裂縫擴展方向圖Fig.5 Footwall crackpropagation pattern

假設(shè)坡邊緣豎直，坡內(nèi)土體為均質(zhì)性土，坡體頂面水平，當軟弱界面上的滑體土都達到極限平衡狀態(tài)，發(fā)生滑動，設(shè)破裂面曲線為y=y(x)，并經(jīng)過點(0，h)、(x0，0)。 求出x0即可求出剪切滑移破壞模式的影響帶寬度(圖6)。

圖6 剪切滑移破壞模式分析模型 Fig.6 Shear slip failure mode analysis model

取任一豎向單元條塊，分析其力學平衡條件，根據(jù)水平方向力的平衡可得：

(7)

式中，P為土條間側(cè)向作用力；f為破裂面上的摩擦因數(shù)且f=tanφ；dN為破裂面上的法向力；y為破裂曲線函數(shù)，y′=dy/dx。

同樣，根據(jù)豎直方向力的平衡可得

(8)

式中，Q為土條間切向作用力。

(9)

(10)

根據(jù)x=0 時，y=h，可求得：

(11)

(12)

式中，f為破裂面上的摩擦因數(shù)；ξ為與土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)，假定ξ為常數(shù)，不超過tanφ。

將X及E代入公式中x的表達式，即可得到影響帶寬度。

根據(jù)土樣試驗結(jié)果，c=49.34 kPa，γ=17.8 kN/m3，ξ=0.17，f=0.55，代入上述公式計算可得下盤影響帶寬度L=47.75 m。

2.4 研究區(qū)地裂縫影響范圍分區(qū)

根據(jù)以上3種方法的計算結(jié)果，結(jié)合當?shù)爻袨捏w破壞的具體情況，綜合確定東馬峪段地裂縫影響范圍(表3)。

表3 地裂縫影響范圍統(tǒng)計Table 3 Statistics of influence range of ground fissures

3 研究區(qū)風險管控建議

根據(jù)以上計算結(jié)果，結(jié)合承災體具體情況、當?shù)卣块T防災減災工作安排，對影響范圍分區(qū)結(jié)果提出風險評價和管控建議。

(1)主變形帶范圍(上盤33 m范圍內(nèi)，下盤25 m范圍內(nèi))：建議設(shè)為極高風險區(qū)，不建議開展大型人類工程活動，包括大規(guī)模切坡、加載、開挖以及交通建設(shè)等活動，居住于此的村民建議搬遷，避免地裂縫發(fā)展帶來的威脅。

(2)微變形帶范圍(上盤33～85 m范圍內(nèi)，下盤25～51 m范圍內(nèi))：建議設(shè)為高風險區(qū)，雖然目前交城斷裂帶處于平穩(wěn)發(fā)展階段，但要謹慎安排大規(guī)模人類工程活動，并且要留有足夠的避讓距離，并做好監(jiān)測工作，一旦變形加劇應及時撤離。對于基礎(chǔ)設(shè)施(包括村民房屋、道路和生活設(shè)施)應定期觀測裂縫的發(fā)展變化，及時采取修補治理措施。

(3)尚未變形帶(上盤85 m范圍外，下盤51 m范圍外)：建議設(shè)為中低風險區(qū)，可以開展大型人類工程活動和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，但也要注意做好群測群防工作，避免斷層活動突然加劇并對該范圍的人員、建筑產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

(1)通過實地調(diào)查及資料分析，認為東馬峪主裂縫為交城斷裂次級斷裂的地表露頭，延伸方向80°，長約980 m，對房屋和道路的破壞形式主要有拉裂破壞、傾滑破壞、水平扭動破壞、道路沉降等。

(2)地裂縫兩側(cè)影響范圍受斷層活動的影響有所不同，上盤的影響范圍相對較大。綜合確定主裂縫影響范圍為當?shù)卣块T防災減災提供參考：主變形帶：0～58 m，微變形帶：58～136 m，136 m以外變形不明顯，劃分為尚未變形帶。

(3)通過地面調(diào)查、探槽分析及斷層理論計算，將主裂縫影響范圍分為主變形帶(極高風險區(qū))、微變形帶(高風險區(qū))和尚未變形帶(中低風險區(qū))，并提出了各區(qū)不同的風險管控建議，為當?shù)卣块T進行城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃、國土空間管制及防災減災提供參考依據(jù)。