北京某地區(qū)地裂縫地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)制及防治措施

北京某地區(qū)地裂縫地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)制及防治措施

地質(zhì)環(huán)境變化與人類活動(dòng)密切相關(guān)。自然變化和人類地殼開(kāi)發(fā)導(dǎo)致了許多災(zāi)難。地震帶是一種非常常見(jiàn)的自然災(zāi)害類型。地裂縫是地層形變的直接結(jié)果。在內(nèi)外力因素共同作用下,土體連續(xù)性遭到破壞,最終導(dǎo)致巖土體結(jié)構(gòu)失衡,從而發(fā)生破裂,形成地表的裂隙或裂縫,即地裂縫。地裂縫災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展具有一定的隨機(jī)突發(fā)性、隱蔽性和緩變性等特點(diǎn),可直接或間接地惡化環(huán)境、降低環(huán)境質(zhì)量、危害人類和生物圈的發(fā)展。由于所處的大地構(gòu)造位置以及人類活動(dòng)等因素,北京順義地區(qū)的地裂縫災(zāi)害比較嚴(yán)重。尤其是近幾年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展,人們對(duì)地下水等資源的需求和開(kāi)采日益增長(zhǎng),這在很大程度上加劇了地裂縫災(zāi)害的發(fā)展。由于地裂縫具有較大的隱蔽性,由其所造成的危害及隱患也就更加嚴(yán)重。認(rèn)真查明地裂縫的具體分布及其成因類型,對(duì)有效地開(kāi)展減災(zāi)、避災(zāi)工作具有極其重要的意義。本文在1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查圖的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、物探、化探、水文及實(shí)地監(jiān)測(cè)資料,進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查,對(duì)北京順義地區(qū)地裂縫的分布特征及其形成機(jī)制進(jìn)行了初步的研究和探討。1地表基巖環(huán)境地質(zhì)環(huán)境特征順義區(qū)地處北京凹陷的北東部,在大地構(gòu)造上位于祁呂賀山字形構(gòu)造反射弧與陰山東西向構(gòu)造帶的交匯部位,印支、燕山及喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)為第四系覆蓋,僅在木林、龍灣屯以及二十里長(zhǎng)山一帶分布有少量的基巖殘丘,其地表以下的基巖主要有中上元古界長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系以及中生界侏羅系和白堊系,埋深約80~1200m,大部分地區(qū)缺失第三系。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北東—北西向的斷裂為主,有些斷裂如黃莊—高麗營(yíng)斷裂、順義—良鄉(xiāng)斷裂、南苑—通縣斷裂以及二十里長(zhǎng)山斷裂等至今仍活動(dòng)強(qiáng)烈。褶皺構(gòu)造不甚發(fā)育,只有北西向的大孫各莊向斜及北東向的李遂背斜較具規(guī)模。由于區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,故地質(zhì)環(huán)境較為脆弱?？傮w看來(lái),地質(zhì)環(huán)境具有如下主要特征:(1)第四系沉積物發(fā)育、地形地貌變化大、松散易液化的細(xì)-粉砂及不規(guī)則分布的泥炭-淤泥質(zhì)軟土分布廣泛、地基穩(wěn)定性差;(2)斷裂活動(dòng)性強(qiáng)、地震活動(dòng)頻度高、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng);(3)地表水資源較為豐富、地下水資源嚴(yán)重不足。2北京東北部地震地裂縫地裂縫分為非構(gòu)造和構(gòu)造兩種。非構(gòu)造地裂縫又可分為膨脹土、黃土濕陷、凍融、干旱等特殊土地裂縫,滑塌、陷落、地震次生等自然重力地裂縫;構(gòu)造地裂縫分類較為粗略,僅分為無(wú)震和地震地裂縫兩種,無(wú)震構(gòu)造地裂縫應(yīng)分為沿活斷層分布的斷層蠕滑型地裂縫和廣泛呈面狀散布的區(qū)域微破裂(節(jié)理)開(kāi)啟型地裂縫,地震地裂縫則分為主要沿地震能量集中釋放的發(fā)震斷裂分布的地震斷層地裂縫。順義區(qū)位于北京的東北部,地處燕山南麓,華北大平原的北緣。由于順義區(qū)地質(zhì)環(huán)境比較脆弱,隱伏斷裂發(fā)育、地殼活動(dòng)性強(qiáng)、地震活動(dòng)頻度高、地下水資源不足且污染較為嚴(yán)重,水土流失、土地沙化較為普遍,地裂縫及地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害較為常見(jiàn)。結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料,通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)北京東北部平原區(qū)的地裂縫主要集中分布在順義區(qū),其中在順義城區(qū)、北小營(yíng)地和高麗營(yíng),已經(jīng)形成了3個(gè)比較明顯的地裂縫帶(圖1)。構(gòu)造活動(dòng)是導(dǎo)致順義地區(qū)地裂縫的主導(dǎo)因素,該區(qū)地裂縫主要為構(gòu)造地裂縫,它們是地殼淺表層破裂。區(qū)域地裂縫分布與斷裂帶走向基本一致,活躍期也基本相吻合或者稍有滯后,它們是同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的不同構(gòu)造現(xiàn)象。2.1順德地裂縫分布順義地區(qū)地裂縫最早發(fā)現(xiàn)于1976年唐山大地震后,隨后逐漸發(fā)展,主要分布在吳家營(yíng)—杜各莊—梅溝村—軍營(yíng)村—順義縣城一線,尤其是順義城區(qū)西南原北京橡膠二廠一帶最為發(fā)育,地裂縫穿越的建筑物和道路皆遭破壞。20世紀(jì)80年代初期該區(qū)連續(xù)發(fā)現(xiàn)多處裂縫,到20世紀(jì)80年代末期,在橡膠二廠及其西南怡馨家園小區(qū)、中石化北京石油公司、順義美姿服裝有限公司廠區(qū)北側(cè)一帶都已發(fā)現(xiàn)了不同程度的地裂縫,裂縫最寬處達(dá)到了9cm。目前該地區(qū)仍處于緩慢沉降期,地裂縫仍有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì),其分布狀況大體呈現(xiàn)出以下幾點(diǎn)主要特征:(1)地裂縫主要分布于順義斷裂兩側(cè),地裂縫整體走向與順義斷裂的走向基本一致,總體上沿NE30-50°方向展布;(2)地裂縫帶由密集成帶的地表裂縫構(gòu)成,但帶內(nèi)大部分都有一條主裂縫。在不同地段,地裂縫帶的寬度出現(xiàn)較明顯的變化,平均5m,最寬處可達(dá)12m,最窄處僅為一主裂縫的寬度。從眾多建筑物上出現(xiàn)的裂縫來(lái)看,破裂具有右旋拉張的性質(zhì)。(3)地裂縫均為張裂縫,其主裂縫寬度一般為4~5cm,最寬可達(dá)9cm。(4)地裂縫帶兩側(cè)大都發(fā)生相對(duì)垂直位移,總體表現(xiàn)為東南側(cè)相對(duì)西北側(cè)下降,位移不等,平均1.8cm,最大達(dá)7cm。若以1976年至今計(jì)算其下降平均速率為每年0.6mm,最大處下降速率為每年2.5mm。沿帶不存在沿走向的水平錯(cuò)動(dòng)。(5)該地裂縫帶在地表的破壞及發(fā)展情況具有一定的周期性,最近一次破裂發(fā)展明顯、破壞出現(xiàn)較多的時(shí)期是1995-1998年。2.2地表地面采后裂縫群帶分布在北小營(yíng)鎮(zhèn),地裂縫成條帶狀集中分布。地裂縫的發(fā)育方向大致成北東向,和順義斷裂的走向基本一致,裂縫以西地面相對(duì)下降。在北小營(yíng)鎮(zhèn)的馬辛莊村、黃家場(chǎng)村、橋頭村、道仙莊村,地裂縫群帶分布區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)部分房屋開(kāi)裂和地表路面裂縫的情況。在地裂縫分布的中心區(qū)域,裂縫寬度可達(dá)3~5cm。大部分房屋和墻體的呈北東向開(kāi)裂或垂直開(kāi)裂,部分居民建筑周邊還可以觀測(cè)到較明顯的地面沉降現(xiàn)象。2.3黃莊—高麗營(yíng)地裂縫帶自20世紀(jì)80年代以來(lái),在順義區(qū)高麗營(yíng)鎮(zhèn)附近沿黃莊—高麗營(yíng)斷裂發(fā)育一條地裂縫,至今已經(jīng)形成了一個(gè)較大范圍的地裂縫帶。地裂縫主要沿黃莊—高麗營(yíng)斷裂兩側(cè)分布,自土溝村、唐自頭村西北穿過(guò)向東北方向延伸至南王路、西王路村,總體方向沿45~60°方向展布,與黃莊—高麗營(yíng)斷裂走向基本一致,一般多表現(xiàn)為墻體開(kāi)裂。在高麗營(yíng)鎮(zhèn)西王路村,地裂縫災(zāi)害表現(xiàn)最為突出。西王路地裂縫走向大致呈NE55°,分布最大寬度300m,北起西王璐村,西南已過(guò)土溝村,斷續(xù)延伸長(zhǎng)度2500m左右,兩側(cè)地表發(fā)生了明顯的差異性沉降,造成村民住房的墻體、地坪和圍墻的破壞,高速公路也因地裂塌陷一度中斷。根據(jù)村民觀察,地裂縫發(fā)展有加大趨勢(shì)。3順德地裂縫產(chǎn)生的原因在自然界中,引起和導(dǎo)致地裂縫的因素是多種多樣的,通常地裂縫的形成和發(fā)育是多種因素共同作用的結(jié)果。歸納起來(lái),主要包括以下幾種,即地面沉積物本身的特征(如膨脹土失水收縮會(huì)引起地裂縫)、人類活動(dòng)造成的地下采空(如抽汲地下水、石油及采礦等可造成地下水位急劇變化及地面塌陷等從而導(dǎo)致地裂縫)以及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(如地震、火山或活動(dòng)性斷裂等均可導(dǎo)致地裂縫)。順義地區(qū)的地裂縫主要是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和由人類活動(dòng)造成的地下采空(主要是抽取地下水)以及所引起,尤以構(gòu)造活動(dòng)為導(dǎo)致地裂縫的主要因素。下面在區(qū)域地質(zhì)、物探、化探、水文及實(shí)地監(jiān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域內(nèi)地裂縫分布特點(diǎn)及規(guī)律,對(duì)地裂縫成因機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)分析。3.1構(gòu)造-構(gòu)造活動(dòng)的持續(xù)作用構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致的地裂縫是順義地區(qū)地裂縫的一種主要形式,該地區(qū)所出現(xiàn)的地裂縫大多屬于這種構(gòu)造成因。從區(qū)內(nèi)地裂縫帶的分布情況看,地裂縫主要沿主要斷裂帶的兩側(cè)位置發(fā)育,地裂縫、地裂縫帶總體走向基本與斷裂走向一致(圖1)。由此可見(jiàn),區(qū)域構(gòu)造斷裂對(duì)地裂縫的形成和發(fā)展起到了明顯的控制作用,是地裂縫發(fā)生的主導(dǎo)影響因素。雖然區(qū)域內(nèi)的斷裂活動(dòng)性較強(qiáng),但第四紀(jì)松散沉積層厚度總體來(lái)說(shuō)相對(duì)較大,斷層的緩慢蠕動(dòng)變形尚不足以即時(shí)對(duì)地表形變產(chǎn)生影響。但斷層構(gòu)造活動(dòng)在地下形成了地層破裂面,并造成破裂面兩側(cè)上下兩盤(pán)第四系松散沉積層厚度的差異性以及深部地層的不均勻性,當(dāng)斷裂兩側(cè)地層受到其他外應(yīng)力作用時(shí),地層巖性的整體差異性就會(huì)引起區(qū)域性的不均勻地面沉降,從而誘發(fā)地表地裂縫的產(chǎn)生。隨著構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力作用的持續(xù)作用,地裂縫還有可能會(huì)逐漸發(fā)展并擴(kuò)大?？梢哉J(rèn)為,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為地裂縫的產(chǎn)生提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ),因?yàn)樵谕粦?yīng)力場(chǎng)控制下的區(qū)域,最容易產(chǎn)生地裂縫的地方,是該區(qū)域內(nèi)應(yīng)變積累、巖石脆弱以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)激烈變動(dòng)地段。3.2基巖起伏形態(tài)變化由于古基巖面的起伏形態(tài)和基巖埋深對(duì)松散第四紀(jì)地層巖性的沉積厚度以及含水砂層的發(fā)育在空間分布上的差異性起著非常重要的影響作用。由于區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的交替發(fā)生,形成了沿?cái)嗔逊植嫉幕鶐r起伏帶。結(jié)合研究區(qū)的鉆孔資料,通過(guò)插值和坡度計(jì)算,可以了解到基巖起伏形態(tài)的變化情況(圖2)。在高麗營(yíng)、北小營(yíng)地裂縫群、帶分布區(qū),基巖起伏形態(tài)變化劇烈,從斷層兩側(cè)向內(nèi)基巖埋深逐漸增大,基巖面坡度多在20~30°之間,裂縫基本上分布于基巖溝谷兩側(cè)。順義地裂縫帶分布區(qū),基巖起伏變化不明顯,基巖埋深也基本穩(wěn)定在400m左右。但地裂縫帶分布在兩個(gè)基巖溝谷之間,基巖的起伏形態(tài)和基巖埋深對(duì)地裂縫的發(fā)生、發(fā)展仍起到了一定的控制作用。3.3區(qū)域改土后拉伸變形引發(fā)地裂縫第四紀(jì)松散沉積層作為研究區(qū)地面沉降的主要壓縮層,第四紀(jì)沉積層厚度的大小及其差異性變化,對(duì)地裂縫的發(fā)生和發(fā)展具有一定的控制作用。在北小營(yíng)地裂縫群帶分布區(qū),區(qū)域第四紀(jì)厚度雖然只有200~300m。但由于基巖表面形態(tài)起伏的突變等因素影響而引起的第四紀(jì)松散層厚度在空間分布上的差異,導(dǎo)致了松散土層的差異性壓密沉降。在地表壓密沉降差異最大的部位,由于不均勻沉降的存在,在局部部位形成拉張應(yīng)力集中作用區(qū)域,最終誘發(fā)地裂縫。在高麗營(yíng)和順義地裂縫群帶分布區(qū),裂縫都發(fā)生在第四紀(jì)地層厚度變化明顯的區(qū)域。3.4地下水開(kāi)采量過(guò)大,地面沉降區(qū)出現(xiàn)變化北京平原區(qū)主要是開(kāi)采地表以下70~200m的承壓含水層,開(kāi)采承壓含水層會(huì)導(dǎo)致承壓水位下降,。長(zhǎng)期持續(xù)過(guò)量開(kāi)采地下水會(huì)形成比較嚴(yán)重的地下水降落漏斗區(qū),進(jìn)而誘發(fā)地面沉降問(wèn)題。在地下水降落漏斗的邊緣地區(qū),由于水力梯度的強(qiáng)烈變化,極易誘發(fā)局部的不均勻沉降,從而為地裂縫的發(fā)生和發(fā)展提供了應(yīng)力條件。順義地區(qū)是北京平原地下水超量開(kāi)采比較嚴(yán)重的地區(qū)之一,特別是自20世紀(jì)80年代后期,地下水開(kāi)采強(qiáng)度逐年增強(qiáng)。由于氣候持續(xù)多年干旱,地下水補(bǔ)給量減少,隨著持續(xù)高強(qiáng)度開(kāi)采,在順義地區(qū)出現(xiàn)了較大范圍的地下水降落漏斗區(qū),并逐漸形成了以平各莊為中心的地面沉降區(qū)。在高麗營(yíng)地區(qū),由于超量開(kāi)采地下水,造成地下水位下降,1995-2005年承壓水位累計(jì)下降6.1m,在地下水降落漏斗區(qū)域形成了一定范圍的地面沉降區(qū),由于在斷裂帶兩側(cè)地層巖性的突變,在地下水過(guò)量開(kāi)采,地下水位下降的情況下,導(dǎo)致南東盤(pán)地面相對(duì)沉降,產(chǎn)生差異沉降,從而沿早期形成的破裂面出現(xiàn)地裂縫帶。近幾年北京市政府對(duì)地下水資源開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了嚴(yán)格的控制和管理,加大了地下水資源的保護(hù)力度,地下水位下降趨勢(shì)明顯放緩,地下水位降落漏斗擴(kuò)張范圍也有所減小。但是由于地面沉降存在相對(duì)于地下水位下降的滯后性以及粘性土層沉降的蠕變效應(yīng),因此在上述地裂縫帶區(qū)域的地面沉降仍有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì),由于水位急劇變化引發(fā)的不均勻地面沉降仍將會(huì)對(duì)地裂縫的發(fā)生和發(fā)展仍將起到非常重要的主導(dǎo)作用。3.5地面沉降和地裂縫結(jié)合2006年SPOT4遙感圖像,運(yùn)用ENVI4.3提供的監(jiān)督分類方法進(jìn)行分類,提取了2006年北京地區(qū)城鎮(zhèn)建筑用地和農(nóng)村建筑用地分類圖(圖3)可以看出,城鎮(zhèn)建筑用地載荷作用對(duì)地裂縫的影響主要發(fā)生在順義城區(qū)南部,隨著順義地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市小區(qū)以及工廠等大面積高層建筑的興建對(duì)地表的不均勻載荷作用加劇了不均勻地面沉降的發(fā)展,在地下水位持續(xù)下降等其他因素的共同作用下,極易形成地裂縫。而在其周邊農(nóng)村地區(qū),建筑用地主要以一至兩層的磚瓦結(jié)構(gòu)民房為主,顯然建筑載荷對(duì)地面沉降和地裂縫的影響就相對(duì)要小得多。城市建筑群載荷對(duì)地裂縫的發(fā)展雖有一定的影響,但是并不起主導(dǎo)決定作用,還受到地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、地下水開(kāi)采等諸多因素的影響,研究發(fā)現(xiàn)城市載荷的分布與高麗營(yíng)鎮(zhèn)、北小營(yíng)鎮(zhèn)地裂縫分布并不完全一致,其主要受該區(qū)域構(gòu)造斷裂帶活動(dòng)的控制。4對(duì)預(yù)防地裂縫的建議綜上所述,北京順義區(qū)地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受內(nèi)外兩種因素控制。特定的地質(zhì)環(huán)境條件,包括區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、基巖埋深及基巖起伏形態(tài)差異、第四紀(jì)沉積層厚度及空間分布差異,是地裂縫產(chǎn)生的先決條件,是內(nèi)因;而長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采地下水,形成區(qū)域性水位降落漏斗后引發(fā)嚴(yán)重的地面沉降,是誘發(fā)地裂縫災(zāi)害的必要條件,是最主要的外因;城市建筑群載荷加劇了不均勻地面沉降的發(fā)展,在地下水位持續(xù)下降等其他因素的共同作用促進(jìn)了地裂縫發(fā)育,但是影響相對(duì)要小得多。綜合已有關(guān)于順義區(qū)地裂縫成因的研究,認(rèn)為順義地裂縫帶的防治應(yīng)以控制地下水的開(kāi)采為根本措施。地裂縫地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的主要潛在危害之一。由于地裂縫是從地下一直穿透到地表,因此采取一般常規(guī)性的地基處理或修補(bǔ)墻體的方法不可能取得令人滿意的效果。為了有效地防止地裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大,避免因地裂縫而