（地质工程专业论文）三原县双槐树地裂缝成因机理研究.pdf

摘要 三原县地区是地裂缝灾害分布十分密集的地带，其破坏性是有目共睹的。尤其 发育于北山山前的地裂缝，其成因复杂多样，实质上也是多种因素作用下的一种综 合效应。本文通过对地裂缝发育的地质背景，以及地裂缝的空间分布特征，平剖面 特征及时间特征等发育规律的研究，分析了地裂缝有关的具体形成因素，并在此基 础上讨论了三原县地区地裂缝的成因机理。 首先，通过实地调查、访问和现场的槽探、井探、平洞等工作，揭示三原县双 槐树村地裂缝的发育特征。在此基础上，选择有地裂缝通过的黄土场地进行现场试 坑浸水试验，对地裂缝带黄土的渗透与变形特性进行了系统的试验研究和深入的理 论分析。 其次，通过对调查资料的分析和研究，对地裂缝的成因作了一定的分析，并对 其主导因素和影响因素进行了分析。研究表明，地裂缝的发育活动与渭河盆地构造 活动有较好的一致性，地裂缝的分布与基底隐伏活动构造带有明显的对应关系。 最后，通过综合分析，三原县地区地裂缝属于构造地裂缝，场地分布的断裂构 造控制了地裂缝的空间展布，强降雨对地裂缝的活动具有诱发作用，并概化了降雨 条件下引发地裂缝反复开合的形成机制。 关键词：三原县地区，地裂缝，发育规律，成因机理 a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o no fg r o u n df i s s u r ed i s a s t e ro fl o e s si sv e r yi n t e n s i v ei ns a n y u a n d i s t r i c t i t sd e s t r u c t i o ni se v i d e n tt oa 1 1 e s p e c i a l l yt h ec r a c k si nt h ep i e d m o n to fn o r t h e r n m o u n t a i nw h o s ec a u s e e sa r ec o m p l e xa n dv a r i e d ，i nf a c t ，a r ea l s ot h es y n t h e t i c a le f f e c t su n d e r av a r i e t yo ff a c t o r s b yt h es t u d yo ft h eg e o l o g i c a lb a c k g r o u n da n a l y s i sa n dt h es p a t i a l d i s t r i b u t i o n ，p r o f i l ef e a t u r e sa n dt i m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r a c k s ，a n a l y s et h es p e c i f i c f a c t o r so ff o r m a t i o no ft h ec r a c k s ，a n do nt h eb a s i so ft h e s e ，d i s c u s st h ec a u s ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo ft h ec r a c k s f i r s to fa l l ，t h r o u g h t h e s p o ti n v e s t i g a t i o n ，a n do n s i t ev i s i tt ot h et r e n c h i n g ，e x p l o r a t i o n w e l l s ，p i n g d o n g ，a n ds oo i l ，r e v e a l st h et w o c o u n t ys a n y u a ns o p h o r av i l l a g e t ot h e d e v e l o p m e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r a c k s o nt h i sb a s i s ，t h ec h o i c et oh a v eac r a c kt h r o u g h t h el o e s ss i t e so n - s i t et e s tp i tw a t e rt e s t i n g ，a n dc r a c k so nt h el o e s sz o n eo fi n f i l t r a t i o na n d d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fas y s t e mt e s ta n di n d e p t hs t u d yo f t h e o r e t i c a la n a l y s i s s e c o n d l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs u r v e yd a t aa n dr e s e a r c h0 1 1t h ec a u s e so f t h ec r a c k s w e r em a d et oac e r t a i nd e g r e eo fa n a l y s i s ，a n dl e a d i n ga n di n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ea n a l y z e d r e s e a r c hs h o w st h a tt h ec r a c k si nt h ed e v e l o p m e n ta c t i v i t i e so ft h ew e i h er i v e rb a s i na n d t e c t o n i ca c t i v i t yh a v eb e t t e rc o n s i s t e n c y , a n dt h ed i s t r i b u t i o no fc r a c k si nt h eb a s e m e n tw i t h t h ei n s i d i o u sa c t i v i t i e so ft h es t r u c t u r ew i t hac l e a rr e l a t i o n s h i p f i n a l l y , ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fs a n y u a nc o u n t yc r a c k si nt h er e g i o nb e l o n gt ot h e s t r u c t u r ea n dc r a c k si ns p a c et oc o n t r o lt h ed i s t r i b u t i o no ff a u l t sa n dc r a c k si nt h es p a t i a l d i s t r i b u t i o n ，t h eh e a v yr a i n f a l lo nt h ec r a c k si nt h er o l eo f i n d u c e da c t i v i t i e s ，a n de s t i m a t e so f t h er a i n f a l lc o n d i t i o n sl e a dt or e p e a t e d l yo p e n i n ga n dc l o s i n go f c r a c k si nt h em e c h a n i s m k e yw o r d s ：s a n y u a nd i s t r i c t ；g r o u n df i s s u r e ；d i s t r i b u t i o nr u l e ；t e c t o n i cm e c h a n i s m i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 年月日 年月日 长安大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 1 1 1 问题的提出 我国是世界上地裂缝灾害最严重的国家之一，目前在2 5 个省、市、自治区的3 0 0 多个县市发现地裂缝数干条，面积达6 0 余万平方千米。而位于青藏、鄂尔多斯、华北、 华南四大块体之间的汾渭盆地构造带，全长千余公里，总体呈n e s w 向的“s 型， 由系列新生代断陷盆地组成，自北而南依次为大同、忻定、太原、临汾、运城及渭河 等盆地。该盆地带是世界上著名的地震、地质灾害活动区之一，其中最著名的地质灾害 是地裂缝。自2 0 世纪中、后期以来，汾渭盆地已有5 6 个县市，1 7 0 处发现地裂缝，总 计约4 0 0 余条，这些地裂缝常常造成房屋开裂甚至倒塌、路面沉陷变形、管线破损断裂、 桥涵受损、水并失效、水库漏水、水坝溃决，甚至引起一些地下工程结构的破裂和漏水 现象，轻者严重影响工程设施的正常使用，重则危机人民生命财产安全，已成为我国乃 至全世界地裂缝灾害最为发育的地区之一，严重影响着城市建设及国民经济的发展，累 计经济损失近百亿元。 汾渭盆地大多地裂缝发育在黄土地层中，由于黄土具有湿陷性、大孔性、易于侵蚀 等特殊性质，因此地裂缝灾害的类型尤为繁多，成因机理及致灾机理更为复杂，有构造 成因的地裂缝、有人类过量抽取地下水引起的地裂缝，也有各种因素综合形成的地裂缝。 众多成因机制的地裂缝灾害中，尤以构造成因的地裂缝危害最大，举世闻名的西安地裂 缝即是以构造成因为主。 针对汾渭偷地的地裂缝，如果能够选择一个典型的地裂缝发育地区针对其成因机理 及致灾机理开展深入系统性的研究，无疑能够为汾渭盆地地裂缝的成因机理研究提供范 例，并可借此推动汾渭盆地地裂缝研究工作的进步。2 0 0 4 年8 月9 同深夜和1 0f 1 凌晨 发生在咸阳市三原县陵前镇双槐树村的地裂缝特征鲜明，危害严重，而且其发生具有明 显的多期次性，是地裂缝成因机理研究的一个理想的试验场。 1 1 2 三原县地裂缝的特殊性 汾渭盆地作为我国现代构造活动最为强烈的地区之一，地裂缝的形成及活动与现代 构造活动的关系十分密切，属构造型地裂缝。三原县地裂缝场地位于晚第四纪以来活动 的礼泉一蒲城一合阳活动断裂带上，同时又地处渭河北缘地震带上，其地裂缝的活动与 第一章绪论 活动断裂的关系极为密切。在此基础上，汾渭盆地地裂缝显露地表或突发活动多与突降 暴雨有关，即水的作用是这一地区地裂缝超常活动的外动力因素。三原县地裂缝场地位 于一地面沉降带边缘，2 0 0 4 年8 月的突然重新开裂正好是一场暴雨之后不到几个小时， 显然该地裂缝活动与强降水的入渗有关。因此，在三原县地裂缝带选择典型的场地进行 大规模的原位浸水渗透试验，研究并揭示水的作用如何诱发隐伏活动断裂开启通达地表 以及黄土渗透变形加剧地裂缝活动等机理问题，将有助于解释和揭示汾渭地区地裂缝形 成的内外动力耦合成因机理，建立汾渭活动构造地区黄土地层中典型地裂缝的成因模式 及其防治技术体系，从而为汾渭盆地地裂缝的调查与监测工作提供范例和经验教训，也 为地裂缝灾害防治对策的制订提供科学依据，推动我国地裂缝调查研究工作的进步。 鉴于此，本文在总结前人成果的基础上，通过在三原县地裂缝场地进行实地考察和 勘探，运用探槽( 井) 寻迹、物探找源、沉降测量、地层取样、现场渗水试验等多种方法 和手段，对三原县地裂缝的成因机制进行了较为系统的研究和探索，取得了一些初步成 果。 1 2 地裂缝成因机理的研究现状 1 2 1 国外研究现状 与世界上其它国家相比，美国是地裂缝研究开展得较为广泛、深入的国家( 姜振泉， 1 9 9 7 ) 。早在2 0 世纪初期，美国即有学者涉足于地裂缝问题的研究。但是它对地裂缝的 系统研究始于上世纪5 0 年代，至今已经对地裂缝的成因模式获得了综合性的认识。 休斯顿一加尔维斯顿( h o u s t o n g a l v e s t o n ) 地区g o o s ec r e e k 油田的地裂缝是与当地 大量开采石油引起的地面沉降相伴生的，形成于1 9 1 8 1 9 2 6 年之间，p r a t ta n d j o h n s o n ( 1 9 2 6 ，1 9 2 7 ) 在对这条地裂缝的详细描述中写到：“c r a c k sa p p e a r e di nt h eg r o u n d r u n n i n gb e n e a t hh o u s e s ，a c r o s ss t r e e t s ，a n dt h r o u g h l a w n sa n dg a r d e n s r e c u r r e n t m o v e m e n ta l o n gt h e mr e s u l t e di nd r o p p i n gt h es u r f a c eo ft h eg r o u n do nt h es i d et o w a r dt h e o i lf i e l d t h em o v e m e n t sw e r ea c c o m p a n i e db ys l i g h te a r t h q u a k e sw h i c hs h o o kt h eh o u s e s ， d i s p l a c e dd i s h e s ，s p i l l e dw a t e r , a n dd i s t u r b e dt h ei n h a b i t a n t sg e n e r a l l y ”，并将地裂缝与当地 石油的大量开采相联系。随后，于1 9 2 7 年在亚利桑那的p i c a c h o 衙地也发现了地裂缝， 在此之前，该地区的地下水处于严重的超采状态。1 9 4 2 年以后，在这些沉降区域又发现 了许多新地裂缝。到了7 0 年代，德克萨斯州的休斯敦地区已发现8 6 条地裂，累计长度1 5 0 英里，数百处建筑工程遭受破坏( 图1 1 ) 。在此期间，随着地面沉降的加剧，美国西南 2 长安太学顸学位论文 的6 个卅l 、1 4 个地区都出现了地面沉降和地裂，其中西南部的亚利桑纳、加利福尼亚、 内华达、德克萨斯、新墨西哥等州为集中发育区损失非常严重。关于这些地裂缝成园 的认识，集中形成了三种不同的观点，邮构造成因观点、地下水开采成因观点和构造与 地下水开采复合成因观点。 v 呲_ d 呐c e r t 啪ba t d 曲t 曲c t e d f a u l th 啪k 州雌懈i n 帅卜 “b t o n w p a t t e or e m 州”_ m h t 州d 州i n “州州蛐“h t 蒜器篷鞭麓 睾篷 筹吣i ： 一窖， 龋：嚣臻篙f 裟嚣 、一端 、：l 一磊l 字 田i 1 体新羹地区地曩t 爱育与地面飒m t g o t z e r a u d g b 吣i 朔订 构造成因观点最早由l c 删锄x 1 9 2 9 年) 提出。他从地震角度分析了1 9 2 7 年9 月1 2 日出 现于亚利桑纳州皮卡乔( p i c a c h o ) 城附近的地裂缝及相距1 3 h l 的e it i r 0 m i 地面异常 破裂的成因。认为是1 9 2 7 年9 月1 1 日发生于亚利桑纳州东南部r u c s o 城附近的地震活动导 致了岩层破裂并使已具破裂面的岩层重新复活。之后有些学者，如s a v a g c ( 1 9 6 6 ) 、 k r e j u “1 9 7 7 ) 、f l e i s c h e r ( 1 9 8 2 ) 、w y a t t ( 1 9 8 2 ) 、r o q u e m o r e ( 1 9 8 2 ) 、l i p p i n c o t t ( 1 9 8 5 ) 及 h o l d a h l ( 1 9 8 6 ) 等对亚利桑纳、加利福尼亚、德克萨斯等州地裂缝的研究也坚持构造成因 观点。然而他们对成因机制的解释却不尽相同多认为构造对地裂缝的影响表现为控制 性的，但不排除其它因素的间接影响。c a r p e n t e r ( 1 9 9 3 年) 根据p i c 扯h o 盆地地裂缝变 形和地面沉降的长期观测资料，利用0 k a 曲的三维位错理论( 1 9 8 5 年) 及b u 哪等的 构造裂变修正模型( 1 9 7 5 f ) ，就构造活动对地裂缝成因影响进行了分析，认为断层位 移对地裂缝在水平方向的张裂变形及垂直方向的差异变形都有一定影响。尽管他们对成 因机制的解释不尽相同，但都认为非构造因素对地裂缝的影响是间接的，而构造活动才 是导致地裂缝形成的直接控髑因素。 由于地面开裂多与抽取地下水引起的地面沉降相伴随，因此地下水开采成因观点在 研究早期就被大多数地裂缝研究者所接受。但对其成因机理的解释很多人先后提出了不 同的观点。f e t h ( 1 9 5 1 年) 研究了亚利桑纳州中南部1 9 4 9 年出现的地裂缝认为由于含 第一章绪论 水层局部厚度变化引起不均匀沉降，从而产生拉应力，导致了地裂缝的产生；s c h u m a n n 等于1 9 7 0 年对这一理论进行了更深入的研究，认为基岩表面形态的突变或具压缩性土层 厚度分布的明显差异，导致松散土层的差异压密沉降，在地表压密沉降差异最大的部位 形成拉张应力集中进而产生开裂变形。f 1 e t c h e r 等( 1 9 5 4 年) 和l o f g r e n 等( 1 9 6 9 年) 认 为在降落漏斗形成后，地下水渗透速度提高。其形成的动水压力对土层产生潜蚀作用并 逐步发展至管涌，使土层结构松弛，引起上覆土层拉张应力集中并在地表发生张裂变形。 l 0 f g r e n ( 1 9 7 8 ，1 9 8 4 ) 还进一步用竖向和横向渗透应力解释了地面变形和地裂缝。n e a l 等( 1 9 6 8 年) 、h o l z e r 和d a v i s ( 1 9 7 6 年) 研究了地裂缝与地下水位的关系，以及地裂缝 发育区水位下降与排水的关系。认为由于水位下降引起上部土层失水后在水平方向发生 收缩，是地裂缝产生的主要原因；n a r a s i m h a n ( 1 9 7 9 年) 对这一观点表示赞同，他所 作的模拟试验结果表明，含水层疏干会导致其产生明显的体应变，并引起土层在水平方 向的收缩变形。b o u w e r ( 1 9 7 7 年) 提出刚性折裂机理，认为随着地下水位的下降，松 散土层不断固结变形，与下伏土层的固结变形量相比，地表土层的变形微不足道。因此， 在地面沉降过程中将整体产生刚性翻转，从而在沉降盆地边缘产生折裂。 2 0 世纪7 0 年代末以来，h o l z e r 等人通过对亚利桑纳州中南部构造盆地地裂缝的活动 性、地质环境资料及地面沉降观测资料综合分析认为，该区域构造活动与地下水开采是 影响地裂缝发育及活动的两个主要因素。为了量化评价构造活动与地面沉降对地裂缝活 动性的影响，h o l z e r 等将地裂缝的形变分为错断( f a u l t ) 和开裂( f i s s u r e ) 两种形式：错断主 要产生平行裂面的位移；而开裂主要表现为垂直裂面的位移。构造活动对地表形变的影 响主要表现为错断位移；而土层差异压密变形的影响则表现为开裂位移。b e l l ( 1 9 9 0 年) 根据l a sv e g a s 盆地的地质地裂缝发育区，压密前地表基岩面陡降导致不均匀沉降产生地 裂缝条件，分析了地裂缝的发育特点，认为地面沉降笳地内部呈放射状分稚的地裂缝， 是隐伏破裂面经渗透变形诱发而成；他( 1 9 9 2 年) 认为l a sv e g a s 盆地内发育的地裂缝空间 分布上绝大部分与已知或隐伏断层紧密相关，仅有- - 4 , 部分呈同心圆状环绕分布于高产 量的抽水井四周，后者显然与地面沉降紧密相关，而与构造活动关系不大。西哥州、内 华达州、加利福尼亚州及得克萨斯州等地裂缝的系统研究成果( h a n e b e r g ，1 9 9 1 ，1 9 9 2 ； b e l l ，1 9 9 0 ；p a m p e y a n ，1 9 8 8 ；k e a t o n ，1 9 9 1 ) 对h o l z e r 的复合成因观点给予了充分肯定。 总体情况看，美国西南部几个构造盆地或构造谷地内地裂缝的分布有着相似的特 征。地裂缝活动虽然与地面沉降表现有明显的联系，但主要地裂缝的展布明显受构造活 动控制。随着研究的深入及大量长期观测资料的积累，人们在比较普遍接受地裂缝的构 4 长安大学硕上学位论文 造及地下水开采复合成因观点的同时，也深深认识到地裂缝成因机理的多样性和复杂 性。 墨西哥首都墨西哥城是世界上开采地下水引起地面沉降最严重的城市之一。从1 9 0 0 年至u 1 9 7 0 年期间，据c a t h e d r e l 和l a a 两个点的测量资料，共沉降了7 m ，平均沉降1 0 c m a 。 不断沉降的墨西哥城地面出现了地裂缝，沉降区内多见长2 0 - - 3 0 m 、宽2 - - 3 c m 的裂缝组， 一些裂缝的垂直位错明显。为了保持地面平整度，城建工作者只得用水泥将裂缝抹平。 抹平的地面不久又开裂和错位，说明地面仍在不均匀下沉( 朱海之，1 9 9 1 ) 。e r o j a s 等( 2 0 0 1 ) 用地层损失理论( s a g a c e t a ，1 9 8 7 ) 解释了由于地下水开采引起正弦形地堑上 覆土体的开裂和演化，并用该理论分析了墨西哥城q u e r e 7 t a r o 峡谷内的地裂缝逐渐演化 为大断裂带的过程。 东非地堑作为扩张板快边缘是地震活动带，具有正断层和走向滑动活动机制，是一 个张性构造区。埃塞俄比亚地颦位于东非地堑北部，近年来，随着该地区经济建设的加 速发展，地裂缝对居民区、耕地及交通线路的破坏日益严重。l a i k e m a d a m a s f a w ( 1 9 9 8 年) 对研究区范围内的地裂缝进行了调查，从地质、地球物理及构造几方面对地裂缝的 分布、产生和发展进行了调查研究。并将该区地裂缝与同期发生的地震资料进行分析， 认为地裂缝的产生受构造和地震影响，人类生产活动加剧了地裂缝的发展。a y a l e wl 等( 2 0 0 4 ) 的研究认为埃塞俄比亚峡谷附近( m u l e t it r o u g h ) 的地裂缝与许多因素如含 水层压缩、渗透应力、活断层、地震等没有直接关系，甚至与构造也没有大的联系，他 认为这些裂缝是由于首先在地下一定深度产生了一种无震弹性应变( a s e i s m i ce l a s t i c s t r a i n ) ，这种应变通过沉积层向上传播，在有利的条件下就会引起裂缝发展，当一次大 的降雨过后，由于近地表的管涌作用和水力压实作用( h y d r o c o m p a c t i o n ) 就使得裂缝显露 出来。w i l l i a m sf m 等研究了埃塞俄比亚大峡谷端部北侧的拉张裂缝群尺度和年龄，并 与裂谷的不断扩宽相联系。 其他国家如土耳其的安纳托利亚地裂缝、泰国曼谷地裂缝、利比亚萨里尔( s a r i r ) 地裂缝等，尽管近年也进行了一定程度的研究( e d d l e s t i o n ，1 9 8 1 、1 9 9 6 ；r o t h e n b u r g ， 1 9 9 5 ) ，但研究程度相对较低。 1 2 2 国内研究现状 我国地裂缝的研究工作是伴随探索地震预报和捕捉地震前兆研究开始的。2 0 世纪 5 0 年代国内首例地裂缝出现在西北大学，6 0 年代初期河北、安徽、广东、广西、湖南、 第章绪论 陕西等地又多次发现地裂缝和房屋开裂现象，但由于灾害较轻，当时并未引起人们足够 的重视。对地裂缝真正意义上的研究则始于1 9 7 6 年唐山地震之后，至今国内地裂缝的 研究已历时3 0 余年。 纵观我国地裂缝的调查、监测、研究工作，依据不同时期的工作目的，王景明将我 国地裂缝研究划分为了5 个阶段： ( 1 ) 1 9 6 6 年邢台地震前，工程勘察部门为所遇地裂缝的场地工程稳定性问题进行 局部分散的调查研究工作阶段； ( 2 ) 邢台地震后到1 9 7 0 年云南通海7 7 级地震前，地裂缝调查主要目的多是鉴别 其是不是地震前兆异常，属于零星分散的目测性调查阶段； ( 3 ) 通海地震后到1 9 7 9 年江苏溧阳6 级地震前，地裂缝调查的目的多是捕捉地震 前兆信息，属于有组织的重点调查研究阶段； ( 4 ) 溧阳地震后至1 9 8 9 年山西大同6 1 级地震前，发展成为地震前兆捕捉、地裂 缝场地评价和城市防灾、地质环境监测等多种目的的地裂缝勘察研究阶段，进入地裂缝 研究的高潮期； ( 5 ) 1 9 8 9 年大同地震至今，逐步转入主要为城市防灾、区域地质环境评价而进行 的地裂缝深入研究和勘察阶段。 我国现代地裂缝的分布范围甚广，除灾害严重的大华北7 省外，粤、桂、吉3 省也 较为发育，此外，辽、甘、宁、萼、黔、滇也有零星出现。因此在地裂缝的调查研究过 程中，全国地震、地质、勘察等部门的众多单位都参与了地裂缝的研究工作，为地裂缝 的成因机理、灾害防治等汇聚了广泛思想和参考，但是也带来了一些争论。就地裂缝的 成因而言，国内的观点与美国学者基本雷同，所持观点主要有三种，即：“构造说”、“水 成说”、“综合说”。 1 9 6 6 年邢台地震时，邯郸市区新出现了6 条地裂缝。1 9 6 8 年国家为了确定邯郸地 裂缝是否属于地震震兆，特派综合考察队对此进行了深入分析，认为它们不是地震前兆， 并对邯郸市的地裂缝成因提出了三种不同的看法：( 1 ) 认为邯郸地裂缝规模大、延伸直、 方向明显，与邢台地震和邯郸周边中小地震伴生，是新构造运动的产物，实谓构造成因 说；( 2 ) 依据所见地裂缝均在邯郸市内，上宽下窄位错不明显，地裂缝急剧发展期无地 震伴生，却与市区地下水位下降过程一致，故认为邯郸地裂缝是抽取地下水引起土层失 水压缩的结果，可称为地面沉降说或水成说；( 3 ) 认为邯郸地裂缝的产生和加速发展起 决定作用的是水，构造运动和土体对其产生地点、方向起一定的控制作用，俗称综合成 6 长安大学硕士学位论文 因说。这次对邯郸地裂缝调查所提出的成因学说，实为我国地裂缝成因观点的基调。后 来在对西安地裂缝成因机理的研究中，也无非是这三种观点。 西安是我国城市地裂缝灾害中最严重、最典型的城市，许多学者对西安地裂缝的性 质和成因提出了不同看法。 ( 1 ) 水成说 水成说是西安地裂缝成因的最早观点。这种成因说认为地裂缝是由于深部过量抽取 地下水导致地面大面积沉降而引起的。在差异沉降陡变带上，由于两侧变形差大于岩土 体的极限应变能力而产生了地表破裂。这一观点的事实依据是：1 ) 西安地裂缝主要分 布在承压水下降漏斗和地面下沉区；2 ) 地裂缝活动的峰值期恰在地下水过量开采之后； 3 ) 地裂缝活动的速度远远大于一般常见的断层活动速度。 易学发等( 1 9 8 4 年) 着重于深井水位动态变化和地面不均匀沉降与地裂缝活动之间 的时间关系，认为西安市超采地下承压水导致地面大幅度下沉是西安地裂缝产生和发展 的主要原因。而局部地质构造条件对地裂缝的形成有一定的控制作用。王卫东等( 1 9 9 8 年) 采用二维有限单元法，通过建立二维稳态模型，对地裂缝活动速率与深井水位下降 和地面不均匀沉降之间的对应关系进行了有限元数值模拟。 ( 2 ) 构造说 认为西安地裂缝是西安地区构造在特定的地应力条件下产生活动的一种表现( 王 辛，1 9 8 4 ) 。对于西安地裂缝的构造成因机制，许多学者先后从不同角度提出了概化模 式，基本上一致认为地裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作用下形成。其中， 最具有代表性的是断块掀斜成因( 张家明，1 9 9 0 年) 和构造重力扩展成因( 王兰生， 1 9 8 9 ) 。 根据张家明的观点，在n n w 向区域引张应力作用下，以断块掀斜为主要活动形式 的西安伸展断裂系活动( 图1 2 ) 构成了西安地裂缝形成和发展的本质。而2 0 世纪7 0 年代以来地裂缝活动速率的加快和活动方式的周期性变化则主要与集中过量抽汲深层 承压水引起含水系的释水压密和发生相应的形变有关。 构造重力扩展机制( 图1 3 ) 认为，西安地裂缝是在特定的地质背景及构造动力环 境下，岩土介质体在引张应力及自身重力作用下，由于侧向临空或潜在临空，而导致浅 层介质体的变形破裂，是一种浅生的时效破裂机制。是地质体在自身重力效应影响下的 一种压扁伸展现象。 7 第一章绪论 圈1 0 断块纛辩麻因馘田( 据张寡明1 9 9 0 )圈1 3 杓造重力扩晨蕞式圈( 据王兰生。1 9 ) i - 4 g l l l l l j l i r m ll ，十1 j ，- - t ( 3 ) 综合说 认为西安地裂缝的形成是阻隐伏断裂构造的发育为基础，过量开采地下水为诱因共 同作用的结果。但二者的作用不同，地裂缝是土层中的剪切破碎带在近地表处的扩展延 伸，但其超常活动却是由于过量抽取地下水，使弱透水层( 粘土层) 压缩而改变土层中 的应力状态所引起的。 随着研究的深入，近年来，越来越多的学者( 王绍中，1 9 8 5 肖箐英等，1 9 8 9 ；王 景明等，1 9 8 9 夏其发等，1 9 9 0 ；彭建兵，1 9 9 2 ；刘国昌，1 9 9 2 ) 趋向于第三种观点。 关于大同地裂缝的成因，刘玉海和马国栋等( 1 9 9 0 年) 认为大同地裂缝的形成和发展 均主要受控于基底构造的活动，与当地过量开采地下水没有直接联系。刘玉海还对地裂 缝的成园机制作出了解释，认为地裂缝成因的力学机理与基底断裂活动方式所反映的力 学机制基本相同。在水平拉张应力和上部土体重力的共同作用下，基底断裂产生正断活 动，导致上覆土层自下而上破裂，最终在地表形成裂缝( 图l4 ) 。国家地震局地质研究 所关于大同铁路分局地裂缝的综合研究结果( 1 9 蛇) 则提出了不同的看法，认为基底的 构造活动是地裂缝形成的背景因素。地裂缝的活动则主要受过量开采地下水影响，地裂 缝活动量的7 0 n 与地下水开采引起的地面沉降有关。王庆良等则认为大同地裂缝是由 于过量抽取地下水造成台水层径向水平拉张应变诱发产生。 田1 4 丈同地理缝戚因帆舒模式( 据刘玉海，1 9 9 0 ) 从国内外研究的总体情况可以看出，作为区域性地裂缝的成因，构造和地下水开采 n 汀 帮 0 长安大学硕上学位论文 复合成因观点已被大多数人所接受。但对于某些局部地裂缝的成因问题，目前仍有争议。 关于构造因素和地下水开采对地裂缝活动的影响评价，国外主要根据地面沉降、断层形 变和地裂缝表面位移的长期观测资料，通过不同的方法来量化它们之间的关系。我国在 这方面的研究多侧重于理论性的探讨。 1 3 本文的研究内容和技术路线 1 3 1 本文研究的主要内容 1 、研究三原县双槐树地裂缝场地的工程地质特征，掌握地裂缝发育的空间分布规 律； 2 、研究地裂缝带黄土在不同状态下的渗透、强度和变形特征，在此基础之上得出 黄土受到地裂缝作用影响后的渗透指标和力学指标； 3 、研究地裂缝对黄土浸水后对变形的影响及其渗透变形规律，总结试验场地裂缝 带黄土的渗透变形模式； 4 、对三原县地裂缝的成因机制做出较为合理的综合解释。 1 3 2本文的研究方法及技术路线 本文通过资料收集、野外调查和现场勘探、物探工作，查清试验场地的区域背景和 工程地质特征；通过野外调查、访问和现场的槽探、井探、硐探、物探等工作，查明三 原县双槐树地裂缝的危害、空间发育特征和活动特征；通过室内三轴压缩实验和渗透试 验，确定地裂缝黄土的强度、变形和渗透特性；通过现场大型试坑浸水试验，研究地表 水对地裂缝活动的影响，总结地裂缝黄土的渗透变形破坏规律；通过以上的野外调查访 问、现场勘探、室内试验和现场试验结果，对三原县双槐树地裂缝的形成和发展的成因 机理进行综合分析。具体的技术路线如图1 5 。 9 第一章绪论 图1 s 技术路线框图 l o 长安大学硕士学位论文 第二章三原县双槐树地裂缝的场地区域背景与工程地质特征 2 1 三原县地区的自然地理与区域地质概况 2 1 1 自然地理概况 三原县地处关中平原中部，古称池阳，自北魏太武帝真君7 年( 公元4 4 6 年) 置县， 已有1 5 5 6 年历史，因境内有孟侯原、丰原、白鹿原而得名。原内有清峪河、浊峪河、 赵氏河三大水系，属暖温带大陆性季风气修，四季分明，气候温和。地势北高南低，以 四十里原坡为界，北部为黄土台原区，南部为泾渭冲积平原区。按水利条件分为大灌区 ( 泾惠灌区) 、小灌区( 清惠灌区) 和原区( 前咀子、玉皇阁灌区) 。全县总面积5 7 6 9 平方公里，辖1 0 镇4 乡3 3 6 个村，人口3 9 6 万，耕地面积5 2 万亩，县城面积1 0 平方 公里。 2 1 2 区域地质构造背景 汾渭盆地是我国地裂缝、地面沉降、滑坡等地质灾害集中发育区，其中，地裂缝灾 害尤为突出。迄今己发现地裂缝4 0 0 余条，尤以西安、大同、临汾、运城等地最为典型 和强烈。 咸阳市位于渭河断陷盆地中部，盆地内断裂构造极为发育，主要有近东西向断裂、 北北东向断裂、北西向断裂以及北东东向断裂。这些断裂交错切割形成了宝鸡凸起、 咸礼凸起、西安凹陷、蒲城凸起、固市凹陷和临蓝凸起6 个次级构造单元。近东西向 地裂缝均发育在上更新统的马兰黄土中，出露的位置是三级阶地和二级阶地交界线上， 这里也正是咸礼凸起和西安凹陷分界断裂渭河北岸大断裂经过的位置，地裂缝位置 与其基本一致。据有关资料，该断裂宽度巨大，为一基底断裂，隐伏于第四系之下，南 倾，为高角度正断层，已经经历了多次构造活动。大量证据表明该断裂近期仍然在活动， 历史上沿该断裂自西向东曾分布有马嵬坡、马跑泉、大泉、小泉、魏家泉等低温泉出 露，这些泉在2 0 世纪七八十年代还存在，其中大泉地裂缝附近马跑泉乡中心小学操场 内一泉眼直到2 0 0 0 年还存在；历史上沿该断裂带多次出现地震，如1 9 8 8 年武功3 8 级地震。国家地震局第- n 量大队在1 9 7 0 1 9 8 8 年对该断裂带进行了地形形变测量， 结果表明该断裂地形形变速率达3 - - - 4 1m m a ，是渭河断陷盆地内活动较强烈的断裂 之一。当然地裂缝的出现也进一步说明了该断裂带仍在活动。据有关资料，近南北向地 裂缝也与断裂构造长安一咸阳断裂位置有关( 图2 1 ) 。 * = i 服县m 镕树地# 自e 域* t 质特 圈2 1 关中盏地构造地质图 试验场区地处渭河拉张断陷盆地中央北部区域，高陵一固市断陷块的次级断隆块体 - - 原次断阶的北东部位，在深部构造上处于宝鸡一渭南地幔隆起带的北部边缘过渡 区，莫霍面埋深4 2 h n 。大地电磁测深资料反映出该区中上地壳l o 2 0 k m 深度范围内 存在厚约6 8 k m 的低阻高导层为地壳的软弱带；新生代以来本区一直处于南北 向张应力场作用下的伸展拉伸环境之中。这种深部构造背景和构造应力场背景，为该地 区断裂的活动提供了有利的条件。 22 三原县双槐树地裂缝场地的工程地质特征 2 21 三原县双槐树地裂缝场地的地貌特征 该试验场位于关中盆地渭河北岸的一级黄土台塬上，海拔一般为5 0 0 6 0 0 m 。南与 渭河阶地相接。台塬与阶地高差7 0 l l o 珥。在陵前镇与双槐树村之间为北东东走向的 构造洼地( 圈22 ) 。其中。双槐树村一长坳沿线是该洼地带的的最低区带，呈北东向一 直延伸到太平庄、流曲镇以远方向。 长壹大学两士学位论文 圈2 2 试酗区地靛示童囝 2 22 三原县双槐错地裂缝的场地地层特征 试验场地层上部为q 与q 2 黄土及黄土状土，厚8 0 1 3 0 ，夹9 2 0 层古土壤， 下部由q i 冲积、洪积和潮相沉积物组成，从老到新叙述如下： 1 下更新统( q 1 ) 为午城黄土( q l w ) + - - i l $ ( q 1 0 地层，钻孔显示厚度为1 8 14 4 m 。上部午城组为浅 黄色石质黄土，致密坚硬含钙质结核，夹有残缺状古土壤层；下部三门组为河湖相沉 积的黄灰色砂岩层、砂砾岩层，并夹有亚砂土与亚粘土。 2 中更新统( 哂) 为离石组( q 2 1 ) 黄土地层，钻孔显示厚度为1 4 49 8 m ，研究区东部的赵氏河、西部的 浊峪河以及台塬南部下均见有出露。主要由风积浅黄色黄土，含钙结核，夹有7 1 6 层 棕红色古土壤层。 3 上更新统( q 3 ) 区内黄土塬地表普遍出露的是上更新统马兰黄土地层( q ；m ) ，主要为风积浅黄色黄 土，琉松、多孔、含钙质结核、具湿陷性，并发育垂直节理，底部夹有古土壤。 4 全新统( 0 4 ) 区内沟谷与试验场南部渭河河谷平原区广泛分布全新统现代冲洪积物。其中山前 洪积物( q 4 4 ) 主要为山前洪积( 扇、裙) 层、砂卵石、砂砾和砂质粘土；现代冲积物( q 一 第= 章三原县m 槐树地裂缝的垢地区域背景与i 程地质特 主要为河床、河漫滩冲积亚砂土、砂和砂砾石。 2 23 三原县双檀树地裂缝场地的构造特征 三原县地裂缝及其周围有数条区域性活动大断裂存在( 图21 和图23 ) 。地裂缝南 边约3 k m 处是口镇一关山东西向大断裂( f 4 ) ，该断裂南北两侧块体的差异运动非常明 显，在地貌上显示为该区黄土台塬与河谷阶地的主要分界线：地裂缝试验场区位于礼泉 一蒲城合阳北东东走向大断裂( f i o ) 带上。试验区及其附近地表所对应的是与断裂 走向基本一致的陵前构造洼地区，该洼地区带一直向富平县的流曲镇| ；【远方向延伸，构 成f i o 大断裂北东向延伸的主要构造地貌标恚之一。此外还有与f i o 平行的白水合阳 断裂( f 5 ) ，北北东向的长安一临潼一白水断裂、双泉一临猗断裂等。对试验场构造稳 定性影响最大的主要是口镇一关山东西向大断裂( f 4 ) 和北东向的礼泉一蒲城合阳大 断裂这两条断裂延伸长、切割深度大，活动性强，在三原县地裂缝研究区附近交汇通 过成为引发地裂缝活动的主要构造因素。断裂的继承性活动对地层分布、岩性厚度变 化、地貌发育、水文地质特征及地热分布均有重要的影响。 愁 糍 一+ f ， “+ l 一 u 田2 3 试i t 西区地质构造示意圈 魁 长安大学硕士学位论文 2 2 4 水文地质特征 试验场区属半干旱性气候特征，降雨多集中在7 9 月份，降水是该区潜水的最主 要的补给源。试验场东部有石川河、赵氏河，西部与清峪河、浊峪河相邻。 场区内潜水含水层深5 0 - - 7 0 m ，岩性主要为亚砂土，属于弱含水层。第一层含水层 以下由多个弱含水层和中富水层、强含水层相间互层组成，弱含水层岩性主要为亚粘土、 亚砂土组成，强含水层主要为砂土组成。场区生活和农阳灌溉用水主要采自深层的承压 含水层，井深一般1 2 0 3 0 0 m ，出水量l o 一- , 3 0 m 3 h 。近年来，由于用水量明显增加， 地下水位下降较明显，一些水井水量明显减少，从而可导致含水层的释水固结变形。 试验场区无常年流水，且地势低洼，强降水时在低洼地带容易汇集地表水，又因本 区浅层黄土存在湿陷性，从而在积水地带的表水入渗和湿陷可产生渗透变形和湿陷变 形。 第三章三原县双槐树地裂缝基本特征及其危害 第三章三原县双槐树地裂缝基本特征及其危害 在野外调研期间，为了揭示试验场区地裂缝的空间展布特征、地裂缝与下部断层的 关系、裂缝所处的第四纪地层特征以及地裂缝的深部延伸状况，在横跨地裂缝带布置了 一系列的探槽、浅井和平洞，并对其进行了编录和取样工作。 3 1 三原县双槐树地裂缝的主要特征 三原县双槐树地裂缝由两条近平行的地裂缝组成，地裂缝活动期间给沿线居民带来 了较大的灾害和经济损失。通过在地裂缝场地实施的探槽、探井、平硐等勘探工程，揭 示的该地裂缝的主要基本特征如下： ( 1 ) 南侧的f 1 地裂缝的破碎带宽度和活动程度均大于北侧的f 2 地裂缝。 ( 2 ) f 1 地裂缝的破碎带宽度一般大于1 0 m ，最大可达5 0 余米，不同期次和不同级 次的裂缝数量可达3 0 余条；其力学性质以拉张为主，其次为垂直位错和右行平滑：该 地裂缝多期活动性明显，近5 0 年来已活动3 次以上。 ( 3 ) f 2 地裂缝的破碎带宽度一般小于1 0 m ，裂缝数量较少；其力学性质以蠕滑为 主，水平拉张量一般小于1 0 c m ，水平扭动也不明显。 ( 4 ) 浅层地震勘探结果显示，该地裂缝带正位于下伏断裂带的上方，是隐伏断裂 通达地表的表现。 ( 5 ) 该地裂缝多期活动性明显，近5 0 年来已活动3 次以上；竖井工程揭露显示， 该地裂缝向下延伸至8 - - - 1 0 米处错断古土壤层( s 1 ) ，垂直断距0 5 m 左右，其显示地表 破裂与下伏断层相连接。 3 1 1 三原县双槐树地裂缝平面分布特征 试验场区地裂缝由两条近平行的裂缝带f 1 和f 2 组成，线状延伸明显，走向n e e ， 已探查出的延伸长度约4 k m 。其中，靠南面的裂缝位于构造洼地的南缘，是南部塬区与 北侧沉降洼地的构造和地貌分界线，最新活动形成的裂缝连贯性强，地表破裂呈锯齿状， 整条裂缝呈折线状