（地质工程专业论文）地裂缝扩展机理研究.pdf

摘要 地裂缝灾害是西安市主要的环境地质灾害问题。自2 0 世纪5 0 年代以来，在西安城 区发现的地裂缝已达1 4 条之多，迄今为止已造成四十亿元的直接经济损失，而且西安 地裂缝还在不断出现和发展，严重地制约着城市建设用地的有效利用和规划发展，也为 城市工程建设留下了重大的灾害隐患。因此，开展地裂缝的成因和致灾机理研究，制定 经济有效的防治对策是西安市急待解决的重大地质灾害难题。 目前，西安地裂缝的发育分布特征和活动特点等已经被人们基本掌握，但在成因机 理方面的研究还不成熟，仍存在不同观点和争议，关键在于还有一些基本问题未得到解 决；受地裂缝成因机理和致灾机理研究程度的限制，地裂缝减灾防灾对策的研究也远远 不足。论文分析了西安地裂缝研究中存在的问题和不足，针对西安地裂缝研究中存在的 关键性问题，借助大型及小型物理模拟试验手段，并辅以数值模拟分析方法对这些问题 进行了探索和揭密，对西安地裂缝的成因机理提出新的认识和观点；同时对跨地裂缝的 地下结构防灾、评价地裂缝灾害影响带宽度的方法等提出了有益的见解；最后在深入研 究和再认识西安地裂缝的基础上，对西安地区可能遭受强震作用时地裂缝的地震效应作 出了新的评价。 论文主要取得了以下几点创新性成果： 1 首次开展了地裂缝扩展机理的通过大型物理模型试验，试验发现西安地裂缝实际 上是一种近地表的既有构造破裂面，抽水诱发的地面不均匀沉降或降雨入渗使其显露至 地表。n n w 向区域引张应力场作用、西安正断层组的持续掀斜式运动及上覆松散层的 不断堆积，三种因素同时发生、同时存在，并且从未发生过问断，是西安地裂缝形成的 本质过程。 2 研究发现，西安地裂缝底部与下伏断层相连，是由下伏断层延续上来的具有同 沉积性质的构造破裂面。地裂缝倾角由浅至深越来越缓的主要原因有两点：一是正断层 组的书斜式运动，二是地层的压缩。超采地下水是西安地裂缝超常活动的主要原因。 3 应用非线性有限元法对跨地裂缝的墙体开裂形态进行了分析，确定出了具有三 维活动性的地裂缝垂直穿越墙基时墙体出现裂缝的位置、倾向、倾角和后期的发展状况， 以及随降张比的变化规律。 4 地裂缝场地的地震效应分析表明，地裂缝场地对低频含量较高的远源地震的放 大效应最为明显，中源地震次之，近源地震最小：西安地区在常遇烈度地震作用下即能 引起隐伏地裂缝的破裂扩展，不同地震波引起的地裂缝破裂扩展模式不同。 关键词：西安地裂缝扩展机理成因大型物理模拟试验数值分析地裂缝场地地震效 应 a b s t r a c t g r o u n df i s s u r e sh a v eb e e nt h em a i ne n v i r o n m e n tg e o l o g i c a ld i s a s t e ri nx i a nc i t y s i n c e 1 9 5 0 s ，1 4g r o u n df i s s u r e sh a v eb e e nf o u n di nx i a na r e a , w h i c hh a sc a u s e d4b i l l i o ny u a n s d i r e c tl o s s e s t h ew o r s ei st h a tn e wf i s s u r e sa r ec o m i n gf 0 n ha n dd e v e l o p e d a sar e s u l t ，t h e u t i l i z a t i o no fb u i l d i n gl a n da n du r b a np l a n n i n ga n dd e v e l o p m e n to fx i a nc i t ya r eb a d l y r e s t r i c t e d ，a n dg r e a th i d d e nt r o u b l ei sb u r i e df o rc i t y se n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s ot h eg r e a t g e o h a z a r dd i f f i c u l tp r o b l e mt ob es o l v e du r g e n t l yi st op e r f o r mt h er e s e a r c ho ng e n e s i sa n d d i s a s t e r - c a u s i n gm e c h a n i s m a n dw o r ko u te c o n o m i c a la n de f f e c t i v ec o u n t e r m e a s u r e s p r e s e n t l y , t h ed i s t r i b u t i o na n da c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i co fx i a ng r o u n df i s s u r e sh a v eb e e n f o u n do u tb a s i c a l l y , b u ti t sg e n e t i cm e c h a n i s mi si m m a t u r eb e i n gm a n yd i f f e r e n tp o i n t so f v i e wa n dd i s p u t e so ni tf o rt h a tt h e r e a r es o m ek e yb a s i cp r o b l e m sb e i n gu n r e s o l v e d f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ec o u n t e r m e a s u r e so fm i n i m i z i n ga n dd e f e n d i n gd i s a s t e ri sf a r f r o ms u f f i c i e n c yb e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no fg e n e s i sa n dd i s a s t e r - c a u s i n gm e c h a n i s m r e s e a r c h i n gd e g r e e t h ep r o b l e m sa n dd e f i c i e n c i e si nt h er e s e a r c ho fx i a ng r o u n df i s s u r e s w e r ea n a l y z e d t h ek e yp r o b l e m sw e r ee x p l o r e da n ds t u d i e db yt h ea u t h o rt h r o u g hl a r g e s c a l e a n ds m a l lp h y s i c a le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ，n e wv i e w p o i n to nt h e g e n e t i cm e c h a n i s mo fx i a ng r o u n df i s s u r e sw e r ep u tf o r w a r d a tt h es a m et i m e ，b e n e f i c i a l o p i n i o nw e r ep r e s e n to nt h eg u a r d i n ga g a i n s td i s a s t e ro fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ea c r o s sg r o u n d f i s s u r e sa n dt h em e t h o d st oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eb a n d w i d t ho fg r o u n df i s s u r e s f i n a l l y , n e w a p p r a i s e m e n to ns e i s m i ce f f e c to fg r o u n df i s s u r es i t es u b j e c t e dt os t r o n ge a r t h q u a k ei nx i a n a r e aw a sp e r f o r m e db a s i n go nf u r t h e rs t u d y i n ga n d r e - r e c o g n i z i n gt h eg r o u n df i s s u r e s s o m em a i ni n n o v a t i v ei d e a sa r eg o ta sf o l l o w si nt h i sp a p e r ： 1 x i a ng r o u n df i s s u r e sa r ea c t u a l l ys t r u c t u r ep l a n e sa p p r o a c h i n gt og r o u n ds u r f a c e w h i c hh a v eb e e ne x i s ti nt h ep a s t ，a n dt h e ye m e r g e do nt h es u r f a c ec a u s e db yd i f f e r e n t i a ll a n d s e t t l e m e n ti n d u c e db yp u m pw a t e ra n dg r e a tr a i n f a l li n f i l t r a t i o n n n wr e g i o n a lt e n s i l es t r e s s f i e l d ，c o n t i n u o u st i l tm o t i o no fx i a nn o r m a lf a u l t sg r o u pa n du n i n t e r r u p t e dd e p o s i to f c o v e r e du n c o n s o l i d a t e df o r m a t i o na r et h et h r e es i m u l t a n e o u sa n dc o n c u r r e n tf a c t o r si nt h e e s s e n t i a lf o r m a t i o np r o c e d u r eo fx i a ng r o u n df i s s u r e s 2 x i a l lg r o u n df i s s u r e sa r ec o n n e c t e dw i t hu n d e r l y i n gf a u l t sa te n d t h e ya r e s y n s e d i m e n t a r ys t r u c n l r a lf r a c t u r ep l a n e t h a tu n d e r l y i n gf a u l t sc o n t i n u et ot h eg r o u n ds u r f a c e t h e r ea let w o m a i nc a u s e sf o r t h ed i pa n g l eb e c o m i n gl o w e ri nd e e p e rs t r a t u m ，o n ei sb o o k i n c l i n e dm o t i o no fn o r m a lf a u l t sg r o u p ，a n dt h eo t h e ri ss t r a t u mc o m p r e s s i o n t h em a i nc a u s e o f s u p e m o r m a la c t i v i t yo f x i a ng r o u n df i s s u r e si so v e r p u m p i n g 3 t h ec r a c k i n gf o r m so fw a l l so v e rg r o u n df i s s u r e sa r ea n a l y z e dw i t hn o n 1 i n e a rf i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h eo r i g i n a t e dp o s i t i o n , d i pd i r e c t i o n ，d i pa n g l ea n dl a t e rm o d eo ft h ec r a c k so nw a l l sa 托 a c c o m p l i s h e dw h e nt h ew a i l sc r o s s i n go v e rg r o u n df i s s u r e sw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a la c t i v i t y , a n dt h e c h a n g i n gl a wv a r y i n gw i t hd i f f e r e n tr a t i oo fs e d i m e n t a t i o na n dt e n s o ra r eg o t 4 t h ea n a l y s i sr e s u l to fg r o u n df i s s u r es i t es e i s m i ce f r e c ts h o w st h a tt h es c a l ee f r e c ti s t h em o s to b v i o u sf o rf a r - f i e l de a r t h q u a k ew i t hh i g h e rl o wf r e q u e n c y , a n dt h es e c o n do b v i o u s f o rm i d d l e f i e l de a r t h q u a k e ，t h el e a s tf o rn e a rf i e l de a n h q u a k e i nx i a na r e a , t h eo r d i n a r y i n t e n s i t ye a r t h q u a k ec a nc a u s et h eb u r i e dg r o u n df i s s u r er u p t u r ep r o p a g a t i o n , b u tt h em o d e s o ft b e ma r ed i v e r s ec a u s e db yd i f f e r e n ts e i s m i cw a v e s k e yw o r d s ：x i a l lg r o u n df i s s u r e s ；p r o p a g a t i o nm e c h a n i s m ；g e n e s i s ；l a r g e s c a l ep h y s i c a l s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；s i t eo fg r o u n df i s s u r e s ；s e i s m i ce f f e c t 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：佩互伟2 唧年2 月z 汐日 论文知识产权权属声明 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：馓、互伟 引雅名 z 0 0 7 年z 月二日 蛳年，文月如日 长安大学博士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国华北地区尤其是汾渭盆地，新构造活动强烈，自2 0 世纪中、后期以来，5 0 余 县( 市) 相继不断地出现地裂缝，灾害十分严重i 1 ，位居全国之首。地裂缝所到之处， 给城乡建设带来了巨大的经济损失，也给人们的正常生产和生活造成了重要影响，已成 为一种独立的地质灾害灾种【5 】【1 0 】。其中，西安地裂缝是世界上最著名的城市地质灾害， 自2 0 世纪5 0 年代以来，在西安城区发现的地裂缝已达1 4 条之多，延伸长度超过l o o k m ， 覆盖面积约1 5 0 耐；这些地裂缝穿越工厂、民房，横切地下洞室、路基，造成建筑破 坏、机器停转、道路变形、管道破裂，给城市建设带来了一系列灾害。截至目前，西安 地裂缝带给西安市的直接经济损失已经超过了4 0 亿，而且西安地裂缝还在不断出现和 发展，严重制约着西安市的建设用地使用和城市规划。其中，拟建中的西安城市地铁工 程和高架桥工程，因要穿越多条地裂缝带，一直是政府、专家十分关心的重大地质灾害 问题。为此，尽快开展地裂缝的调查、检测、成因机理和防治对策等系统研究显得尤为 迫切和必要。 西安地裂缝之所以引起人们的极大关注，不仅在于其灾情的严重性，而且还在于西 安地裂缝在市区发育特征的规律性【2 】【4 】。因此人们在调查和治理地裂缝灾害的同时，也 在积极探索其成因机理、致灾机理以及防治对策，并制定出相应规范【1 1 】【1 2 】用以指导工程 建设。 至今，西安地裂缝的发育分布特征和活动特点等已经被人们基本掌握，有关成因机 理方面的研究也已有2 0 多年的历程，但是还存在不同观点和争议，而且所有这些观点 都不能圆满解释西安地裂缝某些特殊现象和困惑【1 3 】；同时，就地裂缝的致灾机理和防治 对策方面的研究也还远远不足，仍有一些问题急待研究解决。这些问题既涉及到地裂缝 的形成与扩展机理，又涉及到地裂缝灾害的工程设防标准，一直是地质学界和工程界普 遍关注且迄今未能解决的难点问题。 事实上，从地裂缝灾害引起人们的关注以来，许多单位及研究人员都在不断尝试解 释和解决与人类工程相伴生的各种地裂缝灾害问题。然而由于研究手段、研究经费等多 种因素的制约，使得地裂缝灾害在成因机制及致灾机理方面的研究缺乏大型物理模型试 第一章绪论 验、现场试验等最直观而有效的手段，因而人们提出的多种成因模式都不能得到有效的 验证，这也是有关西安地裂缝成因方面存在争议的一个重要原因，同时也影响到了地裂 缝灾害防治对策的制定。因此，为了准确把握地裂缝的致灾机理和更有针对性地制定工 程防治对策，有必要进行大比尺的物理模型试验及数值模拟分析，搞清地裂缝的扩展机 制，从而为深入研究和重新认识地裂缝成因提供有力证据。这一直都是地裂缝相关课题 研究中的难点问题，也是本文要讨论的核心内容。 本论文依托国家自然科学基金重点项目( 4 0 5 3 4 0 2 1 ) 和国土资源大调查项目 ( 1 2 1 2 0 1 0 6 4 1 4 0 3 ) ，以西安地裂缝为研究背景的基础上完成。 1 2 地裂缝的国内外研究概况 地裂缝，又称地裂，民间俗称“地峡 ，是一种常见的自然现象【1 4 】。它是发育于地 壳表层的一种岩土介质的不连续现象，是在内外力作用下及人类活动等因素引起的地表 破裂形迹。 地裂缝古已有之且分布范围甚广，对于这种表生的地质灾害现象，古今中外都有零 星记载。在人类科技文明还未高度发达时，古人对各种自然灾害现象缺乏科学的认识， 常常将“天灾 和“人祸 相关联，预示上天对人的惩戒。我国早在几千年前就有关于 地裂缝的记载，如“黄帝将亡则地裂 ( 北宋太平御览第八百八十卷) ，“昔者三苗 大乱，天命殛之地坼及泉 ( 墨子非攻下) 等等，诸多古典上都有相关记载。 这些古代地裂都是自然因素所致，可谓天灾。“皇帝将亡则地裂刀则反映出中国古代学 者对地裂缝灾害的认知。尽管中国古代对地裂缝的发生有着许多详细记载，但他们对这 种灾害的原因并未达到真知，占主导思想的常常是与其他自然灾难联系起来或者从超自 然的关系中寻求原因。 由于地裂缝常与地震相伴生，在古代，世界上很多地区的人民对地震地裂事件都有 宗教性的解释。圣经中也不乏对地裂的记述，如其中的典故“地裂开，吞下大坍， 掩盖亚比兰一党的人 ，“穹苍降下公义，地面开裂”等。对古代地裂缝的许多引喻还可 在其他宗教著述中见到。 随着时代的进步、经验的积累和技术的发展，人们对于自然灾害本质的认识水平也 逐步提高。但是直至二十世纪初期之前，人们对发生地裂缝的事件还都是简单记载，或 者只是简要说明表观原因。 2 长安大学博士学位论文 二十世纪二十年代后期，在美国德克萨斯州休斯敦附近的g o o s ec r e e k 油田出现了第 一条与地面不均匀沉降相伴而生的地裂缝【l 引，之后相关部门才慢慢开始广泛深入探究各 种地裂缝现象的成因，并力图减少地裂缝灾害损失和尝试避免地裂缝灾害的发生。 在美国的g o o s ec r e e k 油田出现地裂缝的此后几十年中，由于大规模的生产活动，美 国的地面沉降和地裂灾害一发而不可收，至今已在全国许多地区发现了不同规模的地裂 缝现象。随着人类工程活动的发展和地震科学研究及野外地质考察的深入，世界各地发 现的地裂缝愈来愈多。据初步统计，美国、新西兰、意大利、前苏联、土耳其、蒙古、 日本、墨西哥、智利、瑞士、秘鲁、德国、加拿大等国家都出现过不同类型的地裂缝。 我国现代地裂出现相对较晚，首例地裂缝是2 0 世纪5 0 年代末在西北大学校园内发现的； 1 9 7 6 年唐山地震之后，地裂缝灾害加剧，分布范围迅速遍及全国各省，其中大华北地区 河北、山西、陕西、江苏、山东、安徽、河南七省的地裂缝灾害最为严型1 0 l 。 1 2 1 国外地裂缝成因研究综述 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 ) 1 6 】。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 1 7 - 2 0 】，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 【1 5 】【1 8 】，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 盆地也发现了地裂缝， 在此之前，该地区的地下水处于严重的超采状态【2 1 1 。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 ) 2 2 】。在此期间，随着地面沉降的加剧，美 国西南的6 个州、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【2 3 ，损失非常严重。关于这些地裂 第一章绪论 缝成因的认识，集中形成了三种不同的观点 5 1 1 2 4 1 ，即构造成因观点、地f 水开采成因观 点和构造与地下水开采复合成冈观点。 黎粼测p a 。e ”m 怒麓t o 淼譬僦嚣怒嚣l a n ”d 盅鉴：p “删m o w r i d e hw 枷h d d 棚i d h h h i c 糯 影鞴誊i j 蹲。j l 够步 - t b h t 帅鼬s 6 k i h 一； 麓躜i 怒臻篙搿嚣 l 一t 、一觜舔 、：l 丢 兰。甲r l r l r 1 1 t r 1 l 。 田1l 作斯敦地区地裂毫爱育与地面沉障m ( h o l z e r a m l g a b r y s c k t g s t ) 构造成因观点最早由l e o n a t d ( 1 9 2 9 年1 提出，他从地震角度分析了1 9 2 7 年9 月1 2 日出 现于亚利桑纳抖 皮卡乔( p i c a c h o ) 城附近的地裂缝及相距1 3 k m 的e it h om i n e 地面异常 破裂的成田【瑚。认为是1 9 2 7 年9 月l j 日发生于利桑纳州东南部t 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 e ( t 9 6 6 ) 、 k r e i t l e r ( 1 9 7 7 ) 、f l e i s c h e t ( 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、加利福尼哑、德克萨斯等州地裂缝的研究也坚持构造成因 观点。然而他们对成田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 ，驯( 1 9 9 3 年) 根据p i c e c h o 盆地地裂缝 变形和地面沉降的长期观测资料利h j o k a d a 的兰维位错理论( 1 9 8 5 年) 及m a t s u u t a 等 的构造裂变修正模型( 1 9 7 5 年) 。就构造活动对地裂缝成因影响进行了分析，认为断层 位移埘地裂缝在水平方向的j 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阑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制因袭。 由于地面开裂多与抽取地下水引起的地而沉降相伴随，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 】年) 研究了眶利荣纳州巾南部1 9 4 9 年出现的地裂缝，认为由于含 水层局部厚度变化引起不均匀沉降，从而，生拉应力，导致了地裂缝的产生1 2 7 】； s c h u m a n n 等1 2 。1 于1 9 7 0 年对这一理论进行了更深入的研究，汰为基岩表面形态的突变或 长安大学博士学位论文 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 o 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 和地裂型2 9 】【3 0 1 。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，认为地面沉降盆地内部呈放射状分布的地裂缝， 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，仅有一小部分呈同心圆状环绕分布于高产 量的抽水井四周【3 1 1 ，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 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 第一章绪论 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1 j 1 9 7 0 年期间，据c a t h e d r c l 和l a a 两个点的测量资料，共沉降了7 m ，平均沉降l o 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 ) 【3 2 】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 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。埃塞俄比亚地堑位于东非地堑北部，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 em a d a ma 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【3 3 】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 c 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 e t i o n ) 就使得裂缝显露 出来。w i l l i a m sf m 等【3 4 1 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 国内地裂缝成因研究综述 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、 6 长安大学博士学位论文 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 研究己历时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，王景吲5 1 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 7 第一章绪论 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) 【3 5 】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) 【2 1 和构造重力扩展成因( 王兰生， 1 9 8 9 ) 3 7 】。 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i 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。 长壹 学懈十学位皓z 图1 2 断块掀斜成园模式图( 据张家碉，1 9 9 0 ) 圈1 3 构造重力扩展模式圈( 据王兰生，1 9 8 9 ) 1 一n 1 日自r 2 + o 。，j 一t ( 3 ) 综合说 认为西安地裂缝的形成是以隐伏断裂构造的发育为基础，过量开采地r 水为诱因共 同作用的结果。但_ 者的作用不同，地裂缝足士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f 水，使弱透水层( 粘十层) 压缩而改变十层中 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 i 肖箐英等，1 9 8 9 ：王 景明等m 】1 9 8 9 ：复其发等，1 9 9 0 ；彭建兵，1 9 9 2 ：刘国吕d , o l ，1 9 9 2 ) 趋向于第二种观 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，- h a 地过量开采地下水没有直接联系。刘土海还对地裂 缝的成囡机制作 了解释，认为地裂缝成因的力学机理畸基底断裂活动方式所反映的力 学机制基本相同。住水平托张赢力和卜部土体重力的共同作用r ，基底断裂产生l e 断活 动，导致上疆土层自下而上破裂，最终在地表形成裂缝( 图l4 ) 。国家地震局地质研究 所火于大同铁路分局地裂缝的综台研究结果( 1 9 9 2 ) 则提f j 了不同的看法，队为基底的 构造活动是地裂缝形成的背景冈素。地裂缝的活动则丰要受过骨开采地下水影响，地裂 缝活动量的7 0 与地f 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f 水造成含水层径向水平托张应