地下水中的地裂缝成因分析

地下水中的地裂缝成因分析

研究区位于燕山山平原的宝霍县，面积50公里2米，海拔3.5米。区内村落密集,农田广布,自然地理环境与周围广大地区相同。水源地建成投产后,地裂现象相继频繁发生。本文探索了大量开采奥陶系灰岩中地下水与地裂缝二者之间的成生联系,为减灾防灾工作提供依据。1研究区域地质和水文条件1.1第三系含砾粘土层厚度变化上覆松散层由新生代冲积、海积物组成,主要为粘土、粉质粘土及砂,厚度受下伏基岩顶面起伏控制,一般100m左右。第四系之下的第三系含砾粘土层厚度变化极大,在3.5~46.8m之间。新生界之下为上元古和古生界构成的基底,所处构造部位是蓟玉复向斜西部次一级北西向褶皱(下仓向斜)之南翼。下仓向斜南翼被北东向高角度正断层(工部庄断裂)所切,断距400m,北西盘上升形成基岩浅埋区,南东盘下降形成基岩深埋区。研究区分布在工部庄断裂与蓟运河之间的基岩浅埋区,下伏地层为奥陶系灰岩(图1)。1.2奥灰水的自然结果—水文地质背景新生代松散岩类孔隙水分为2个含水组:①潜水含水组:底界埋深40~50m,含水层不连续,主要岩性为粉砂、细砂及中砂,水位埋深2~4.5m,q=8~12m3/h·m,HCO3·SO4—Ca型水;②潜水-承压水含水组:上为潜水,下为承压水,底界埋深90~130m,由3~4个连续含水层组成,单层厚度5~10m,主要岩性为细砂、中砂及粉砂,K=150~200m/d,q=40~100m3/h·m,HCO3·SO4—Ca·Na型水,为当地农田供水的主要开采段。天然条件下,孔隙水接受大气降水、地表水入渗补给,还接受下伏奥灰水的顶托补给。农灌开采和蒸发为其主要排泄方式,但强度不大,当年就能得到补偿,维持多年天然平衡状态。下仓向斜是一隐伏在松散层之下的基岩构造盆地岩溶承压水含水系统。灰岩顶面之下30m风化岩溶发育,使灰岩成为岩溶裂隙发育、连通性好、联系密切、富水性很强的含水体。小赵庄一带岩溶裂隙最为发育,形成富水带,T=5400~57000m2/d,q=11~12m3/h·m,HCO3·SO4—Ca·Mg型水。寒武系、石炭系页岩和第三系粘土层构成该含水系统的隔水边界。天然条件下,灰岩中地下水处于较封闭的状态,水力梯度小于1/10000,迳流缓慢,在玉田获得补给之后,沿岩溶裂隙带向西运动,至研究区受寒武系页岩和工部庄断裂南盘巨厚松散层阻隔而产生“水位雍高”现象,形成一个水头高出地表10m多的高压区。由于小赵庄一带奥灰岩顶面起伏不平,埋深小,上覆第三系粘土层厚度变化极大,甚至尖灭形成“天窗”,在水头差的作用下成为奥灰水向上覆孔隙含水层排泄的通道,从而使此处孔隙水面呈馒头状凸起,其水质也相应由外围的重碳酸型变为与下伏奥灰水一致的重碳酸硫酸型。分析认为,小赵庄一带为该地下水系统的天然排泄区。2地裂缝特征及活动强度现场调查发现地裂缝247条。为避免统计研究的错误,将同年同一地点显现且特征相似的若干条作为一群,共47群。495家农户共960间房屋受到不同程度的破坏。主要地裂缝与严重房裂村分布如图2所示。由图2可见,地裂缝在空间上具有分布集中的特点,并且局限在以小赵庄为中心的马营—小高庄—胡宽庄构成的三角形地带,面积不足50km2,其中多数分布在蓟运河与赵家铺及胡宽庄围成的长方形之内,面积仅为研究区一半,为严重地裂区,与下伏奥灰岩分布范围完全一致。大多数地裂缝尤其规模较大者都出现在严重地裂区的周边地带。地裂缝隙面粗糙,无位移,显张性特点。规模较大的地裂缝及堤裂缝剖面形态多为上窄下宽型;较小者多为楔形。规模大者少,小者多,最长可达500m,一般10~50m;宽度多在2~20cm之间,最宽达50cm;深度不一,最大可见深度4~5m。全区47群地裂缝中,排除1976年唐山地震出现的2群和尚未确定发生时间的6群以外,39群地裂缝显现时间分布如图3所示。显然,1980年开始出现地裂缝,1982年地裂活动明显加强,1983年达到高峰,1984年略有减弱,为第一活动高潮期。1985~1987年未发现地裂缝,为地裂活动平静期。1988~1996年,年均出现地裂缝1群,为第二活动高潮期,但活动强度远低于第一高潮期。至今研究区未出现地裂活动高潮。3奥灰水上升下降及水化学类型的变化如图4所示,1979年11月开始,在小赵庄进行大强度变流量开采奥灰水活动。先以7.8×104m3/d的强度抽水,水位由13.2m降至-6.8m(46-2);1980年2月开采量改为3.7×104m3/d,水位迅速回升到3m,尔后随时间降至-1m;1981年4月又调整为2.6×104m3/d,水位又回升到2m,随后波动下降,至1984年相对稳定在-2m左右,奥灰水位与第四系水位(水3)已较接近,并呈同步升降变化。由上述可知,从1979~1984年,地裂区奥灰水承压水头下降20~15m,降至孔隙水水位之下8~4m,破坏了地下水天然流场,使奥灰水由顶托补给孔隙水变为接受孔隙水的补给,奥灰水观测孔中水化学类型也由HCO3·SO4—Ca·Mg型逐渐变为HCO3—Na型。这种水动力场与水化学场的变化表明:奥灰水与松散盖层孔隙水联系密切,水3(Q)和46-2(O2)两观测孔水位同步等幅升降现象可以证明二者关系外,还说明人为抽水输入奥灰含水系统的干扰信息,能够迅速得到盖层孔隙水的响应,揭示出地裂区地下含水岩系具有良好的系统性能。因此,在该地下水系统中抽取奥灰水,必然导致松散介质内应力状态的变化,当这种改变足以使地表土体完整性破坏时,则地裂现象发生。当然,地表土体内应力的聚集与释放并非瞬间完成,存在一个积累过程。从以7.8×104m3/d的大强度抽取奥灰水,到地裂活动明显加强或第一活动高潮期期中,历时两年半,因此认为地裂缝的大量显现滞后于大强度抽水2.5年。4地下水对含水层的控制作用区内地裂缝分布范围小、界限明,活动频度高、密度大,隙面粗糙、无位移、张性等非构造成因特征明显,而邻区没有这一现象。因此,排除内动力致裂因素,认为本区地裂缝是大量抽水,导致结构破坏而发生在盖层的一种灾害现象。研究区松散盖层厚度变化较大,上部为潜水,下部为承压水。下伏基岩埋深较浅,顶面起伏不平。中部区奥灰岩岩溶裂隙发育,连通性极好,富水性极强,与上覆孔隙水通过水压差或“天窗”形成很好的水力联系。奥灰含水层与其东西两侧寒武系石炭系页岩构成的隔水边界、上游进水断面、下游弱透水的工部庄断裂以及上覆松散盖层,构成一个完整的地下水系统。在该系统的任何部位抽水,都会引起整个流动系统的响应,表现为整个系统水量的减少。天然状态下,承压含水层在地下水和地层弹性的影响下,形成高水头能态,主要表现为向上的浮托力。所以埋藏在承压含水层之上的松散盖层也好象处于“悬浮”状态。在大强度开采承压水时,虽然没有发生含水层的疏干现象,但引起了压力水头的大幅降低(20~15m),必然导致地层压力的减小。随着地层压力下降,弹性能量逐渐释放,地下水系统范围内浮托力降低,有效应力增大,陷落固结压密作用形成,结果引起地面沉降。地裂区盖层中粘性土分布广,厚度大(占60%~70%),具较大的孔隙比(0.8~1.1)和较高的压缩系数(0.3~0.7),主要发生塑性变形;砂层属中低压缩性土(e=0.6,α=0.08~0.1),主要产生弹性变形,在地下水位下降时,二者一起构成固结压密作用的基础。区内12个专设高程点的监测数据表明,地面高程继变流量抽水发生同步不等幅升降,总体呈逐年波动下降的变形特征,反映出随着地下水位逐年波动下降,土层弹、塑性变形交替变化的规律。5地裂缝分布的特征:地面变形、剪应力、张拉物。请看,盖层是弹性平板的高度约,地下已有研究表明,对于单井抽取承压水所形成圆形沉降区的应力场及应变场,有以下结论:①地面沉降的变化滞后于承压水位的变化。②漏斗中心垂直位移量最大,离漏斗中心越远,垂直位移越小。③随抽水量增加,地面沉降量增加,范围扩大。④抽水引起垂直位移外,还可引起水平变形。沉降区边缘径向拉张应力与应变最大,但无水平的剪应力、剪应变。虽然该结论是将盖层概化为一弹性平板得出的,但它与本区地面变形和地裂缝分布特征基本相符。如地裂缝滞后大量开采奥灰承压水2.5年才出现,并分布在以小赵庄为中心的蛋圆形区域的边缘,皆为张性。而且赵庄正是开采井群中心,这里测得年沉降最大值(12mm)。由于盖层非均匀的弹性平板,而是受地下水系统结构控制的岩性、厚度差异较大的松散土层,并且是一种变流量的井群抽水,所以地裂缝走向与结论不完全吻合。借用这一原理,解释严重地裂区边缘地裂缝特别发育的现象,可以看作一个两端固定的简支梁,支梁相当于奥灰含水层上覆松散盖层,支点则代表含水层东西两侧的隔水边界(相当于漏斗边缘)。当在该地下水系统抽水时,承压水头下降,地层自重压力增加,相当于在支梁上施加一个向下的力,则支梁中心部位将受到压缩,故严重地裂区中间部位(最大压缩应变区)地裂不发育,而支点处(地下水系统的边界)受到拉张,故地裂区边缘地带(拉伸应变区)地裂缝特别发育。6地表土体变形变形机理(1)大强度变流量开采奥灰水使承压水位大幅下降,是引发地面沉降乃至地裂缝的主导因素;厚度可观的粘性土层及砂岩是固结压密变形的物质基础;地下水系统特性和松散盖层厚度不均是产生不均匀沉降变形的充要条件;地裂缝则是地面不均匀沉降变形的最终结果。(2)对于盖层厚度较大的“大二元结构