4-14苏－锡－常地区地裂缝灾害研究.pdf

苏－锡－常地区地裂缝灾害研究苏－锡－常地区地裂缝灾害研究 宗开红 （江苏省地质调查研究院） [提 要][提 要] 在进入上世纪八十年代以来，苏－锡－常地区国民经济持续高速发展，但对地 下水资源的超量开采，破坏了均衡的地质环境，诱发了一系列地质灾害，如地 面沉降、地裂缝、渍害等等，尤其发展迅速的地面不均匀沉降地裂缝灾害， 破坏性大，给社会造成了不安定因素和负面影响。本文着重讨论地裂缝的形成 机制，以期能对地裂缝灾害进行更好的预测，达到减灾防灾的目的。 [关键词][关键词] 苏锡常地区 地裂缝 研究 苏－锡－常地区自改革开放以来，地方经济突飞猛进，目前已经成为我国东部沿海经 济最为发达的地区之一。但是，相对苏锡常地区经济建设的高速发展，环境保护明显滞 后，尤其是对地质环境的保护意识的淡漠，长期超量开采地下水资源，引发了区域性地面沉 降地质灾害。 苏－锡－常地区地面沉降主要发生在最近 30 年中， 中心城市区稍早， 外围县市区稍晚， 时间上与地下水开采史基本一致。20 世纪 80 年代中期以前主要发生在 3 个中心城市及锡西 地段，八十年代中期以后，随着地下水开采区的扩大和开采强度逐年骤增，地面沉降问题也 迅速扩大至区域（图 1） ，发生程度也越来越严重化（表 1） 。 图 1 苏 锡 常 地 区 地 面 沉 降 发 展 变 化 图 现状中累计沉降量大于 200mm 的区间面积近 6000km2， 约占苏－锡－常平原地区总面 积的 1/2，而 500mm 等值线已连片圈合了 3 个中心城市，面积超过 1500 km2。 与此同时， 在区域性地面沉降发生、 发育过程中， 由于存在特定的地质环境背景条件 （基 岩潜山、古埋藏阶地、含水砂层分布不均等） 。及人为开采地下水的方式、方法不合理，导 致了在苏锡常地区的局部地方， 发育了地面不均匀沉降地质灾害， 在地表则以地裂缝的 形式表现出来。 它破坏了地表建筑物及地下管线等掩蔽工程， 严重影响了地方经济的可持续 发展。 苏－锡常－地区地裂缝最初发生于20世纪80年代末期， 鼎盛发育期为20世纪90年代， 本世纪初的几年间，亦陆续有发生。 表 1 苏锡常地区地面沉降发展变化情况统计一览表 地面沉降漏斗面积（平方公里） 时间 年 累计沉降量 200～600mm 累计沉降量 600～1000mm 累计沉降量 1000mm 1986 282 62 6 1991 1358 220 28 1999 3888 898 351 2002 4344.66 989.15 439.7 １ １ 地裂缝分布发育特征 苏－锡－常地区地裂缝的分布发育,无论在空间上、时间上均是有规律可循的。 1.1 空间分布特征 1.1 空间分布特征 （1）平面特征 苏－锡－常地区地裂缝地质灾害的平面形态则呈线条状，或直或曲，或呈雁行式排列。 大多在主裂缝两侧分布发育一定宽度的裂缝带， 一般宽度小于 100 米， 地裂缝延伸从数十米 到千余米不等。 （2）剖面特征 苏－锡－常地区地裂缝地质灾害的剖面形态， 一般不甚清晰， 大多呈裂缝两侧上下错移， 在地表形成陡坎状或阶步状地裂缝；亦有的呈“V”字形开裂状，地表裂缝宽度一般在 2～ 80MM 左右，裂缝可见深度一般均在 20～40CM 左右。经对无锡市石塘湾因果岸地裂缝灾害进 行剖面开挖及进行物探面波（SWS）测量显示，开挖剖面中裂缝的深度达 3ｍ（图 2） ，面波 勘探成果揭示， 裂缝两侧相同第四系地层遭切割影响的深度可达 36ｍ之深;根据三维地震勘 探成果的分析，地裂缝的影响深度可达基岩面，影响深度达到 60～80 米。 图 2 无锡石塘湾因果岸地裂缝剖面素描示意图 （3）方向特征 苏－锡－常地区地裂缝地质灾害分布发育的方向性比较明显，大多呈 NE 向或 NNW 向分 布； 亦发育一些呈环状分布发育的地裂缝灾害， 经对裂缝的发育方向进行玫瑰花图统计分析， 方向性不太明显（图 3） 。 图 3 常州大学城南周村地裂缝发育方向玫瑰花图 1.2 时间发育特征 1.2 时间发育特征 经对苏锡常地区地裂缝发育的时间进行统计， 其与区内地面沉降灾害发育的高峰期 具有明显的相关性。本区地裂缝始发于 1989 年，在以后的近 20 年中，几乎每年均有地裂缝 灾害的发生，鼎盛期在 20 世纪 90 年代，尤其是 1995 年，本区即有 6 处地方发生地裂缝灾 害，本世纪初有下降的趋势。 1.3 不同地质环境背景条件下产生不同类型地裂缝 1.3 不同地质环境背景条件下产生不同类型地裂缝 不同的地质环境背景是地裂缝产生的内在因素。因此，在有埋藏山体、古埋藏阶地、埋 藏基岩陡崖分布发育的地区，通常发育线状地裂缝，具有一定的延伸性；如江阴市长泾河 塘无锡张泾杨墅里地裂缝带，即属该类型地裂缝；在地下水主采层以上的第四系沉积物， 存在明显的沉积差异的地区， 受地下水疏干因素的影响， 多形成半环状发育的与土层结构差 异有关的地裂缝， 如常州市漕桥地裂缝灾害。 在第四系沉积物中主采含水砂层不太发育或发 育较差的地区， 人们通常采取上下含水层综合开采的方法抽取地下水资源， 进而在局部地区 地下水水位形成局部的降落漏斗， 使得局部地区的水力坡度变陡， 在地表产生以环状为主的 地裂缝灾害，如常州大学城南周村地裂缝灾害即属该类型。 1.4 地裂缝具持续性发展的特点 1.4 地裂缝具持续性发展的特点 苏锡常地区地裂缝发生发展， 在一定时间内具持续发展的特点， 它们一般均在汛期 或雨季初现，一旦形成后，沿裂隙面继续跌落加剧，是不稳定的发展状态。据野外调查，苏 锡常地区目前仍有 5 处地裂缝具有进一步发育的特点，15 处地裂缝则处于相对稳定的 发展阶段，5 处则已处于稳定阶段。 2、2、地裂缝形成机制研究 苏锡常地区地裂缝形成的主要影响因素有客观存在的地质背景条件（基岩面起伏 特征、基岩岩性、古埋藏阶地、第四系地层结构的差异、含水层的结构特征等）及人类为了 发展经济而对地下水资源的无序、 过量开采所产生的破坏作用。 不同类型地裂缝的形成机制， 是不同影响因素，在不同地区、不同的地质背景条件下共同作用的结果。 2.1 潜山型潜山型 主要是第四纪地层差异、 古基底起伏变化和区内强烈开采地下水造成地面沉降这一外在 因素综合作用的结果。长期超量开采地下水，引起含水砂层及地下水储集层中的水头下降， 造成地下含水砂层本身及上覆土层释水压缩， 出现地面沉降； 由于土层本身的结构差异或沉 积基底起伏等环境地质条件不均一时， 即在土层压缩造成地面沉降的过程中出现明显的地面 差异沉降，在土体内形成侧向张应力，当侧向张应力达到或超过土体的极限抗拉强度时，则 在地表以地裂缝灾害的形式表现出来（图 4） 。 图 4 基岩潜山型地裂缝形成地质模式图 2.2 地下水综合开采型 2.2 地下水综合开采型 地裂缝发生带附近分布有集中开采的深井，开采量较大，开采方式以第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压 含水层均作为取水资源进行开采，由于Ⅱ、Ⅲ承压含水层不甚发育，富水性差，区域Ⅱ、Ⅲ 承压含水层水位已降到-60 -70 米，深井主采层则以近地表的第Ⅰ承压含水层为主，导 致区内地下水含水层上下贯通，尤其是浅层水（潜水、第Ⅰ承压水）水位急剧下降，形成以 深井为中心局部的水位降落漏斗（图 5） 。近地表的软土层和Ⅰ承压含水砂层压缩、变形所 致，Ⅰ承压含水层具有埋藏浅、颗粒细、渗透性差等特点，强烈开采作用下，粉粒随地下水 流失，砂粒重新排列，形成的水位降落漏斗形态较陡，水力坡度较大，往往容易形成地面不 均匀沉降地质灾害。 图 5 地下水综合开采型地裂缝形成地质模式图 2.3 土层结构差异型 2.3 土层结构差异型 地裂缝发育区近地表第四系沉积结构明显， 尤其在地表硬土层之下发育厚度不均一的高 压缩性软土层（淤泥质亚粘土层） ，而淤泥质亚粘土层的液化指数、天然孔隙比、渗透系数 相对较大。当降水偏少的年份来临时，地下水开采层越流补给条件差，加之长期过量开采， 造成地下水水头急剧下降， 促使高压缩软土层压密释水， 形成塑性变形， 造成地面持续沉降， 最终诱发地裂缝灾害（图 6） 。 图 6 土层结构差异型地裂缝形成地质模式图 2.4 埋藏阶地型 2.4 埋藏阶地型 与基岩潜山型地裂缝的形成机制具有相似性，其主要影响因素为古埋藏阶地或基岩陡 崖（具线状分布特点） 、第四纪地层差异和区内强烈开采地下水造成地面沉降这一外在因素 综合作用的结果。长期超量开采地下水，引起含水砂层及地下水储集层中的水头下降，造成 地下含水砂层本身及上覆土层释水压缩， 出现地面沉降； 在埋藏阶地或基岩陡崖的边缘部位， 土层压缩造成明显的地面差异沉降， 并具线状分布特点， 则在地表以线状分布的地裂缝灾害 的形式表现出来（图 7） 。 图 7 埋藏阶地型地裂缝形成地质模式图 2.5 岩溶型 目前苏锡常地区发育的该类型地裂缝其形成机制与潜山型地裂缝具有相似性， 其主 要影响因素为基岩隆起（基岩岩性必须是以具有可溶盐特征的灰岩地层） 、岩溶发育、第 四纪地层差异和区内强烈开采地下水造成地面沉降这一外在因素综合作用的结果。 长期超量 开采地下水， 引起含水砂层及地下水水位下降， 造成地下含水砂层本身及上覆土层释水压缩， 出现地面沉降；在岩溶发育区，土层失水并压密，造成上覆松散堆积物垮落，诱发地面产生 不均匀沉降，尤其在岩溶塌陷的边缘部位，在地表容易产生环状的地裂缝灾害（图 8） 。 图 8 岩溶型地裂缝形成地质模式图 3 基于 GIS 的地裂缝易发区划分 3 基于 GIS 的地裂缝易发区划分 目前，GIS 空间分析手段，已越来越多地应用于地质环境的定量或半定量分析评价。 苏锡常地区地裂缝研究运用 Arc/Info 手段， 对区内地裂缝发育的空间特征进行了模拟。 3.1 因子的确定 3.1 因子的确定 地裂缝灾害易发区的划分，主要依据基岩面的起伏形态、第四系沉积物分布的厚度差 异性、地下水位、地下水含水层的空间特征、地面沉降等五方面因子，它们在地裂缝的发育 过程中作用明显。 3.2 评价模型 3.2 评价模型 基于 GIS 的评价模型，其数据表达式为 i n i i CWI∑ 1 式中 I危险指数，表示各影响因子综合作用的叠加结果； Wi第 i 项因子的权重； Ci第 i 项因子的量化赋值； n影响因子的个数。 N Y 图 9 基于 GIS 的地裂缝灾害评价流程 评价因子的数字化 确定评价标准评 价 标 准 体 系 的 因子的相对重要性分析 输 出 空间叠加分析 模型的精度评价 3.3 评价程序 3.3 评价程序 GIS 辅助下的地裂缝空间分布区划流程见图 9 所示。 Arc/Info 中的空间叠加实际上是图层的叠加， 一切空间分析都是以数字地图为对象进 行的。经过多次调整，苏锡常地区地裂缝评价分区模型如下 I0.33*C基岩 0.12*C第四系 0.19*C地下水位 0.16*C含水层 0.2*C地面沉降 根据影响因子综合影响总分值的由高到低，对评价结果进行定性分类，分类在原则上 反映灾情的现状严重程度，并作相应的面积统计，统计情况见表 2。 评价结果分区统计结果 评价结果分区统计结果 表 2 危险性分区 危险区 一级易发区 二级易发区 相对安全区 分区阈值 I5.85 4.20I≤5.85 2.50I≤4.20 I2.50 面积统计（km 2） 288.8 840.01 1643.47 7393.99 3.4 各级地裂缝灾害易发区的地质背景分析 3.4 各级地裂缝灾害易发区的地质背景分析 由评价结果可见， 苏锡常地区地裂缝地质灾害发生区和潜在危险区主要集中分布在 常州戚墅堰以东、吴县黄埭以西的中部块段。该块段内的第四系基底相对二侧隆起，基岩面 埋深较小，其起伏变化区间恰恰又在Ⅱ、Ⅲ承压含水砂层发育深度内，客观具备发生地裂缝 灾变的特定地质环境条件，但不同等级区的地质背景又因地而异。 3.5 地裂缝灾害易发区带的圈定 3.5 地裂缝灾害易发区带的圈定 根据上述模型运行结果以及目前的认识程度，初步确定地裂缝灾害易发区的划分原则 主要依据基岩面（潜山、埋藏陡岩）的起伏形态、第四系沉积物的分布及厚度差异性、孔隙 承压含水砂层厚度发生明显差异变化的线型边界（大多为古河道的边界）等条件综合确定。 初步圈定出六个地裂缝地质灾害易发区带和可能存在地裂缝地质灾害隐患的地段（图 10） 。 图 10 苏锡常地区地裂缝地质灾害易发区分区图 （1） 横林地裂缝地质灾害易发区带 大体以横林镇为中心，沿 NE 构造线走向，西南至湖塘桥、马杭、戚墅堰，为江南断裂 控制的特定条带区，面积约 30km 2。 （2） 横山桥地裂缝地质灾害易发区带 横山桥地处芳茂山山前地貌变化部位，基岩面由裸露转向陡跌，推测有埋藏型断层崖 控制中更新世古河道，两侧地面沉降明显不均匀发生，为易发生地裂缝灾变的区带。 （3）无锡苏州古河道南侧基岩岸线地裂缝地质灾害易发区带 区带北西南东向延伸较长，西起锡山贾巷，往东南大体沿京杭运河，经无锡市区一直 延至苏州浒关的条带内。 该带是苏锡常地区极需警视的地裂缝地质灾害易发区带， 目前 已发现的贾巷和毛村园二处地裂缝灾点均在该区带内。 （4）江阴南部古河道南界地裂缝地质灾害易发区带 分布锡山境内的堰桥、长安、厚桥、安镇间为基岩断块隆起，受其影响，推测潜山、断 层崖较发育， 是环境地质背景条件变化较大的区带， 实为区内地裂缝易发区带。 石塘湾秦巷、 堰桥、河塘及长泾等地已发现的地裂缝均在该带中。 （5）东亭地裂缝地质灾害易发区 在锡山新市区（东亭）西郊一带，从已形成地裂缝地区的勘探结果显示，可能与岛状 残留分布的潜山有关， 也可能与浅部地层因素有关， 但诱发原因仍与强烈开采Ⅱ承压地下水 有关。 （6）张家港塘桥地裂缝地质灾害易发区 在张家港东南部塘桥、塘市、西张等乡镇地区，从迹象反应，地面沉降已严重发生， 但不均匀，在多处已见有地裂缝灾变问题。 （7）查桥地裂缝地质灾害易发区 位于吼山西侧山前平原北东向展布的条带区间，现状中已多处发生，并有进一步严重 化发展趋势。 4 地裂缝灾害防治对策 4 地裂缝灾害防治对策 地面沉降和地裂缝等地质灾害给苏锡常地区经济和社会的持续发展构成了严重制 约，必须采取切实有效的措施加以防治和治理。地质灾害防治必须贯彻“以防为主、防治与 避让”相结合的方针，进一步加强领导，提高认识，按照国家和省地质灾害防治管理规定， 科学规划，强化管理，把地质灾害造成的损失降低到最低限度。从勘察已得知，区内地裂缝 灾害，主要是地面沉降严重发生以后所显示的灾变形式，所以，最根本的还是需从控制地面 沉降着眼。在地面沉降重度发生区，应该深入研究各种影响因素，对地面沉降不均匀发展趋 势作出科学合理的评价。 尤其在被初步圈定为地裂缝地质灾害易发区内， 进行城镇建设和工程项目建设， 也必须 列为可能的地质灾害灾情之一，进行认真的危险性评估。在已发生的地裂缝灾区，应查明形 成原因，准确圈定危险区，布设监测网点，并落实具体的避让措施。 5 结语 5 结语 本文的研究成果是江苏省地质调查研究院三角洲项目组集体工作的结晶， 在此， 向所有 参与项目工作的老师、同仁表示衷心感谢