(论文)临汾盆地地裂缝成灾机理与减灾研究 Genetic Mechanism and Alleviation of Research for the Ground Fissures of Linfen Basin.pdf

第 2 6卷第 1 期 2 0 1 2年 3月 山西师范大学学报( 自然科学版) j o u rna l o f s h a n x i no r ma l u n i v e r s i t y na t u r a l s c i e n c e e d i t i o n v0 1 2 6 n o 1 ma r 2 01 2 文章编号 ： 1 0 0 9 - 4 4 9 0 ( 2 0 1 2 ) o 1 - 0 0 8 3 - 1 3 5 临汾盆地地 裂缝成 灾机理 与减 灾研 究 董晓晓， 韩军青 ( 山西师范大学城市与环境科学学院，山西 临汾 0 4 1 0 0 4 ) 摘要： i 临汾盆地是山西省地裂缝灾害的高发区， 直接影响着工农业生产和城镇居民生活 ， 严重制约着 本区的经济发展 通过系统研究临。汾盆地地裂缝灾害的空间分布、 形成原 因及成灾机理， 提出了工民建 筑、 交通道路、 地下管线等工程防治地裂缝灾害的对策 关键词：临汾盆地； 地裂缝 ； 成灾机理 ； 防治对策 中圈分类号 ： p 6 9 4 文献标识 码 ： a 地质环境 的变化与人类 的活动密切相关 ， 自然 的变迁和人类对地壳的开发引发 了许多地质灾害 ， 地裂缝就是一种十分 常见 的地质灾害类型 临汾盆 地位于山西省南部 ， 是一个晚新生代断陷盆地 ， 总体 走 向 n n e s s w， 面积约 5 0 0 0 k m 盆地 内新构 造活动 十分强烈 ， 地裂 缝活 动强度 ： 赶， 频 率高 ( 图 1 ) 2 0世纪 7 0年代以来 ， 地裂缝成为困扰本区城市 规划 、 土地利用 、 房屋建筑 、 地下管线工程和工农业 生产 的重要灾害 j 1 临汾盆地地裂缝空间分布 图1 临 汾 盆 地 地 裂 缝 分 布 图 f i g 1 t h e g r o u n 【d f i s s u r e s d i s t r i b u t i o n o f l i n f e n b a s i n 临汾盆地地裂缝深度大、 连通性强、 以n n e 、 n e和 e w 向为主干裂缝， 呈斜列式或串珠状分布， 其活 动特征以水平拉张和垂向差异形变为主 ， 水平扭动次之 因其灾害显著 ， 受到当地政府和人 民群众 的普遍 关注( 表 1 ) 2 临汾盆地地裂缝灾 害特征 本区地裂缝灾害表现为对地面、 表建筑物 、 地下工程设施的破坏 ， 直接威胁着人们 的生命财产安全 就 其灾害过程而言 ， 则以缓慢和快速两种方式进行 ， 其灾害特征可概括为 以下几个方面： 2 1 空间分布的有限性 地裂缝的破坏作用主要出现在地裂缝通过的范围内， 对离开地裂缝 的工程实施基本没有影响 ， 其三维 空间的有限性 表现为 ： 在水平方向上 ， 地裂缝两侧 ， 破坏程度随着距离增加而迅速衰减 沿地裂缝走 向， 直线段对建筑物破坏宽度小 ， 交汇区或斜列 区对建筑物破坏宽度大 ； 在垂直方 向上 ， 地裂缝宽度从上向下 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 0 - 0 9 基金项目：国家自然科学基金资助项 目( 4 1 0 7 1 0 0 4 ) 作者简介：董晓晓( 1 9 8 7 一) ， 女， 山西临汾人， 山西师范大学城市与环境科学学院硕士研究生 ， 主要从事区域经济与可持续 发展方面 的研究 通讯作者： 韩军青( 1 9 5 2 一 ) ， 男 ， 山西长治人 ， 山西师范大学城市与环境科学学院教授， 硕士生 导师， 主要从事区域经济与 可持续发展方面的研究 万方数据 8 4 山西师范大学学报( 自然科学版 ) 递减 ， 张 陛地裂缝破坏性大于扭性地裂缝 表 1 临汾盆地 主要地裂缝灾 害分布统计 ta b 1 the ma i n g r o un d f i s s u r e s d i s a s t e r o f l i n f e n ba s i n 2 2发生时间的周期性 地裂缝受 区域构造、 地震 、 地下水 、 气候和人类活动诸因素 的影响 ， 在时间上具有一定的周期性 ， 大的 地裂缝活动周期又常常与地震 、 旱涝周期相一致 l 5 j 2 3 成灾过程的渐变性 一 条地裂缝从孕育到形成 ， 要经过孕育期 、 形成期 、 活动期 、 伸展期四个过程 ， 不断开裂 、 加深和向两端 伸长 ， 故对建筑物的破坏最先发生在地裂缝 的开始地段 ， 逐渐沿走向发展 在新构造运动活跃 的地 区， 常常 会形成具有一定宽度的地裂缝带 ， 对建筑物 的破坏性会更大 所以 ， 在治理这种灾害时 ， 不仅要研究 已有的 地裂缝 ， 还要查 明是否有隐伏地裂缝存在 2 4区域分布的差异性 在临汾盆地内不同的地貌部位或地质构造单元 ， 地裂缝发育的走 向、 类型、 规模和致灾程度也不同， 表 现出明显 的区域性差异 万方数据 第 1期 董晓晓韩军青 ： 临汾盆地地裂缝成灾机理与减灾研究 8 5 3 地裂缝的类型及成灾机 里 根据地裂缝的成 因， 临汾盆地裂缝分为两种基本类型 ： 构造地裂缝和非构造地裂缝 3 1 构造地裂缝类型与成灾机理 构造地裂缝是指 由地震活动或断层活动在地表形成的地裂缝 视其活动特点不 同， 又可分为 ： 地震地 裂缝和断层地裂缝 _ 6 j 3 1 1 地震地裂缝 在盆地基底中所积累的应变能 ， 超过岩体所能承受 的极 限时 ， 就会造成突然破裂( 或沿老断层的新活 动) ， 将积聚的能量 以地震波的形式释放出来 地震波在地面形成的裂缝( 节理 ) ， 就叫地震地裂缝 临汾盆 地是山西地震带的高发区， 据历史记载共发生过5 级的地震2 1 次， 其中8 级大地震两次， 地震地裂缝分 布面积大 ， 灾害多_ 1 j 3 1 2断层地裂缝 是指 由基底断层活动在地面形成的地裂缝 断层地 裂缝形成缓慢 ， 受灾体可在长时间内受其作用力 的影响 形成连续性破坏 临汾盆地基地破碎 ， 断层纵横交错 ， 并 且十分活跃 ， 所 以断层地裂缝也较发育 如龙祠 席坊沟 地裂缝带就是一个典型的例子 ， 2 0世纪 7 o年代 以来一 直在缓 慢 活 动 着 ， 造 成 地震 台 和 水 泵 房 多 次 出现 裂 缝 3 1 3构造地裂缝成灾机理 构造性地裂缝成因表 明， 它对建筑物 的破坏力源是 内力作用产生的构造应力 在构造应 的作用下， 由盆地 基底断层活动引发地表土体开裂 ， 造 成基底断裂一地表 开裂一建筑物基础受损一建筑物破坏 ， 这是一个 自下而 上的应力传递破坏过程 构造地裂缝致灾机理见图 2 3 2非构造地裂缝类型及成灾机理 非构造地裂缝是各种外力作用 的产物 ， 按受力方式 又可分为 ： 贯通地裂缝 、 沉降地裂缝和塌陷地裂缝 j 3 2 1 贯通地裂缝 f 地面及各类工程建筑物破环 t 附 句 【 莺力 t 地 下 工程破 环 地基 破环 t 土 体 破 坏 f t 构 造地 裂缝 地 震地裂 缝 1 t 蠕 滑断 层 地 震 断层 缓 t 运 快 运 慢l 动 速 动 l 应 力 释放 地 应 力 源 图2 临汾盆地构造胜地裂缝成灾机理图 f i g 2 th e c a us e 8 a nd me c ha ni s ms o f t e c t o n i c g r c lu n d f i s s u r e s o f l i n f e n b a s i n 是指表土层的先成裂缝( 成土裂缝 、 风化裂缝 、 黄土中的垂直节理和 部分隐伏闭合土层构造裂缝) ， 在 地表水( 暴雨、 山洪等) 和地下水的冲刷、 潜蚀等作用下， 使先成裂缝不断地向上发展， 同时推动裂缝土体 产生水平方 向上的位移加速而成 ， 当地人们称这种地裂缝为“ 流海缝” 这种地裂缝 主要形成于每年 7月 、 8月 、 9月份的暴雨期和洪涝期 历时短、 来势猛 、 复发性高、 破坏性大 ， 是临汾盆地中分布最广泛 、 破坏性最 强的一种地裂缝灾害 如 1 9 8 6年 9月的一场暴雨后 ， 在襄汾县孝村西南 出现多条长度约 3 0 0 m一 5 0 0 m的 地裂缝 ， 以后又连续在 1 9 8 9年 8月 、 1 9 9 2年 8月、 1 9 9 4年 7月暴雨后 开裂并不 断加深加宽 ， 总长度达 1 5 0 0 m， 呈“ c ” 型延伸入村内， 损坏民房 、 储苹果窖 、 耕地 、 果园多处 ， 造成了严重灾害 3 2 2沉降地裂缝 是指在盆地 中不 良土体分布区受地下水潜蚀作用 ， 使局部土体液化：或流失而引起表土沉降所形成 的 地裂缝 临汾盆地广泛堆积了黄土或次生黄土地层， 黄土垂直节理发育， 显陷性强， 加上本区气候干旱， 降 水分布集中 ， 为沉降性地裂缝提供了发育的水文地质条件 如古河道 、 填： 、 地面积水、 农 田不合理灌溉、 渠 道渗漏、 城市大量超采地下水和输排水管道破裂等， 都是引发此类地裂缝的主要原因 z 2 z 塌 陷地裂缝 是指盆地 中的废弃矿坑 、 古溶洞 、 现代煤矿采空区 、 地下空穴 ( 防空洞 、 古墓 ) 等在重力作用下 ， 塌陷后 在地表形成 的裂缝 这类裂缝 由于分布局限， 危害性小 ， 仅在塌陷区范 围内造成一定 的破坏 万方数据 8 6 山西师范大学学报( 自然科学版) 3 2 4非构造地裂缝成 灾机理 非构造地裂缝是在冲积物 、 洪积物 中先成 裂缝 和地下空道 的基础 上 ， 由重力和地表水 的反复 ( 周 期性 ) 作用( 下渗 、 淋洗 、 冲刷 、 溶解 、 潜蚀 ) 下使类黄 土物质发生湿陷 、 液化 ， 地下空道顶板软化而塌陷 ， 引起先成地裂缝进一步开裂扩大， 它是先成裂缝 、 地 下空洞和黄土湿陷性等在地表的再破裂效应 通常 先成裂缝 以微闭合状态隐伏于各种土层 中， 而地下 水和重力作用则 为其 开启创造 了条件 ( 图 3 ) 非构 造性地裂缝 灾害多发生 于冬春灌 溉时期 和 7月 、 8 月 、 9月的雨季 在城市则与大量开采地下水 和大型 。i g 工程建筑等活动关系密切 4 临汾盆地地裂缝灾害防治对策 边 界 断 裂 图3 临汾盆地非构造地裂缝成灾机理图 3 th e c a us e s a n d me c h a ni s ms o f no n t e c t o n i c g r o u n d f i s s u r e s o f l i n f e n b a s i n 地裂缝灾害 日益受到人们的关注 ， 由于其成因复杂 ， 影响因素多 ， 使得防治工作难度增大 ， 本文提出以 下防灾减灾对策 4 1 资源开采与防灾减灾 由于长期大量开采地下水 ， 造成地裂缝显露甚至加速发展 ， 是临汾盆地 当前地裂缝 灾害频发的主 因 为减少财产和经济损失 ， 防止地裂缝灾害发生 ， 提出以下治理对策 ： 4 1 1 严 格 限制 地 下水 的超 采 选择合理开采方式和时问， 有条件时进行人工回灌， 提高地下水水位， 增加孔隙含水量， 提高土体的 承载力 ， 有效减少地裂缝灾害 4 i 2合 理规 划地 下矿床 开发 地下矿产资源开发要贯彻“ 在保护中开发 ， 在开发 中保护” r 的政策 ， 以免乱采滥挖矿产资源 ， 造成地 裂缝进一步扩大 ， 区域经济要遵循“ 可持续发展 ” 的政策 对于已经成为采空区， 并且出现地表裂缝 、 地面塌陷的情况 ， 应该及时填埋 在采空密集分布区， 采取 围堤挖沟的政策 ， 防止裂缝或塌陷区的积水 ， 以免造成积水塌陷 4 1 3 不断加强生态环境建设 夏季汛期来临， 采取措施利用好汛期水资源和一些小 区域 的水 源， 减 少地表径流 ， 增加入渗补给地下 水 大力开展植树造林 ， 涵养水源， 增加大气降水人渗量 4 2居 民建 筑与 防 灾减 灾 4 2 i 建筑 选址 避 让原 则 由于地裂缝对建筑物的破坏是难 以避免 的， 那么有效可行 的防灾办法是坚持“ 避让为上” 的原 则 在 施工设计时 ， 尽量避开有地裂缝活动或有潜在地裂缝活动的地段 ， 应给建筑物预留出足够 的安全距离 4 2 2 已有建筑物防灾减灾 对于建筑物处在地裂缝带内的， 如果破坏严重应 当及时拆 除， 如果破坏较轻或者是一些古庙宇 、 古楼 台、 纪念性建筑等特殊建筑 ， 必须尽快采取有效措施防止地裂缝的进一步破坏 ( 1 ) 处于地裂缝两侧 的建筑 ， 容易发生局部变形 ， 可对局部施行加 固处理 例如 ， 旋喷加 固地基 、 钢筋 混凝土梁加固上部结构等工程措施 j ( 2 ) 对于横跨地裂缝的建筑， 行之有效的办法是将破坏部分拆除， 保护整体的部分， 以减轻地裂缝灾 害和减少经济损失 若施行加 固措施 ， 虽可起到一定 的作用 ， 但从长期来看 ， 对整体破坏更 为严重 有研究 表 明： 加 固后的建筑物虽然在整体性上得到加强 ， 但应力传递反而导致建筑物的破坏宽度进一步扩大 ， 一 般情况下加 固体和原有墙体在 1年 3年之间就会发生变形或破坏 4 3 管线道路与防灾减灾 万方数据 第 1 期 董晓晓韩军青： 临汾盆地地裂缝成灾机理与减灾研究 8 7 城镇地下管线和地上道路均为线状分布 ， 抗剪性和抗张性差 ， 在无法避免跨越地裂缝 ( 带 ) 时， 可采取 以下工程措施 ： 4 3 1 管线工程 ( 1 ) 地上管线工程 在地面上 的水管线 ， 关键是避免其与地面土体一体活动 在穿过地裂缝地段 ， 可在 管道底部铺设一定厚度的碎石垫层或使用预应力拱梁管道置于拱顶l_ 8 j ( 2 ) 地下管线工程 可将地下 的直埋式管道改为悬空式 ， 用环管或廊道消除地裂缝活动对管道产生的 张应力 的拉断破坏或剪应力 的剪断破坏 ( 3 ) 重要管线工程 输油、 输气和： 缆等管线， 在通过地裂缝( 带) 处， 需安置监测设备定期监测活动情 况， 及时释放应力 和调整管线 的工程结构 ， 确保管线工程的安全 、 正常使用 ( 4 ) 管线材料选择 选用 p v c 材料管替代水泥管、 陶管和铸铁管 ， 在连接 口采用具有柔性的新材料 ， 以防止管 口的错位或拉脱 ， 减少维修 费用 ， 延长管线使用期 4 3 2道路 工程 道路工程相比管线工程而言防护措施比较简单 因道路工程本身暴露在地表 如果出现地裂缝情况， 容易及 时发现且修复 比较方便 对处在地裂缝带 内而又无法避开的工程段 ， 要把整体铺设改为预制块体铺 设 ， 在下部铺设碎石层 ， 以减轻地裂缝破坏 ， 保证道路安全通行 对于一些高等级的公路、 铁路和桥梁 ， 对路 面平整度要求较高 ， 要特别做好工程前期 的预应力处理 j 参考文献 ： 1 马志正 ， 韩军青 黄土 高原地貌 环境 灾 害 m 北京 ： 中国环境科学 出版社 ， 1 9 9 8 1 82 0 2 宋彦辉 ， 彭建兵 ， 卢全 中， 等 山西地堑 系一类特殊 的剪切一挤压型地裂缝 j 工程地质学报 ， 2 0 0 7 ， ( 4) ： 1 51 6 3 王思敬 中国城市发展 中的地质环境问题 川 第四纪研究 ， 1 9 9 6， ( 2 ) ： 3 5 3 7 ( 4 陈志新 地裂缝成灾灾理及 防御对策 j 西 荧工程学院学报 ， 2 0 0 2， ( 2 ) ： 2 3 2 4 5 苏宗正 山西 断陷带地震活动 的新构造背景 j 山西地震 ， 1 9 8 8， 2 2 ( 4) ： 2 2 2 7 6 王景明， 王春梅 地裂缝及其灾害研究的新进展 j 地球科学进展， 2 0 0 1 ， ( 3 ) ： 2 0 2 3 7 马宗晋 山西 临汾地震研究与系统减灾 m 北京 ： 地震 出版社 ， 1 9 9 3 1l 1 f 8 马国栋 大同市地裂缝研究 j 地质灾害与防治， 1 9 9 0 ， 1 ( 2 ) ： 2 5 3 1 ge n e t i c m e c h a n i s m a n d al l e v i a t i o n o f re s e a r c h f 0 r t he gr o u nd fi s s ur e s o f li n f e n ba s i n doin g xi a o - x i a o，han j u n q i n g ( s c h o o l o f u r b a n a n d e n v i r o n m e n t c i e n c e ， s h a n x i n o r m a l u n i v e r s i t y ， l i n f e n 0 4 1 0 0 4 ， s h a n x i ， c h i n a ) ab s t r a c t ：t h e l i n f e n b a s i n i s a a r e a t h a t g r o u n d fi s s u r e s f r e n q u e n t l y t a k e p l a c e i n s h a n x i p r o v i n e e，t h e g r o u n d fi s s u r e s h a v e d a ma g e d t h e i nd u s t r y a n d a g ric ul t u r e p r o d uc t i o n a nd g i v e n r i s e