曹 興,田雷瑜,盧全中,2,楊亞磊,喬建偉

(1.長安大學地質工程與測繪學院,陜西 西安 710054; 2.長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710054)

地裂縫的產生是由于在各種構造應力的作用下,地表發(fā)生破裂變形,當積累的構造應力超過了地層內部的作用力時,地表就會發(fā)生變形破壞,從而產生地裂縫[1]。地裂縫在世界各地廣泛分布,會使建筑物開裂,道路和橋梁發(fā)生破壞,水庫發(fā)生漏水等,給人們的生產生活造成嚴重的影響和經濟損失。因此地裂縫也逐漸成為廣大學者廣泛關注的地質災害問題。

對于地裂縫是如何產生的,目前主要有3種成因觀點,第1種是構造成因觀點,美國的Leonard[2]在1929年分析了亞利桑那州的地裂縫最早提出了構造成因觀點,他認為該處的地裂縫是由地震作用造成的。文獻[3]中也認為地裂縫是由于構造作用產生的,但是他們認為構造作用是起主導作用的,還有一些其他因素也會產生影響。第2種是抽取地下水成因觀點,徐光黎等[4]在研究地面沉降時發(fā)現(xiàn)地下水中承壓水對地面沉降有重要的影響,當承壓水被過量抽取時,地面就會發(fā)生不均勻沉降,從而在地表就會形成地裂縫。第3種是構造與地下水開采復合成因觀點,Holzer[5]對亞利桑那州的地裂縫重新進行了深入的研究,認為引起地裂縫的產生不只有構造作用的因素,還與該處開采地下水的因素有關。

除此之外,一些學者在研究中發(fā)現(xiàn)黃土的濕陷性也會造成地裂縫的產生。謝子強[6]在對晉西南峨眉地臺的地裂縫的研究中發(fā)現(xiàn),該處地裂縫的產生是由于黃土的濕陷性使黃土發(fā)生不均勻沉降在地表產生裂隙,雨水通過裂隙進入土體內,使該處的古裂縫重新發(fā)生活動引起的。2004年以來,王啟耀等[7]、鄧亞虹等[8]、彭建兵等[9]對汾渭盆地的地裂縫進行了詳細的調查和研究,并進行了一系列的物理模型試驗,已經基本查明了汾渭盆地地區(qū)地裂縫的分布規(guī)律,認為其成因機理是在斷層張拉應力和水共同作用下產生的。蔣臻蔚[10]、文艷[11]在研究水對地裂縫的影響時發(fā)現(xiàn)黃土的濕陷性也會導致地裂縫的產生,并首次提出了懸臂和差異沉降2種成因模式。研究以位于渭河盆地的西白村地裂縫為例,探討黃土的濕陷性對西白地裂縫的影響。

1 地質背景

1.1 區(qū)域地質背景

西白村位于關中盆地渭南地區(qū)的澄城縣,屬暖溫帶半濕潤、半干旱季風氣候,年平均氣溫14.8 ℃,年均降水量516 mm,無霜期218 d。在渭河和洛河的交匯處,該區(qū)域位于關中平原的東部,海拔為366～607 m,總體地勢為東高西低,從東到西依次降低。區(qū)域內的水系主要有洛河和灌溉用渠,水系比較發(fā)達。依據(jù)基底構造和結構形態(tài)特征可將該區(qū)域地貌分為黃土臺塬和河流沖積平原,如圖1所示。

1.2 場地地質特征

西白村所處的地貌單元為黃土臺塬,海拔500多米,其地勢較為平坦,地形起伏也不大。為了查明其地層,在西白村附近打了一個深約105 m的水文鉆,鉆孔揭露該處的地層如圖2所示。

圖1 西白村地貌圖Fig.1 The landform map of Xibai village

圖2 鉆孔柱狀圖Fig.2 Drilling histogram

根據(jù)現(xiàn)場調查,該地區(qū)主要有污水渠和用于澆地的水渠,再依據(jù)水文地質鉆探資料地層中分為一個四系中更新統(tǒng)砂層孔隙承壓含水層;埋藏深度為97.2～117.3 m,含水層層厚3.7 m。分布在第四系中更新統(tǒng)的下部,含水段的地層主要為細砂夾層,褐黃色、密實飽和、粉細粒結構、砂質純凈、級配不良,其中的礦物成分主要以石英和長石為主,暗色礦物次之。

2 西白地裂縫的基本特征

2.1 西白地裂縫的平面特征

西白地裂縫位于澄城縣西白村南側的鐵路旁,根據(jù)地質調查的結果判斷其位于黃土臺塬上。2007年該處首次出現(xiàn)地裂縫,由于對農田灌溉產生了較大影響,當?shù)剞r民進行了填埋處理。此后不久地裂縫重新出現(xiàn)。直到在2017年進行野外地質調查時,該地裂縫已經發(fā)展成分別位于鐵路兩側的f1地裂縫和f2地裂縫,f1地裂縫和f2地裂縫的長度大致相等,走向近似平行。

f1地裂縫位于鐵路的北側,走向約為48°,延伸的方向近似平行于水渠,延伸的距離約為750 m,根據(jù)現(xiàn)場調查,f1地裂縫的寬度為0.6～0.9 m,深度最淺的位置約有0.5 m,最深的位置可達1.5 m。在進行地質調查時,據(jù)當?shù)卮迕窕貞?從2007年發(fā)現(xiàn)第1條地裂縫開始,地裂縫引起的沉降區(qū)域就從南向北逐漸發(fā)展,沉降區(qū)域的最大沉降量可達1 m,但是由于影響當?shù)氐拇迕駶驳?他們對其進行了填埋處理,所以在進行野外地質調查時只能在地裂縫的形成處看見約15 cm的陡坎。在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)地裂縫距離水渠的距離在30 m左右,最大距離可達60 m; f1地裂縫在地表的表現(xiàn)形式主要以地裂溝、陷坑和陡坎為主,分析地裂縫的形成主要是受到水平張拉引起的。

f2地裂縫位于鐵路的南側,走向約28°,延伸的方向也近似平行于水渠,延伸的距離約為700 m,平地裂縫的寬度約0.2 m,距離鐵路的水平距離約為25 m。地裂縫在地表主要以裂溝和陷坑出現(xiàn),分析其成因可能是地表土體受到水平拉張應力引起的。

2.2 西白地裂縫的剖面結構特征

為了研究該處的地裂縫的產生是否是由于地下的斷裂引起的,依據(jù)現(xiàn)場的地質條件在鐵路南側的地裂縫附近布置了4個靜力觸探孔,靜力觸探結果顯示在地下20 m深度的范圍內,4個靜力觸探孔曲線的走向基本一致,說明該處的地層沒有斷裂也沒有大的錯斷。

為了探明西白地裂縫在地下的破裂擴展情況,對鐵路南側的地裂縫進行開挖,開挖的探槽尺寸為長30 m,寬8 m,深10 m,走向約為6°。從開挖的探槽可以看出,該地裂縫帶只有1條主裂縫,該地裂縫的上部較寬,向下逐漸變窄,頂部最寬可達0.5 m,向下逐漸變成1～2 cm寬的細縫,該地裂縫向下延伸約2.5 m,從所挖探槽的剖面可以看到裂縫近直立垂直向下發(fā)展,變成細縫又向下延伸7.0 m,并穿透了第1層古土壤又向下延伸了0.5 m。從探槽中還可以看出,主裂縫兩側無次級裂縫發(fā)育,裂縫帶地層在3～8 m的范圍內含水量明顯高于探槽的頂部和底部古土壤位置的含水量。在探槽中還可以看出在地裂縫破裂內地層沒有明顯的錯位,如圖3所示。

圖3 探槽剖面圖Fig.3 Cross-section of earth fissure revealed by trench

3 黃土濕陷性對地裂縫的影響

為了詳細研究黃土的濕陷性對西白地裂縫的影響,又在遠離水渠和靠近水渠開挖了2個深約10 m的探井,依次在距裂縫帶南5 m、裂縫帶、距裂縫帶北5 m、靠近水渠和遠離水渠的5個位置進行取樣,每挖1 m取1個土樣,對取回來的土樣進行黃土濕陷試驗。

3.1 黃土的濕陷性

黃土的濕陷性是指在上覆土層作用力或者在自重和附加應力共同作用下因浸水后土的結構發(fā)生破壞而發(fā)生顯著變形的現(xiàn)象。濕陷系數(shù)是衡量黃土濕陷性的重要指標。

按照規(guī)范黃土的濕陷系數(shù)依照下述方法進行測定:

(1) 按照所取土樣的深度分級加荷至試樣的預定壓力進行讀數(shù),土層深度在10 m 以內,壓力分層加載到200 kPa進行讀數(shù),然后將試樣浸水飽和,再進行讀數(shù)。

(2) 濕陷系數(shù)δzs值計算式為

其中:hz為加至200 kPa時,試樣變形穩(wěn)定后的高度(mm);hz′為在200 kPa時,試樣浸水濕陷變形穩(wěn)定后的高度(mm);h為試樣的初始高度(mm)。

對在探槽和探井中所取得的49個土樣進行了黃土濕陷實驗,得出的濕陷系數(shù)如圖4所示。

圖4 濕陷系數(shù)隨深度變化曲線Fig.4 Collapsibility coefficient with depth curve

根據(jù)規(guī)范可知<0.015的土為非濕陷性黃土,從圖4可以看出,水渠旁和裂縫帶北土層的濕陷系數(shù)全部<0.015,說明地裂縫北的土體已完全喪失濕陷性,也就是說該側已經完全發(fā)生了濕陷;裂縫帶和裂縫帶南3～6 m深的土未完全濕陷;遠離水渠的2～8 m的土層也未完全沉降,從圖4中還可以看出,古土壤以下的地層是不具有濕陷性的。

3.2 地裂縫兩側的黃土濕陷量

根據(jù)規(guī)范可知當土體的自重濕陷量>70 mm時,該部分場地即為自重濕陷場地。依據(jù)規(guī)范自重濕陷量計算式為

其中：δzsi代表第i層的自重濕陷系數(shù)；hi代表第i層的厚度,β可取 0.9。

通過上述的計算得出該場地的自重濕陷量為158.67 mm,遠大于規(guī)范中所規(guī)定的70 mm,所以判斷該場地為自重濕陷場地,該場地的黃土會發(fā)生黃土濕陷作用。

地裂縫兩側黃土的濕陷量的計算式為

其中:δsi代表第i層所計算的濕陷系數(shù);hi代表第i層的厚度,在 0～5 m 深度范圍內,β=1.5,在 5～10 m 深度范圍內,β=1。

通過上式計算得出該場地的濕陷量為365.28 mm(見表1)。

表1 各位置濕陷量

根據(jù)規(guī)范和表1的計算結果可以判斷出該場地為中等自重濕陷場地，表1還顯示，距離水渠的位置越遠,黃土的濕陷量越大,在距離水渠較近位置的地裂縫帶附近黃土的已濕陷量較大,而遠離水渠的位置由于沒有受到水渠的影響,幾乎沒有發(fā)生濕陷。通過以上分析說明水體對黃土濕陷性的影響較大,會明顯造成地面的不均勻沉降,從而形成地裂縫。

3.3 地裂縫的成因過程

通過上述分析和計算,西白地裂縫主要是由于污水的滲漏和黃土的濕陷性所導致的,因此,西白地裂縫的形成可以分為3個階段,如圖5所示。

圖5 地裂縫演化過程圖Fig.5 Process map of ground fission evolution

第1階段:地裂縫的北側由于污水坑的存在,北側的土體會發(fā)生側向滲漏。由于馬蘭黃土的結構具有大的孔隙和垂直節(jié)理比較發(fā)育,使得污水坑中的土體在發(fā)生滲透時,豎直方向的滲透速度遠大于水平方向的滲透速度,但是地下深度8 m的位置處有古土壤的存在,古土壤由于結構比較緊密,滲透性較差,阻斷了水繼續(xù)向下滲透,這時水體就會緩慢地向側面進行滲透。

第2階段:開始時隨著水體的不斷滲透,浸潤線逐漸向土體內部延伸,浸潤線逐漸發(fā)展成為折線型。由于該場地的黃土具有濕陷性,所以浸潤線內的黃土會產生濕陷變形,土體就會產生不均勻沉降,而在浸潤線最陡處差異沉降更加明顯,在地表就會產生張拉裂縫。

第3階段:隨著時間的推移,地裂縫不斷發(fā)展變寬,裂縫處也逐漸被充填,隨著水體不斷側向滲漏,浸潤線被不斷抬升,浸潤線內的土體的濕陷量也進一步加大,該部分土體會繼續(xù)發(fā)生不均勻沉降,進而在裂縫處最終形成陡坎。

4 結論

研究通過對西白地裂縫進行詳細的野外調查和開挖探槽等工作,查明了西白地裂縫的平面分布特征和剖面結構特征。然后通過室內的黃土濕陷實驗,計算了黃土的濕陷系數(shù)和濕陷量等參數(shù),并分析了黃土的濕陷性對西白地裂縫的影響,主要結論有:

(1) 西白地裂縫具有比較大的規(guī)模,由2條地裂縫組成,分別位于鐵路的南北兩側,長700多米。

(2) 該裂縫帶主要由1條地裂縫構成,地裂縫上寬下窄,裂縫內部填充素填土和粉土。裂縫近直立向下延伸,延伸約9.5 m。

(3) 根據(jù)所計算出的黃土濕陷系數(shù)可以看出2～8 m深度內的黃土出現(xiàn)濕陷性,古土壤具有隔斷作用,下部土體不會發(fā)生濕陷。

(4) 根據(jù)地裂縫兩側黃土濕陷量的計算可以得出,西白地裂縫主要是由于污水的側向滲漏和黃土的濕陷性共同導致的。

(5) 研究結果為由黃土濕陷性所造成的地裂縫提供了有效的技術指導和防治對策。