北京宋莊地裂縫災(zāi)害特征及影響因素分析

」北京宋莊地裂縫災(zāi)害特征及影響因素分析趙龍;田苗壯;王新惠;孔祥如瀏賀;齊鳴歡;李玉梅;崔文君;羅勇漲有全;田芳;雷坤超;喬玲沙特【摘要】近年來(lái)由于北京市平原區(qū)地裂縫災(zāi)害凸顯，不僅加速地表水土流失,而且對(duì)災(zāi)害區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成嚴(yán)重影響.為分析地裂縫形成原因，緩解及減輕地裂縫災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)、財(cái)產(chǎn)損失，本文以新發(fā)現(xiàn)的宋莊地裂縫作為靶區(qū)，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、InSAR監(jiān)測(cè)、槽探、鉆探等方法，揭示了宋莊地裂縫空間發(fā)育特征，從地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地面沉降等方面，深入分析成因.結(jié)果顯示:(1)宋莊地裂縫影響長(zhǎng)度達(dá)8.7km,NEE向延伸，受災(zāi)體主要展現(xiàn)出拉張形變;(2)區(qū)域拉張應(yīng)力場(chǎng)為宋莊地裂縫形成提供內(nèi)動(dòng)力條件，構(gòu)造影響下的第四系沉積厚度差異及地層巖性不均一，為宋莊地裂縫形成提供重要地質(zhì)背景;(3)南苑一通縣斷裂為宋莊地裂縫形成提供了應(yīng)力積累和傳遞媒介;(4)地下水超采引發(fā)的土體水平、垂向變形是地裂縫形成的誘發(fā)條件.受基底伸展變形、隱伏斷裂及地下水開(kāi)采影響，土體發(fā)生水平及垂向變形，使得在非飽和帶斷層區(qū)附近形成拉應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)達(dá)到土體抗拉強(qiáng)度時(shí)，形成盲裂縫，在雨水侵蝕或潛水位回升作用下,擴(kuò)展至地表形成裂縫及串珠狀土洞.％Inrecentyears,theoccurrenceofgeologicalfracturedisasterhasincreasedattheBeijingPlain.Thegeologicalcrackdisasteracceleratessoilerosionandimpactsnegativelyoninfrastructureconstructioninthearea.Thispaperaimstoanalyzethegenerationofgeologicalcracksandreducethepotentiallossesofeconomyandproperty.Withgeologicalsurvey,InSARmonitoring,trenchinganddrillingmethods,thespatialcharacteristicsofgroundfissuresatShongzhuangVillageareinvestigated.Thefactorsresponsibleforthegroundfissuresandtheoccurrencemechanismareanalyzedbasedongeologicalstructure,lithologyandlandsubsidence.Theconclusionsareasfollows.(1)ThegroundfissuresatSongzhuangViallgearesourcedatXiaozhongRiver,extendalongthewaythroughtheShuangbutouVillagequay,GouquVillage,DapangVillage,andendatthePingjiatuanVillage.Itsinfluencinglengthisupto8.7kilometersandextendstotheNEEdirection.Thehouses,wallsandpavementsalongthefissureshavebeendamagedtovaryingdegree.Theaffectedobjectsexhibittensiledeformation.(2)Undertheinfluenceoftectonics,thethicknessoftheQuaternarysedimentarystrataisdifferentintwosidesofthefissures.Thedifferenceinregionalsedimentaryenvironmentleadstotheheterogeneityofstratumlithology.Bothofthemaretheimportantgeologicalbackgroundfortheformationofthefissures.(3)Nanyuan-Tongxianfaultzone,concealsinthelowerpartofthegroundfissureturnouttobeatensionalfracture.Althoughmovingundertheground,itprovidesthegeologicalconditionsfortheaccumulationandtransmissionofstressfortheformationofthefissures.(4)Thelong-termandexcessiveexploitationofgroundwaterresourceshaschangedthestableenvironmentofthesoil,andcausedthehorizontalandverticaldeformationofthesoil.Thetwokindsofdeformationsaltogethercausedthegroundfissure.Thesuperimposedeffectsofextensionaldeformationbasement,buriedfractureandgroundwateroverexploitationarethecausesofhorizontallyorverticallycompressionofsoils.Thetensilestressconcentratedzoneisformednearthefaultzoneintheunsaturatedzone.Whenthestressreachesthetensilestrengthofthesoil,ablindcrackisformed.Theblindcrackisextendedtothesurfaceduetorainerosionorofphreaticwatertablegoingupanddevelopedtogeologicalcracksandbeads-likecollapses.【期刊名稱(chēng)】《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2018(026)006【總頁(yè)數(shù)】11頁(yè)(P1600-1610)【關(guān)鍵詞】北京;宋莊;地裂縫;成因;差異沉降;地下水【作者】趙龍;田苗壯;王新惠;孔祥如瀏賀;齊鳴歡;李玉梅;崔文君;羅勇漲有全;田芳;雷坤超;喬玲;沙特【作者單位】北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130061;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;首都師范大學(xué)，北京100048;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195;北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100195【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】P642.260引言地裂縫泛指地表巖土體中產(chǎn)生的一種近似線形的破裂現(xiàn)象。地裂縫災(zāi)害屬于地質(zhì)災(zāi)害中的地面變形災(zāi)害，具有潛在、緩變、瞬發(fā)等特點(diǎn)，是直接或間接的惡化環(huán)境、降低環(huán)境質(zhì)量、危害人類(lèi)和生物圈發(fā)展的地質(zhì)事件(王景明，2000)。我國(guó)是世界上地裂縫災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，資料顯示，超過(guò)1000個(gè)地裂縫發(fā)現(xiàn)于中國(guó)東部平原，覆蓋了700個(gè)地區(qū)(Xuetal.，2015)。僅河北省內(nèi)就已發(fā)現(xiàn)839多條地裂縫，涉及保定、滄州、廊坊、石家莊、衡水、邢臺(tái)、邯鄲、唐山及秦皇島市(呂鳳蘭等，2014)。從20世紀(jì)60年代至今，北京地區(qū)發(fā)現(xiàn)了約40條地裂縫，主要分布在平谷的馬坊、英城、大興莊、東高村、夏各莊，通州的張家灣、西集、郎府、覓子店，順義的高麗營(yíng)、木林、北彩、牛山、馬坡、塔河、李橋、徐辛莊、焦莊戶，昌平的南新村、北七家、十三陵、大東流，房山的紙房村、小次洛以及延慶的大柏老等地(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局，2008)。特別是1976年唐山大地震直接或間接導(dǎo)致了昌平南新村、通州西集鄉(xiāng)和房山小次洛村等地區(qū)地裂縫的發(fā)生，其中昌平南新村地裂縫破壞最為嚴(yán)重，共有13處房屋嚴(yán)重開(kāi)裂(趙忠海，2006；馬超，2011)。地裂縫調(diào)查工作主要以研究區(qū)域第四紀(jì)地層、地震及構(gòu)造等地質(zhì)環(huán)境條件為基礎(chǔ)，結(jié)合測(cè)量、勘查手段，獲取地裂縫空間分布、規(guī)模、形態(tài)特征并揭示其成因的綜合性地質(zhì)工作(任妹娟等，2014)。其中合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)具有高分辨率、高精度及低成本特征，已成為獲取地裂縫形變特征的有效手段(Quetal.，2014)。趙超英等(2011)通過(guò)InSAR技術(shù)成功獲取了山西清徐地裂縫的主要形變區(qū)域及最大影響寬度。趙超英等(2009)結(jié)合InSAR解譯數(shù)據(jù)分析了西安地面沉降與地裂縫發(fā)育關(guān)系，揭示了地裂縫兩側(cè)存在較為明顯的不均勻沉降。張勤等(2009)利用InSAR技術(shù)結(jié)合GPS對(duì)西安地面沉降與地裂縫時(shí)空演化特征進(jìn)行分析，成功獲取地裂縫兩側(cè)地面形變特征，揭示地面沉降與地裂縫在時(shí)空分布上存在明顯相關(guān)性。地裂縫形成為多因素作用疊加結(jié)果，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)與地下水開(kāi)采引起的地面沉降是地裂縫形成及發(fā)展的主要因素(Holzeretal.，1981；Jachensetal.，1982；Burbey,2002；Pengetal.，2016；劉方翠等，2016；薛守中，2016）。區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)為地裂縫重要地質(zhì)背景，地震活動(dòng)造成新巖層破裂或擴(kuò)展/加劇已有破壞帶（郭慧等，2017），研究顯示北京多條地裂縫為第四紀(jì)以來(lái)區(qū)域性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化的產(chǎn)物（張世民等，2005；楊濤等，2010；馮利斌，2011）。超量開(kāi)采地下水形成地面沉降為誘發(fā)因素，是導(dǎo)致地裂縫持續(xù)擴(kuò)展的主要原因（Chenetal.，2014），地下水動(dòng)力作用下的地裂縫成因機(jī)制主要為差異抽水誘發(fā)差異沉降變形機(jī)制，地下水流場(chǎng)改變而形成的滲透變形及拖拽作用變形機(jī)制，土體失水水平方向變形機(jī)制等（王哲成等，2012）。目前北京平原區(qū)快速發(fā)育的順義地裂縫、高麗營(yíng)地裂縫、羊房地裂縫和北小營(yíng)地裂縫形成為區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)及差異沉降變形機(jī)制共同作用的結(jié)果（劉方翠等，2016）。圖1PS-InSAR技術(shù)處理流程Fig.1TheprocesschartofPS-InSARtechnique宋莊地裂縫發(fā)育在北京東部通州地區(qū)，對(duì)通州城市副中心建設(shè)可能造成嚴(yán)重影響。當(dāng)前對(duì)宋莊地裂縫的研究較少，對(duì)其形成原因更無(wú)系統(tǒng)分析，缺乏整體認(rèn)識(shí)，增加了防災(zāi)減災(zāi)難度?；诖斯P者通過(guò)實(shí)地調(diào)查，獲取了地裂縫沿線多參數(shù)資料，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地下水開(kāi)發(fā)利用情況，從地質(zhì)構(gòu)造、隱伏斷裂、差異沉降等成因機(jī)制角度詳細(xì)分析了其形成及發(fā)育的影響因素。1研究方法本文在高密度電法、槽探、物探等傳統(tǒng)地裂縫調(diào)查、研究方法基礎(chǔ)上，結(jié)合PS-InSAR技術(shù)，采用多技術(shù)融合手段，精確刻畫(huà)宋莊地裂縫發(fā)育特征，分析并揭示宋莊地裂縫成因。1.1PS-InSAR1.1.1數(shù)據(jù)選取本文選取覆蓋北京平原區(qū)10景RADARSAT-2SAR影像為數(shù)據(jù)源，DEM數(shù)據(jù)采用美國(guó)SRTM獲取的中尺度DEM數(shù)據(jù)和TanDEM獲取的精細(xì)DEM。其中SAR影響地面標(biāo)稱(chēng)分辨率為30imx30im，時(shí)間跨度為2013年10月到2014年10月。PS-InSAR數(shù)據(jù)處理主要步驟如(圖1)所示。1.1.2精度驗(yàn)證為驗(yàn)證PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)成果的可靠性，選用研究區(qū)域范圍內(nèi)(圖2)7個(gè)水準(zhǔn)高程測(cè)量點(diǎn)(S1~S7)2014年測(cè)量結(jié)果與對(duì)應(yīng)的InSAR形變量進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，InSAR測(cè)量結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)(R2)高達(dá)0.98，互差在1~5imm范圍內(nèi)(表1)。表1InSAR測(cè)量值對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果Table1ThecomparativevalidationresultsofInSAR點(diǎn)號(hào)水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量/mmInSAR測(cè)量/mm互差/mmS1-33.900-32.993-0.907S2-32.900-31.907-0.993S3-33.400-27.405-5.995S4-25.600-24.945-0.655S5-14.000-15.5971.597S6-13.400-13.9980.598S7-76.300-76.7880.4881.2物探本次物探工作采用AGIsuperstingR8高密度電法系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，對(duì)高密度電法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用EarthImager2D對(duì)高密度電法處理軟件編輯、圓滑和反演等處理，獲得高密度電法剖面圖。圖2水準(zhǔn)點(diǎn)位置圖(左圖)及PS-InSAR精度驗(yàn)證佑圖)Fig.2Thelocationofleveling(left);AccuracyverificationofPS-InSAR(right)圖3宋莊地裂縫位置及工作量布置圖Fig.3ThelocationofgroundfissuresandworklayoutofSongzhuang物探測(cè)線起點(diǎn)位于北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所京鵬植物工廠西200im附近(116°40'35.79"E,39°57'59.43"N),向東南布設(shè)，終點(diǎn)位于雙埠頭小學(xué)南測(cè)500im林地(116°40'55.23"E,39°57'48.17”N)(圖3)。測(cè)線跨雙瞳路，方位角北偏東120°，電極數(shù)60，電極距10im，采用AGI高密度電阻率法Dip-Dip的測(cè)量方式，進(jìn)行測(cè)量。1.3鉆探及槽探本次工作在宋莊地裂縫兩側(cè)開(kāi)展了鉆探工作，孔深為50im，鉆孔坐標(biāo)分別為，ZK1（116°40'41.44"E,39°57'46.62”N）;ZK2（116°40'40.72"E,39°57'46.98”N）;ZK3（116°40'40.02"E,39°57'47.35”N）。橫跨地裂縫開(kāi)挖典型性探槽，探槽長(zhǎng)8im，槽底寬1.5im，深2.45im（圖3、圖6）。圖4北京市主要斷裂及宋莊地裂縫分布圖Fig.4DistributionofmainlyfracturesinBeijingandlocationofSongzhuanggroundfissures圖5橫跨宋莊地裂縫的地層剖面圖Fig.5StratigraphicsectionacrossSongzhuanggroundfissure2環(huán)境地質(zhì)概況北京市平原區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，燕山運(yùn)動(dòng)晚期與以升降為主的喜馬拉雅山運(yùn)動(dòng)都形成了較大規(guī)模的斷裂，展布方向主要為NE及NW向（圖4）。研究區(qū)存在南苑一通縣隱伏斷裂，該斷裂南起碼頭，經(jīng)窯上、公義莊、葫蘆垡、西紅門(mén)、通州、富豪至南莊頭附近?？傮w走向北東50。~30。，斷裂面傾向北西，傾角約50°,北西盤(pán)下降，南東盤(pán)上升，為正斷層。北京平原大興迭隆起和北京迭段坳陷受該斷裂的影響，導(dǎo)致第四紀(jì)不同時(shí)期沉積厚度及沉積速率有顯著不同，依據(jù)分布于南苑一通縣斷裂兩側(cè)的通3和通6鉆孔多參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，確定南苑一通縣斷裂北段（宋莊地裂縫），大興迭隆起部分第四系厚度為328im，北京坳陷第四系厚度為553im（衛(wèi)萬(wàn)順，2008）。研究區(qū)屬于潮白河、溫榆河沖洪積作用為主形成的沖洪積平原，地勢(shì)西南低，東北高，地表標(biāo)高在21.5~24im之間。第四紀(jì)地層沉積厚度可達(dá)290~500im之間（衛(wèi)萬(wàn)順，2008）,為地裂縫致裂應(yīng)力集中、傳遞、釋放提供良好的物理場(chǎng)（徐繼山等，2012）。地表以下由黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂，互層組成，局部夾薄層軟弱土層。黏性土多呈可塑-硬塑狀態(tài)，具垂直節(jié)理和孔隙（圖5）。圖6雙埠頭村南地裂縫探槽剖面圖Fig.6TrenchprofileofgroundfissuresinthesouthofShuangbutou本區(qū)第四系含水層由潛水含水層、承壓含水層組成，含水層沉積顆粒細(xì)，厚度比較穩(wěn)定，具體分為小于50im潛水、50~100im一層承壓水、100~180im二層承壓水、大于180imi3層承壓水含水層。淺層水開(kāi)采深度小于100im，水位埋深15~20im，深層水開(kāi)采深度為100~300im，含水層富水性較差（趙龍等，2017）。地裂縫兩側(cè)有徐辛莊水廠、宋莊供水一廠、宋莊供水二廠，其中徐辛莊水廠開(kāi)采深度超過(guò)300im,設(shè)計(jì)供水能力宋莊供水一廠、二廠設(shè)計(jì)供水能力分別為和地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水入滲、其次是地表水（河流、渠道等）滲漏和灌溉水的入滲補(bǔ)給。地下水的排泄主要為地下側(cè)向徑流和工農(nóng)業(yè)開(kāi)采（趙龍等，2017）。3結(jié)果與分析3.1地裂縫發(fā)育深度及破壞形式宋莊地裂縫總長(zhǎng)度約為8.7ikm，走向NE-SW，呈斷續(xù)分布，波及雙埠頭、溝渠、大龐及平家瞳村（圖3）。在雙埠頭村南側(cè)樹(shù)林出現(xiàn)多處塌陷坑，村內(nèi)居民房屋多處受損。宋莊地裂縫主要表現(xiàn)為水平拉張，地表水平拉張量2.15~56.7icm，垂直位錯(cuò)量較小。在雙埠頭村開(kāi)挖了典型探槽，探槽揭露了地裂縫的剖面特征，地裂縫近地表鉛直縱向延伸，剖面呈上寬下窄。主裂縫呈水平張開(kāi)，兩側(cè)地層沉積連續(xù)，主裂縫處充填大量次生堆積土且裂縫處有明顯的砂土淋失現(xiàn)象。揭示地裂縫水平拉張?zhí)卣鳎▓D6）。除形成塌陷坑外，地裂縫對(duì)村內(nèi)建筑物、地面及路面造成嚴(yán)重影響，通過(guò)走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地裂縫在建筑物上的破壞形式主要表現(xiàn)為：頂部拉張破壞直立型裂縫，受裂縫拉張破壞導(dǎo)致裂縫上寬下窄，在房檐處呈角度展布，向下近直立延伸，房屋頂部破壞嚴(yán)重向下破壞逐漸減弱；底部破壞單斜階梯型裂縫，表現(xiàn)為下寬上窄，沿一定方向階梯狀延伸，底部先破壞，隨后逐步向上發(fā)展，受破壞的磚之間出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，該種破壞形式與地裂縫主變形帶的不均勻變形有關(guān)。路面或地面的拉張變形主要發(fā)生在主裂縫沿線，拉張區(qū)先從地表開(kāi)始，然后向下擴(kuò)展，表現(xiàn)為間斷性破裂或塊狀密集無(wú)序龜裂(圖7)。圖7宋莊地裂縫災(zāi)害現(xiàn)象Fig.7HazardofSongzhuanggroundfissures圖8宋莊地裂縫沿線地面沉降速率分布圖(2014)Fig.8Rateoflandsubsidencemeasuredin2014byInSARintheSongzhuanggroundfissures圖8展示了地裂縫兩側(cè)地表形變特征，整體上地裂縫災(zāi)害分布特征與沉降速率分布情況具有較好一致性，在破壞點(diǎn)集中區(qū)雙埠頭村，空間上主裂縫東側(cè)年沉降速率大于西側(cè)，最大沉降速率為104.42imm?a-1，該記錄位于主裂縫東側(cè)。繼續(xù)向北東方向延展穿過(guò)東六環(huán)，主裂縫兩側(cè)沉降速率差異性逐漸減弱，至平家瞳主裂縫兩側(cè)地面沉降速率近似相同，與地裂縫地表破壞現(xiàn)象零星分布調(diào)查結(jié)果一致。圖9高密度電法剖面圖Fig.9Thehigh-densityelectricalmethodprofile表2天然狀態(tài)土體物理性質(zhì)指標(biāo)Table2Physicalindexesofnaturalsoil土樣編號(hào)深度加巖性含水率/%土粒比重孔隙率/%液限/%塑限/%液塑比界限液塑比ZK1#SE016.5黏質(zhì)粉土31.52.700.90936.428.11.301.63SE0217粉質(zhì)黏土24.12.710.6861.60SE0322粉質(zhì)黏土25.42.700.69329.319.71.491.58SE0437粉質(zhì)黏土31.62.710.89734.823.21.501.62SE0541粉質(zhì)黏土20.12.700.55226.518.41.441.57ZK2#SW016.5黏質(zhì)粉土26.82.700.81133.825.01.351.61SW0217.5黏土29.62.740.82140.522.71.781.66SW0321.5粉質(zhì)黏土26.22.730.72321.63SW0437粉質(zhì)黏土18.92.710.52729.318.01.631.58SW0540.5粉質(zhì)黏土23.22.730.64941.633.2地裂縫形成原因及影響因素3.2.1地質(zhì)構(gòu)造宋莊地區(qū)地處北京東部，為北京迭段坳陷北部和大興隆起交接處，從地質(zhì)構(gòu)造來(lái)看，新生代以來(lái)北京地區(qū)南、北段地殼運(yùn)動(dòng)展現(xiàn)不同趨勢(shì)，第四紀(jì)以來(lái)北京坳陷中南部地殼運(yùn)動(dòng)較為緩慢，而北部，升降頻繁，導(dǎo)致與大興隆起差異日漸增大（汪良謀等，1990）。區(qū)域第四系等值線顯示大興迭隆起部分第四系厚度約為300im，北京坳陷第四紀(jì)厚度約為550im。從板塊構(gòu)造來(lái)看，張家口一北京一天津NWW向的活動(dòng)構(gòu)造帶為華北亞板塊的北邊界，受太平洋板塊SW向俯沖碰撞及西伯利亞SE的擠壓等影響，華北亞板塊表現(xiàn)出區(qū)域應(yīng)力集中，導(dǎo)致區(qū)域形成東西向的拉張應(yīng)力場(chǎng)（虞廷林，1994；謝富仁等，2004）。在持續(xù)拉張效應(yīng)下，基底出現(xiàn)伸展變形（徐繼山，2012）。兩方面作用為宋莊地裂縫形成提供內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)基礎(chǔ)。從活動(dòng)構(gòu)造來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)存在南苑一通縣隱伏斷裂，該斷裂在燕山晚期至喜馬拉雅期，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生較大變化由NW-SE方向擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)镹W-SE向張引，導(dǎo)致上盤(pán)沿老斷裂下滑，形成拉張型正斷層（衛(wèi)萬(wàn)順，2008）。高密度電法解譯結(jié)果顯示，南苑一通縣斷裂（北段）在雙埠頭地區(qū)與地表裂縫位置較吻合，該斷裂在雙埠頭地區(qū)沒(méi)有錯(cuò)段整個(gè)第四紀(jì)地層至地表，埋深在25~37im左右（圖9）,表明，南苑一通縣隱伏斷裂活動(dòng)不能直接影響地裂縫的發(fā)育，但其為應(yīng)力聚集區(qū)，可為地裂縫形成提供了應(yīng)力積累和傳遞。3.2.2土體物理性質(zhì)對(duì)宋莊地裂縫兩側(cè)巖芯進(jìn)行土工試驗(yàn)，土樣天然狀態(tài)的物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。液塑比與界限液塑比可以反應(yīng)土體壓縮特征，當(dāng)液塑比小于界限液塑比時(shí)，指示當(dāng)土體收縮后再對(duì)孔隙充滿水后，土體很難回彈到原有狀態(tài)（歐釗元等，2008）。兩側(cè)土體對(duì)比結(jié)果表明，ZK1代表性鉆孔中液塑比均小于界限液塑比，而ZK2對(duì)應(yīng)層位的部分土體液塑比大于界限液塑比（表2）。表明ZK1土體更難以回彈，地裂縫沿線存在連片樹(shù)林且多開(kāi)采淺層水進(jìn)行澆灌，淺層地下水除受大氣降水補(bǔ)給外，還接受河流側(cè)向徑流、灌溉等多種途徑補(bǔ)給，因此在地下水開(kāi)采-補(bǔ)給系列變化中，土體發(fā)生壓縮-回彈作用。差異性的回彈導(dǎo)致兩側(cè)土體受力存在差異，打破土體原有平衡，降低土體穩(wěn)定性。圖10地下水開(kāi)采情況及地下水漏斗分布圖Fig.10Thechartofgroundwaterexploitationanddistributionofgroundwaterfunnels3.2.3地下水動(dòng)力大量學(xué)者證實(shí)，過(guò)量抽采地下水為地裂縫形成的重要因素(徐繼山，2012，Chenetal.，2014；Pengetal.，2016)。圖10為地下水開(kāi)采情況與地下水漏斗疊加圖，顯示受地下水開(kāi)采影響，地下水超采和嚴(yán)重超采區(qū)形成多個(gè)地下水漏斗。宋莊地裂縫位于超采區(qū)和嚴(yán)重超采區(qū)交接處及多漏斗疊加區(qū)，漏斗持續(xù)加深產(chǎn)生的水力滲透作用單位體積土體滲透力表示為：Fb=(pg/K)x[nvw+(1-n)]vs式中，F(xiàn)b為滲透力；p為水的密度；g為重力加速度；K為含水層電導(dǎo)率張量;n為飽和含水物；vw和vs分別為水的速度矢量和構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)的固體顆粒的速度矢量。在持續(xù)抽采地下水情況下，地下水由周邊向降落漏斗中心滲流過(guò)程中，沿滲流方向形成了較強(qiáng)的動(dòng)水壓力，動(dòng)水壓力對(duì)固體顆粒所產(chǎn)生的動(dòng)能，會(huì)對(duì)含水層骨架產(chǎn)生明顯的黏滯拖拽作用(徐繼山，2012)。這種黏滯拖拽作用在整個(gè)含水層的積累，會(huì)在上覆土層內(nèi)形成張應(yīng)變集中。此外水位下降使得含水垂直運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在上覆黏土層產(chǎn)生不均勻沉降。3.2.4地裂縫成因模式分析前文分析，華北亞板塊出現(xiàn)區(qū)域應(yīng)力集中，在持續(xù)拉張應(yīng)力作用下，基底出現(xiàn)伸展變形，使上覆沉積蓋層由純自重作用為主的三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為水平軸向?yàn)橹鞯睦瓘垜?yīng)力狀態(tài)（王思敬，2002）。在持續(xù)的拉張作用下，造成土層破裂，導(dǎo)致應(yīng)變能的釋放與松弛，短期內(nèi)易形成〃無(wú)根”地裂縫（即地裂縫向下延伸不會(huì)通達(dá)斷裂）（徐繼山，2012）。南苑一通縣隱伏正斷層現(xiàn)今活動(dòng)強(qiáng)度未能錯(cuò)段至地表，但其活動(dòng)為地裂縫形成提供了應(yīng)力積累和傳遞。同時(shí)隱伏斷裂對(duì)于上覆地層地表或近地表〃陡變區(qū)”形成細(xì)小張裂破壞（徐繼山，2012）。宋莊地裂縫位于超采區(qū)和嚴(yán)重超采區(qū)交接處及多漏斗疊加區(qū)，地下水流場(chǎng)變化造成的地層既有水平方向拉張變形，同時(shí)有垂直方向壓縮變形。從GPS水平與垂直疊加運(yùn)動(dòng)場(chǎng)可以看出，在北京地區(qū)GPS站點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域，同時(shí)也為垂向運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)區(qū)域（圖11），表明北京地下水開(kāi)采導(dǎo)致的地面沉降具有水平、垂直兩維運(yùn)動(dòng)特征，土體水平運(yùn)動(dòng)使得研究區(qū)拉應(yīng)力集中，為地裂縫形成提供較好力學(xué)基礎(chǔ)。圖11北京區(qū)域內(nèi)部GPS測(cè)量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)（2014）Fig.11MovementvelocityfieldofGPSinBeijing（2014）綜上所述，受基底伸展變形、隱伏斷裂及超量地下水開(kāi)采影響下，多應(yīng)力疊加導(dǎo)致在非飽和帶斷層區(qū)附近形成拉應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到土體抗拉強(qiáng)度時(shí)，在地表以下非飽和帶斷層附近形成〃盲裂縫”，在雨水侵蝕或潛水位回升作用下，擴(kuò)展至地表形成裂縫及串珠狀土洞（圖12）。圖12宋莊地裂縫形成機(jī)理模型Fig.12GeneticmodeofSongzhuanggroundfissure4結(jié)論及建議宋莊地裂縫NE-SW向延伸，長(zhǎng)度約8.7ikm，斷續(xù)分布于雙埠頭村、溝渠村、大龐村及平家瞳村。該地裂縫主要表現(xiàn)為水平拉張，受影響地區(qū)墻體破壞主要形成頂部拉張破壞直立型裂縫、底部破壞單斜階梯型裂縫兩種形式，路面或地面表現(xiàn)為間斷性破裂或塊狀密集無(wú)序龜裂。宋莊地裂縫形成受內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用及外動(dòng)力地質(zhì)作用共同控制。區(qū)域拉張應(yīng)力場(chǎng)作用下的基底伸展變形為宋莊地裂縫形成提供重要的內(nèi)動(dòng)力條件；南苑一通縣隱伏斷裂為地裂縫形成提供了應(yīng)力積累和傳遞的地質(zhì)條件；構(gòu)造影響下的第四紀(jì)沉積厚度差異及沉積過(guò)程中土體物理性質(zhì)的不均一為宋莊地裂縫形成提供重要地質(zhì)背景;長(zhǎng)期差異性地下水開(kāi)采弓I發(fā)的區(qū)域性土體水平、垂向形變及雨水侵蝕或潛水位回升作用是宋莊地裂縫形成及擴(kuò)展的誘發(fā)條件。本文利用調(diào)查及勘查手段獲取資料對(duì)地裂縫成因及影響因素進(jìn)行分析，但由于宋莊地裂縫受多因素綜合影響，斷續(xù)列階段性數(shù)據(jù)很難全面分析地裂縫災(zāi)害破壞擴(kuò)展模式及變形機(jī)理，因此建議完善地裂縫監(jiān)測(cè)設(shè)施，開(kāi)展大型物理模擬試驗(yàn)研究，更全面地分析宋莊地裂縫破壞擴(kuò)展模式及變形機(jī)理，為地裂縫防災(zāi)減災(zāi)及預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供重要理論基礎(chǔ)。致謝衷心感謝北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站劉久榮總工程師和羅勇副總工程師，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所黃爽兵博士對(duì)本文的指導(dǎo)；感謝北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站地面沉降中心同事們的幫助與支持；感謝審稿專(zhuān)家為本文提出的寶貴意見(jiàn)。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】BeijingBureauofGeologyandMineralResourcesExploration.2008.GeologydisasterofBeijing[M].Beijing:ChinaLandPress.B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