1、地裂缝及其灾害防治简要介绍一、概述地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下产生开裂，并在地面形成裂缝的地质现象。如果这种地质现象发生在有人类活动的地区，则可能会对人类生产与生活构成危害，称之为地裂缝灾害。地裂缝属裂隙的一种特殊形态，常常是一些地质作用(如地震或断裂活动，地面沉降或塌陷等)的附属产物，与断裂不同。地裂缝成因多种多样，出露于地表张开成缝，宽度变化大，存在时间较短，时隐时现；裂隙隐伏于地下，宽度窄，稳定延伸，在岩土体中永存而不消失。而断裂深入地下，延伸长，规模大，是较强构造运动的结果。同时，构造地裂缝与断裂活动也存在一定关系，它们有时是活动断裂在地表的露头。地裂缝灾害是一种地质灾害
2、，在世界许多国家都发生过，其发生频率和灾害程度逐年加剧，已成为一个新的、独立的自然灾害类型，并引起国际地学界的极大兴趣和关注。我国是地裂缝分布最广的国家之一，仅对河北、山西、山东、江苏、陕西、河南、安徽七省的不完全统计，已有 200 多个县(市)发现地裂缝，共有 700 多处。出现地裂缝的城市有西安、大同、壮族、邯郸、保定、石家庄、天津、淄博等，其中以西安最为典型和严重。这些地裂缝穿越城镇民居、厂矿、农田，横切道路、铁路、地下管道和隧道等，造成大量建筑物破损、农田毁坏、道路变形、管道破裂等，严重影响了人民生活、厂矿生产和安全。每年因地裂缝灾害造成的经济损失达数亿元之多。二、地裂缝成因类型及特征
3、地裂缝按其成因分为构造地裂缝、非构造地裂缝和混合成因地裂缝三类。构造地裂缝是指由内动力地质作用产生的，包括地震地裂缝(也称构造速滑地裂缝)、区域微破裂开启型地裂缝和构造蠕变地裂缝三种。非构造地裂缝是指由外动力地质作用和人类活动作用而引起的岩土层裂缝，如膨胀土地裂缝、黄土地裂缝、冻土地裂缝、盐丘地裂缝、干旱地裂缝、地面塌陷地裂缝、滑坡地裂缝、地面不均匀沉降引起的地裂缝等。实际上，有许多地裂缝是几种因素综合作用的结果，称之为混合成因地裂缝。表 1 列举了一些常见地裂缝的特征。表一：地裂缝成因类型及特征类别 主导原因 动力类型 种别 地裂缝特征地震地裂缝1.规模大，延伸远，有明显的方向性；2.不同方
4、向的地震断层往往呈有规律的组合，反映了震区主要的构造方向和控制地质构造的区域应力场或局部应力场；3.裂隙两侧在水平方向和垂直方向上都有明显的位移，位移量的大小取决于震级；4.不受岩性和其它边界条件的影响。断裂活动构造蠕变地裂缝1.裂缝与蠕滑断层活动方式一致；2.裂缝活动是断层活动的表现；3.裂缝发生时间不受季节限制；4.裂缝时隐时现，时强时弱，时断时续；5.规模较大，延伸长。长几公里至十几公里，裂缝带宽度几米到几十米。构造地裂缝内动力地质作用区域微破裂开启活动区域微破裂开启型地裂缝1.多组共生，各地区地裂缝相互对应，具有区域性发育特征；2.共轭的剪切地裂缝常构成网络状；3.单条地裂缝延伸较短，
5、常成群成片出现；4.初期地裂缝常隐伏于地表层之下，降雨或浇地后显露出来；5.常伴生陷坑、陷穴，多呈串珠状。膨胀土地裂缝1.数量多，分布广，危害大；2.规模小，长度一般在数十米之内，超过 100m 者极少见；3.一般以竖向开裂为主，尤其在地面以下 2m 之内最为常见，往下斜交剪切裂隙发育，并将土体切割成菱形小块，裂隙间距小而密集；4.膨胀土地裂缝常以暗裂形式发育。黄土地裂缝1.地裂缝常常环绕着洼地周围，或者呈向心状展布，或者呈环形状展布；2.延伸短，且无一定方向；3.裂面粗糙、直立，上宽下窄，延伸小。冻土地裂缝1.与冻胀丘有关，个体较大的冻胀丘常伴随放射状地裂缝；坡度较缓的冻胀丘常常被地裂缝切割
6、成块状；多个冻胀丘呈线列排列时，则主干地裂缝呈现断续的雁列式；2.规模一般较小，单条裂缝长数米，宽度几厘米，深度数十米。非构造地裂缝自然外动力地质作用特殊土盐丘地裂缝1.受盐丘形状、大小所控制。一般地，平顶状盐丘可产生平行地裂缝；穹窿状、蘑菇状盐丘，多产生放射状地裂缝；近似直立圆柱体盐丘的边缘常形成弧状或者环状的地裂缝；顶部低凹的盐丘，形成向心状地裂缝；2.盐丘地裂缝平面范围一般限制在盐丘范围内，盐丘直径一般在数公里之内。干旱地裂缝1.主要在土层的表层，切割深度一般在 1m 左右，个别也有深达 45m 的情况；2.一般规模较小，不规则，没有明显的方向性和组合关系，常表现为龟裂形式；3.只见于松
7、散沉积物内，裂缝两侧没有明显的相对位移，裂缝呈楔形，宽度随深度和沉积层的湿度增大而减小，至含水层即消失；4.在松散沉积物中，裂缝也只发生在地势较高的低丘和波状平原高处的脊部和前缘，而不在接近地下面的低洼地带出现；5.出露范围小，仅 1 至几平方公里。自然重力作用岩溶塌陷地裂缝1.地裂缝与局部塌陷经常同时突然发生；2.与原岩构造有关，分布有一定规律；3.裂缝的宽度和深度较大；其两侧常见大幅度的垂直位移，而水平位移极少见；4.局限于易溶岩分布地区；5.裂缝形态为弧形、直线形、封闭圆形或同心圆形。裂面倾角陡，一般在 7080左右。滑坡地裂缝1.在滑坡的孕育和滑移过程中，一般沿着山坡等高线开裂或呈弧形
8、开裂；2.裂缝走向与其在滑体上所处的部位有关。一般地，滑体前后缘的裂缝基本平行于滑动方向；中部的裂缝垂直于滑动方向；两侧的裂缝与滑动方向斜交。其中垂直于滑动方向的裂缝最常见。3.裂缝两侧有明显的垂直位移，垂直于滑动方向的裂缝，常将滑坡切成阶梯状；4.因滑坡往往是缓慢地、间歇性地移动，故其地裂缝通常是反复多次形成。地震次生地裂缝1.多呈树枝状，少数为管状、蘑菇状、袋状。线型裂缝连续性好，且边界齐整；2.常以垂直错动为主，兼有水平错动；3.多呈张性；4.规模和分布面积与地震大小有关，分布面积可达几万平方公里；5.裂缝一般出现在地震裂度度以上的地区。非构造地裂缝人类活动作用次生重力或动荷载人工洞室塌
9、陷地裂缝1.规模受人工洞室规模和洞室上覆岩土厚度及性质等控制；2.规模大小不等，一般长达十几米至几十米，最长可达几百米；一般宽度 1m 以内；3.几何形态有直线状、折状、弧状、分叉状。在我国，除地震裂缝外，以构造蠕变地裂缝的规模和危害最大，一般分布在活动构造带或区中，如汾渭盆地等，这种地裂缝具有明显的方向性，并且在水平、垂直方向上均有位移，以西安、大同地裂缝最为典型。隐伏裂缝和开启裂缝在分布上具有一定的方向性，规模不大，以陕西泾阳、山西万荣和河北邯郸、正定等地为典型。地面塌陷裂缝多呈环状，各类矿区、岩溶塌陷区和地面沉降区等均有发育。其余各类型地裂缝规模较小，但分布范围广，一般不具有规则的方向性
10、。松散地层潜蚀地裂缝以河南黄泛区和河北、山东等地为主。黄土地区、膨胀土和软土地区、滑坡地带则分别为黄土湿陷地裂缝、胀缩地裂缝和滑坡地裂缝。地震裂缝常与地震活动同时产生，我国各个地震区，如唐山、澜沧耿马、炉霍等地，在地震中均产生了大量的地裂缝。三、地裂缝成灾条件及主要特点(一)地裂缝成灾条件地裂缝与地裂缝灾害并不完全等同，它们是两个既有联系又有区别的概念，各有其特定的内涵。前者是地表岩土层中发生的一种自然现象，后者则是前者在一定条件下对人类社会所造成的破坏或危害。因此对人类而言，地裂缝有可能产生影响和灾害，也可能不产生灾害，灾害程度也是有区别的。地裂缝是否对人类及其社会造成灾害，主要取决于下列条
11、件：1.当地裂缝具有足够的规模和活动度时，才可能对人类生产和生活产生影响或破坏。地裂缝灾害调查结果表明，造成灾害的地裂缝长度绝大多数在百米以上；长度小于百米的地裂缝对建筑物破坏或危害小，基本构不成灾害；微小的地裂缝对人类生产和生活的影响很小。例如，京津翼地区出现地裂缝 201 处共 449 条，其中给建筑物造成破坏的只有 17 处 36 条，仅占全部地裂缝的 8%。造成建筑严重破坏的有四处：一是邯郸地裂缝累计长 10km，19631986 年反复活动 8 次，损坏楼房 25 幢、平房162 栋、墙 18 堵、厂厅库 8 座，估算经济损失共 9870 万元；二是辛安深饶地裂缝西段长 9km，19
12、881994 年伴随中小地震开裂 4 次，破坏民房 18 栋、墙23 堵、路 3 处，波及 3 个村庄，估算经济损失 1000 万元；三是天津宝坻万家村地裂缝累计长 4020m，损坏民房 2000 间、水井 6 口，估算经济损失 4600 万元；四是北京昌平南新村地裂缝 150m，19621976 年间地面先后开裂 5 次，原建 17 幢二层楼房，因地裂缝有 13 幢改为平房，估算经济损失约 1300 万元。2.地裂缝灾害通常发生在有人类生活和生产的区域，否则即使是一条伴随强震的宽大地裂缝，如果发生在远离人们生存的地方，如渺无人烟的山区、沙漠或高寒地区，也不会直接对人、社会造成损伤和破坏。例如
13、，1951 年 11 月 18 日伴随藏北高原当雄 8 级地震而产生的 NW50、总长 100 多公里的反多字形地裂缝带，宽数米至 20m，右旋水平错距 12m，尽管其规模很大，但由于沿线荒无人烟，所以没有造成人类伤亡和财产损失。而 1971年前后发生在渭河盆地南缘的华山汽修厂的两条地裂缝，合计长度仅 800m，但造成 12 幢楼房开裂，未竣工的住宅楼也出现裂缝和变形。为保证这些楼房的安全使用，每年耗资百余万元加固，而且反复开裂，有的楼房被破拆除，直接影响工厂生产和职工生活；此外，附近有许多民房也遭到了破坏，地面下沉，铁路路基下陷。估算经济损失不少于 2400 万元。3.人类活动不仅可以诱发地
14、裂缝，而且还可促使或加剧地裂缝对人类生产及生活造成的灾害。例如，早在 1958 年西安就发现了地裂缝，19621964 年、1972 年1975年又在多处出现，但因其稀疏、零星、分散、位移量微小而未造成灾害，也就没引起人们的注意。此后，随着抽取地下水的量骤增，西安地面沉降加剧，到19831993 年地面沉降量最大达到 2m 以上，引发未成灾的地裂缝对建筑物的破坏。4.地裂缝灾害能否出现，还取决于人们对地裂缝灾害的重视和防备程度。如果人们对地裂缝灾害有足够的重视程度，能够掌握其发生发展规律，并具有充分的避让和防治措施，即使地裂缝规模很大，而且发生在人口密集的城镇，也可以减轻或避免地裂缝灾害。例如
15、，西安小寨路地裂缝的医学院至省委段，1981 年翠华路小学操场见到地裂缝，根据近几年活动趋势，地裂缝一直从西向东发展，未来必然向东延伸至原西安地质学院北家属院待建场地。据此预测，放弃在该场地拟建两栋住宅楼的计划，改建为电影放映场，从而避免了该场地上地裂缝灾害。相反，西安大酒店建筑场地因未考虑地裂缝的最小安全避让距离而灾害严重，经济损失上亿元。(二)地裂缝灾害的主要特点1.直接性横跨地裂缝的建筑物，无论新旧、材料强度大小，以及基础和上部结构类型如何，都无一幸免地遭到破坏。地下管道只要是直埋式经过地裂缝带，在地裂缝活动初期，不管是什么材料，断面尺寸大小，很快均遭到拉断或剪断。2.三维破坏性地裂缝对
16、建筑物的破坏具有三维破坏特征，以垂直差异沉降和水平拉张破坏为主，兼有走向上的扭动。它是建筑物不可抗拒破坏的重要因素。因此，仅采用一般结构加固措施，都无法抗拒地裂缝的破坏作用。3.三维空间有限性和不均衡性地裂缝的破坏作用主要限于地裂缝带范围，它对远离地裂缝带的建筑物不具辐射作用，在地裂缝带内的灾害效应具有三维空间效应。横向上，主裂缝破坏最为严重，向两侧逐渐减弱，上盘灾害重于下盘。在垂直方向上，地裂缝灾害效应自地表向下宽度递减，所以，在地面建筑、地表工程和地下工程遭受的破坏变形中，地表房屋破坏宽度最大，路面及基础次之，人防工程破坏宽度最小。地裂缝灾害具有走向分段性，这与地裂缝的形成机制、发育时间和
17、活动强度等有关。在地裂缝强活动段上，建筑物均遭到严重破坏；中等活动段上，建筑部分遭到破坏，且破坏程度较轻，破坏宽度较小；而弱活动段或隐伏段，建筑物仅有轻微破裂或变形。不均衡性的另一个特点表现为，在地裂缝的直线段，建筑物破坏宽度较小，而在斜列区或汇而不交地段，地裂缝破坏宽度大且破坏形式复杂。4.渐变性地裂缝成灾过程的渐变性包括以下三个方面：其一，单条地裂缝带上，地裂缝由隐伏期，到初始破裂期，遵循萌生期生长期扩展期的发育过程，不断向两端扩展，因此建筑物的破坏也不是整条裂缝带上同时破坏，最先发育地裂缝的地段开始破坏，逐渐向两端发展，隐伏段经过一个时期也最终开始破坏。其二，对于一座建筑物的破坏也是逐渐
18、加重的，最初的破坏表现为主地裂缝的沉降和张裂，且仅限于建筑物的基础和下部，之后向上部发展，最终形成贯穿于整个建筑物的裂缝或斜列式的破坏带。其三，各条地裂缝并非同时发展，而是有先有后。5.群发性和区域性受区域地质构造条件，以及降雨、地震、地形、地壳应力活动等条件制约，地裂缝灾害具有群发性和区域性。例如 20 世纪 50 年代大华北区地裂缝活动密集区与强震活动区的交替变位，体现了地裂缝灾害的群发性和区域性特点。6.随机性和周期性地质灾害活动是在多种条件作用下形成的，它既受地球动力活动控制，又受地壳物质性质、结构和地壳表面形态等因素影响；既受自然条件控制，又受人类活动影响。因此，地质灾害活动的时间、
19、地点、强度等往往具有不确性，也就是说地质灾害活动是复杂的随机事件。此外，受地质作用周期性规律的影响，地质灾害又常表现出周期性特征。地裂缝活动具有明显的周期性和波动性，例如华北区地裂缝近 30 年存在 45 年一次的周期性活动(根据王景明教授的研究成果)。四、地裂缝勘查与灾害评估(一)地裂缝勘查的原则地裂缝勘查的重要工作内容包括地质环境、人类活动、发生地域、危害性、监测、预测和划分危险区等。一般应遵循下列原则：1.地裂缝的调查和勘查必须在已有地质环境资料基础上进行。地裂缝调查应特别重视资料收集工作，力求全面地在深层次上认识地裂缝的成因，为布置实物工作量打好基础。2.在地裂缝勘查工作中，应把现场调
20、查访问置于特别重要的地位。3.地裂缝勘查工作的重点是目前已经造成直接经济损失或将要造成较大危害的地段。4.地裂缝勘查工作的布置，应考虑相应地区经济建设和社会发展的要求。(二)地裂缝勘查程序与方法地裂缝勘查与防治是一项逐步深入的工作，一般应按下列步骤开展工作：1.调查访问；2.开展地裂缝的地质测绘；3.地球物理化学勘探；4.槽探、钻探；5.进行必要的岩、土、水样品测试；6.根据需要设置地裂缝监测；7.最后进行综合分析，分阶段提出防治对策。(三)勘查内容要求1.区域自然地理地质环境条件；2.单个地裂缝及群体地裂缝的规模、性质、类型及特点；3.地裂缝的形成原因及影响因素；4.地裂缝的发展规律；5.地
21、裂缝的危害性、未来的危险评价；6.地裂缝灾害的防治或避让工程方案。(四)调查范围和工作精度根据地裂缝分布范围、规模和危害性大小确定调查范围和工作精度。不同地区产生的地裂缝，应采用不同精度进行勘查。对重要城市及重大工程场址进行 15000 地质测绘，典型地段采用 1100012000；对县级等一般城市采用 110000150000 精度布置地质测绘工作；对乡镇及农村可采用1500001100000 或更小比例尺开展工作。勘探工程量要与地质调查测绘精度相适应。(五)动态观测与发展趋势预测1.地裂缝动态观测是一项耗费人力物力较大的监测工作，因此在有条件时可进行，且最好是结合地面沉降的监测工作进行。2
22、.地裂缝发展趋势预测与评价工作包括：建立地裂缝的计算机预测和评价系统；建立地裂缝物理模拟的发展趋势预测和评价系统；趋势会商；时间序列分析。(六)地裂缝场地工程地质分析与评价内容1.地裂缝场地工程地质分析与评价内容主要有：地裂缝的空间展布特征、成因类型和规模；地裂缝的活动特点及其时空规律性；地裂缝场地土体结构及其力学特征；地裂缝与活动断层的双重构造作用；地裂缝灾害的作用强度特点及其规律；地裂缝与开采地下水产生的附加作用关系；地裂缝场地不同类型建筑工程的适应性。2.地裂缝特征，包括几何、运动学、动力学等三方面的特征。地裂缝活动强度(根据西安市资料)分为弱(活动速度2mm/a)、中等(活动速度 22
23、0mm/a)、强(活动速度 2080mm/a)、超强(活动速度80mm/a)等四种类型。地裂缝活动方式分为垂直升降、水平拉张和水平扭动三种类型。地裂缝活动范围的分为线状和片状两种，其中片状按比较连续或相关的分布范围细分为小范围(1km 2)、中等范围(110km 2)、大范围(10100km 2)和超大范围(100km 2)四种。按裂缝长度和影响范围分为小规模地裂缝(地裂缝累计长度小于 100m，影响范围小于 0.5km2)、中等规模地裂缝(地裂缝累计长度1001000m，影响范围 0.55.0km 2)和大规模地裂缝(地裂缝累计长度大于1000m，影响范围大于 5.0km2)。3.历史考古分
24、析，包括查阅史书、地方志；以及野外考古，包括探槽发掘文化层；调查古碑文和民间传说。4.成因分析，包括自然成因、人为因素及成因机制等方面的分析。5.物理模拟与数值模拟。物理模拟即按一定比例尺制作物理模型，选用具有相似物理力学性质的材料，相似的几何边界条件和力学边界条件，施加相应的附加应力，测量模型的变形开裂过程。进行多次反复模拟和测量，最后求出导致地裂缝活动各种因素的量化指标。数值模拟是利用计算机技术建立二维或三维模型，基于弹、塑、粘性或三者耦合的物理方程，把研究对象离散化，分一系列单元进行分析，最终组合成一个整体性的认识。6.地裂缝带强弱划分和破坏宽度确定正确地进行地裂缝带强弱划分和破坏宽度确
25、定，是确定地裂缝带建筑安全距离的前提。一般采用以下方法进行综合确定，并划分为强、中、弱破坏带。调查地表建筑物损坏，确定破坏宽度。地表建筑物的破坏是地裂缝灾害效应的最直接标志。进行地裂缝场地宏观破坏宽度分带。主要依据槽探、人防工程等土体中发育的次级裂缝条数、张开度、连续性等进行统计，划分出强破坏带、中等破坏带和弱破坏带。根据土体工程地质性质变异分带性确定破坏宽度。划分强、中、弱破坏带。根据土体渗透变异分带性确定破坏宽度。根据物、化探测试异常宽度确定破坏宽度。将以上各种方法得出的不同数据进行综合对比，为确定地裂缝建筑安全距离提供依据。各种方法得出的数据常不尽相同，一般由地下工程破坏和探槽揭露的土体
26、破坏宽度较小，不能代表地裂缝带的实际宽度。而波速测试、阻尼测试、甚低频、“”卡、测氡仪测试的结果较大，它们反映的破坏宽度除包括土体宏观破坏宽度外，还包括土体内微破裂和变形影响，其异常边界可视为弱破坏与安全带的边界。(七)地裂缝灾害危险性评估地裂缝灾害危险性评估工作内容，包括破坏损失调查与统计，地裂缝场地的岩土工程分析评价，以及对建筑物、生命线工程、地下工程、交通工程、农业生产和水利工程等的危害性评价。由于地裂缝活动中的构造应力对建筑物地基基础和上部结构都具有应力传递作用，加上建筑物上部自重应力作用，导至建筑物拉裂、剪断而破坏。如果楼房、平房、墙体、大厅库房、厂房、路基、窑洞、井渠等，其地基凡有地裂缝穿越者，都遭到不同程度的损坏、破坏，乃至结构失效，建筑物报废拆除。根据西安地裂缝带地表至地下 6070m 深度地层工程地质性质和地裂缝带上建筑物的结构特点，依据工业与民用建筑对地基基础变形的要求，将地裂缝周围地带划分为严重区、次严重区和轻微区(表 2)。表 2 地裂缝灾害分区表(据冯希杰)分区类别 最大差异沉降 (mm/m) 建筑物破坏程度
