南水北調中線工程白莊地裂縫成因及活動性分析

摘要：白莊地裂縫是南水北調中線工程遇到的唯一一處地裂縫地質災害。通過勘察白莊地裂縫的分布、發育形態特征，研究煤礦開采沉陷影響、九里山斷裂構造、應力解除效應、環境地質背景條件、地下水作用等因素，分析地裂縫的發育成因。結果表明，白莊地裂縫不屬于采空區沉陷裂縫，其發育受九里山斷裂構造控制，在其他環境地質作用的變化因素（采礦活動引起的應力釋放，地下水下降，地表水下滲）誘發和激化的綜合疊加作用的體現。成因分析和初步監測顯示，地裂縫仍存在微弱的活動性，但總體趨于穩定。

關鍵詞：地裂縫；成因；斷裂構造；采空區；沉陷；應力釋放；沉降；地下水；滲透

中圖分類號：P642 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0173-06

Abstract：The only one ground fissures geological disaster along the middle route of the South-to-North Water Transfer Project （SNWTP） is the Baizhuang Ground fissure.In order to analyze the causes for the fissure development，the distribution and morphological characteristics of the ground fissure were investigated.And the influence of subsidence caused by the coal mining，the fracture structure of the JiuLi mountain，the effects of the stress relief，the conditions of the environmental geological and the effects of the ground water were studied.The results showed that the ground fissures were not caused by the subsidence of the mined out area， and the development of the ground fissures was mainly controlled by the fracture structure of the JiuLi mountain.Other environmental and geological conditions （i.e.，the stress release caused by mining activities，the ground water decline，and the surface water infiltration） also had a synergic effect on the ground fissures.The cause analysis and preliminary monitoring showed that the activity of the ground fissure still existed but its strength was weak，and the ground fissure activity tended to be stable as a whole.

Key words：ground fissure；cause of formation；fault structure；mined out area；settlement；stress release；settlement；groundwater；infiltration

近年來，地裂縫的地質災害得到空前的重視，隨著西安、邯鄲、臨汾、邢臺等城市地裂縫為代表的調查研究[1-5]的深入及大量長期觀測資料的積累，使人們認識到地裂縫成因機制的復雜性。研究者們對地裂縫的成因機制主要有兩種觀點，即構造成因和非構造成因[6-9]。構造成因觀點認為地裂縫是由深部斷裂活動構造應力影響地表層張拉破裂的效應，非構造成因也很復雜，崩塌、滑坡、地下水下降、巖溶或采空區沉陷等均能造成地裂縫。地裂縫使地面建筑物及地下工程設施遭受了損害，地裂縫的存在對工程建設帶來諸多的隱患，工程建設規劃常采用規避地裂縫的措施[10]。而南水北調中線工程白莊段是焦作礦區總干渠線路受煤礦采空區制約的瓶頸渠段，兩側均鄰近煤礦采空區，發育在卡口地帶中間的地裂縫無法避開。目前國內對地裂縫的勘察研究主要集中在城市地裂縫，對于水利工程地裂縫的勘察研究成果還不多見。南水北調中線工程白莊段地裂縫自發現以來有20余年的歷史，陳鵬，郝深志就白莊地裂縫成因作了初步的探析[11]，認為其主要成因是煤礦采空區引起的，這種看法在當時是一種普遍觀點，但其成果局限于地表調查和評價。筆者通過收集和研究地裂縫場地地質構造隱伏斷層資料、附近煤礦開采活動情況、周邊采空區開采歷史及現狀、地下水開采情況及多年地下水位變化情況、古地貌陡崖分布情況、地層結構等資料，利用施工現場大量的探槽、探坑揭示地裂縫的縱深發育特征，分析了白莊地裂縫的成因機制、活動性及環境地質條件的影響因素，并預測該地裂縫的發展趨勢。

1 環境地質背景條件

工程區位于太行山山前洪積扇傾斜平原，地形較平坦開闊。區域內主要斷裂為太行山山前隱伏斷裂，以高角度的正斷層為主，其中九里山斷裂與薄壁斷裂組合成地塹，白莊地裂縫發育在地塹的邊緣。九里山斷裂走向NE40°，傾向NW，傾角約70°，為高角度正斷層。九里山斷層下盤相對隆起，隱于場地覆蓋層之下，形成“地下基巖臺階”，斷裂西北側為二疊系含煤地層，松散層總厚度260～330 m，東南側為相對隆起的基巖臺階，松散覆蓋層厚度約40 m，斷層兩側基巖面起伏轉折陡峻，斷裂兩側松散層厚度差異顯著。

第四系洪積扇地層組合為多層韻律的卵石與黏性土相間分布，含水層為砂及礫卵石。地下水位在20世紀70年代以前埋深5 m左右，水量豐富。由于近幾十年來工農業的發展（包括焦作礦區礦井疏干排水），對淺層地下水的開發逐漸增大，引起淺層潛水位逐漸下降，目前白莊渠段地下潛水埋深40～45 m。

場地西北側毗鄰焦作礦區方莊井田，方莊煤礦始建于1958年，2005年關停。沿山村附近煤礦埋深大于600 m，井下地下水涌水量大，排水困難，20世紀90年代后巷道才向東南拓展至沿山村下方，采空區形成時間1994年-2005年，其中最近的采空區與地裂縫水平距離約800 m。

2 地裂縫分布及發育特征

白莊地裂縫位于白莊煤礦與方莊煤礦之間—沿山村與白莊村之間的耕地中，斜穿中州鋁廠工企站鐵路、白莊北公路（圖1）。白莊地裂縫最早發現于20世紀80年代末期，近似呈直線型單一地裂縫，地裂縫走向NE29°-NE43°，長度約1 400 m，南段與總干渠中心線基本重合，北段偏離總干渠延伸至左岸耕地中。地裂縫寬度一般0.2～0.5 m。

2.1 平面分布特征

場地地形較平坦，地裂縫表現為串珠狀的陷坑，定向排行可見到裂縫的走向趨勢。微地貌顯示，地裂縫中段形成了地勢較低的帶狀洼地。單一線性地裂縫，沒有發現雁行或分枝裂縫；地裂縫走向NE 29°～43°，與焦作礦區的主構造線方向基本相同。

2.2 剖面分布特征

（1）一般由一條地裂縫組成，局部地段剖面中部見有分枝裂縫。

（2）地裂縫傾向NW，傾角約70°～85°，裂隙面粗糙不平，裂口上大下小，地表水平向張開寬度20～50 cm，下部變窄，底部尖滅。剖面形態符合張性結構面特征。

（3）地裂縫的發育有構造形跡，剖面中的多個標志層均顯現裂縫（隙）兩盤有錯位現象，錯距上小下大。上盤（NW盤）下降，下盤（SE盤）相對上升，裂縫影響帶的夾層有拖曳跡象。

（4）地裂縫的發育深度最深達13 m，一般6～11 m。地裂縫5 m以內基本未充填，縫壁偶見有植物及麥秸稈；5 m以下充填物結構松散，手可挖動。

（5）地裂縫尖滅的下方地層仍然被錯斷，深度越深斷距越大，斷帶內土體明顯有別于兩側的黃色黏性土，斷帶內為灰褐色黏土包礫、卵石，見有側列、同向陡傾的微細閉合結構面，見圖3。

3 地裂縫成因分析

3.1 地裂縫與地下采空區沉陷影響邊界關系

焦作煤礦區因采煤沉陷引起的地裂縫很常見，1996年的地質測繪調查[12]就有1000余條，采礦沉陷地裂縫主要是由地下采動引起的地表不均勻沉陷拉伸變形形成，屬重力作用在沉陷盆地外緣地表產生的破裂形跡。許多人認為白莊地裂縫也屬于采煤沉陷地裂縫，因此，先判明白莊地裂縫與采空區沉陷的關系。

（1）白莊地裂縫的平面、剖面形態特征及規模不符合采空區沉陷地裂縫的特征。后者分布在沉陷盆地的外邊緣（張拉區），呈環狀包圍采空區，地表沉陷邊界內側常見多條平行裂縫成組出現，延伸長度一般百余m，發育深度不超過10 m，垂直位移是上大下小[13]。而白莊地裂縫在地面上是與采空區方位反向的弧形，規模較大，地表沒有沉陷盆地，地面基本沒有錯臺，剖面上地層錯距是上小下大，這些均不符合采空區沉陷地裂縫的特征。

（2）地裂縫出現時間不符合（白莊地裂縫在先，采礦在后）。白莊地裂縫發現的時間在20世紀80年代末，而當時方莊煤礦最近的采空區和采礦工作面距總干渠1.5 km（水平距離）以上，并且采深僅有400 m。根據開采沉陷學的常識，采深不大的沉陷影響距離很有限，一般小于300 m。

（3）白莊地裂縫位于地下采空區沉陷影響邊界以外。根據方莊煤礦采礦資料，距離最近的25031采區在2005年形成了走向長約300 m長的采空區，水平距離總干渠中心線約800 m，埋深600～660 m，采厚5～6 m。按最不利的情況，假定25031采區全部開采完，達到充分采動的條件，按“三下”采煤規程[14]中的垂直剖面法計算其影響到地表的范圍L，見圖4。

計算結果：影響距離L為519 m，即預測的地表沉陷影響邊界最近點距總干渠中心線約281 m。表明地裂縫位于地下采空區開采沉陷影響邊界以外，換言之，白莊地裂縫不是煤礦采空區沉陷地裂縫。

地表地質調查表明，實際的現狀沉陷盆地的沉陷邊界位于沿山村的西北，距總干渠中心線距離約700 m，這是因為25031采區在停采保護以后采空區300 m×100 m的尺寸范圍遠未達到充分采動的條件，因此實際出現的地表沉陷邊界距離遠小于考慮了安全度的預測邊界距離。

3.2 九里山斷裂活動控制作用

（1）白莊地裂縫的分布、產狀特征與九里山斷裂構造一致。

九里山斷裂走向NE40°左右，傾向NW ，為高角度正斷層；地裂縫位于九里山斷裂的斜上方，為張性裂縫，走向NE32°-NE43° ，傾向NW，產狀與隱伏的九里山斷裂性質基本一致，位置也與九里山斷裂向地表延伸線相對應。

（2）白莊地裂縫的應力場與區域構造應力場[15]相符合，見圖5。

（3）構造形跡解析。

橫切地裂縫的探槽和施工開挖的剖面揭示，地裂縫尖滅的下方有九里山斷裂構造形跡，九里山斷裂構造向上的延伸線與地裂縫重合。剖面上的地層錯距是上小下大，有隨深度逐漸增大的趨勢。以圖3中的展示圖為例，下部錯層形成于中更新世（Q2）地層（約13萬年以前）沉積之后，斷距較大；上部錯層形成于晚更新世（Q3）地層沉積之后（1.2萬年以前），斷距明顯較小（錯位小）。下部的地層錯距更大，斷層影響帶明顯有別于兩側的黃色黏性土，影響帶內土質顆粒成分斑雜，有黏土包礫，見有側列、同向陡傾的微細剪切結構面痕跡（見圖6），結構密實，沒有發現張開的變形縫。說明斷層的形成時代久遠，在近期幾十年沒有位移活動。根據探槽統計顯示，相同深度內的地層斷距相差較大，地裂縫和下部斷層兩盤有拖拽、側列結構面形跡，上盤下降，下盤相對上升，錯距上小下大，這些構造形跡說明九里山斷裂構造活動的發生、發展有階段性和繼承性，也有變形幅度逐漸減小的特點。

斷裂剖面形態及變形量差異的存在和不同深度地層時代不同，說明斷裂活動產生的歷史很長，起碼發生在全新世（1.2萬年）之前。即使以1.2萬年計算，水平與下錯量的年均位移量也是非常微小的。由于第四紀每一時期的沉積層形成之后都有沉積間斷，地裂縫與早期斷裂活動并非連續變形。地裂縫則發生在近期，活動表現為差異沉降為主，其次是水平拉張。說明九里山斷裂活動孕育了地裂縫，地裂縫和下部斷裂一脈相承，同時也說明九里山斷裂在第四系仍有活動。

3.3 九里山斷層上盤巖土體受鄰近煤礦采空引起巖體應力釋放效應影響

（1）九里山斷裂上盤分布有中馬村煤礦、馮營煤礦、方莊煤礦等多個大型煤礦，采煤活動持續了半個世紀，大范圍的采動影響下，斷層一側（多為上盤）巖體原已儲存的較高地應力向著采空方向釋放，巖體產生小量位移，誘使覆蓋土層產生相應裂縫。

（2）焦作礦區地應力水平較高。1970年代礦區鉆探曾發生基巖中套管被擠扁，并有餅狀巖芯，說明巖體地應力水平較高，九里山斷層上盤產生應力解除局部應力場的條件客觀存在。

（3）九里山斷層局部應力場活動解析。

方莊煤礦自1950年代末期始采，1980年代新井建成以后，方莊煤礦開采深度增大，且逐漸鄰近總干渠場地，大巷及水倉泵房平面距離總干渠230 m，九里山斷層上盤巖體向西松弛形成拉應力（見圖4），帶動覆蓋層也產生相應的局部拉應力場并產生表面拉裂。

3.4 地下水作用機理

地下水成因的機理分析如下。

（1）差異壓縮沉降機理。白莊地裂縫位于九里山斷裂隱伏的“地下硬質基巖臺階”部位（以斷層為界），東南側第四系松散層厚度較薄，西北側松散層厚度較大，基巖面起伏轉折突變形成兩側松散層厚度分布有明顯差異。近30年來地下水位下降約30～40 m，水壓降低產生等效附加應力，導致土層的差異壓密沉降。由于兩側土巖體結構不同，形成兩側土層有較大的沉降差異，沉降差異最大部位形成拉張應力集中產生開裂變形。

（2）滲透變形和滲透應力拖拽作用機理。井下水倉泵房疏干排水可能通過九里山導水斷裂與上部第四系含水層發生水力聯系。降落漏斗形成后，導水斷裂帶的滲流形成的動水壓力對土層產生潛蝕作用并逐步發展至管涌，使土層結構松弛，下部承壓水水頭壓力下降，形成順斷裂走向分布的滲透應力拖拽作用，引起上覆土層拉張應力集中并在地表發生張裂變形，見圖7。

4 地裂縫活動性及對工程影響分析

4.1 地裂縫變形監測

裂縫成因分析表明，地裂縫下盤相對穩定，變形主要集中在上盤。因此通過在上盤埋設鉆孔多點位移計和測斜儀來監測地裂縫的活動性。根據34個月的監測資料，多點位移計位移過程線和測斜儀偏移分布曲線見圖8-圖9。數據表明位移最大變化量為7.1 mm，多點位移計測值在2011年9月至2013年3月期間數據穩定，沒有明顯的位移；在2013年3月至2013年7月，下部4個測點顯示有4～6 mm的下沉，其后一年來測點數據基本穩定。測斜儀偏移值在2012年8月至2012年10月期間有明顯的變化，最大累計偏移量約10 mm，并且深部偏移量小，上部偏移量大。監測數據表明地裂縫在某些特定時段具有微弱的活動性。

4.2 地裂縫影響分析

地裂縫對總干渠的破壞效應是源于地裂縫的三向變形：垂直位移、水平變形、傾斜變形。跨越地裂縫的總干渠，由于裂縫的差異變形，累計變形量超過總干渠襯砌板的允許變形值就會造成襯砌板開裂。

地裂縫對土體破壞有一定范圍，破壞區域呈條帶狀。根據施工地質揭露的現象分析判斷，上盤主要變形帶水平寬度0～3 m ，下盤主要變形帶水平寬度0～2 m。由于地裂縫的破壞效應，變形帶內土體物理力學性質發生改變，土體結構出現松馳，孔隙增大，粗粒土表現得更為明顯，顏色、含水率、密度、抗剪強度、壓縮性、滲透性均有顯著變化，見表1。

豎井探查地裂縫最大可見深度13 m，在底部閉合或尖滅。總干渠挖方深度約0～27 m，裂縫顯著的地段多被挖除，但在左岸渠坡有出露。地裂縫發育的內動力是由深部傳遞到地表，根據勘探揭露的地裂縫發育特征，其影響帶向下延伸主要位于一級馬道以下與坡底之間。

5 結論

（1）九里山斷裂構造是控制白莊地裂縫分布規模、活動程度和發育特征的決定因素，斷裂活動就是白莊地裂縫的動力來源，地裂縫的形成和演化受構造活動和其它環境地質作用等綜合影響。環境地質作用因素包括采礦引起的應力松馳、地下水下降、滲流潛蝕、地震等誘發因素。

（2）白莊地裂縫發育受九里山斷裂構造活動控制，在其他環境地質作用的變化因素（采空區及采礦活動引起的應力釋放，地下水下降，滲流潛蝕、地表水下滲）綜合疊加作用的結果。

（3）鄰近煤礦基本已關停，可能誘發地裂縫變形的環境地質因素（采礦、地下水）趨于緩和，綜合評估看，白莊地裂縫的危害在逐漸減小。綜合地質成因分析和初步監測結果，地裂縫仍存在微弱的活動性，但總體趨于穩定。

（4）鑒于白莊地裂縫發育在九里山斷裂形成的埋藏基巖陡崖的上方，土巖體結構差異顯著，地基的均勻性較差，存在地質缺陷。為了避免不均勻變形，研究地裂縫部位的建筑物和渠道工程的防治措施很有必要。

（5）地裂縫高精度變形監測的工作剛起步，時間短，序列數據少，監測設施和布置有局限性。進一步完善監測系統，進行有效的動態監測將起到很重要的作用。

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