西安地裂縫活動特征的自動監測及其影響因素分析

強 菲，張紅強，李 勇，盧全中，陶 虹，袁喜東

（1.自然資源部陜西西安地裂縫與地面沉降野外科學觀測研究站，陜西?西安 710054；2.陜西省地質環境監測總站（陜西省地質災害中心），陜西?西安 710054；3.長安大學地質工程與測繪學院，陜西?西安 710054；4.陜西省地質調查院，陜西?西安 710054）

地裂縫是西安顯著的地質災害之一，危害之嚴重舉世矚目。西安城區共發育地裂縫12 條，平行等間距排列，間距約1～1.5 km，總長約200 km，走向NEE[1-4]。在西安城區和近郊區，出露有總長約55 km 的具有顯著垂直變形的地裂縫。西安地裂縫受南部臨潼-長安斷裂構造活動控制，現今的活動除了構造因素之外，還存在過量抽汲承壓水對它的誘發影響。承壓水位的大幅度下降在地裂縫發育的某一階段，加速、激化地裂縫的發展。西安地裂縫監測始于1976 年，監測方式以水準測量為主，監測地裂縫兩盤的地表相對垂直變形量。由于地裂縫的活動兼具水平拉張、水平扭動和垂直變形的三維特征[5]，因此采用一種有效的精確的監測儀器獲取其三維活動特征非常關鍵。MD 系列斷層活動測量儀由原中國地震局地殼應力研究所研發，包括DSJ 型水平變形測量儀和YSL 型垂直變形測量儀，多用于斷裂帶三維活動監測，目前已在多地使用。張毅光等[6]采用DSJ 型水平變形測量儀觀測了新疆斷裂活動。李杰等[7-8]采用短水準（或短基線）和斷層儀，對山東安丘形變觀測場地跨同一斷裂分別進行了垂直形變量和水平形變量觀測，并對其結果進行了對比分析研究。張鴻旭等[9-11]等應用MD 系列斷層活動測量儀對大型水電工程進行了巖體原位變形監測。上述斷層儀為斷裂活動和巖土工程變形觀測提供了一種有效手段，均取得了較豐富連續可靠的觀測數據和研究成果。

地裂縫活動特征類似于活動斷層。李秀英[12]采用三維斷層活動測量儀測量山西大同市同車公司地裂縫，得出地裂縫垂直活動變化是熱形變效應和地裂縫運動信息的綜合反映，可以采用斷層儀進行地裂縫的三維活動監測。但大多數地裂縫的活動強度隨地下水抽取或強降雨具有間歇性特點[13-15]，又表現為與斷層具有明顯不同的特點。為此，在進行地裂縫三維活動監測的同時，開展其活動特征及影響因素的分析，對于掌握和揭示地裂縫活動規律和成因機理具有重要的意義。

西安自2002 年引入MD 系列斷層活動測量儀，實現了對地裂縫垂直位錯、水平拉張和水平扭動的三維活動實時監測，積累了非常寶貴的監測數據。本文基于MD 系列斷層活動測量儀對西安f7 地裂縫東段常年監測獲得的三維變形數據，研究其活動特征和變化規律，分析其與地下水位變化及降雨量之間的關系，為地裂縫活動預測和機理分析提供科學依據。

1 西安地裂縫三維活動監測

西安地裂縫三維活動監測始于2002 年2 月，監測點位于西影路西安工程技術學校，采用的是MD 系列斷層活動測量儀，用于監測活動較為強烈的f7 地裂縫東段的三維活動變化（圖1）。該MD 系列斷層活動測量儀包含DSJ型水平變形測量儀二臺、YSL型垂直變形測量儀一臺，分別跨f7地裂縫布設，測點位于地裂縫主變形帶內（圖2）。該處f7 地裂縫走向NE55°，在與地裂縫夾角30°的方向上布置一臺斜交MD4281 型水平扭動變形測量儀（DSJ），在與地裂縫垂直的方向上布置另一臺正交MD4281 型水平拉張變形測量儀（DSJ）和一臺MD4482 型垂直變形測量儀（YSL）。三臺測量儀分別對地裂縫水平扭動量、水平拉張量及兩盤垂直相對沉降量進行觀測，儀器采用自動記錄，一周一次人工換紙，其圖紙曲線可以實時描述地裂縫的運動軌跡，測量精度達0.001 mm，至今運轉正常。三臺測量儀的功能原理、技術參數和技術特點等見表1。

表1 MD 系列儀器功能原理、技術參數和技術特點Table 1 Function principle, technical parameters and technical characteristics of MD series instrument

圖1 儀器監測站所在地裂縫位置Fig.1 Location of instrument monitoring station

圖2 三維監測原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of 3D monitoring principle

2 監測結果

根據地裂縫三維變形監測數據，得到該地裂縫2002年2 月至2020 年12 月歷年活動變化特征和累計活動變化特征。

2.1 歷年活動變化特征

監測結果顯示（圖3），地裂縫水平變形（水平拉張、水平扭動）和垂直變形歷年相對活動呈波動變化，其中2002—2003 年的水平拉張和垂直相對活動量較后期明顯較大，根據其他地區MD 系列斷層活動測量儀接收數據情況，前兩年會有因儀器自身建設產生數據失真的可能。垂直活動量歷年活動平均值為-0.001 mm，最大值為1.152 mm，出現在2018 年2 月，最小值為-1.236 mm，出現在2018 年9 月；水平拉張活動量歷年活動平均值為0.042 mm，最大值為0.764 mm，出現在2003 年8 月，最小值為-0.402 mm，出現在2003 年12 月；水平扭動活動量歷年活動平均值為-0.04 mm，最大值為0.345 mm，出現在2003 年8 月，最小值為-0.869 mm，出現在2003 年10 月。監測結果顯示：垂直活動量、水平拉張活動量、水平扭動活動量，三者的平均變化值比例為1:42:40。在垂直方向上，地裂縫上盤相對下降，但下降趨勢不明顯，在水平方向上，具有明顯的水平擠壓和水平右旋特點。在三維活動量中，水平拉張活動量最大，水平扭動活動量次之，垂直活動量最小。

圖3 地裂縫歷年活動變化曲線Fig.3 Activity curve of ground fissure over the years

歷年年平均活動變化曲線顯示（圖4），2002 至2020 年期間，垂直活動量、水平拉張活動量和水平扭動活動量平均值呈波動變化，但呈逐年減小趨勢。截止2020 年，地裂縫三維活動趨于停止。

圖4 地裂縫歷年平均活動變化曲線Fig.4 Average activity curve of ground fissure over the years

地裂縫年度活動變化曲線顯示（圖5）：地裂縫活動發展變化具有年度周期性規律。水平拉張方向每年1—5月份處于相對穩定狀態，每年6—12 月份處于相對活躍期，總體趨勢為相對拉張轉相對擠壓（圖5a）；水平扭動方向1—4 月份處于相對穩定狀態，每年5—9 月份處于相對活躍期，以7—9 月份最為活躍，這與西安降雨量集中在7—9 月相一致，10—12 月份回歸相對穩定狀態（圖5b）；垂直方向上，每年1 月份處于相對穩定狀態，2—10 月處于相對活躍期，總體趨勢為上盤由相對上升轉相對下降（圖5c）。地裂縫動態變化特征說明地裂縫的活動受降雨及其它因素影響，并與其具有相關性。

圖5 地裂縫活動年度變化對比曲線Fig.5 Comparison curves of annual variation of ground fissure activity

2.2 累計活動變化特征

監測結果顯示（圖6），2002 年2 月至2020 年12 月近19 年來的垂直方向累計變形量為-0.228 mm，水平拉張方向的累計變形量達9.63 mm，水平扭動方向的累計變形量達-9.10 mm，三者的比例為1:15.8:14.9。總體趨勢為：在垂直方向上，地裂縫上盤相對下降，在水平方向上，具有明顯的水平擠壓和水平右旋特點。這與歷年活動變化相一致。

圖6 地裂縫累計活動變化曲線Fig.6 Cumulative activity curve of ground fissure

3 地裂縫三維活動階段特征

由圖6 可見，該處地裂縫在不同時間段呈現出不同的運動軌跡和活動特征[16-18]，地裂縫活動依據速率快慢程度大致可分為6 個階段：

（1）活躍期（2002 年2 月至2003 年8 月）：該階段地裂縫以垂直活動為主。垂直累計年活動速率達到最大值為5.064 mm/a，垂直累計活動量隨時間呈迅速增加趨勢，表現為上盤相對上升；水平拉張活動量與水平扭動活動量均達到年度最大值。水平拉張累計年活動速率為1.305 mm/a，水平拉張累計活動量隨時間呈緩慢增加趨勢，表現為相對擠壓；水平扭動累計年活動速率為1.386 mm/a，水平扭動累計活動量隨時間呈逐漸增加趨勢，表現為相對右旋。

（2）較活躍期（2003 年9 月至2005 年9 月）：該階段地裂縫以水平扭動活動為主，伴有一定幅度的回彈。垂直累計年活動速率為1.02 mm/a，垂直累計活動量隨時間呈逐漸減小趨勢，表現為上盤相對下降下盤回彈；水平拉張累計年活動速率為0.137 mm/a，水平拉張累計活動量總體變化較小，表現為擠壓狀態回彈；水平扭動累計年活動速率達到最大值為3.207 mm/a，水平扭動累計活動量隨時間呈迅速增加趨勢，表現為持續相對右旋。

（3）較穩定期（2005 年10 月至2008 年12 月）：該階段地裂縫以水平拉張活動為主。垂直累計年活動速率為0.412 mm/a，垂直累計活動量隨時間呈波動趨勢，總體變化較小；水平拉張累計年活動速率為1.09 mm/a，水平拉張累計活動量隨時間緩慢增加，逐漸趨于垂直累計活動量，表現為持續相對擠壓；水平扭動累計年活動速率達到最大值為0.543 mm/a，水平扭動累計活動量隨時間呈緩慢增加趨勢，表現為持續相對右旋。

（4）基本穩定期（2009 年1 月至2011 年6 月），該階段地裂縫三維活動速率均較低，基本趨于穩定。垂直累計年活動速率為0.461 mm/a，水平拉張累計年活動速率為0.448 mm/a，水平扭動累計年活動速率為0.451 mm/a，垂直累計活動量、水平拉張累計活動量與水平扭動累計活動量總體變化較小。

（5）回彈期（2011 年7 月至2016 年12 月）：該階段地裂縫以垂直回彈活動為主。垂直累計年活動速率為0.936 mm/a，垂直累計活動量隨時間呈逐漸減小趨勢，表現為下盤持續回彈至最初狀態；水平拉張累計年活動速率為0.586 mm/a，水平拉張累計活動量隨時間緩慢增加，表現為持續相對擠壓；水平扭動累計年活動速率為0.286 mm/a，水平扭動累計活動量隨時間呈緩慢減小趨勢，表現為右旋轉變為左旋，但總體變化較小。

（6）穩定期（2017 年1 月至2020 年12 月）：該階段地裂縫三維活動速率接近于0，趨于穩定。垂直累計年活動速率為0.009 mm/a，垂直累計活動量趨于穩定，基本停止回彈；水平扭動累計年活動速率為0.246 mm/a，表現為相對擠壓，但總體趨于穩定；水平扭動累計年活動速率為0.038 mm/a，水平扭動累計活動量趨于穩定。

4 監測方法對比及影響因素分析

4.1 地下水位影響分析

地下水開采是地裂縫活動的誘發因素[19-24]。地下水開采引起的水位變化主要影響地裂縫垂直方向的變形。西安工程技術學校附近的承壓水井#529-1 位于監測站東側約100 m，監測承壓含水層深度范圍為180～260 m，其水位監測數據與地裂縫垂直累計活動量數據進行對比分析（圖7），結果顯示，2006 年至2020 年，#529-1 的地下水水位呈持續上升趨勢，對應該階段地裂縫垂直活動由較穩定期開始轉入回彈狀態后停止回彈。這與2000 年后西安市逐步關停自備井，地下水開采量逐年減少有關。承壓水水位普遍上升，減少了地裂縫活動的誘發因素，地裂縫垂直活動趨于減緩。因此，該區地下水水位與地裂縫垂直變形密切關聯。

圖7 地裂縫垂直累計活動與地下水水位關系曲線Fig.7 Relation curves between vertical cumulative activity of ground fissure and groundwater level

4.2 降雨影響分析

將地裂縫歷年活動與歷年降雨量進行對比分析（圖8），利用SPSS 軟件中的斯皮爾曼模型分析兩者之間的相關關系，水平拉張相關系數為0.455，垂直活動相關系數為-0.84，水平扭動相關系數為0.257。結果顯示，歷年降雨量與地裂縫垂直活動相關程度最高，存在較好的負相關性；水平拉張次之，與水平扭動的相關程度較低。降雨量主要影響地裂縫垂直變形活動。

圖8 地裂縫歷年活動量與降雨量關系曲線Fig.8 Relation curves between rainfall and activities of ground fissure over the years

5 結語

西安f7 地裂縫東段采用MD 斷層活動測量儀進行三維活動監測可實現監測的實時性和準確性，可有效支撐地裂縫防治工作。監測結果顯示：

（1）西安地裂縫自2002 年以來，其活動特征以水平拉張為主，水平扭動次之，垂直活動最弱；地裂縫上盤相對下降，并具明顯水平擠壓和水平右旋特點。地裂縫活動呈逐年減小趨勢并趨于停止，受降雨及其它因素影響呈周期性變化特征。地裂縫活動可分為活躍期、較活躍期、較穩定期、基本穩定期、回彈期和穩定期六個階段。

（2）地裂縫垂直活動受承壓水水位影響，承壓水水位上升，其活動趨于減緩。降雨量主要影響地裂縫垂直變形活動。