工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1600-1610   (6386 KB)    

引用本文  

赵龙, 李玉梅, 崔文君, 等. 2018. 北京宋庄地裂缝灾害特征及影响因素分析[J]. 工程地质学报, 26(6): 1600-1610. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-426.
ZHAO Long, LI Yumei, CUI Wenjun, et al. 2018. Disaster characteristics and influence factors for ground fissures at Songzhuang Village in Beijing[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1600-1610. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-426.

北京宋庄地裂缝灾害特征及影响因素分析
赵龙, 李玉梅, 崔文君, 罗勇, 张有全, 田芳, 雷坤超, 乔玲, 沙特, 田苗壮, 王新惠, 孔祥如, 刘贺, 齐鸣欢    
① 北京市地质环境监测总站 北京 100195;
② 吉林大学地球科学学院 长春 130061;
③ 首都师范大学 北京 100048
摘要:近年来由于北京市平原区地裂缝灾害凸显,不仅加速地表水土流失,而且对灾害区基础设施建设造成严重影响。为分析地裂缝形成原因,缓解及减轻地裂缝灾害造成的经济、财产损失,本文以新发现的宋庄地裂缝作为靶区,通过地质调查、InSAR监测、槽探、钻探等方法,揭示了宋庄地裂缝空间发育特征,从地质构造、地层岩性、地面沉降等方面,深入分析成因。结果显示:(1)宋庄地裂缝影响长度达8.7 km,NEE向延伸,受灾体主要展现出拉张形变;(2)区域拉张应力场为宋庄地裂缝形成提供内动力条件,构造影响下的第四系沉积厚度差异及地层岩性不均一,为宋庄地裂缝形成提供重要地质背景;(3)南苑-通县断裂为宋庄地裂缝形成提供了应力积累和传递媒介;(4)地下水超采引发的土体水平、垂向变形是地裂缝形成的诱发条件。受基底伸展变形、隐伏断裂及地下水开采影响,土体发生水平及垂向变形,使得在非饱和带断层区附近形成拉应力集中区,当达到土体抗拉强度时,形成盲裂缝,在雨水侵蚀或潜水位回升作用下,扩展至地表形成裂缝及串珠状土洞。
关键词北京    宋庄    地裂缝    成因    差异沉降    地下水    
DISASTER CHARACTERISTICS AND INFLUENCE FACTORS FOR GROUND FISSURES AT SONGZHUANG VILLAGE IN BEIJING
ZHAO Long, LI Yumei, CUI Wenjun, LUO Yong, ZHANG Youquan, TIAN Fang, LEI Kunchao, QIAO Ling, SHA Te, TIAN Miaozhuang, WANG Xinhui, KONG Xiangru, LIU He, QI Minghuan    
① Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100195;
② College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061;
③ Capital Normal University, Beijing 100048
Abstract: In recent years, the occurrence of geological fracture disaster has increased at the Beijing Plain. The geological crack disaster accelerates soil erosion and impacts negatively on infrastructure construction in the area. This paper aims to analyze the generation of geological cracks and reduce the potential losses of economy and property. With geological survey, InSAR monitoring, trenching and drilling methods, the spatial characteristics of ground fissures at Shongzhuang Village are investigated. The factors responsible for the ground fissures and the occurrence mechanism are analyzed based on geological structure, lithology and land subsidence. The conclusions are as follows. (1)The ground fissures at Songzhuang Viallge are sourced at Xiaozhong River, extend along the way through the Shuangbutou Village quay, Gouqu Village, Dapang Village, and end at the Pingjiatuan Village. Its influencing length is up to 8.7 kilometers and extends to the NEE direction. The houses, walls and pavements along the fissures have been damaged to varying degree. The affected objects exhibit tensile deformation. (2)Under the influence of tectonics, the thickness of the Quaternary sedimentary strata is different in two sides of the fissures. The difference in regional sedimentary environment leads to the heterogeneity of stratum lithology. Both of them are the important geological background for the formation of the fissures. (3)Nanyuan-Tongxian fault zone, conceals in the lower part of the ground fissure turn out to be a tensional fracture. Although moving under the ground, it provides the geological conditions for the accumulation and transmission of stress for the formation of the fissures. (4)The long-term and excessive exploitation of groundwater resources has changed the stable environment of the soil, and caused the horizontal and vertical deformation of the soil. The two kinds of deformations altogether caused the ground fissure. The superimposed effects of extensional deformation basement, buried fracture and groundwater overexploitation are the causes of horizontally or vertically compression of soils. The tensile stress concentrated zone is formed near the fault zone in the unsaturated zone. When the stress reaches the tensile strength of the soil, a blind crack is formed. The blind crack is extended to the surface due to rain erosion or of phreatic water table going up and developed to geological cracks and beads-like collapses.
Key words: Beijing    Songzhuang    Ground fissures    Mechanism    Differential subsidence    Groundwater    

0 引言

地裂缝泛指地表岩土体中产生的一种近似线形的破裂现象。地裂缝灾害属于地质灾害中的地面变形灾害, 具有潜在、缓变、瞬发等特点, 是直接或间接的恶化环境、降低环境质量、危害人类和生物圈发展的地质事件(王景明, 2000)。我国是世界上地裂缝灾害最严重的国家之一, 资料显示, 超过1000个地裂缝发现于中国东部平原, 覆盖了700个地区(Xu et al., 2015)。仅河北省内就已发现839多条地裂缝, 涉及保定、沧州、廊坊、石家庄、衡水、邢台、邯郸、唐山及秦皇岛市(吕凤兰等, 2014)。从20世纪60年代至今, 北京地区发现了约40条地裂缝, 主要分布在平谷的马坊、英城、大兴庄、东高村、夏各庄, 通州的张家湾、西集、郎府、觅子店, 顺义的高丽营、木林、北彩、牛山、马坡、塔河、李桥、徐辛庄、焦庄户, 昌平的南新村、北七家、十三陵、大东流, 房山的纸房村、小次洛以及延庆的大柏老等地(北京市地质矿产勘查开发局, 2008)。特别是1976年唐山大地震直接或间接导致了昌平南新村、通州西集乡和房山小次洛村等地区地裂缝的发生, 其中昌平南新村地裂缝破坏最为严重, 共有13处房屋严重开裂(赵忠海, 2006; 马超, 2011)。

地裂缝调查工作主要以研究区域第四纪地层、地震及构造等地质环境条件为基础, 结合测量、勘查手段, 获取地裂缝空间分布、规模、形态特征并揭示其成因的综合性地质工作(任妹娟等, 2014)。其中合成孔径雷达干涉测量(InSAR)具有高分辨率、高精度及低成本特征, 已成为获取地裂缝形变特征的有效手段(Qu et al., 2014)。赵超英等(2011)通过InSAR技术成功获取了山西清徐地裂缝的主要形变区域及最大影响宽度。赵超英等(2009)结合InSAR解译数据分析了西安地面沉降与地裂缝发育关系, 揭示了地裂缝两侧存在较为明显的不均匀沉降。张勤等(2009)利用InSAR技术结合GPS对西安地面沉降与地裂缝时空演化特征进行分析, 成功获取地裂缝两侧地面形变特征, 揭示地面沉降与地裂缝在时空分布上存在明显相关性。

地裂缝形成为多因素作用叠加结果, 多数学者认为区域构造活动与地下水开采引起的地面沉降是地裂缝形成及发展的主要因素(Holzer et al., 1981; Jachens et al., 1982; Burbey, 2002; Peng et al., 2016; 刘方翠等, 2016; 薛守中, 2016)。区域构造活动为地裂缝重要地质背景, 地震活动造成新岩层破裂或扩展/加剧已有破坏带(郭慧等, 2017), 研究显示北京多条地裂缝为第四纪以来区域性构造运动强化的产物(张世民等, 2005; 杨涛等, 2010; 冯利斌, 2011)。超量开采地下水形成地面沉降为诱发因素, 是导致地裂缝持续扩展的主要原因(Chen et al., 2014), 地下水动力作用下的地裂缝成因机制主要为差异抽水诱发差异沉降变形机制, 地下水流场改变而形成的渗透变形及拖拽作用变形机制, 土体失水水平方向变形机制等(王哲成等, 2012)。目前北京平原区快速发育的顺义地裂缝、高丽营地裂缝、羊房地裂缝和北小营地裂缝形成为区域构造活动及差异沉降变形机制共同作用的结果(刘方翠等, 2016)。

宋庄地裂缝发育在北京东部通州地区, 对通州城市副中心建设可能造成严重影响。当前对宋庄地裂缝的研究较少, 对其形成原因更无系统分析, 缺乏整体认识, 增加了防灾减灾难度。基于此笔者通过实地调查, 获取了地裂缝沿线多参数资料, 结合区域地质构造及地下水开发利用情况, 从地质构造、隐伏断裂、差异沉降等成因机制角度详细分析了其形成及发育的影响因素。

1 研究方法

本文在高密度电法、槽探、物探等传统地裂缝调查、研究方法基础上, 结合PS-InSAR技术, 采用多技术融合手段, 精确刻画宋庄地裂缝发育特征, 分析并揭示宋庄地裂缝成因。

1.1 PS-InSAR
1.1.1 数据选取

本文选取覆盖北京平原区10景RADARSAT-2 SAR影像为数据源, DEM数据采用美国SRTM获取的中尺度DEM数据和TanDEM获取的精细DEM。其中SAR影响地面标称分辨率为30 m×30 m, 时间跨度为2013年10月到2014年10月。PS-InSAR数据处理主要步骤如(图 1)所示。

图 1 PS-InSAR技术处理流程 Fig. 1 The process chart of PS-InSAR technique

1.1.2 精度验证

为验证PS-InSAR技术监测成果的可靠性, 选用研究区域范围内(图 2)7个水准高程测量点(S1~S7)2014年测量结果与对应的InSAR形变量进行验证。验证结果表明, InSAR测量结果与水准测量结果表现出明显的线性相关性, 相关系数(R2)高达0.98, 互差在1~5 mm范围内(表 1)。

图 2 水准点位置图(左图)及PS-InSAR精度验证(右图) Fig. 2 The location of leveling(left); Accuracy verification of PS-InSAR(right)

表 1 InSAR测量值对比验证结果 Table 1 The comparative validation results of InSAR

1.2 物探

本次物探工作采用AGI supersting R8高密度电法系统采集数据, 对高密度电法实测数据, 应用Earth Imager 2D对高密度电法处理软件编辑、圆滑和反演等处理, 获得高密度电法剖面图。

物探测线起点位于北京市农业机械研究所京鹏植物工厂西200 m附近(116°40′35.79″E, 39°57′59.43″N), 向东南布设, 终点位于双埠头小学南测500 m林地(116°40′55.23″E, 39°57′48.17″N) (图 3)。测线跨双瞳路, 方位角北偏东120°, 电极数60, 电极距10 m, 采用AGI高密度电阻率法Dip-Dip的测量方式, 进行测量。

图 3 宋庄地裂缝位置及工作量布置图 Fig. 3 The location of ground fissures and work layout of Songzhuang

1.3 钻探及槽探

本次工作在宋庄地裂缝两侧开展了钻探工作, 孔深为50 m, 钻孔坐标分别为, 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)。横跨地裂缝开挖典型性探槽, 探槽长8 m, 槽底宽1.5 m, 深2.45 m(图 3图 6)。

图 6 双埠头村南地裂缝探槽剖面图 Fig. 6 Trench profile of ground fissures in the south of Shuangbutou

2 环境地质概况

北京市平原区断裂构造比较发育, 燕山运动晚期与以升降为主的喜马拉雅山运动都形成了较大规模的断裂, 展布方向主要为NE及NW向(图 4)。研究区存在南苑—通县隐伏断裂, 该断裂南起码头, 经窑上、公义庄、葫芦垡、西红门、通州、富豪至南庄头附近。总体走向北东50°~30°, 断裂面倾向北西, 倾角约50°, 北西盘下降, 南东盘上升, 为正断层。北京平原大兴迭隆起和北京迭段坳陷受该断裂的影响, 导致第四纪不同时期沉积厚度及沉积速率有显著不同, 依据分布于南苑—通县断裂两侧的通3和通6钻孔多参数测试数据, 确定南苑—通县断裂北段(宋庄地裂缝), 大兴迭隆起部分第四系厚度为328 m, 北京坳陷第四系厚度为553 m(卫万顺, 2008)。

图 4 北京市主要断裂及宋庄地裂缝分布图 Fig. 4 Distribution of mainly fractures in Beijing and location of Songzhuang ground fissures

研究区属于潮白河、温榆河冲洪积作用为主形成的冲洪积平原, 地势西南低, 东北高, 地表标高在21.5~24 m之间。第四纪地层沉积厚度可达290~500 m之间(卫万顺, 2008), 为地裂缝致裂应力集中、传递、释放提供良好的物理场(徐继山等, 2012)。地表以下由黏质粉土、粉质黏土和粉细砂, 互层组成, 局部夹薄层软弱土层。黏性土多呈可塑-硬塑状态, 具垂直节理和孔隙(图 5)。

图 5 横跨宋庄地裂缝的地层剖面图 Fig. 5 Stratigraphic section across Songzhuang ground fissure

本区第四系含水层由潜水含水层、承压含水层组成, 含水层沉积颗粒细, 厚度比较稳定, 具体分为小于50 m潜水、50~100 m一层承压水、100~180 m二层承压水、大于180 m 3层承压水含水层。浅层水开采深度小于100 m, 水位埋深15~20 m, 深层水开采深度为100~300 m, 含水层富水性较差(赵龙等, 2017)。地裂缝两侧有徐辛庄水厂、宋庄供水一厂、宋庄供水二厂, 其中徐辛庄水厂开采深度超过300 m, 设计供水能力1×104m3·d-1, 宋庄供水一厂、二厂设计供水能力分别为1.5×104m3·d-1和1×104m3·d-1。地下水的补给来源主要是大气降水入渗、其次是地表水(河流、渠道等)渗漏和灌溉水的入渗补给。地下水的排泄主要为地下侧向径流和工农业开采(赵龙等, 2017)。

3 结果与分析
3.1 地裂缝发育深度及破坏形式

宋庄地裂缝总长度约为8.7 km, 走向NE-SW, 呈断续分布, 波及双埠头、沟渠、大庞及平家疃村(图 3)。在双埠头村南侧树林出现多处塌陷坑, 村内居民房屋多处受损。

宋庄地裂缝主要表现为水平拉张, 地表水平拉张量2.15~56.7 cm, 垂直位错量较小。在双埠头村开挖了典型探槽, 探槽揭露了地裂缝的剖面特征, 地裂缝近地表铅直纵向延伸, 剖面呈上宽下窄。主裂缝呈水平张开, 两侧地层沉积连续, 主裂缝处充填大量次生堆积土且裂缝处有明显的砂土淋失现象。揭示地裂缝水平拉张特征(图 6)。

除形成塌陷坑外, 地裂缝对村内建筑物、地面及路面造成严重影响, 通过走访调查发现, 地裂缝在建筑物上的破坏形式主要表现为:顶部拉张破坏直立型裂缝, 受裂缝拉张破坏导致裂缝上宽下窄, 在房檐处呈角度展布, 向下近直立延伸, 房屋顶部破坏严重向下破坏逐渐减弱; 底部破坏单斜阶梯型裂缝, 表现为下宽上窄, 沿一定方向阶梯状延伸, 底部先破坏, 随后逐步向上发展, 受破坏的砖之间出现错动, 该种破坏形式与地裂缝主变形带的不均匀变形有关。路面或地面的拉张变形主要发生在主裂缝沿线, 拉张区先从地表开始, 然后向下扩展, 表现为间断性破裂或块状密集无序龟裂(图 7)。

图 7 宋庄地裂缝灾害现象 Fig. 7 Hazard of Songzhuang ground fissures

图 8展示了地裂缝两侧地表形变特征, 整体上地裂缝灾害分布特征与沉降速率分布情况具有较好一致性, 在破坏点集中区双埠头村, 空间上主裂缝东侧年沉降速率大于西侧, 最大沉降速率为104.42 mm a-1, 该记录位于主裂缝东侧。继续向北东方向延展穿过东六环, 主裂缝两侧沉降速率差异性逐渐减弱, 至平家疃主裂缝两侧地面沉降速率近似相同, 与地裂缝地表破坏现象零星分布调查结果一致。

图 8 宋庄地裂缝沿线地面沉降速率分布图(2014) Fig. 8 Rate of land subsidence measured in 2014 by InSAR in the Songzhuang ground fissures

3.2 地裂缝形成原因及影响因素
3.2.1 地质构造

宋庄地区地处北京东部, 为北京迭段坳陷北部和大兴隆起交接处, 从地质构造来看, 新生代以来北京地区南、北段地壳运动展现不同趋势, 第四纪以来北京坳陷中南部地壳运动较为缓慢, 而北部, 升降频繁, 导致与大兴隆起差异日渐增大(汪良谋等, 1990)。区域第四系等值线显示大兴迭隆起部分第四系厚度约为300 m, 北京坳陷第四纪厚度约为550 m。从板块构造来看, 张家口—北京—天津NWW向的活动构造带为华北亚板块的北边界, 受太平洋板块SW向俯冲碰撞及西伯利亚SE的挤压等影响, 华北亚板块表现出区域应力集中, 导致区域形成东西向的拉张应力场(虞廷林, 1994; 谢富仁等, 2004)。在持续拉张效应下, 基底出现伸展变形(徐继山, 2012)。两方面作用为宋庄地裂缝形成提供内动力地质基础。

从活动构造来看, 研究区内存在南苑—通县隐伏断裂, 该断裂在燕山晚期至喜马拉雅期, 应力场发生较大变化由NW-SE方向挤压转变为NW-SE向张引, 导致上盘沿老断裂下滑, 形成拉张型正断层(卫万顺, 2008)。高密度电法解译结果显示, 南苑—通县断裂(北段)在双埠头地区与地表裂缝位置较吻合, 该断裂在双埠头地区没有错段整个第四纪地层至地表, 埋深在25~37 m左右(图 9), 表明, 南苑—通县隐伏断裂活动不能直接影响地裂缝的发育, 但其为应力聚集区, 可为地裂缝形成提供了应力积累和传递。

图 9 高密度电法剖面图 Fig. 9 The high-density electrical method profile

3.2.2 土体物理性质

对宋庄地裂缝两侧岩芯进行土工试验, 土样天然状态的物理性质指标见表 2

表 2 天然状态土体物理性质指标 Table 2 Physical indexes of natural soil

液塑比与界限液塑比可以反应土体压缩特征, 当液塑比小于界限液塑比时, 指示当土体收缩后再对孔隙充满水后, 土体很难回弹到原有状态(欧钊元等, 2008)。两侧土体对比结果表明, ZK1代表性钻孔中液塑比均小于界限液塑比, 而ZK2对应层位的部分土体液塑比大于界限液塑比(表 2)。表明ZK1土体更难以回弹, 地裂缝沿线存在连片树林且多开采浅层水进行浇灌, 浅层地下水除受大气降水补给外, 还接受河流侧向径流、灌溉等多种途径补给, 因此在地下水开采-补给系列变化中, 土体发生压缩-回弹作用。差异性的回弹导致两侧土体受力存在差异, 打破土体原有平衡, 降低土体稳定性。

3.2.3 地下水动力

大量学者证实, 过量抽采地下水为地裂缝形成的重要因素(徐继山, 2012, Chen et al., 2014; Peng et al., 2016)。图 10为地下水开采情况与地下水漏斗叠加图, 显示受地下水开采影响, 地下水超采和严重超采区形成多个地下水漏斗。宋庄地裂缝位于超采区和严重超采区交接处及多漏斗叠加区, 漏斗持续加深产生的水力渗透作用单位体积土体渗透力表示为:

$ {F_b} = \left({\rho g/K} \right) \times \left[ {n{v_w} + \left({1 - n} \right)} \right]{v_s} $

图 10 地下水开采情况及地下水漏斗分布图 Fig. 10 The chart of groundwater exploitation and distribution of groundwater funnels

式中, Fb为渗透力; ρ为水的密度; g为重力加速度; K为含水层电导率张量; n为饱和含水物; vwvs分别为水的速度矢量和构成骨架结构的固体颗粒的速度矢量。

在持续抽采地下水情况下, 地下水由周边向降落漏斗中心渗流过程中, 沿渗流方向形成了较强的动水压力, 动水压力对固体颗粒所产生的动能, 会对含水层骨架产生明显的黏滞拖拽作用(徐继山, 2012)。这种黏滞拖拽作用在整个含水层的积累, 会在上覆土层内形成张应变集中。此外水位下降使得含水垂直运动, 导致在上覆黏土层产生不均匀沉降。

3.2.4 地裂缝成因模式分析

前文分析, 华北亚板块出现区域应力集中, 在持续拉张应力作用下, 基底出现伸展变形, 使上覆沉积盖层由纯自重作用为主的三轴压缩应力状态转为水平轴向为主的拉张应力状态(王思敬, 2002)。在持续的拉张作用下, 造成土层破裂, 导致应变能的释放与松弛, 短期内易形成"无根"地裂缝(即地裂缝向下延伸不会通达断裂)(徐继山, 2012)。南苑—通县隐伏正断层现今活动强度未能错段至地表, 但其活动为地裂缝形成提供了应力积累和传递。同时隐伏断裂对于上覆地层地表或近地表"陡变区"形成细小张裂破坏(徐继山, 2012)。

宋庄地裂缝位于超采区和严重超采区交接处及多漏斗叠加区, 地下水流场变化造成的地层既有水平方向拉张变形, 同时有垂直方向压缩变形。从GPS水平与垂直叠加运动场可以看出, 在北京地区GPS站点水平运动较强的区域, 同时也为垂向运动较强区域(图 11), 表明北京地下水开采导致的地面沉降具有水平、垂直两维运动特征, 土体水平运动使得研究区拉应力集中, 为地裂缝形成提供较好力学基础。

图 11 北京区域内部GPS测量点运动速度场(2014) Fig. 11 Movement velocity field of GPS in Beijing(2014)

综上所述, 受基底伸展变形、隐伏断裂及超量地下水开采影响下, 多应力叠加导致在非饱和带断层区附近形成拉应力集中区, 当拉应力达到土体抗拉强度时, 在地表以下非饱和带断层附近形成"盲裂缝", 在雨水侵蚀或潜水位回升作用下, 扩展至地表形成裂缝及串珠状土洞(图 12)。

图 12 宋庄地裂缝形成机理模型 Fig. 12 Genetic mode of Songzhuang ground fissure

4 结论及建议

宋庄地裂缝NE-SW向延伸, 长度约8.7 km, 断续分布于双埠头村、沟渠村、大庞村及平家疃村。该地裂缝主要表现为水平拉张, 受影响地区墙体破坏主要形成顶部拉张破坏直立型裂缝、底部破坏单斜阶梯型裂缝两种形式, 路面或地面表现为间断性破裂或块状密集无序龟裂。

宋庄地裂缝形成受内动力地质作用及外动力地质作用共同控制。区域拉张应力场作用下的基底伸展变形为宋庄地裂缝形成提供重要的内动力条件; 南苑—通县隐伏断裂为地裂缝形成提供了应力积累和传递的地质条件; 构造影响下的第四纪沉积厚度差异及沉积过程中土体物理性质的不均一为宋庄地裂缝形成提供重要地质背景; 长期差异性地下水开采引发的区域性土体水平、垂向形变及雨水侵蚀或潜水位回升作用是宋庄地裂缝形成及扩展的诱发条件。

本文利用调查及勘查手段获取资料对地裂缝成因及影响因素进行分析, 但由于宋庄地裂缝受多因素综合影响, 断续列阶段性数据很难全面分析地裂缝灾害破坏扩展模式及变形机理, 因此建议完善地裂缝监测设施, 开展大型物理模拟试验研究, 更全面地分析宋庄地裂缝破坏扩展模式及变形机理, 为地裂缝防灾减灾及预警预报系统提供重要理论基础。

致谢 衷心感谢北京市地质环境监测总站刘久荣总工程师和罗勇副总工程师,中国地质科学院水文地质环境地质研究所黄爽兵博士对本文的指导;感谢北京市地质环境监测总站地面沉降中心同事们的帮助与支持;感谢审稿专家为本文提出的宝贵意见。
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