南水北调中线工程白庄地裂缝成因及活动性分析

摘要：白庄地裂缝是南水北调中线工程遇到的唯一一处地裂缝地质灾害。通过勘察白庄地裂缝的分布、发育形态特征，研究煤矿开采沉陷影响、九里山断裂构造、应力解除效应、环境地质背景条件、地下水作用等因素，分析地裂缝的发育成因。结果表明，白庄地裂缝不属于采空区沉陷裂缝，其发育受九里山断裂构造控制，在其他环境地质作用的变化因素（采矿活动引起的应力释放，地下水下降，地表水下渗）诱发和激化的综合叠加作用的体现。成因分析和初步监测显示，地裂缝仍存在微弱的活动性，但总体趋于稳定。

关键词：地裂缝；成因；断裂构造；采空区；沉陷；应力释放；沉降；地下水；渗透

中图分类号：P642 文献标志码：A 文章编号：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

近年来，地裂缝的地质灾害得到空前的重视，随着西安、邯郸、临汾、邢台等城市地裂缝为代表的调查研究[1-5]的深入及大量长期观测资料的积累，使人们认识到地裂缝成因机制的复杂性。研究者们对地裂缝的成因机制主要有两种观点，即构造成因和非构造成因[6-9]。构造成因观点认为地裂缝是由深部断裂活动构造应力影响地表层张拉破裂的效应，非构造成因也很复杂，崩塌、滑坡、地下水下降、岩溶或采空区沉陷等均能造成地裂缝。地裂缝使地面建筑物及地下工程设施遭受了损害，地裂缝的存在对工程建设带来诸多的隐患，工程建设规划常采用规避地裂缝的措施[10]。而南水北调中线工程白庄段是焦作矿区总干渠线路受煤矿采空区制约的瓶颈渠段，两侧均邻近煤矿采空区，发育在卡口地带中间的地裂缝无法避开。目前国内对地裂缝的勘察研究主要集中在城市地裂缝，对于水利工程地裂缝的勘察研究成果还不多见。南水北调中线工程白庄段地裂缝自发现以来有20余年的历史，陈鹏，郝深志就白庄地裂缝成因作了初步的探析[11]，认为其主要成因是煤矿采空区引起的，这种看法在当时是一种普遍观点，但其成果局限于地表调查和评价。笔者通过收集和研究地裂缝场地地质构造隐伏断层资料、附近煤矿开采活动情况、周边采空区开采历史及现状、地下水开采情况及多年地下水位变化情况、古地貌陡崖分布情况、地层结构等资料，利用施工现场大量的探槽、探坑揭示地裂缝的纵深发育特征，分析了白庄地裂缝的成因机制、活动性及环境地质条件的影响因素，并预测该地裂缝的发展趋势。

1 环境地质背景条件

工程区位于太行山山前洪积扇倾斜平原，地形较平坦开阔。区域内主要断裂为太行山山前隐伏断裂，以高角度的正断层为主，其中九里山断裂与薄壁断裂组合成地堑，白庄地裂缝发育在地堑的边缘。九里山断裂走向NE40°，倾向NW，倾角约70°，为高角度正断层。九里山断层下盘相对隆起，隐于场地覆盖层之下，形成“地下基岩台阶”，断裂西北侧为二叠系含煤地层，松散层总厚度260～330 m，东南侧为相对隆起的基岩台阶，松散覆盖层厚度约40 m，断层两侧基岩面起伏转折陡峻，断裂两侧松散层厚度差异显著。

第四系洪积扇地层组合为多层韵律的卵石与黏性土相间分布，含水层为砂及砾卵石。地下水位在20世纪70年代以前埋深5 m左右，水量丰富。由于近几十年来工农业的发展（包括焦作矿区矿井疏干排水），对浅层地下水的开发逐渐增大，引起浅层潜水位逐渐下降，目前白庄渠段地下潜水埋深40～45 m。

场地西北侧毗邻焦作矿区方庄井田，方庄煤矿始建于1958年，2005年关停。沿山村附近煤矿埋深大于600 m，井下地下水涌水量大，排水困难，20世纪90年代后巷道才向东南拓展至沿山村下方，采空区形成时间1994年-2005年，其中最近的采空区与地裂缝水平距离约800 m。

2 地裂缝分布及发育特征

白庄地裂缝位于白庄煤矿与方庄煤矿之间—沿山村与白庄村之间的耕地中，斜穿中州铝厂工企站铁路、白庄北公路（图1）。白庄地裂缝最早发现于20世纪80年代末期，近似呈直线型单一地裂缝，地裂缝走向NE29°-NE43°，长度约1 400 m，南段与总干渠中心线基本重合，北段偏离总干渠延伸至左岸耕地中。地裂缝宽度一般0.2～0.5 m。

2.1 平面分布特征

场地地形较平坦，地裂缝表现为串珠状的陷坑，定向排行可见到裂缝的走向趋势。微地貌显示，地裂缝中段形成了地势较低的带状洼地。单一线性地裂缝，没有发现雁行或分枝裂缝；地裂缝走向NE 29°～43°，与焦作矿区的主构造线方向基本相同。

2.2 剖面分布特征

（1）一般由一条地裂缝组成，局部地段剖面中部见有分枝裂缝。

（2）地裂缝倾向NW，倾角约70°～85°，裂隙面粗糙不平，裂口上大下小，地表水平向张开宽度20～50 cm，下部变窄，底部尖灭。剖面形态符合张性结构面特征。

（3）地裂缝的发育有构造形迹，剖面中的多个标志层均显现裂缝（隙）两盘有错位现象，错距上小下大。上盘（NW盘）下降，下盘（SE盘）相对上升，裂缝影响带的夹层有拖曳迹象。

（4）地裂缝的发育深度最深达13 m，一般6～11 m。地裂缝5 m以内基本未充填，缝壁偶见有植物及麦秸秆；5 m以下充填物结构松散，手可挖动。

（5）地裂缝尖灭的下方地层仍然被错断，深度越深断距越大，断带内土体明显有别于两侧的黄色黏性土，断带内为灰褐色黏土包砾、卵石，见有侧列、同向陡倾的微细闭合结构面，见图3。

3 地裂缝成因分析

3.1 地裂缝与地下采空区沉陷影响边界关系

焦作煤矿区因采煤沉陷引起的地裂缝很常见，1996年的地质测绘调查[12]就有1000余条，采矿沉陷地裂缝主要是由地下采动引起的地表不均匀沉陷拉伸变形形成，属重力作用在沉陷盆地外缘地表产生的破裂形迹。许多人认为白庄地裂缝也属于采煤沉陷地裂缝，因此，先判明白庄地裂缝与采空区沉陷的关系。

（1）白庄地裂缝的平面、剖面形态特征及规模不符合采空区沉陷地裂缝的特征。后者分布在沉陷盆地的外边缘（张拉区），呈环状包围采空区，地表沉陷边界内侧常见多条平行裂缝成组出现，延伸长度一般百余m，发育深度不超过10 m，垂直位移是上大下小[13]。而白庄地裂缝在地面上是与采空区方位反向的弧形，规模较大，地表没有沉陷盆地，地面基本没有错台，剖面上地层错距是上小下大，这些均不符合采空区沉陷地裂缝的特征。

（2）地裂缝出现时间不符合（白庄地裂缝在先，采矿在后）。白庄地裂缝发现的时间在20世纪80年代末，而当时方庄煤矿最近的采空区和采矿工作面距总干渠1.5 km（水平距离）以上，并且采深仅有400 m。根据开采沉陷学的常识，采深不大的沉陷影响距离很有限，一般小于300 m。

（3）白庄地裂缝位于地下采空区沉陷影响边界以外。根据方庄煤矿采矿资料，距离最近的25031采区在2005年形成了走向长约300 m长的采空区，水平距离总干渠中心线约800 m，埋深600～660 m，采厚5～6 m。按最不利的情况，假定25031采区全部开采完，达到充分采动的条件，按“三下”采煤规程[14]中的垂直剖面法计算其影响到地表的范围L，见图4。

计算结果：影响距离L为519 m，即预测的地表沉陷影响边界最近点距总干渠中心线约281 m。表明地裂缝位于地下采空区开采沉陷影响边界以外，换言之，白庄地裂缝不是煤矿采空区沉陷地裂缝。

地表地质调查表明，实际的现状沉陷盆地的沉陷边界位于沿山村的西北，距总干渠中心线距离约700 m，这是因为25031采区在停采保护以后采空区300 m×100 m的尺寸范围远未达到充分采动的条件，因此实际出现的地表沉陷边界距离远小于考虑了安全度的预测边界距离。

3.2 九里山断裂活动控制作用

（1）白庄地裂缝的分布、产状特征与九里山断裂构造一致。

九里山断裂走向NE40°左右，倾向NW ，为高角度正断层；地裂缝位于九里山断裂的斜上方，为张性裂缝，走向NE32°-NE43° ，倾向NW，产状与隐伏的九里山断裂性质基本一致，位置也与九里山断裂向地表延伸线相对应。

（2）白庄地裂缝的应力场与区域构造应力场[15]相符合，见图5。

（3）构造形迹解析。

横切地裂缝的探槽和施工开挖的剖面揭示，地裂缝尖灭的下方有九里山断裂构造形迹，九里山断裂构造向上的延伸线与地裂缝重合。剖面上的地层错距是上小下大，有随深度逐渐增大的趋势。以图3中的展示图为例，下部错层形成于中更新世（Q2）地层（约13万年以前）沉积之后，断距较大；上部错层形成于晚更新世（Q3）地层沉积之后（1.2万年以前），断距明显较小（错位小）。下部的地层错距更大，断层影响带明显有别于两侧的黄色黏性土，影响带内土质颗粒成分斑杂，有黏土包砾，见有侧列、同向陡倾的微细剪切结构面痕迹（见图6），结构密实，没有发现张开的变形缝。说明断层的形成时代久远，在近期几十年没有位移活动。根据探槽统计显示，相同深度内的地层断距相差较大，地裂缝和下部断层两盘有拖拽、侧列结构面形迹，上盘下降，下盘相对上升，错距上小下大，这些构造形迹说明九里山断裂构造活动的发生、发展有阶段性和继承性，也有变形幅度逐渐减小的特点。

断裂剖面形态及变形量差异的存在和不同深度地层时代不同，说明断裂活动产生的历史很长，起码发生在全新世（1.2万年）之前。即使以1.2万年计算，水平与下错量的年均位移量也是非常微小的。由于第四纪每一时期的沉积层形成之后都有沉积间断，地裂缝与早期断裂活动并非连续变形。地裂缝则发生在近期，活动表现为差异沉降为主，其次是水平拉张。说明九里山断裂活动孕育了地裂缝，地裂缝和下部断裂一脉相承，同时也说明九里山断裂在第四系仍有活动。

3.3 九里山断层上盘岩土体受邻近煤矿采空引起岩体应力释放效应影响

（1）九里山断裂上盘分布有中马村煤矿、冯营煤矿、方庄煤矿等多个大型煤矿，采煤活动持续了半个世纪，大范围的采动影响下，断层一侧（多为上盘）岩体原已储存的较高地应力向着采空方向释放，岩体产生小量位移，诱使覆盖土层产生相应裂缝。

（2）焦作矿区地应力水平较高。1970年代矿区钻探曾发生基岩中套管被挤扁，并有饼状岩芯，说明岩体地应力水平较高，九里山断层上盘产生应力解除局部应力场的条件客观存在。

（3）九里山断层局部应力场活动解析。

方庄煤矿自1950年代末期始采，1980年代新井建成以后，方庄煤矿开采深度增大，且逐渐邻近总干渠场地，大巷及水仓泵房平面距离总干渠230 m，九里山断层上盘岩体向西松弛形成拉应力（见图4），带动覆盖层也产生相应的局部拉应力场并产生表面拉裂。

3.4 地下水作用机理

地下水成因的机理分析如下。

（1）差异压缩沉降机理。白庄地裂缝位于九里山断裂隐伏的“地下硬质基岩台阶”部位（以断层为界），东南侧第四系松散层厚度较薄，西北侧松散层厚度较大，基岩面起伏转折突变形成两侧松散层厚度分布有明显差异。近30年来地下水位下降约30～40 m，水压降低产生等效附加应力，导致土层的差异压密沉降。由于两侧土岩体结构不同，形成两侧土层有较大的沉降差异，沉降差异最大部位形成拉张应力集中产生开裂变形。

（2）渗透变形和渗透应力拖拽作用机理。井下水仓泵房疏干排水可能通过九里山导水断裂与上部第四系含水层发生水力联系。降落漏斗形成后，导水断裂带的渗流形成的动水压力对土层产生潜蚀作用并逐步发展至管涌，使土层结构松弛，下部承压水水头压力下降，形成顺断裂走向分布的渗透应力拖拽作用，引起上覆土层拉张应力集中并在地表发生张裂变形，见图7。

4 地裂缝活动性及对工程影响分析

4.1 地裂缝变形监测

裂缝成因分析表明，地裂缝下盘相对稳定，变形主要集中在上盘。因此通过在上盘埋设钻孔多点位移计和测斜仪来监测地裂缝的活动性。根据34个月的监测资料，多点位移计位移过程线和测斜仪偏移分布曲线见图8-图9。数据表明位移最大变化量为7.1 mm，多点位移计测值在2011年9月至2013年3月期间数据稳定，没有明显的位移；在2013年3月至2013年7月，下部4个测点显示有4～6 mm的下沉，其后一年来测点数据基本稳定。测斜仪偏移值在2012年8月至2012年10月期间有明显的变化，最大累计偏移量约10 mm，并且深部偏移量小，上部偏移量大。监测数据表明地裂缝在某些特定时段具有微弱的活动性。

4.2 地裂缝影响分析

地裂缝对总干渠的破坏效应是源于地裂缝的三向变形：垂直位移、水平变形、倾斜变形。跨越地裂缝的总干渠，由于裂缝的差异变形，累计变形量超过总干渠衬砌板的允许变形值就会造成衬砌板开裂。

地裂缝对土体破坏有一定范围，破坏区域呈条带状。根据施工地质揭露的现象分析判断，上盘主要变形带水平宽度0～3 m ，下盘主要变形带水平宽度0～2 m。由于地裂缝的破坏效应，变形带内土体物理力学性质发生改变，土体结构出现松驰，孔隙增大，粗粒土表现得更为明显，颜色、含水率、密度、抗剪强度、压缩性、渗透性均有显著变化，见表1。

竖井探查地裂缝最大可见深度13 m，在底部闭合或尖灭。总干渠挖方深度约0～27 m，裂缝显著的地段多被挖除，但在左岸渠坡有出露。地裂缝发育的内动力是由深部传递到地表，根据勘探揭露的地裂缝发育特征，其影响带向下延伸主要位于一级马道以下与坡底之间。

5 结论

（1）九里山断裂构造是控制白庄地裂缝分布规模、活动程度和发育特征的决定因素，断裂活动就是白庄地裂缝的动力来源，地裂缝的形成和演化受构造活动和其它环境地质作用等综合影响。环境地质作用因素包括采矿引起的应力松驰、地下水下降、渗流潜蚀、地震等诱发因素。

（2）白庄地裂缝发育受九里山断裂构造活动控制，在其他环境地质作用的变化因素（采空区及采矿活动引起的应力释放，地下水下降，渗流潜蚀、地表水下渗）综合叠加作用的结果。

（3）邻近煤矿基本已关停，可能诱发地裂缝变形的环境地质因素（采矿、地下水）趋于缓和，综合评估看，白庄地裂缝的危害在逐渐减小。综合地质成因分析和初步监测结果，地裂缝仍存在微弱的活动性，但总体趋于稳定。

（4）鉴于白庄地裂缝发育在九里山断裂形成的埋藏基岩陡崖的上方，土岩体结构差异显著，地基的均匀性较差，存在地质缺陷。为了避免不均匀变形，研究地裂缝部位的建筑物和渠道工程的防治措施很有必要。

（5）地裂缝高精度变形监测的工作刚起步，时间短，序列数据少，监测设施和布置有局限性。进一步完善监测系统，进行有效的动态监测将起到很重要的作用。

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