西安鱼化寨F4地裂缝地面沉降初步研究

张建军，张鹤馨，张茂省，李勇，董英，张全贵

(1.矿山地质成灾机理与防控重点实验室，西安 710054；2.陕西省地质环境监测总站，西安 710054;3.中国地质大学(北京),北京 100083；4.中国地质调查局西安地质调查中心,西安 710054；5.陕西地矿综合地质大队,渭南 714000)

西安是一个千年文明古都，主城区的棋盘状格局，就是依据梁凹地貌，隋朝初期建筑师宇文恺，根据 “易经”理论规划的。每一个梁凹地貌的分界线地下，都隐藏着一条隐伏断裂，隐伏断裂发育到地表形成地裂缝。地裂缝古亦有之，自20世纪20、30年代发现，唐山大地震以后活动明显加强，20世纪90年代后期随着黑河饮水工程投入，区域上地裂缝的灾害有所减缓。四川汶川地震以后部分地段地裂缝又趋活跃。截止2016年，已发现有14条地裂缝，尤其是位于西安西南郊鱼化寨地段F4地裂缝活动更是震惊中外。

40 a来，张家明、王景明、王兰生、李永善，吴嘉毅、索传郿、张茂省和彭建兵[1-8]等先后对西安地裂缝进行了较深入的分析研究。大范围、宏观上解剖较多，具体某区域、某地段地裂缝精细化专题探讨较少。本文依托项目，通过1∶1万鱼化寨地段F4地裂缝地面沉降的现状调查，查明其分布特征和范围；空间上的三维伸展活动速率和变化规律；地裂缝两盘地下水的动态特征，渗透变形等；形成的地质环境条件、成因类型及其诱发因素。为今后小区域、精细化地面沉降地裂缝专题研究提供素材。

1 F4地裂缝研究范围及现状

F4沿槐芽岭黄土梁南侧发育。西起经十三路、过皂河、经劳动南路、西北大学、甜水井、中山门、西京医院，东到西北光学仪器厂，出露总长度7.91 km。本次探讨西段鱼化寨部分。

鱼化寨地区研究区域：东起沣恵南路，西至西三环,南自科技三路老烟庄一线，北到昆明路，面积约13 km2，即108°50′14″～108°53′0″，34°13′8″～34°15′14″。

F4地裂缝(以后简称“地裂缝”)自东从沣惠路科技路什字北50 m进入本研究区，经过中华世纪城、团结南路、枫韵蓝湾小区，过丈八北路、沣惠渠和丈八路廉租房工地，再穿外事学院北校区，斜穿富鱼路和地下东西向地铁3号线、天然气加气站、公共汽车站停车场和西安市工业交通干部学校和西边烂尾楼工地，过皂河向西延伸150 m穿过工地，终止经十三路后呈隐伏状，如图1、图4。本研究区长度为3.41 km地裂缝为高角度近于直立的正断层，地裂缝可见深度1.5～3 m(表1)。

图1 2017年鱼化寨枫韵蓝湾F4地裂缝

2008年汶川地震以后，地裂缝从丈八北路向西及西北方向发展，截至2016年11月底，走向上累计发展长度2 150 m，平均速度230 m/a。

2013～2016年，垂直位移由最大300 mm，发展为650 mm,每年平均活动速率87.5 mm/a，是活动强烈标准的3.33倍[9]。水平拉张由200 mm变为300 mm,水平拉张活动速率25 mm/a。水平左行反向扭动由30 mm到110 mm.扭动速率20 mm/a。

2 地裂缝地面沉降形成的环境地质条件

2.1 地形地貌

地裂缝和地面沉降鱼化寨段位于西安西郊古河道发育的地区。地面高程397～411 m。东南高，西北低。区域上分为一、二、三级阶地。

2.2 地质构造

西安主城区地处鄂尔多斯台地和秦岭山地所夹持的关中盆地中部西安凹陷东南，凹陷周围和内部断裂构造发育。主要有EW向秦岭山前断裂、余下铁炉子断裂和渭河断裂，NE向长安-临潼断裂,NW向岐山-周至马召等一级断裂，还存在二级断裂，如浐灞河断裂、沣河和皂河断裂。更存在更多次一级凹陷内的新的隐伏活动断裂。

F4地裂缝就是原有的隐伏断裂在本区地表的继承、延续、发展和显露。特别在地裂缝走向拐点处，主次地裂缝特别发育，地裂缝三维活动也更强烈。

2.3 地层结构

地裂缝在西段鱼化寨部分，大部分在二级阶地和一级阶地之间通过(北部下盘为二级阶地，南部上盘为一级阶地)，只有中部150 m左右从三级阶地和一级阶地之间通过[10],北部下盘为三级阶地，南部上盘为一级阶地。阶地上大部分有覆盖层，岩性为：

素填土(Qml):黄褐色，土质不均，含少量砖屑、灰渣植物根等。硬塑，本层厚度0.3～2.2 m。层底标高396～402.36 m。

黄土状土(Q4al+pl):黄褐色为主，土质欠均匀，具不规则孔隙，大孔隙发育，稍具小块装，含有少量植物根、蜗牛壳、钙质小结核。厚度0.9～2.8 m。层底标高397.65～400.21 m。压缩系数0.19 mPa-1,压缩模量10.08 mPa,为中压缩性土，湿陷系数0.011。

2.4 气象和水文特征

2.4.1 气象

西安地区的多年平均降水量586.1 mm,最大年降水量903.2 mm，最小年降水量285.2 mm，雨量集中在7～9月，最大日降水量92.3 mm,多年平均蒸发量1 562 mm。

2.4.2 水文

鱼化寨地区分布有皂河，沣惠三支渠。

皂河：几十年来，皂河两岸工业企业的迅猛发展，皂河成了一个名副其实的排污渠，排入渭河污水最高达85×104t/d，接纳西安市主城区60%以上的生活污水。

沣惠三支渠：沣河东岸引水，从镐京的焦村南渠入雁塔区，在漳浒寨分为两渠，流量为4.6 m3/s。

2.5 水文地质条件

鱼化寨地区上部为松散沉积物，分为孔隙潜水和承压水。

2.5.1 潜水

含水层厚度38～40 m,为中细砂。底板埋深78～82 m,潜水底板为灰绿色有机质土和灰棕色粘土互层(Q2al+l)，厚度20 m左右。

1985年以前潜水水位1.49～2.79 m，1995年以后，水位从6.31 m，持续降到 26.42 m，2004年逐渐开采深层承压水，潜水水位的不断雍高回升，2016年水位埋深13.03～16.68 m。

地裂缝南部上盘，地下水埋深较小，为13.05～13.52 m,水力坡度0.000 2～0.005，越接近地裂缝埋深越小，水力坡度数值越小。地裂缝北边下盘埋深14.15～16.48 m，水力坡度0.167～0.25,径流条件较好。

2.5.2 承压水

承压水段岩性主要为含砾粗砂、中砂、粉细砂和粘土，含水层顶板埋深100～112 m,承压粘土、砂质粘土厚度约64 m，占含水层系统厚度的59.25%，砂层厚度约44 m。

1989年以前，鱼化寨地区承压水水头为28.79 m，到2013年底，每年水头以0.98 m的速度在下降(图3)。2016年，地裂缝下盘水位埋深49.57～67.88 m，上盘水位埋深103～106.4 m。

3 地裂缝地面沉降的成因

地裂缝和地面沉降成因较多，本文仅讨论人类活动和开采地下水引起的地面沉降和地裂缝。

3.1 地面沉降

鱼化寨地面沉降主要的220 m以上可压缩土层，深度81.2～99.7 m，117.1～121.95 m、135.6～146.2 m、158.95～169.3 m、206.65～220 m,5个可压缩土层，岩性为灰绿色有机质土和灰棕色粘土。

图3 鱼化寨地区承压水多年动态曲线图

在压缩层之间主要为含水层，主要为粗砂、中砂和粉细砂。从浅到深，岩性颗粒由粗变细，主要以粉细砂为主。

鱼化寨地区地面沉降从1996年开始，每年沉降量为100 mm左右，2016～2017年，最大沉降速率超过200 mm/a，见图4[12]。根据收集到历年地面沉降速率的资料[13]和我站多年的调查监测数据，经综合计算1996年鱼化寨开始地面沉降至2016年，累计沉降量1.8～2.0 m。根据最新的承压水等水头线图5和地面沉降图图4，漏斗中心和沉降中心基本重合。沉降中心位于老年大学、河东村和外事学院北校区地铁3号线以南区域。

图4 鱼化寨地区地面沉降图

3.1.1 建筑荷载引起的地面沉降

(1) 城中村建筑荷载引起的地面沉降

鱼化寨村位于地裂缝的上盘，常驻人口近30万人。城中村居民利益驱动，不断加高楼层，有的甚至达到11层，不顾本地区的地质条件，建筑物的荷载严重超过岩土的承载力，引起局部路面隆起，建筑物下沉，在强烈开采承压水的共同作用下，引起沉降中心地面严重不均匀沉降。2015年6月20日中午1时许，鱼化寨街道八家巷北的小什字，坐标：E108°51′16″，N34°14′14″，马路长3～5 m、宽1 m的水泥路面自然升起，两小时内抬起0.50 m，现场看到东西裂缝长达70～80 m,裂缝北升南降垂直位移超过40 mm，路基发生明显变形。四周建筑物下沉明显。

(2) 高层建筑荷载引起的地面沉降

鱼化寨地区地面沉降中心附近的高层有风韵蓝湾、左岸春天和河东村的烂尾楼等小区，楼层一般为25～30层，高度为60 m以上的高层建筑。地铁3号线附近、枫韵蓝湾和河东村高层一线南部，自备井集中开采区，地面沉降最为严重，最新调查显示，地面沉降量超200 mm/a。

高层建筑的密集程度、容积率、桩基础施工、基坑开挖和井点降水工程和地铁的修建与运营等对地面沉降有较大影响。

3.1.2 开采承压水引起的地面沉降

表2是根据收集和实际调查得出的西安部分自备井出砂情况表，这些开采井主要位于开采降落漏斗中心和地面沉降中心。

沙坡沉降中心微波无线电厂、陕西第二汽车制造厂；辛家庙沉降中心的重机所福利老井、八里村沉降中心的外语学院、邮电部第四研究所;电子城沉降中心的东风仪表厂和西京公司;鱼化寨沉降中心的柯家庄和河东村。在沉降中心这么多井抽水引起井内涌砂和流砂，说明这并非个例，而是普遍现象。

地质技校、西姜村分层标和鱼化寨地面沉降和地裂缝调查得到地质孔表明，西安承压含水层中有一层20～30 m的粉细砂。在强烈开采承压水过程中，由于降落漏斗不断加深，水力梯度不断加大，引起渗透变形，含水层受到剪应力和力矩作用，致使井内管涌和流砂、涌砂进一步使部分含水层压密和掏空，含水层腾出空间，上部土层失去支撑，从而造成地面不均匀坍塌，引起地面沉降和地裂缝的发生。

表2 西安部分自备井抽出砂一览表

(1) 粉细砂是引起渗透变形井内涌砂和流砂的主要原因

鱼化寨地区属于原古河道区，含水层岩性主要为含砾粗砂、中砂、粉细砂和粘土。呈水平多层型互相叠置分布，细粉砂占承压水开采段的25.5%。厚度在20～30 m,在高水头差、不良成井工艺的情况下，产生流土流砂。

(2) 大功率强力抽水、较大的水力坡度是渗透变形的第二因素

鱼化寨地区有深井45口，开采量为3～3.3×104m3/d，井深200～220 m，潜水泵埋深130～150 m，开采井之间最近距离20 m，由于超强度开采地下水，有1.5 km2承压水头低于承压水顶板以下。顶板埋深一般为100 m，水头最深处已低于顶板22 m以下。漏斗中心水头埋深122.60 m，水力梯度最大0.4～1.0，本开采段为粉细砂，粒径0.05～0.25 mm，渗透系数0.006～0.012 cm/s[14]，已超过渗透变形的临界水力梯度。大功率潜水泵的强力抽水，滤水管进水流速超过2 m/s，远远超过粉细砂涌砂的基本条件10～20 mm/s[15]，引起涌砂流砂。每年因涌砂流砂、毁坏开采井2～3口井。毁坏井周围，地面沉降严重。

承压含水岩组中的淤泥质土,属于弱透水层(隔水层)，它的释水压密是引起地面沉降的主要因素。主要分布深度82.28～85.88 m、171.78～175.43 m和179.18～181.18 m。累计厚度9.25 m。属于湖沼相饱和软土，含水量高，属于低强度高压缩土。

3.2 地裂缝形成机制

鱼化寨自备开采井主要分布在地裂缝上盘南侧东南侧附近，在开采井外围，承压水头位于含水层顶板以上。距离北部、西北部F4地裂缝70～100 m，水力坡度为最大变化密集区[16](图5)，水力坡度0.4～1.0，见图6。地下水以垂直运动为主，即上部潜水和弱含水层的越流补给承压水的同时,还发生接触流土现象。

潜水和下伏承压水的水头差达77 m，潜水和承压水的隔水层为20 m。由于隐伏断裂属于张扭性正断层，属于导水断层，抽水的作用，断裂面的抗剪强度降低，空隙度变大，透水性和导水性变好。在渗透力作用下，渗透水流形成最大的剪应力和力矩的增长区，在引张区潜水通过导水断裂面和越流补给承压水，沿断裂面和上盘承压含水层到开采井管形成潜蚀管涌和部分流土流砂现象，引起松散层结构变松，强度降低，沿断裂面剪切滑动[17]。在上盘引张区整体形成剪切破坏和力矩作用，使土层压密及塌陷，由下至上，传至地表，造成地表两盘不均匀沉降，形成多在上盘引张区出现大小不一主次分明的“y”主次地裂缝。

图5 西安鱼化寨地区2016年等水头线图

图6 东西向垂直F4地裂缝承压水头剖面图

外事学院的2002年修建的综合楼，紧邻地铁3号线，东西横跨在F4地裂缝上，2004～2005年开始使用。受汶川地震影响，在自然地质因素和自备深井承压水超量开采的作用下，受建筑物上部荷载及修建地铁的影响，地裂缝两盘沉积环境、地形地貌、岩性的不同，岩土的水理性质和力学指标差异,造成地裂缝两盘不均匀沉降。建筑物地基累计相差450 mm，建筑物顶部水平裂缝达300 mm,迫不得已，2016年11月建筑物被拆除。

对于一个松散的多层孔隙含水层系统，地下水的开采过程，实际上是在抽水井的某个特定深度段给含水层施加人为的一个不断增加的负压，使含水层的该井段与周围出现压力差。周围土层中的水在这种压力差的驱使下向井运动[18]。这样抽水首先在含水层系统形成一个降落漏斗，随着降落漏斗的加深和范围的不断扩大，水力坡度增大，孔隙水压力也随之降低，相邻弱透水层将不断向含水砂层中释水并压密沉降。同时，含水层在渗透力的影响下，受到剪应力和力矩作用，承压水头低于隔水顶板的区域形成压缩区。部分承压含水层被疏干，引起三维结构变形，含水层骨架变形压密，部分含水层因井内涌砂和流砂被掏空，含水层腾出空间，上部弱透水层失去支撑造成不均匀塌陷与弱透水层的释水压密共同导致地面沉降，在承压水头低于含水顶板的范围为主沉降区。在外围引张区，已有张扭性隐伏断裂处附近，发生上部潜水通过断裂面向下导水，含水层越流作用共同引起渗透变形，造成断裂两盘的剪切滑动而由于岩性的的不同，产生不均匀沉降，由下至上，延伸地表而形成地裂缝。

4 结论

(1) F4地裂缝的走向总是沿着地貌的分界线通过，在地裂缝走向拐点处，地裂缝活动强烈，主次地裂缝发育。F4地裂缝走向上向西发展，速度230 m/a，垂直位移累计最大650 mm,年活动速率87.5 mm;水平拉张最大累计300 mm，水平拉张活动速率25 mm/a；水平反向扭动最大累计110 mm，扭动速率20 mm/a。

(2) 鱼化寨从1996年开始地面沉降，经计算至今已超过1.8～2.0 m。2016～2017年沉降最大速率200 mm/a，沉降中心位于老年大学、河东村和外事学院南部地铁3号线附近区域。

(3) 浅层承压水已超强开采，形成区域降落漏斗。降落漏斗的范围和中心与地面沉降的范围和中心基本一致。浅层承压水头低于隔水顶板的区域是地面沉降主要沉降区；水力坡度变化最大的外延地区，成为F4地裂缝发育区。

(4) 浅层承压含水岩组中的粉细砂的渗透变形和弱透水层中(特别是淤泥质土)释水压密是引起地面沉降地裂缝最主要因素。建筑荷载、地铁的修建运营对地裂缝和地面沉降影响也不容忽视。

[1] 张家明.西安地裂缝研究 [M].西北大学出版社,1990.

[2] 王景明.论西安地裂缝[J].地震地质,1989,11(3):85-93.

[3] 王兰生.西安市反倾向地裂缝成因分析[J].地质灾害与环境保护,1995,6(4):17-20．

[4] 李永善,等.西安地裂缝[M].地震出版社,1986．

[5] 吴嘉毅,等.西安地裂缝的工程性质[M].陕西科学出版社,1990．

[6] 索传郿,王德潜.刘祖植.西安地裂缝地面沉降与防治对策[J].第四纪研究,2005,25(Ⅰ)：23-28．

[7] 彭建兵.渭河盆地活动断裂与地质灾害[M].西北大学出版社,1992.

[8] 张茂省,董英,等.地面沉降预测及其风险防控对策——以大西安西咸新区为例 [J].中国地质灾害与防治学报,2013,24(4):115-118.

[9] 陕西省地质矿产厅,陕西省计划委员会.西安地区环境地质图集[M].西安地图出版社,1999,4:16-17．

[10] 西安市城市规划管理局,西安市勘察测绘院.西安城市工程地质图集[M].西安地图出版社,1998,12:16-29．

[11] 李鹏远.西安外事学院北区2#教学楼6#、7#学生公寓、综合楼岩土工程勘察报告[R].西北综合勘察设计研究院，2002,5.

[12] 瞿伟、张静,等.西安市地面沉降地裂缝InSAR、GPS监测报告(2015年度)[R].长安大学,2016,6．

[13] 刘琮琮.西安高新区工程性地面沉降机理数值分析[D] 长安大学,2011,6：22-48．

[14] 中国地质调查局.水文地质手册(第二版)[M]．北京：地质出版社,2012,9:680-681．

[15] 曹文忠、张桂芳,等.水井抽水带砂原因的分析[J]. 地质装备,2010,11(6)：37-38．

[16] 刘红云.抽水引起含水层水平运动及与地裂缝的关系研究[D]．长安大学硕士论文,2007,5:18-19．

[17] 王庆良，王文平,等.抽水引起含水层水平运动及其在地质灾害分析中的应用[J].地震学报,1997，19(4)：434-441．

[18] 李国和，张建民,等.水井抽水引起地基沉降影响范围探讨 [J]．铁道工程学报,2014,195(12)：23-27．