西安跨地貌单元地裂缝场地工程勘察与设计

赵振财 高存喜 刘亮 唐竞 寇杨军 史礼文

(西北综合勘察设计研究院，陕西西安 710003)

0 引言

西安地裂缝是一种地区性的地质灾害现象，包括已出露地表的地裂缝和未在地表出露的隐伏地裂缝［2，11］。目前已发现14条，均分布在黄土梁南侧、洼地北侧，面积约150 km2，地裂缝出露总长度72 km，延伸长约103 km，单条地裂缝地表出露最长14.5 km，最短2 km［1］。地裂缝向东西两侧延伸，东过灞河，西过皂河［4］。西安地裂缝已成为城市建设的主要地质灾害之一。

我们把跨两个或两个以上地貌单元的地裂缝场地称为跨地貌单元地裂缝场地，该种地裂缝在勘察设计方面具有地层复杂、标志层不统一、分析研究难度大等特点。

本文以西安某工程项目为例，通过收集拟建场地附近工程地质、地裂缝研究资料，对场地及其附近进行详细的地面调查，了解场地及其附近区域构造、地貌形态、地裂缝地表活动现状，进行系统的综合分析。同时采用野外钻探方法，查明三级阶地上更新统红褐色古土壤(二类标志层)或二级阶地中更新统河湖相堆积(三类标志层)的厚层浅灰色粘性土、砂土和碎石土产状、错断位置、断距等，确定地裂缝的平面展布位置、活动性及勘探精度修正值Δk。评价地裂缝对场地稳定性的影响，确定建筑物的合理避让距离，为地裂缝场地的总体规划和设计施工提供依据。并对该类地裂缝场地的勘察设计提出几点具有借鉴意义的建议。

1 西安地裂缝特征与成因

1.1 西安地裂缝特征

地裂缝是指过量开采利用地下水或强烈地震时，因地下断裂带的错动使地层发生位移或错动，并在地面上形成开裂［3］。其主要特征如下:

1)在分布与活动方面，西安地裂缝表现为规模大，常呈带状分布，总体走向 NE ～NEE，近似平行于临潼—长安断裂［1，10］;倾向SE ～SSE，与临潼—长安断裂倾向相反［1］，彼此以 0.6 km ～1.5 km的间距近平行的展布于市区。它们大都沿着黄土梁的南侧坡下展布。目前发现的地裂缝都是倾滑张破裂，裂缝南倾，倾角75°～85°［5］，主要表现为主地裂缝的南盘(上盘)下降，北盘(下盘)相对上升［11］。“活动”速率以5 mm/年 ～30 mm/年居多，最大者逾50 mm/年，标志层(古土壤)被错断。其活动速率与抽取深层承压水密切相关。西安市地裂缝剖面特征如图1所示。

2)地层特征方面，在西安地裂缝场地的揭露地层中，第三系主要由河湖相沉积的泥岩和砂、砾岩组成。第四系以冲、洪积和风积为主，岩性多为砂、砾石、粉质粘土、粘土和黄土。在水平方向上，东南郊的粉质粘土、黄土与黄土状土层较厚，砂层较薄，而西北郊处砂层较厚。粘性土易失水压密，对地裂缝和地面沉降有较大影响。风成黄土大孔隙发育，具有较为强烈的湿陷性和自重湿陷性，加剧了地裂缝活动在地表的显现［8］。

图1 西安地区地裂缝剖面特征图[6]

3)在水文地质条件方面，目前西安地裂缝的研究资料说明，潜水的开采量较小，没有改变其动态类型，不是产生西安地面沉降的主要原因。多年来承压水的过量汲取，水位大幅度降低，使得含水系统释水压密，是产生西安地面沉降的主要原因［7］，也是西安地裂缝在地表显露和“活动”强化的主要诱因，这在降落漏斗附近非常显著。

1.2 西安地裂缝成因

首先，西安断块和骊山断块的掀斜是伸展作用和重力作用的结果［7］，NW向的伸展应变是掀斜的基础，重力是掀斜的条件，重力作用对非直立张性断裂的作用能使断块发生有规律的掀斜。这就是临潼—长安断裂上盘发育一系列陡倾正断层，即西安地裂缝产生的构造原因［9］。

其次，过量开采深层承压水，产生不均匀地面沉降的条件下，隐伏地裂缝会出现活动，在地表形成破裂［10］，是地裂缝在地面的反映。地裂缝大都发育在特定的构造地貌部位，即黄土梁南侧陡坡上，黄土梁间洼地的北侧边缘。

地裂缝的成因机制极其复杂，除了上述两个重要因素外，其他诸如地貌界限、地层岩性条件(不均匀、湿陷等)、降雨及地表水入渗、建筑荷载及动荷载等也对地裂缝的活动显现有一定影响作用［2-6］。

2 工程实例

本地裂缝场地位于西安市东郊纺织城堡子村盘道，根据《西安城市工程地质图集》、现场调查和钻探结果，勘察场地东部处在浐河三级阶地上，浅层普遍分布第四纪晚更新世棕红～棕褐色古土壤，属二类场地;场地西部处在浐河二级阶地上，缺失二类标志层(古土壤)，为三类场地。

2.1 地层岩性与水文地质条件

本场地揭露的地层主要由第四纪全新世人工填土、冲洪积黄土状土和冲积圆砾，第四纪晚更新世风积黄土、残积古土壤、冲积粉质粘土和砂土、第四纪中更新世冲积粉质粘土、砂土和碎石土组成。

各层地基土厚度及层底标高如表1所示。

表1 场地地层厚度及层底标高统计表 m

本场地地下水属潜水类型，主要由大气降水和地下径流补给，以自然蒸发和地下径流排泄为主。勘察期间属平水期，钻孔测得稳定水位埋深约为12.20 m～15.80 m，相应标高为398.10 m～403.40 m。

2.2 地裂缝场地的工程勘察

为查明地裂缝经过本场地的确切位置，本次勘察采用工程地质资料收集、地面调查和钻探相结合的勘察方法。

外业勘察沿垂直于地裂缝的可能展布方向上共布置勘探剖面9条，其中场地东部(二类场地)布置勘探剖面5条，勘探线间距为 14.0 m ～29.0 m，勘探点间距为3.99 m ～28.77 m，勘探点深度为15.0 m～60.0 m;场地西部(三类场地)布置勘探剖面4条，勘探线间距为59.0 m ～62.0 m，勘探点间距为4.62 m ～40.37 m，勘探点深度为15.0 m ～74.0 m。

本地裂缝场地的二类标志层判断地裂缝错断位置的工程地质剖面图如图2所示。从图2可以看出，⑤古土壤层明显被地裂缝错断，具有南侧⑤古土壤层下降，厚度增大，北侧相对上升的特征，是判定地裂缝的二类标志地层。

图2 二类标志层（⑤古土壤）判别地裂缝剖面图

图3和图4为三类标志层判别地裂缝错段位置的工程地质剖面图。本场地西侧的三类场地(浐河二级阶地)缺失二类标志层，判别地裂缝错段位置的标志层选取中更新世河湖相堆积的厚层浅灰色粘性土和砂土(三类标志地层)，由图3和图4可见，③圆砾层和⑧粗砂层分布不连续，明显被地裂缝错断，具有南侧下降，北侧相对上升特征，是判定地裂缝的三类标志地层之一。

图3 三类标志层（③圆砾）判别地裂缝剖面图

图4 三类标志层（⑧粗砂）判别地裂缝剖面图

根据钻探结果，本场地附近的地裂缝总体走向约为NE11°～NE35°，场地东部(三级阶地)的二类标志地层⑤古土壤、西部(二级阶地)的三类标志地层③圆砾、⑧粗砂和⑩圆砾分布不连续，明显被地裂缝错断，地裂缝南侧(上盘)下降，北侧(下盘)相对上升，二类标志层⑤古土壤的垂直断距约为1.85 m～3.47 m，三类标志层③圆砾、⑧粗砂和⑩圆砾的垂直断距大于12 m。破裂面南倾。桩基设计时地裂缝倾角可按80°考虑。

地裂缝两侧二类标志地层⑤古土壤、三类标志地层③圆砾、⑧粗砂和⑩圆砾厚度、层底标高和高差详见表2。

表2 地裂缝两侧标志地层分布特征一览表

为便于设计，根据本次勘察揭露的二类标志地层⑤古土壤、三类标志层③圆砾和⑧粗砂错断位置，结合西安地裂缝空间展布特征，自上述标志地层底部按80°倾角推算至地面的控制点坐标详见表3。

2.3 地裂缝场地的工程设计

表3 地裂缝地面控制点坐标一览表

据西安地裂缝场地多年的勘察设计经验，地裂缝场地中的建(构)筑物在设计时宜采取以合理避让为主、结构措施为辅的综合规划设计思路，这是防止地裂缝危害既经济又有效的方法。

本次勘察结果显示，地裂缝对拟建桥梁的影响范围如图5所示。由图5可见，拟建桥梁处在西安地裂缝上盘的主变形区之外，可按一般场地进行设计，不考虑地裂缝的影响。

图5 地裂缝对拟建桥梁影响范围示意图

地裂缝对拟建广场的影响范围如图6所示。拟建广场北部跨地裂缝，设计时，应合理调整总平面图规划布局，并采取适宜的结构措施，以增强其整体刚度与强度，体型力求简单。

图6 地裂缝对拟建广场影响范围示意图

拟建广场基础底面外缘(采用桩基时则为桩端外缘)至地裂缝的最小避让距离应符合相关规程规定，即对于地裂缝南盘(上盘)布置的三类建筑，最小避让距离为6.0 m，北盘(下盘)为4.0 m［6］。必要时可通过召开专门会议，研究确定拟建建(构)筑物与地裂缝的合理距离。

3 结论及建议

3.1 结论

1)本场地地裂缝横跨浐河二级阶地和三级阶地，从拟建场地北侧附近隐伏经过，其历史活动性相对较强。随着经济活动的发展很可能会重新活动。

2)本场地附近的地裂缝总体走向约为NE11°～NE35°，南盘(上盘)下降，北盘(下盘)相对上升，二类标志地层⑤古土壤的层底垂直断距约为1.85 m～3.47 m，三类标志地层⑦粉质粘土、⑧粗砂、⑨粉质粘土和⑩圆砾的层底垂直断距一般大于12 m，破裂面南倾。桩基设计时地裂缝倾角可按80°考虑。

3)西安地裂缝的地面控制点坐标可按文中表3使用。

4)拟建桥梁处在西安地裂缝上盘的主变形区之外，可按一般场地进行设计。拟建广场北部跨地裂缝，且处在地貌单元分界线上，应合理调整总平面图规划布局，并应采取结构措施，且应加强监测。必要时可通过召开专门会议，研究确定合理避让距离。

3.2 建议

1)对跨地貌单元地裂缝场地的勘察，首先应通过资料收集分析，合理地对地貌界线做出初步判别后，有针对性的布置勘察方案，并在地貌界线处做重点勘察。2)地裂缝勘察时，要加强地层的野外鉴别，为分析地裂缝的错段位置掌握好第一手资料。3)对于场地施工条件限制的影响，应在后期补充勘察，准确分析确定地裂缝的地面控制点坐标。4)由于西安地裂缝场地大多处在城区及市郊，勘察设计工作前期应和地下管线设施的相关管理部门做好沟通工作，充分考虑地裂缝活动对路面、地下管线设施(如天然气管道、光缆、电缆等)造成的突然性破坏，且须有相对的应急预案。

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