江苏常州横林地裂缝成因机理分析

许书刚,陈火根,王光亚,黄敬军,车增光,龚亚兵,顾春生

(1.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210049;2.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室,江苏 南京 210049)

地裂缝是在内外动力作用下,岩土层发生破裂的表生地质现象,是地质灾害中的地面变形灾害[1]。江苏省苏锡常地区地裂缝较为发育, 1989年以来共发现地裂缝25处[2],成因机制复杂,前人进行了大量研究[3-11],总体认为苏锡常地区地裂缝属“采水型”,基岩面起伏形态、第四纪地层沉降结构差异和水文地质条件差异是地裂缝形成的控制因素。危险性分区和预测研究[12-15]是在成因机理分析的基础上,选取基岩埋深、基岩起伏度、地下水位、地面沉降梯度等指标综合考量,总体认为常州东部地区属于地裂缝易发区。

常州东部的横林地裂缝是苏锡常地区最早发现的1处地裂缝,位于隐伏岩溶区并伴生岩溶塌陷,与苏锡常地区其他地裂缝相比具有特殊性。针对岩溶隐伏区发生的地裂缝,研究工作相对较少:卢玉东等[16]对广西来宾、缪世贤等[17]对江苏镇江的地裂缝研究后认为强烈开采地下水诱发的岩溶塌陷导致了次生地裂缝灾害的发生;刘金峰等[18]通过对天津宝坻隐伏研究区地下水开发与地裂缝成生关系进行系统研究,认为大强度变流量开采岩溶水使承压水位下降是引发地面沉降和地裂缝的主导因素;杨永革等[19]对江西景德镇岩溶塌陷进行了研究,确定抽排地下水是该区岩溶塌陷的主要诱发因素。

横林地裂缝成因复杂,基岩起伏、隐伏岩溶发育与地下水水位变化等因素是其发生发展的重要影响因素,本文基于该区地裂缝分布特征与地质条件,探讨地裂缝发育的内因与外因,对隐伏岩溶区的地裂缝灾害成因机理分析具有一定参考意义。

1 地质概况

研究区位于江苏省苏锡常平原区西部,地势平坦,地面高程约2 m,河渠纵横,京杭大运河横穿而过。研究区内无基岩出露,地表岩性主要为上更新统冲湖积相灰黄、黄褐色、浅灰色亚黏土。该区构造上隶属于扬子陆块区下扬子陆块,构造发育。区域地质资料显示受褶皱、断裂构造影响,横林地区形成了一个相对封闭的碳酸盐岩块段,面积约27 km2,下伏三叠系青龙组灰色、紫红色中厚层灰岩,钻孔揭露其厚度>200 m,基底起伏较大,基岩最小埋藏深度约为50 m,最大埋藏深度>140 m(图1)。

图1 横林地区地裂缝及岩溶塌陷分布图

2 地裂缝灾害特征及分布规律

2.1 灾害特征

横林地裂缝始发于1989年,初期仅在学校墙面上发现几处裂纹,地面开裂特征不明显。1991年,地表出现不规则的凹地,民房墙体开裂程度加剧。1997年地表的垂直变形和水平拉张加剧,形成显见的线性延伸地裂缝,房屋最宽裂缝达15 cm以上,地面高差最大近30 cm。

横林地裂缝分布主要分布于孟瑶头、大坟头、红联小学、长沟路及623电台等地段(图1，表1)。前两者灾情较为突出,所造成的损失较为严重。宏观上,横林地裂缝呈现带状展布,长度达3 000 m,宽为50～350 m,区带总面积约40万m2的岩溶塌陷-地裂缝灾害危险区带,造成直接经济损失在2 000万元以上。除地裂缝外,在红联小学西部农田内,与红联小学地裂缝同期出现塌陷坑,近圆形,直径约5.0 m,深度约0.5 m。

表1 常州横林地裂缝-岩溶塌陷灾害基本情况表

2.2 分布规律

(1)成带性和方向性。横林地裂缝主要集中于孟瑶头—大坟头—红联小学—长沟路—623电台这一狭长条带上(图1),每个区域均多条裂缝构成,共同构成了大致呈NE走向,宽50～350 m的地裂缝带,其中孟瑶头、大坟头、红联小学、长沟路等4个区域内地裂缝具有相近的延伸方向,为近EW向延伸,大致呈相互平行展布,623电台处地裂缝方向变化相对较大,呈EW向与NE向展布。

(2)多分布于基岩潜山周边。勘查资料[20-21]表明,横林地区分布3个基岩潜山,地裂缝多分布在东侧2处基岩潜山周围,孟瑶头、大坟头地裂缝分别位于南部潜山的西侧、东北侧,红联小学、长沟路、623电台地裂缝则分别位于东部潜山的北侧和东侧。

(3)地裂缝活动性以垂向差异性变形为主,伴有水平拉伸现象。地裂缝表现为地表的垂直差异沉降变形,在公路、建筑物上的表现更为明显。如孟瑶头地裂缝路面垂直差异达15 cm,而水平拉张距离仅3～5 cm,且其拉张程度由地表向下逐渐闭合。

3 地裂缝发育内因

3.1 基岩因素

钻探资料显示(图1),该地区基底起伏较大,在孟瑶头—大坟头和红联小学—长沟路—623电台西北部一线存在基岩潜山[20-21],基岩最小埋藏深度<60 m,位于大坟头处,向周边基岩埋藏深度逐渐增加,基岩最大埋深>140 m,基岩潜山最大坡度达25°。

基岩起伏导致上覆黏土层发生弯曲而在隆起两侧产生差异性垂向压缩,引起含水层出现水平拉伸并在含水层的最薄处形成拉伸带,当拉伸强度达到一定极限强度时便发生张性破裂。经实地调查,地裂缝发生的部位均位于潜山边缘。这与苏锡常地区光明村、因果岸等区域地裂缝分布类似[7-8]。

基岩起伏坡度直接影响地裂缝发育的程度。刘聪等[11]认为古潜山坡度>10°容易产生地裂缝,王艺伟等[3]认为苏锡常地区地裂缝总体属于“基岩起伏模式”,地裂缝多位于基岩起伏曲率较大部位的上方。横林地区地裂缝的分布符合这一情况,地裂缝多发于南部和东部两个坡度>15°的古潜山边缘,西部坡度较小的古潜山周围则几无地裂缝发育。

3.2 水文因素

横林地区岩溶发育,第Ⅱ承压水与岩溶水互相连通。横林地区地下水分为松散层潜水、第Ⅰ承压水、第Ⅱ承压水以及岩溶水,其中第Ⅱ承压水与岩溶水在2000年地下水禁采前为主采层。第Ⅱ承压含水层主要由粉细砂及粉质黏土夹粉砂组成,顶板埋深60～80 m,含水层厚度0～30 m,在古潜山附近尖灭,单井涌水量超过1 000 m3/d。岩溶水赋存在中厚层状灰岩、角砾状灰岩内,隐伏于松散层之下,含水层富水程度具有非均一性,单井涌水量一般>1 000 m3/d,个别富水地段达2 000 m3/d。

据钻探资料分析[20-21],横林镇岩溶十分发育,尤其是灰岩与第Ⅱ承压含水层接触地带最为发育(表2)。岩溶浅部形态主要为规模较大的溶洞、溶孔及开口型岩溶裂隙;深部主要为岩溶裂隙,溶洞溶孔较少,裂隙多被方解石充填。该区溶洞皆为半充填或全充填,反映了该区岩溶洞隙连通性较好,地质历史时期因该区基岩面起伏较大,地下水径流条件好,地下水活动强烈,有利于该区岩溶发育。

表2 横林地区钻孔揭露溶洞特征统计表[20-21]

在基岩隆起地段的环形边缘,第Ⅱ承压含水砂层多与灰岩直接相连(图2)。水质分析亦表明两者水质十分接近,水化学类型皆为HCO3-Na·Ca型淡水,反映了两者之间存在密切的水力联系[21](表3)。

图2 横林地区水文地质剖面图

表3 第Ⅱ承压水与岩溶水水质对比表

4 诱发地裂缝的外因

4.1 地下水超采引起地面差异性沉降

2000年之前横林地区地下水开采强烈,1995年横林地区共有深井12口,年开采量为120万m3,2000年横林地区深井数量达32眼,地下水开采总量为390万m3,其中第Ⅱ承压水开采量为240万m3左右,岩溶水开采量为150万m3左右[21];2000年后,苏锡常地区深层地下水逐步禁采,第Ⅱ承压水和岩溶水开采井全部关停。禁采后地裂缝发育减缓,已无明显地裂缝迹象。

长期超量开采地下水,造成含水砂层因水头下降,产生固结压缩;同时含水层的顶底板黏性土层中的地下水在水头差的驱使下,缓慢向含水层渗流,进而造成含水层顶板内的孔隙水压力下降,有效应力增加,引起含水层顶板软弱土层产生排水固结,影响至地表,造成地面高程的降低,产生地面沉降。相同的应变量,由于基底起伏及土层厚度等地质结构差异性,导致压缩变形量不同,从而在地面表现为差异性沉降。此时,在土体内形成水平拉应力,当该水平拉应力超过土体抗拉强度,土体发生拉张破坏;该过程持续发生,最终会在地表以地裂缝形式表现出来。

常州市清凉小学分层与本区土层结构条件基本相似,其地裂缝发育期间监测资料反映,主要压缩层位为第Ⅱ承压含水砂层及顶板黏性土层,该部分压缩量占地面总沉降量70%左右;浅部土层沉降变形量占比较小,截止1995年浅部压缩层占总沉降量比例仅为1.63%(表4)。因此，在基岩潜山分布区的孟瑶头、大坟头、红联小学等孔隙第Ⅱ承压水缺失块段,地面沉降量相对较小,而山前第Ⅱ承压含水砂层发育地带地面沉降量大,不均匀地面沉降诱发了地裂缝。

表4 常州清凉小学分层标压缩量统计

4.2 地下水对岩溶土洞的冲刷作用

地下水开采改变了横林地区含水层间的补排关系。根据水位监测资料,在20世纪80年代早期,第Ⅱ承压水水位低于岩溶水水位,岩溶水向上越流补给第Ⅱ承压水。1988年以后,岩溶水水位快速下降,低于第Ⅱ承压水水位;1997年,岩溶水水位低于第Ⅱ承压水位约10 m,第Ⅱ承压水向下越流补给岩溶水,而这段时间恰好为横林地裂缝的始发—盛发阶段(图3)。

图3 横林地区第Ⅱ承压水与岩溶水水位多年变化曲线图

孔隙水补给岩溶水时,水流冲刷会造成侵蚀地裂缝。由于部分区段两个含水层水力联系紧密,当第Ⅱ承压水水位较高,就存在第Ⅱ承压含水层补给岩溶水的情况,第Ⅱ承压含水层多为细粉砂层,地下水从第Ⅱ承压含水层流向岩溶含水层时,会带走部分砂粒,导致第II承压含水层的含水介质向溶洞迁移、流失。与此同时地下水强烈开采产生较大水力坡度、水流流速及动水压力增大,对岩溶充填物及上部覆盖层产生了强烈的潜蚀、冲刷作用;随着该过程的持续进行,岩溶充填物被逐步带走,覆盖层与基岩面之间形成空洞,演化为土洞雏形。由于地下水在基岩面附近波动,上覆土体的有效应力随承压水控制下的孔隙水压力影响而反复改变,造成了土体不断被扰动,加大了地下水对基岩溶洞、溶隙中的土体掏空、搬运能力,促进了岩溶水泄水通道的疏通,进而促使土洞不断向上发展,传递至地表,最终形成地裂缝伴生岩溶塌陷。横林地区地裂缝多发于环古潜山的岩溶强发育区进一步说明了地下水对土洞的冲刷作用是横林地裂缝重要的诱发因素。

5 结论

(1)横林地裂缝为长约3 000 m、宽50～350 m的条带,具有方向性、成带性等特点,地裂缝活动性以垂向差异性变形为主,伴有水平拉伸现象。

(2)地裂缝在空间上主要发育于基岩潜山的边缘,时间上其发展与地下水主采层水位下降速度加快、岩溶水水位低于第Ⅱ承压水水位的阶段相对应。

(3)横林地区地裂缝在基岩潜山和岩溶塌陷的共同影响下形成。基岩起伏、岩溶发育及第Ⅱ承压水与岩溶水互相连通是地裂缝发育的内因,长期过量抽采地下水导致不均匀沉降和地下水对岩溶土洞的冲刷作用是地裂缝的诱发外因,内因主要决定发育位置,外因主要决定发育时间,提高地下水位可以有效控制此类地裂缝。