咸阳城区地裂缝灾害风险评估与防控研究

蒋臻蔚,郑瑞杰,卢全中,牛 琰

(长安大学地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054)

据调查,渭河盆地现有136处共计191条地裂缝,这些地裂缝大小不一,呈一定的规律性不均匀地分布在渭河盆地的各个部位[1]。其中西安市区的地裂缝破坏性最大,受关注度最高。而一水之隔的咸阳城区虽然也发育有多条地裂缝,但由于其规模相对西安地裂缝小,得到的关注度较低,仅有少数几位学者进行了相关研究[2-5]。但由于其发育在城区,历史上也造成了较大规模的破坏[6],对城市的规划与建设有重大的影响,因此有必要开展进一步的研究。

通过详细调查和对历史资料的整理分析,在对咸阳地裂缝发育特征充分认识的基础上,采用层次分析法与风险矩阵法相结合的定性—半定量评价方法,对咸阳城区地裂缝灾害进行了风险评估与区段划分,确定了重点区段,并提出了相应的防治措施,为后续开展地裂缝灾害防治和城市规划建设提供 了有益的参考。

1 咸阳城区地裂缝特征发育分析

1.1 平面分布特征

咸阳城区地裂缝主要分布于二级阶地后缘,沿渭河断裂展布。地裂缝分为2组:一组基本与渭河断裂平行,是渭河断裂的伴生地裂缝,其发育程度较高,延伸较长,造成的危害较大,是咸阳城区主要的地裂缝,此次主要就这一组地裂缝进行分析研究;另一组地裂缝则与前一组地裂缝近于垂直,短小且数量少,造成的危害小,是咸阳城区次要的地裂缝。咸阳城区地裂缝分布如图1所示。

分析咸阳城区地裂缝发育历史和现状分布图,发现该地区与渭河断裂相关的地裂缝平面分布具有如下特征:

(1) 地裂缝主要分布在渭河断裂沿线上盘附近400 m范围以内,每处1～3条,近东西走向,平行于断裂;

(2) 地裂缝发育地段可以分为3个区域,西段(渭店村—石斗村)地裂缝强发育段,中段(石斗村—石何杨村)地裂缝零星发育段,东段(石何杨村—摆旗寨村)强发育段;

(3) 西段地裂缝主要分布在西北橡胶厂沉降漏斗边缘,中段地裂缝与城区中心沉降漏斗相关,东段与沉降漏斗关系不明;

图1 咸阳城区地裂缝分布Fig.1 Ground fissure distribution map of Xianyang urban area

(4) 地裂缝以雁列左旋形式为主,渭店村—程家村段左旋形式更为明显。

1.2 地裂缝剖面特征及分类

根据槽探、钻探和物探工作得到的结果,地裂缝与渭河断裂剖面上的关系如图2所示。

图2 咸阳地裂缝剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of Xianyang ground fissure profile

由地裂缝的剖面特征,可将渭河断裂伴生地裂缝分为3类:

Ⅰ类地裂缝:紧靠渭河断裂发育,是断裂的直接露头或平行次级断裂,倾向南,地表近直立,往下与断裂相连,程家村和摆旗寨均有这类地裂缝出露。

Ⅱ类地裂缝:与渭河断裂有一定距离,范围50～200 m,是与渭河断裂倾向相反的次级断裂,发育在断裂的上盘,与渭河断裂呈“y”字形组合模式,大部分地区出露的地裂缝都是这种地裂缝。

Ⅲ类地裂缝:分布在渭河断裂的最南侧,距离断裂较远,是浅层地表的微破裂,裂缝向下延伸有限,裂缝规模相对较小。

1.3 地裂缝活动历史情况

据调查,咸阳城区的地裂缝最早出现于上世纪70～80年代(例如毕塬西路医药化玻公司地裂缝),然后在1991—2006年高发,2006年之后活动减弱。地裂缝活动的阶段性与抽水引起的地下水水位变动具有很好的一致性,如图3所示。

图3 潜水平均埋深变化与地裂缝发展对应图Fig.3 Correspondence graph of the change of phreatic average buried depth and ground fissure development

2 咸阳城区地裂缝灾害风险评估与分区

地裂缝的发育过程具有长期性、缓变性的特征,很多因素都会影响地裂缝的发育,因此具有很大的不确定性。对地裂缝进行灾害风险评估,不仅可以为防灾减灾提供依据,也可以为地区经济发展规划、城市建设规划和土地资源开发利用提供参考,具有重大的理论及现实意义。

2.1 地裂缝灾害风险评价方法

(1) 风险的定义及风险函数的选择 风险具有客观性、突发性、损害性、不确定性、发展性。诸多学者和机构都对风险进行过定义,虽然定义的形式有所差别,但实际上都是关于风险事件发生概率和造成损失的某种数学表达。对风险定义的差异仅仅是这二者之间的运算关系不同而己。目前比较通用的风险函数定义为

R=p·c,

(1)

其中:R为风险;p为风险事件发生的概率;c为风险事件发生的后果,即损失。

若将风险R看作关于p和c的函数,最简单同时应用最多的是二者的相乘关系,即R=p·c。本文采用Van Westen等[7]提出的风险函数,即风险=危险性×[易损性×数量],等同于风险=危险性×后果。

地裂缝灾害风险评估为单一风险源的风险评估,其内容包括风险识别、风险估算和风险评价3个方面。首先是认识灾情和灾害风险,取得基本要素,总结以往的灾害事件;其次是统计分析,建立模型,分析推算可能产生的新的地裂缝灾害的性质、规模及危害范围和程度;最后结合防灾减灾规划及相关工程及非工程措施,进行风险损失估算及减灾效益评价,为决策者提供决策建议[8]。

(2) 风险评估范围和方法 根据调查,咸阳主城区的地裂缝为渭河断裂控制的抽水构造复合型地裂缝,其位置直接与渭河断裂相关,主要分布在断裂上盘400 m范围以内,下盘400 m范围以内局部地段。考虑到咸阳城区地裂缝的这种带状分布的特点,此风险评估的范围限定在咸阳城区渭河断裂带附近,评估范围长约23 km,宽以渭河断裂为中心南北各400 m。对于这样一个狭长的条带状的评估范围,类似于道路、管道等生命线工程的风险评估,进一步的评估单元的划分只需要沿纵向分段即可。需要注意的是,该评估结果并不代表该分段区域所有地方的地裂缝灾害风险都一样,而只是表明该区段存在的最大地裂缝灾害的风险程度,具体场地的地裂缝风险情况还要综合该段地裂缝的分布情况和发育特征来判定。

风险评估的方法可分为定性方法、定性-半定量方法和定量方法(定量的概率和损失)[8]。对于地裂缝灾害,要达到定量评价需要有长期的大量监测资料和完备的地质环境资料,现阶段还难以实现。目前对于地裂缝灾害的风险评估多采用定性方法或是定性-半定量方法。

2.2 咸阳城区地裂缝灾害危险性评估

影响地裂缝灾害危险性的因素层次相对较为简单,因此采用层次分析法来进行咸阳城区地裂缝灾害危险性评估。

(1) 危险性指标体系 地裂缝灾害的危险性是指发生某种规模地裂缝灾害的可能性大小,它与地裂缝的成因及活动性有关。根据对咸阳城区地裂缝的分布特征与历史发展活动状况分析,反映和影响地裂缝形成及活动性的主要因素包括地裂缝发育现状、构造运动、地下水开采、地形地貌、地层岩性、降水以及人类工程活动等,其中前面几种是最主要的因素,这些影响因素与地裂缝之间既表现有空间分布上的对应性,也表现有相对的时序特点,且各因素之间还有一定的相互作用关系。考虑到是对同区域同一断裂构造带影响的地裂缝灾害危险性分析,评估指标的选取可以忽略降水等相同因素,最后选择的评估指标体系如图4所示。每个指标危险性的划分标准见表1。

(2) 判断矩阵的标度及权重计算 为量化各因素相对重要性,我们采用T.L.Saaty标度方法[9],见表2。由此构建的影响因素比较判断矩阵见表3。

图4 咸阳城区地裂缝危险性评估指标体系Fig.4 The index system of risk assessment of ground fissure in Xianyang urban area

表1 地裂缝危险性指标划分标准

表2 T.L. Saaty 1～9标度法

计算得到各因素权重分别为:地裂缝发育状况0.527,地下水超采情况0.217,地质构造0.217,地形地貌0.039。

表3 影响因素判断矩阵

(3) 危险性评估结果 对评估区段按照100 m宽度划分评估单元,每个单元根据地裂缝调查结果及地质环境条件参照表1给各个指标打分,然后按照以上得到的指标权重综合计算危险度,最后进行适当归并得到的地裂缝危险性评估结果可划分为6个区段(见表4)。

表4 地裂缝灾害危险性评估结果

2.3 咸阳城区地裂缝灾害损失分析

(1) 计算理论和指标体系 地裂缝灾害的期望损失是由承灾体的类型、数量和易损性决定的。易损性是指承灾体受地质灾害破坏发生损毁的难易程度,这一概念暗含了人类社会和经济技术发展水平应对正在发生的灾害性事件的能力,主要包括社会易损性指标、经济易损性指标和物质易损性指标[10]。社会易损性指标主要是地质灾害发生导致的人员伤亡;经济易损性指标主要指地裂缝灾害的发生对国民经济产生的间接影响,例如对地价的影响;物质易损性指标主要包括建筑物、基础工程、农业、工业、生命线工程等的易损性指标,是地裂缝灾害的直接经济损失。咸阳地裂缝基本为缓变式地质灾害,对人类的生命一般不构成威胁,因此不考虑人员死亡和受伤的后果,仅考虑经济和物质易损性指标,研究不同评估区段地裂缝灾害侵袭的后果,采用的方法为实际调查和理论分析。

结合咸阳城区社会经济发展情况,构建的区域地裂缝灾害后果评价指标体系如图5所示。指标体系包括铁路的分布、公路的分布、居民点的分布、土地价值等。地裂缝灾害损失后果(期望损失)的计算公式为

V=∑Ni·Vi·Si,

(2)

其中:V为灾害损失(万元);Ni为i类承载体数量(栋或m2);Vi为i类承载体价值(万元/计算单位);Si为i类承载体易损性,0～1之间取值。

图5 地裂缝灾害后果评价指标体系Fig.5 Evaluation index system of ground fissure disaster consequences

(2) 灾害后果分析结果 由于评估区经济发展迅速,工程建设速度快,早几年的地质图已经无法反应该区的经济发展现况,因此评估主要根据实时的卫星云图和实地考察,用得到的建筑类型、数量以及位置来定性判断地裂缝灾害可能带来的后果。评估结果见表5。

表5 地裂缝灾害后果分析

2.4 地裂缝灾害风险评估与分区

(1) 风险评估矩阵 在地裂缝危险性评估和灾害后果评估的基础上采用风险矩阵法来确定地裂缝灾害的风险等级。风险矩阵法因其操作简单便捷的特性被广泛应用于风险评估中,通过建立二维表格得到半定性的风险分析结果。参考区域滑坡风险定性分析的方法[11],按照4个级别来构建风险评估矩阵(见表6)。

(2) 风险评估结果与分区 根据以上危险性和灾害后果等级的评估结论,按照表6的风险评估矩阵得到的风险评估结果见表7。从表7可见,整个评估区可划分为6个区段,风险性高、中、低各2 段。风险性高的区段总长7.41 km,占评估区总长的32.5%;风险性中等的区段总长10.20 km,占评估区总长的44.8%;风险性低的区段总长5.18 km,占评估区总长的22.7%。

表6 地裂缝灾害风险评估矩阵

表7 地裂缝灾害风险评估结果及分区

3 重点防治区段与防治措施建议

3.1 重点防治区段

根据风险评估的结果,可将咸阳城区地裂缝灾害危险性高的两个区段划为重点防治区段,分别是位于秦都区的渭店村—石斗村段和位于渭城区的石何杨村—摆旗寨村段。两段的特征如下:

(1) 重要防治区段A1(渭店村—石斗村段) 该段地裂缝灾害发育,在渭河断裂南侧400 m东西向条带范围内发育多条地裂缝,灾害较为严重,地裂缝带内房屋及道路都有不同程度的开裂。上世纪80～90年代地裂缝活动性较大,严重影响当时居民生活及农田灌溉。近几年,虽然地裂缝活动性明显减弱,但一些村民2000年后新建房屋,仍然有开裂的现象发生。该段目前为城市西郊的城中村,房屋建筑主要为砖石砌体结构,抗灾能力差。根据规划,该区段将为咸阳市的重点发展地段,今后的详细规划需要结合地裂缝的分布来进行。

(2) 重要防治区段A2(石何杨村-摆旗寨村段) 该段位于渭城区石何杨村—摆旗寨村,地裂缝也较为发育,基本与渭河断裂平行,两条地裂缝并行,间距200 m左右,影响带内房屋全部出现开裂,且地裂缝仍在活动,新修房屋基本1～2年就会出现开裂,该区地裂缝是咸阳市现阶段活动性较大的地裂缝。该段同样位于咸阳市重点发展规划区,其建设也需要结合地裂缝的分布进行。

3.2 防治措施建议

咸阳城区地裂缝与大多数危害较大的地裂缝类似,是断裂构造控制作用下过度抽取地下水而引发或加剧的地质灾害。断裂构造限制了地裂缝的大致位置、规模和产状特征,地下水开采引起的地面沉降则贡献了大部分的活动量,影响了地裂缝的活动特征。鉴于地面沉降和地裂缝之间密切的关系,对于它们的防治首先要以区域上的联动防治为主,控制和优化地下水开采,减轻地面沉降,从而降低地裂缝灾害的风险。

对于具体的工程,单点式建筑物的基础不得跨越地裂缝布置。具体的避让距离根据地裂缝的影响宽度以及各类建筑物对不均匀沉降的敏感性综合确定。《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》[12]规定了西安地裂缝场地建筑物的具体避让距离,但是咸阳市地裂缝有其特殊性,地裂缝产状近于垂直,差异沉降较小,地裂缝影响区范围较窄,地面调查和探槽揭示其影响区总宽度均小于西安地裂缝。不过由于其主断裂(渭河断裂)为发震断裂,其避让还需结合活动断裂的相关研究来执行[13]。对于穿越地裂缝的生命线工程,可以在准确评价地裂缝的特征及活动趋势的基础上,结合西安市地裂缝的研究成果采取相应的措施。

4 结论

(1) 咸阳城区地裂缝主要分布于二级阶地后缘,可以分为2组,主要的一组基本与渭河断裂平行,是渭河断裂的伴生地裂缝,其发育程度较高,延伸较长,造成的危害较大,是咸阳城区主要的地裂缝。

(2) 剖面上渭河断裂的伴生地裂缝可以分为3类:一是断裂的直接露头或平行次级断裂;二是与渭河断裂倾向相反的次级断裂;三是距离较远的浅层地表的微破裂。

(3) 按照危险性和灾害后果等级的评估结论,咸阳城区地裂缝可能发育的地段可划分为6个区段,风险性高、中、低各2段,风险性高的区段总长7.41 km,占评估区总长的32.5%。

(4) 对于风险较高的两段需列入地裂缝灾害防治的重点区段,在该区开展工程建设时要采取相应的措施来防止灾害的发生。