（地质工程专业论文）大西高铁太原盆地沿线地裂缝发育特征及其危险性评价研究.pdf

摘要 太原盆地自上世纪7 0 年代开始出现地裂缝以来，至今已发现规模较大的地裂缝 8 0 余条，成为太原盆地主要的地质灾害之一。地裂缝的广泛发育对城乡建设和人民生 命财产造成了重大威胁。 随着大同一西安高速铁路客运专线的规划建设，地裂缝成为高铁沿线不可避免的地 质灾害之一。对沿线地裂缝的发育特征和活动性展开研究，并评价地裂缝对高铁的危 险性不仅可以为高铁建设的安全设计提供必要的基础资料，还可以为太原盆地地裂缝 的研究提供参考。 本文通过详细的野外调查、勘探和资料分析，深入研究了太原盆地高铁沿线地裂 缝的分布规律及发育特征，初步分析了地裂缝的成因机理，并就地裂缝对高铁的危险 性进行了定性和定量评价，取得的主要研究成果如下： ( 1 ) 调查发现太原盆地共有8 条地裂缝与高铁线路相交，勘探表明这些地裂缝均 具有定向性、成带性和间歇活动性的特征； ( 2 ) 揭示出地裂缝的活动总体以水平拉张为主，少数变形严重的地裂缝呈现出水 平拉张、垂直错动和右旋扭动的三维活动性。 ( 3 ) 初步分析了地裂缝的成因机理，提出了地裂缝的构造成因模型，认为太原盆 地地裂缝是在盆地n w - s e 向区域拉张构造应力背景下，活动断裂构成先存隐伏破裂 面，地下水超采与水位下降诱发并加剧了地裂缝的地裂缝的活动。并预测随着地下水 的继续过量采和高铁的投入运营，这些地裂缝的活动还会进一步加剧。 ( 4 ) 定性和定量评价了沿线地裂缝对高铁的危险性，并给出了相应危险性分级的 活动速率。 关键词：太原盆地，高铁，地裂缝，活动性，成因机理，危险性评价 a n dl o c a lf r a c t u r er i s ko fh i g hi r o nw e r eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no ft h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t so b t a i n e d & r ea sf o l l o w s ： a b s t r a c t t h en u m b e ro fg r o u n df i s s u r e so c c u r r e di nt h et a i y u a nb a s i nh a sb e e ni n c r e a s e dt o m o r et h a n8 0s i n c et h el a s t3d e c a d e s ，w h i c ha l s oe v o l v e dt oa m a j o rn a t u r a ld i s a s t e ri nt h i s a r e a t h ei n c r e a s i n g l yg r o w i n go fg r o u n df i s s u r e sb e c o m e sag r e a th a z a r dt ot h e d e v e l o p m e n to fc i t i e sa n dp e o p l e sl i v e s g r o u n df i s s u r ea l s od e v e l o p e da san o n - a v o i d a b l eg e o - h a z a r da st h e u n d e r g o i n g c o n s t r u c t i o no fd a t o n g - x i a ne x p r e s sr a i l w a y t h ea n a l y s i sa n ds t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dg r o w i n gt e n d e n c yo ft h eg r o 明df i s s u r e s ，e v a l u a t i o no ft h ef u t u r eh a z a r do ft h e s e f i s s u r e sn o to n l yc o n t r i b u t st ot h ee x p r e s sr a i l w a yc o n s t r u c t i o nw o r k ，b u ta l s oh a sa c h i e v e d a ss o m ev a l u a b l er e f e r e n c e st ot h es t u d yo fg r o u l l df i s s u r e si nt a i y u a nb a s i n t h i sp a p e ri sb a s e do ni n t e n s i v e l yf i e l ds t u d i e sa n dd a t aa n a l y s i so ft h eg r o u n df i s s u r e s d e e p l ys t u d i e dt h ed i s t r i b u t i o na n dd e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h o s eg r o u n df i s s u r e s a m o n gt h ed a - x ie x p r e s sr a i l w a yi nt a i y u a nb a s i n ， w e r ed i s c o v e r e da n dt h em e c h a n i s m so ft h em o v e m e n ta r e b e i n gd i s c u s s e d t h e m a j o rr e a s o nf o rt h eg r o w t ho ft h eg r o u n df i s s u r e si st h a td u et ot h el a r g eq u a n t i t i e so f s u b s u r f a c ew a t e rt h a tb e i n gu s e da n de x p l o r e d ，t h et e c t o n i cp l a t eu n d e rt h o s ef i s s u r e sa l e b e i n gd i s t u r b e d ，h e n c et h o s ef i s s u r e sw i l lc o n t i n u o u s l yg r o w i n ga n de n l a r g i n gi nt h ef u t u r e f i n a l l y , f u z z ym a t h e m a t i c st e c h n i q u ei sb e i n gu s e dt oe v a l u a t et h ei n f l u e n c e st ot h ee x p r e s s r a i l w a yc o n s t r u c t i o n t h eh a z a r d o u sr a n k i n g so fe a c hg r o u n df i s s u r ea m o n gt h ee x p r e s s r a i l w a ya r e aa l ep r e s e n t e da n da r e c o m m e n d a t i o nv e l o c i t yo ft h ef i s s u r e sm o v e m e n ti sa l s o i n c l u d e d k e yw o r d s ：t a iy u a nb a s i n ；e x p r e s sr a i l w a y ；g r o u n df i s s u r e ；m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c ； r e a s o n ；h a z a r de v a l u a t i o n ； 长安大学硕上学位论文 1 1 研究意义 第一章绪论 地裂缝是在内外动力作用下岩石和土层发生变形，地表产生破裂的一种地质现象， 是地质灾害中地面变形灾害的一种。世界上许多国家都存在地裂缝现象，而且其发 生频率和灾害程度也在逐年加剧。由于地裂缝一般发生在人口较为集中的平原地区， 影响范围大，波及面广，因此造成的危害极大。现今，地裂缝灾害已经成为一个新的、 独立的自然灾害灾种，引起了国际地学界的广泛关注。 我国地裂缝主要集中在大华北地区，包括冀、晋、陕、苏、皖、豫等7 省区，其中， 汾渭盆地是地裂缝发育最为严重的地区之一。汾渭盆地地裂缝自1 9 5 8 年在西安市西北 大学校园内发现以来，至今已在西安、咸阳、大同、太原、榆次、临汾、运城等市广 泛发育。地裂缝造成的经济损失仅大同一市就达6 3 亿元，西安更是逾4 0 亿元。由于西 安和大同地裂缝最具典型性和代表性，因此投入的研究最多，研究深度也最深，相比。 而言，其他地区地裂缝的研究程度要浅的多n q 。 太原盆地地裂缝最早发生在2 0 世纪7 0 年代，早期地裂缝主要发生在太原断陷的东 北部，之后地裂缝活动由东向西逐步扩展，至7 0 年代末，太谷、祁县的部分乡镇也相 继出现了地裂缝口射。此后，地裂缝活动逐年加剧，至2 0 0 9 年我们课题组调查统计，已 先后出现规模以上地裂缝8 3 条( 带) 。地裂缝所到之处，许多房屋开裂，大片农田耕地 被毁，部分公路、水利设施等遭到破坏，给当地社会经济带来了巨大的灾难。据不完 全统计，截止2 0 0 9 年，太原盆地地裂缝已造成直接经济损失达2 7 0 0 0 余万元n 鲫。 如今，国家重点工程大西( 大同至西安) 高速铁路客运专线( 简称高铁) 正在规 划建设，该铁路是继郑一西( 郑州至西安) 高速铁路之后又一条穿越我国中西部地区 的高速铁路客运专线。铁路北起大同市，向南经朔州、忻州、太原、临汾、运城市， 跨黄河进入陕西省渭南市，经临潼至西安，线路全长8 5 3 公里。高铁北段纵贯山西南北， 经过人口密集、经济发达、旅游资源丰富的大运( 大同运城) 经济带。建成之后， 将实现太原至大同、运城“两小时经济圈”，太原至西安、郑州、北京“三小时经济圈” 的目标，大大推动山西省及邻近地区社会经济的发展。 然而，高铁建设却面临着如何穿越多条地裂缝带的工程地质难题。由于高铁是一 种线性工程，不能像其他公民建筑一样对地裂缝带采取避让等措施，且高铁的高安全 第一章绪论 性设计决定了其轨道在运行期间不能出现较大的变形和位移。资料显示，高铁桥梁的 允许沉降差5 m m ，普通铁路路基的允许沉降差为1 5 n u n ，显然高铁的要求要比普通铁 路的要求高得多，而太原盆地某些地裂缝的垂直活动速率可达至u 3 0 - - 4 0 m m a 。可见， 地裂缝的活动必然对高铁的建设和运营产生严重的影响。因此，开展地裂缝对高铁的 影响和灾害方面的研究显得尤为必要。 据本课题组调查，大西高铁北段共穿越地裂缝2 1 条( 带) ，位于太原盆地的有8 条( 见图1 1 ) ，临汾盆地和运城盆地分别为7 条和6 条。其中位于太原盆地的地裂缝活 动性较强，对高铁的影响最为严重。本文将以太原盆地高铁沿线地裂缝为研究对象， 对地裂缝的发育特征、活动性以及成因机理展开综合研究，最后重点就沿线地裂缝对 高铁的影响进行危险性评价研究，以期为高铁建设中地裂缝的防治研究提供基础资料。 方懿瀑一乞、粼 1 2 国内外研究现状 图1 - 1 大西高铁穿越太原盆地示意图 关于地裂缝，古今中外历史上都有零星的记载，其中我国的记载最早，也最多。 从史书和地方志可查出历史时期多次发生地裂缝，广及我国东部，以华北为最多【l l ， 有些记载甚至较为详细。但因其分布稀疏分散，位移量甚微，损失很少，人们一直将 其视为一种局部的、随机而生的自然现象，从未引起重视。随着人类工程活动的加剧， 特别是地下水或石油的过量开采，世界许多地区如美国、中国、墨西哥、澳大利亚以 及非洲的肯尼亚、埃塞俄比亚等相继出现了地裂缝n 憎1 ，且造成了越来越多的工程建 筑、交通、农田和水利等设施的破坏。地裂缝灾害开始引起一些地学界和工程界专家 学者的重视，并相继开展了大量的相关研究，使地裂缝最终发展成为一门独立的地质 灾害灾种。 其中地裂缝灾害最为严重的国家是中国和美国，因此，以美国和中国的地裂缝研 2 长安大学硕士学位论文 究最为广泛和深入。 1 2 1 地裂缝及其成因研究现状 ( 1 ) 国外地裂缝及其成因研究 国外地裂缝的记载最早见于1 9 世纪英国著名的自然科学家c 莱伊尔曾的著作 地质学原理，作者在书中描述了不同成因的地裂缝。进入2 0 世纪，随着自然科学 和工业建设的发展及地震科学研究和野外地质调查的深入，世界各地发现的地裂缝越 来越多。根据国外地裂缝研究成果的检索情况，国外地裂缝问题的研究以美国开展得 最广泛，研究的程度较深n 引。 1 9 1 8 , - - 1 9 2 6 年之间，美国德克萨斯州的g o o s ec r e e k 油田发现了第一条地裂缝， 随后，于1 9 2 7 年在亚利桑那州的p i c a c h o 盆地又发现了地裂缝【2 0 】。在此后的时间内， 美国地裂缝事件时有发生，且一发不可收拾。到了7 0 年代，美国西南的6 个州、1 4 个 地区都出现了地裂缝，给美国人民带来了巨大的经济损失。其中，亚利桑那州便是地 裂缝灾害最严重的地区之一( 图1 2 ) 。最著名的事件是2 0 0 5 年8 月的一个早晨，亚 利桑那州的一户居民p a md e v r i e s 惊讶地发现在自己新买的亚利桑那州的院子里一夜 之间突然出现了一条深5 m 宽3 m 的地裂缝，这条地裂缝是前一天夜里的一场大雨所 致，地裂缝使得地面大片土地下陷，对土地的完整性造成了严重的破坏【2 1 】( 图1 2 右 图) 。之后，诸如此类的事件在美国其他一些地区也时有发生。 图1 2 美国亚利桑那州地裂缝( 据r a yh a r r i s ，1 9 9 7 & 2 0 0 5 ) 美国的地裂缝发育极为广泛，灾害破坏性强烈，引起了有关政府部门的注意，开 始采取一些防治措施。1 9 7 5 年，德克萨斯州通过立法来限制地下水过量抽取，以避免 因此而引发地裂缝灾害：1 9 9 1 年，亚利桑那州成立了专门的地裂缝灾害委员会，统一 3 第一章绪论 管理地裂缝灾害减灾各项事宜，并提出了普及地裂缝减灾的科普教育、地裂缝早期监 测与识别和及时处置相结合的对策。这些措施的实施对减轻地裂缝灾害起到了一定的 作用，但随着人类工程活动不断加剧，地裂缝灾害并没有“销声匿迹 ，并且在一些地 方更加肆虐发展。在加利福尼亚州，直到上世纪9 0 年代，仍有许多因地裂缝损失要求 索赔的诉讼案发生。 目前，美国的地裂缝研究主要集中在位于其国土西南部新构造活动比较活跃的盆 地和谷地中，包括加亚利桑那州、得克萨斯州、利福尼亚州、内华达州及新墨西哥州 等。关于地裂缝成因的认识，美国学者们形成了三种不同的观点，即构造成因观点、 地下水开采成因观点及构造与地下水开采复合成因观点。 构造成因观点最早是在1 9 2 9 年由l e o n a r d 提出，他从地震角度分析了1 9 2 7 年9 月1 2 日出现于亚利桑那州皮卡乔城附近的地裂缝及与之相距1 3 k m 的e 1t i r om i n e 的地面异 常破裂的成因，认为这两处地裂缝的发生均与1 9 2 7 年9 月1 2 日发生在亚利桑那州东南部 图森城附近的地震有关【2 2 1 。后来其他一些学者也坚持了构造成因观点，但他们的成因 机制解释却不尽相同，其中大多认为构造因素对地裂缝的影响表现为控制性，并不排 除其他因素对地裂缝形成发展的间接影响。1 9 9 3 年c a r p e n t e r 根据对p i c a c h o 盆地地裂缝 变形和地面沉降的长期观测资料，利用o k a d a ( 1 9 8 5 ) 的三维位错理论及m a t s u u r a 等( 1 9 7 5 ) 的构造裂变修正模型，就构造活动对地裂缝成因影响进行了分析，认为断层位移对地 裂缝在水平方向的张裂变形及垂直方向的错位变形都有一定影响【2 引。尽管这些学者们 对地裂缝对成因机制的解释不尽相同，但都认为非构造因素对地裂缝的影响是间接的， 而构造活动才是导致地裂缝形成的直接控制因素。 地下水开采成因观点形成的时间比较早，也是早期就被大多数学者所接受的观点， 因为地裂缝的发生经常与抽取地下水引起的地面沉降相伴生。但对其成因机理的解释 很多人先后提出了不同的观点，包括1 9 5 4 年f l e t c h e r 提出的渗透变形机理、1 9 6 8 年n e a l 提出的土层失水收缩变形机理、1 9 6 9 年l o f g r e n 提出的渗透应力拖曳作用机理、1 9 7 0 年 s c h u m a n n 提出的差异压密变形机理及1 9 7 7 年b o u w e r 提出的刚性折裂机理等1 2 4 - 2 7 1 。 构造与地下水开采复合成因观点形成于2 0 世纪7 0 年代末，也是目前最流行的观点。 1 9 8 4 年h o l z e r 等人通过对亚利桑纳州中南部构造盆地地裂缝的活动性、地质环境资料 及地面沉降观测资料综合分析认为，该区域构造活动与地下水开采是影响地裂缝发育 及活动的两个主要因烈2 8 j 。之后，美国新墨西哥州、内华达州、加利福尼亚州及得克 萨斯州等地裂缝的系统研究成果均对h o l z e r 的复合成因观点给予了充分肯定。 4 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 国内地裂缝及其成因研究现状 国内有关地裂缝的记载最早可以追溯到几千年前。古时民间称为“地裂 或“地 峡”，如北宋太平御览第八百八十卷中有“黄帝将亡则地裂的记载。随着时间不 断推移，我国古代对地裂缝的观察和记录越来越详细，太平御览中对汉惠帝( 公元 前1 9 4 - - 前1 8 8 年) 时西安出现的地裂缝有这样的记载：“五月城中地陷3 0 丈 。文中记 录了地裂缝发生的时间、范围和长度。这些史书的记载，说明地裂缝在我国古代是一 种常见的自然现象。虽然我围古代对地裂缝的发生有着许多较为洋细的记载，但局限 于当时人们的认知和科学水平有限，对地裂缝不可能做深入的研究，其认识大都停留 在不可抗拒的“天灾”或与其他超自然因素联系起来，这些都不能称为现代意义上地 裂缝研究。 我国现代地裂缝出现时间较晚，首例地裂缝是2 0 世纪5 0 年代末在西安市西北大学 校园内发现的。早期的地裂缝研究主要是伴随着对地震预报和捕捉地震前兆的探索开 始的，1 9 6 8 年4 - - 5 月间河北邯郸市内发生多处地裂缝；1 9 7 7 年1 0 月西安市南郊发现多 处裂缝。这两起城市地裂缝事件分别出现在震害损失巨大的1 9 6 6 年邢台地震和1 9 7 6 年 唐山大地震后不久，又都伴随这些城市市内震感很强的近场中小地震发生，引起人民 群众的不安和各级政府的高度重视。因此这一时期众多学者开展了许多地震与地裂缝 关系的研究，最后得出了地裂缝活动与地震并无直接联系的结论。进入7 0 年代以后， 随着人类工程活动规模的不断扩大和地下水的大量开采，地裂缝灾害在全国迅速蔓延， 遍及全国各省。其中处于大华北地区的陕西、山西、河北、河南、江苏、山东、安徽 七省的地裂缝灾害最为严重。此后，我国有关专家和学者们陆续开展了一系列的有关 地裂缝及其成因的研究，至今已有近4 0 年历史。尽管我国地裂缝灾害研究起步较晚， 但通过国内众多专家学者数十年的努力，仍取得了较多重要的成果，建立起了较为完 善的地裂缝灾害理论，从而使我国在地裂缝研究领域居国际领先水平n 们。国内对地裂 缝的研究主要集中在以下几个地区：冀京津区地裂缝、陕晋地裂缝、苏鲁豫区地裂缝、 粤桂地裂缝和辽吉地裂缝【6 j ，其中以陕晋地区研究最为广泛和深入。 冀京津地区至在2 0 世纪6 0 年代在邯郸市发现地裂缝后，8 0 年代以来地裂缝迅速增 加，分布之广、发展之快、危害之大，令人吃惊。关于冀京津地区地裂缝及成因，田 级生，王庆录( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 2 9 - 3 0 1 在广泛调查分析的基础上将河北平原地裂缝成因类型 分为三大类即地动型( 由内动力地质作用形成) 、潜蚀型( 过量开采浅层地下水引起) 和 胀缩型( 由土体中蒙脱石等亲水矿物引起) 地裂缝；李俊，刘金峰等( 2 0 0 3 ) 1 对河北平 5 第一章绪论 原地裂缝分布规律及成因进行了分析，认为河北平原地裂缝的成因是以构造运动、地 震为主导因素，水的活动为诱发因素，地形地貌、土体岩性为影响因素。 江苏省的苏州、无锡、常州平原地区( 简称“苏锡常 平原地区) 地裂缝自1 9 8 9 年 武进市首次发现地裂缝以来，近2 0 年来相继在锡山市、江阴市境内多处发生，并仍在 发展之中。关于苏锡常地裂缝的成因，高中和，竺清良等( 1 9 9 7 ) 3 对江苏省地裂缝分 布特征、成因类型及防治对策进行了分析，认为江苏省地裂缝成因大致可分为两种即 构造地裂缝和非构造地裂缝，并提出了它们的判别准则。朱锦旗，朱兴贤( 1 9 9 8 ) 口3 1 根 据江苏江阴市和塘镇地裂缝调查分析，认为江阴市地裂缝主要与地下水的不合理开采 有关。伍洲云，余勤( 2 0 0 3 ) m 1 对苏锡常地区的地裂缝形成过程进行了研究，认为苏锡 常地区的地裂缝主要是地面沉降的结果，基岩面的起伏变化为地裂缝孕育了内在条件， 超量开采地下水是诱发地裂缝的直接原因。于军，王晓梅等( 2 0 0 4 ) 汹1 从苏锡常地区特 定地质环境条件出发，系统分析了该地区地裂缝灾害的形成机理，认为基岩起伏形态 差异、第四纪沉积构造差异和水文地质条件差异是引发地裂缝灾害的内在条件，长期 过量开采地下水是诱发地裂缝灾害的外在因素。 陕西省的西安市是我国城市地裂缝灾害中最严重、最典型的城市。有关西安地裂缝 的研究由来已久，前人已作了大量的研究工作，取得了很多有价值的基础资料和成果。 关于西安地裂缝的成因，也有水成说，构造说和综合成因说三中不同的观点。 水成说的观点认为地裂缝是由于过量抽取深部承压地下水导致大面积地面沉降而 引起的。在差异沉降陡变带上，由于两侧变形差大于岩土体的极限应变能力而产生了地 表破裂。这一观点的事实依据是：西安地裂缝主要分布在承压水下降漏斗和地面下沉 区；地裂缝活动的峰值期恰在地下水过量开采之后；地裂缝活动的速度远远大于一 般常见的断层活动速度。易学发等( 1 9 8 4 ) 啪1 研究了深井水位动态变化和地面不均匀沉降 与地裂缝活动之间的时间关系，认为西安市超采地下承压水导致地面大幅度下沉是西安 地裂缝产生和发展的主要原因，而局部地质构造条件对地裂缝的形成有一定的控制作 用。 构造说的观点认为西安地裂缝是西安地区构造在特定的地应力条件下产生活动的 一种表现。对于西安地裂缝的构造成因机制，许多学者先后从不同角度提出了不同的成 因模式，基本上一致认为地裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作用下形成。其 中，最具有代表性的是张家明的断块掀斜成因( 1 9 9 0 ) d 1 和赵其华、王兰生等的构造重力 扩展成因( 1 9 8 9 ) m 1 。 6 长安大学硕士学位论文 近年来，越来越多的学者倾向于综合说，即认为西安地裂缝的形成是以隐伏断裂 构造的发育为基础，过量开采地下水为诱因共同作用的结果。 彭建兵教授领导的课题组近些年来围绕西安地裂缝的研究展开了大量的工作，包 括黄土介质的地裂缝响应机理，深部构造作用的地裂缝孕育机理，基底伸展的地裂缝 萌生机理，断层蠕动的地裂缝起裂机理，地震活动的地裂缝伴生机理，抽水作用的地 裂缝加剧机理和表水渗透的地裂缝重启机理等，最终确认西安地裂缝是在盆地伸展背 景下，断层构成地裂缝原型，水的作用加剧其活动的耦合成因模式。 山西省是我国地裂缝灾害仅次于陕西的较为严重地区之一，境内比较典型的是大 同、榆次和临汾地裂缝，早在1 9 7 6 年临汾就发生了地裂缝，8 0 年代末9 0 年代初，地裂 缝活动十分活跃，目前仍有地裂缝发生。关于山西地裂缝成因及特征研究方面，刘玉 海等( 1 9 9 0 ，1 9 9 5 ) 啪1 认为大同地裂缝的形成和发展均主要受控于基底构造的活动，与 当地过量开采地下水没有直接联系，认为地裂缝成因的力学机理与基底断裂活动方式 所反映的力学机制基本相同。在水平拉张应力和上部土体重力的共同作用下，基底断 裂产生正断活动，导致上覆土层自下而上破裂，最终在地表形成裂缝。国家地震局地 质研究所关于大同铁路分局地裂缝的综合研究结果( 1 9 9 2 ) 则提出了不同的看法，认为 基底的构造活动是地裂缝形成的背景因素。地裂缝的活动则主要受过量开采地下水影 响，地裂缝活动量的7 0 与地下水开采引起的地面沉降有关。王庆良等嘲3 则认为大同 地裂缝是由于过量抽取地下水造成含水层径向水平拉张应变诱发产生。董东林，武强 等( 1 9 9 9 ) 1 开展了山西临汾地裂缝灾害与地下水开采的相关关系的研究，通过地面沉 降的数值模拟，得出临汾市地裂缝的形成与发展与该地区地下水超采在时空上有明显 的相关关系。董东林，武强等( 2 0 0 2 ) 州对山西临汾地裂缝之地质成因进行了研究， 认为临汾市地裂缝的产生与发展，与新构造运动及其地震活动关系十分密切，为主要 影响因素。丁学文，张大卫等( 2 0 0 0 ) h h 3 1 对山西榆次地裂缝的分布及活动特征进行了 分析，得出该地区地裂缝呈南北和北东向分布，表现为水平张裂，地表破裂无垂直差 异和扭动运动的活动特征。陈佩佩，武强等( 2 0 0 3 ) h 钉采用分形非线性理论研究了山西 榆次地裂缝的几何形态，认为该地区的地裂缝的形成受构造活动控制。王宏军，郑秀 清等( 2 0 0 5 ) h 习对山西祁县地裂缝成因进行了探讨，认为祁县地裂缝是地震、构造活动 以及地下水超采等多因素综合作用的结果。 长安大学课题组近年来围绕山西盆地地裂缝做了大量的调查、勘探及研究工作， 发现山西盆地地裂缝8 0 以上为构造控制型，并因现今人类活动而加剧活动，其余2 0 7 第一章绪论 为黄土湿陷及地表水冲刷所形成。 综合研究表明，地裂缝的形成和发育受多种因素的影响。主导因素是控制地裂缝 孕育、发生、活动及展布格局的决定性因素，包括新生代的构造环境、构造基础和触 发地裂缝产生的动力源；诱发因素是决定和影响地裂缝发生时间、地段、强度的因素， 主要有降水、干旱、重力、地震等自然因素和抽取地下水、农灌等人为因素：影响因 素则是只影响地裂缝发育程度的因素，如土质、地形、气候、水体等因素。 1 2 2 地裂缝对线状工程影响评价研究现状 地裂缝对现状工程的影响主要表现在地裂缝活动引起公路、铁路、地下管道( 供水、 气和输油等管道) 、输水隧道及城市地铁等设施的变形破坏。由于线性工程不能像其他 公民建筑一样对地裂缝采取避让措施，因此，地裂缝对线性工程的危害显得更为严重。 目前，国内外的相关研究主要集中在地裂缝对线性工程的致灾机理及防治措施研 究，或者是对地裂缝灾害的区域性评价研究，而直接针对某特定线状工程的危险性评 价研究则很少见。以下就国内地裂缝对线状工程致灾机理和防治措施研究现状以及地 裂缝的区域性评价研究现状分别讨论如下： ( 1 ) 地裂缝对线状工程的制灾机理及防治措施研究现状 1 9 9 9 年，卞菊梅，冯希杰等m 1 在分析西安地裂缝灾害现状的基础上，认为在桥梁 跨越地裂缝处可采用托架式桥梁结构，以避免地裂缝活动对桥梁结构的影响。 2 0 0 2 年，毛应生，柳丽英等h 7 1 通过工程实例分析了西安地裂缝对市政构筑物的破 坏机理，认为对于城市道路可采用“路面加固”( 即在机动车混凝土路面层下再铺设一 层厚度约2 0 c m 的钢筋混凝土层，起到“搭板”作用) 的方法，可减缓地裂缝对路面的 破坏，而对于桥梁工程，可采用悬臂箱梁结构或可调的简支梁结构，起到适应地裂缝 变形的作用。同时也指出在道路和桥梁工程设计时，应尽量使其与地裂缝大角度相交 通过。1 9 9 4 年建成的西安南二环长安路立交采用分段简支梁结构穿过地裂缝，虽然桥 梁桥墩出现错位但并未影响其正常使用。1 9 9 7 年建成的东二环互助路立交采用双悬臂 箱梁结构穿过地裂缝，2 0 0 1 年监测时桥梁无非正常变形，均证明了上述方法是可行和 有效的。 2 0 0 2 年，陈志新h 8 1 在分析了地裂缝的致灾机理后，提出对于管线工程可采用改直 埋式为悬空式，在沟槽中设置活动式支座或收缩式接头，以消除地裂缝的三维活动产 生的各种应力作用，从而避免管道破坏。而对于城市道路工程，因地裂缝对城市道路 8 长安大学硕士学位论文 破坏影响不大，可对处于地裂缝影响带内的路段通过改整体铺设为预制块体铺设，其 下部铺碎石层即能保证道路的安全使用。 2 0 0 5 年，吴珍汉，胡道功掣4 9 1 通过大比例尺野外地质调查和跨季节对比观测，发 现青藏铁路沿线发育地震破裂、断层裂缝、冻土裂缝与冰裂等4 种不同类型的地裂缝， 这些地裂缝切割错断路基、形成路面破裂和路基滑塌，指出了青藏铁路沿线发育的不 同类型地裂缝对青藏铁路、青藏公路及沿线工程安全具有不良影响和灾害效应，同时 建议，青藏高原地区铁路、公路等工程建设应采取避让的措施，加强地震安全性评价 和工程稳定性分析工作，对青藏铁路路基和边坡采取必要的隔水和保温措施，并加强 青藏铁路沿线地裂缝的调查与监测，为高寒环境地区地裂缝灾害及其防治积累经验。 2 0 0 6 年，燕建龙，文君等唧3 分析了地裂缝对市政设施的危害，提出了重要的大型 桥梁尽量采取避让措施，对必须跨越地裂缝的桥梁上部结构可采用静定结构或柔性桥 型处理。 2 0 0 6 年，王启耀，蒋臻蔚等晦妇分析了地裂缝对公路路面和桥梁的影响，认为对地 裂缝活动强烈变形区建议采用避让措施，对穿越活动性不强的地裂缝应路面进行加强、 桥梁采取简支梁体系跨越的抗裂设计。 近年来，长安大学课题组围绕西安地铁防治地裂缝灾害问题，展开了一系列大型 物理模拟试验和数值模拟分析，确认了地裂缝对各种地铁隧道的危害机理及模式，并 提出地铁防治地裂缝灾害的有效结构措施，解决了地下线性工程防治地裂缝的重大技 术难题。 ( 2 ) 国内地裂缝灾害的区域性评价研究现状 1 9 9 6 年，董东林、孙桂敏陋3 3 应用g i s 软件对山西临汾市区地裂缝的发展进行了合 理的预测，形成了临汾市区的地裂缝灾害分区图，为临汾市城市规划及土地利用提供 了较为可靠的依据。 2 0 0 2 年，武强、陈佩佩等嘲3 利用地理信息系统( g i s ) 与人工神经网络( 6 斟n ) 耦合技 术建立了地裂缝灾情非线性模拟评价系统，并对山西榆次地裂缝进行了灾害评价和预 测。 2 0 0 3 年，南京大学的伍洲云晦翻应用g i s 技术对苏锡常地区地裂缝灾害进行了危险性 评价与预测分析。 2 0 0 4 年郭新荣、陈志新等嘶1 基于g i s 技术开发了西安市地裂缝预报系统。 2 0 0 8 年宁社教等佑7 3 将g i s 技术与数学模型( 模糊综合评判模型、信息量空间预测 9 第一章绪论 模型、指数加权模型) 结合起来，建立了西安地裂缝灾害风险管理及防治对策框架体系。 2 0 0 9 年郭晋燕等嘞1 利用g i s 技术，以a r c g i s 软件为基础平台建立了西安地裂缝 灾害的空间数据库，并运用模糊综合评判模型对研究区的地裂缝灾害进行了危险性的 分区评价。 1 2 3 存在的问题 以上可以看出关于地裂缝的成因机理方面，国内外展开的相关研究较多，成果也 较为显著，但目前国内研究较为完善的也只有西安地裂缝，而其他地区的研究程度则 相对较低。关于山西地裂缝，特别是太原盆地地裂缝，虽然许多学者提出了以构造为 主，抽水为辅的观点，但对于构造究竟起了怎样的作用? 抽水又起了什么作用? 还有 没有其它因素的作用? 等等一系列的问题目前还没有较完善的答案，即对地裂缝成因 模式的研究还较为欠缺。 在地裂缝的危险性评价方面，国内的研究要么集中在地裂缝对线状工程破坏的防 治措施研究上，要么集中在地裂缝灾害的区域评价研究上，而地裂缝对于线性工程的 危险性评价研究则较少。 因此，展开太原盆地地裂缝的成因机理及其对高铁的危险性评价研究，可以为地 裂缝灾害的防治提供更好的依据，使防治措施的选择更加合理，对于经济尚不够发达 的中国来说，具有重要的现实意义。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本文是依托导师彭建兵教授主持的汾渭地区地面沉降地裂缝调查与监测( 项目 编号：1 2 1 2 0 1 0 9 1 4 0 0 0 ) 项目和新建大同至西安客运专线铁路工程沿线地裂缝勘察与 评价研究项目完成的，笔者在研究生学习过程中参加了这两个项目，主要参与的工 作有： ( 1 ) 充分收集、分析调查区的地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质等地质 环境资料、区域地质资料以及已有的地裂缝调查、勘察、监测及研究资料。 ( 2 ) 采用1 ：1 0 0 0 0 地形图作为底图，对调查区地裂缝调查和测绘；通过现场调 查，查清出露地裂缝的分布和地形地貌特征，活动状况及对建筑物的破坏情况。 ( 3 ) 在调查范围内重点对高铁线路附近的地裂缝进行1 ：2 0 0 0 详细填图，调查勘 察区的微地形地貌特征，推测地裂缝与高铁线路可能相交的位置。 1 0 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 对高铁沿线地裂缝通过钻探、探槽及地震勘探等手段对其剖面及其深部构造 进行勘察研究。 根据项目内容及本人的论文，确定了本文的研究内容如下： ( 1 ) 通过大量的野外调查和资料分析，总结出太原盆地高铁沿线地裂缝的分布现 状和发育特征； ( 2 ) 通过钻孔、探槽及地震勘探等工程，揭示和发现太原盆地高铁沿线地裂缝的 剖面特征和活动性特征； ( 3 ) 结合地裂缝平剖面和活动性特征、环境地质背景以及地震勘探结果，初步分 析太原盆地高铁沿线各条地裂缝的形成机理； ( 4 ) 建立高铁沿线地裂缝对高铁的危险性评价指标体系； ( 5 ) 基于模糊综合评判法就高铁沿线各条地裂缝对高铁的危险性进行评价，并给 出活动速率建议值。 1 3 2 研究路线 为完成以上研究内容，确定本文的研究路线如下： 资料收集野外调查 l j- l上_ l j上l 地气 地 地 新 地 钻探 地球 形 象 质层 构 裂 探槽 物理 地水构岩 造 缝 研 研 勘探 活 分 究 研究 貌文 造性 究 动 布 弋t tt弋弋。弋t - 。_ 。_ i 统计、分析、处理 l 地裂缝分布规 地裂缝成因 律及发育特征分析 l 地裂缝对高铁的影响因素分析 j 建立指标评价体系及量化、确定权重 i 地裂缝对高铁危险性评价 图1 3 1 本文的研究路线 第二章地裂缝发育的地质环境背景 2 1 自然地理 第二章地裂缝发育的地质环境背景 2 1 1 地理概况 太原盆地位于山西省中部，东径1 1 1 0 3 5 1 1 2 0 5 9 ，北纬3 6 。5 0 3 8 0 1 5 ，包括阳曲 县、太原市、清徐县，晋中地区的榆次市、太谷县、祁县、平遥、介休，吕梁地区交 城、文水、汾阳、孝义等1 3 个县市( 图2 1 ) 。地貌格局为一n e s w 走向的斜长形盆 地，长1 0 5 k m ，宽4 0 k i n ，面积约4 0 0 0 k m 2 ，海拔为7 0 0 - - 一9 0 0 m 。 图2 - 1 太原盆地范围示意图( 据山西省地质环境监测中心) 1 2 长安大学硕士学位论文 2 1 2 水文、气象 ( 一) 水文 太原盆地河流属于黄河流域，汾河为最大河流。汾河自兰村峡口进入太原盆地， 由北而南，经太原、清徐、文水、祁县、平遥、介休等县，最后由义棠峡口流出区外， 在工作区内长度约1 4 0 k i n 。纵坡2 0 左右。汾河支流由北、东、西三面注入汾河，主要 支流有潇河、昌源河、文峪河、惠济河、龙风河、乌马河、象峪河等。汾河及其较大 支流，进入太原盆地前都建有水库，主要水库有汾河水库、汾河二库、文峪河水库、 张家庄水库、子洪水库、郭堡水库等，拦河畜水灌溉，仅在雨季洪水较大时期或水库 放水时间，河道才有短暂的水流，其它时间为干河，河水位一般高于潜水位，河流流 入盆地后以入渗形式补给地下水。据水文站资料，2 0 0 0 年汾河兰村站，最大月流量为 2 2 5 m 3 s ，最小为零；汾河义棠站最大月流量为7 0 6 m 3 s ，最小为零。 ( - - ) 气象 太原盆地为典型的大陆性季风气候，春季干旱多风，蒸发量大；夏季温湿多雨； 秋季温和清朗；冬季干燥寒冷、雨雪稀少，昼夜温差大，日照充足。年平均气温约9 5 。 年平均降水量在3 9 6 4 6 3 m m 之间，降水量总的分布规律是南部多于北部，边山区多于 盆地中央。多年平均降水量小于4 0 0 m m 的地区，分布于盆地中部冲积平原区，靠近 边山的榆次长凝、介休、文水等地，其多年平均降水量在4 5 0 m m 以上，其它地区多 年平均降水量在4 0 0 - , - 4 5 0 m m 之间。 2 2 地形地貌 太原盆地位于山西断陷盆地的中部，地貌格局为一n e s w 走向的斜长形断陷盆 地。盆地的形成的发展完全受活动断层控制，东有太谷大断层，西有交城大断裂。这 两个大断层都是由一系列断层组成的断裂带，属北东走向的高角度正断层。盆地中部 一条汾河纵贯南北，把盆地分为东、西两部分，整个盆地内部构成一个由汾河及其支 流堆积而成的广阔冲积、洪积平原，地形开阔平坦，海拔为7 0 0 - 9 0 0 m 。 盆地四周均为丘陵和山区环绕。东侧是太行山系的太岳山脉，从山地到盆地由丘 陵台地逐渐过渡；西侧为吕梁山地，从山地到盆地地势急剧下降。太行山系一般海拔 为1 3 0 0 1 7 0 0 m ，最高峰在盆地东南端介休县茶山一带，海拔2 1 2 0 m ，西部山区属吕梁 山系，一般海拔1 5 0 0 1 8 0 0 m ，最高峰为关帝山，海拔2 8 3 0 7 m 。 太原盆地地形总趋势是北高南低，四周高，中间低，地形自山区向盆地呈阶梯状 13 第二章地裂缝发育的地质环境背景 下降。盆地西侧和东侧边界地带，由于断层的作用，地形上高差悬殊，山区与盆地内 的倾斜平原直接相接，边山洪积扇坡度大，呈裙状起伏。盆地其它地区，山区与倾斜 平原之间存在宽窄不等的黄土丘陵和台塬，盆地中部为宽广平坦的冲积平原( 图2 2 ) 。 在盆地东西两侧的丘陵与平原交接地带，均广泛发育有地裂缝灾害。其中东侧地 裂缝主要分布于太谷一祁县一平遥一带，在地貌类型上属于山前黄土丘陵与汾河冲积平 原的交接地带；西侧地裂缝主要分布于清徐一文水一带，地貌单元属于山前洪积扇区。 2 3 地层岩性 图2 - 2 太原盆地地质、地貌图 太原断陷盆地是山西省中部一个大型新生代断陷盆地，盆地呈北东向展布，内部 沉积有巨厚的新生界地层。盆地内新生代沉积层厚一般为1 0 0 0 - - 2 0 0 0 m ，最厚达 3 8 0 0 m 。根据石油部门钻探和物探资料，盆地内基底所见地层大部分地区为二叠和三 叠系砂页岩，祁县凸起有侏罗系火成岩侵入。盆地周边出露和深埋的地层主要是古生 代奥陶系地层、二叠系、石炭系煤系地层以及三叠系陆相地层。现将盆地内新生代地 层简述如下。 ( 1 ) 新近系静乐组( n 2 j ) ：上部为鲜红色粘土。含钙质结核，粘土颜色由地表向 盆地中心渐变为棕红、暗紫红、暗褐红、褐色和灰褐夹绿色等。下部为褐、棕、黄色 亚砂土、细砂。盆地边部，底部尚夹有砾石，厚度为0 - 5 5 m 。 ( 2 ) 新近系保德组( n 2 b ) ：盆地中心部分为浅褐、灰、黄灰色夹灰紫、灰绿色 1 4 长安大学硕士学位论文 泥岩、粉砂质泥岩及黄灰色、黄色泥质粉砂、细砂层。盆地边部为浅褐色夹棕红色泥 岩，粉砂质泥岩，砂质泥岩与浅棕色，灰黄色泥质细砂、中砂互层。部分泥岩钙质较 高成为钙质泥岩，厚度为2 4 一- , 3 0 0 m 。 ( 3 ) 下更新统泥河湾组( q in ) 主要发育太原盆地内部，边山地带也有断续分布及零星出露；发育较好的地段及 地点有太谷县下土河附近的柳沟、木瓜村东、盘道村西、榆次县的西长凝北水沟深沟 等地，阳曲县的大碾沟等。 主要以浅黄、灰黄及灰褐色砂层和砂砾石为主夹少量棕黄、灰黄、灰紫色粉砂、 粉质粘土薄层，有时还夹有薄层状砂岩及“灰绿层 、灰白色泥灰岩等。寿阳榆次一带 厚l o - - 5 0 m ，阳曲镇附近8 0 m 左右，太谷县下土河附近厚3 0 m 左右，木瓜村附近厚1 4 0 m 左右；太原盆地内部、边山一般厚为6 0 - 1 0 0 m ，在其“断凹 部位最厚可达3 0 0 m 以 上。含较多哺乳类、腹足类、介形类等化石。 ( 4 ) 中更新统离石组( q 21 ) 广泛分布于盆地的边山及丘陵地带，河流沟谷两侧陡坡地段时见出露。 主要为灰黄、棕黄或浅红色粉土及粉质粘土，一般夹有2 6 层棕红色古土壤条带 及层数不等的钙质结核；其土质、结构等特征与晋西的“离石黄土”上部对比。盆地 内部多为冲洪积砂砾石及粉土及粉质粘土层，厚l o - 3 0 m ，榆次西见子一保安寨一带 可达6 0 m 。 ( 5 ) 上更新统( q 3 ) 上更新统丁村组( q 3d ) 主要发育在盆地之中，地表所见分布零星。在介休县义棠洪山及汾阳县的三泉一 靳家庄一带发育较好，另外平遥县的岳壁、太谷县的范村及阳曲县的杨兴河畔也有其 发育和较好的出露。 主要为砂砾石层与灰色、灰黄、灰白色砂层及粉土，时而呈互层状，时而粗粒的 砾石或砂砾石层呈夹层或透镜体出现；底部一般为砾石层，厚l o 3 0 m ，个别地段可 达4 0 m 。 上更新统马兰组( q 3 m ) 主要分布于太原盆地的边山及丘陵地带。主要为“马兰黄土”由灰黄色粉土组成， 质地均匀，疏松易碎，常见大孔隙和垂直节理；个别地段夹1 2 层古土壤，底部时而 混有砾石及砂砾石透镜体，一般厚5 l o m ，最厚可达2 5 3 0 m 。 15 第二章地裂缝发育的地质环境背景 上更新统峙峪组( q 3s ) 主要分布于区内各条较大河流的两岸地带，还常组成河流的i i 级阶地和太原盆地 部分地带之表层；另