高丽营地裂缝的发生原因及防治措施

高丽营地裂缝的发生原因及防治措施

丽宝地裂是北京最大的地裂，导致大量建筑和道路造成破坏，影响了人们的正常生产和生活。已有研究表明,该地裂缝与黄庄─高丽营断裂有密切关系;探槽开挖揭示该断裂已错断全部第四纪地层,断裂面直达地表,地表断面与地裂缝位置相一致;地裂缝形成原因是断裂蠕滑变形与地面差异沉降共同作用的结果[1~3]。为查清该地裂缝的具体活动特征,对其进行监测显得尤为重要。现代测控技术的应用是防治地质灾害及保障城市安全的重要途径。目前国内外对地裂缝监测主要采用水准测量、裂缝计、GPS监测、InSAR监测等手段。监测工作能够反映地裂缝活动特征和规律,通过数据分析,有助于对其成因、发育程度、发展变化趋势进行深入研究。1黄庄-高丽营断裂线高丽营地裂缝最早发现于20世纪90年代。其由西王路,经唐自头村、京承高速,穿土沟村、北七家卫生院直至八仙别墅一线(图1),发育长度约6km,走向与黄庄-高丽营断裂一致;裂缝带宽度30~70m,两侧地形呈西北高、东南低态势。裂缝造成了房屋墙体和京承高速等道路严重破坏。从单点破坏特征来看,地裂缝带上住房墙体及墙基地坪开裂均表现为东南侧相对下降,西侧相对上升且有水平扭动,呈现右旋特征,与黄庄─高丽营断裂东南盘下降,西北盘上升,呈正断顺扭性质相一致。2自动化测量系统技术本次对高丽营地裂缝监测采用KLA-1型地表位移自动化遥测系统技术。该系统由中国科学院力学研究所自主研发,由位移传感装置、数据采集发射模块、数据接收处理终端三部分组成,可实时测量地表相对位移。2.1监控原理和方法(1)不动点测量设备位移传感是一种双向位移测量装置(图2),利用不动点与监测点的相对位置变化,得到每一监测点的相对位移量。具体方法是在地表不动点及监测点处各建一高台,台上安装位移测量设备,用细钢丝将不动点设备与监测点相连;在不动点测量设备内部装有滑轮式角度传感器,钢丝绕过滑轮后与重锤相连;当两点发生相对位移时(靠近或远离不动点),在重锤的衡力作用下,角度传感器的角度将发生改变,通过角度变化量即可计算出两点间的位移量。第1个监测点上的测量设备与第2个监测点相连便可测量1、2点间的相对位移量,以此类推,用一个不动点就可测量一条轴线上各个监测点的位移。(2)智能报警模块该模块通过中国移动蜂窝网络实现各种模拟量、数字量及开关量的远程通讯,是现场数据采集技术、采集频率控制技术及GSM短信技术三者相结合的智能型报警模块。该模块全部选用超低功耗器件,适合野外数据采集。由于系统本身有1MB的数据存储能力,同时支持U盘数据功能,在没有手机信号的地区,采集发射模块可由内部自带的外存设备将数据存储起来,一般可存储5年的数据。(3)rj45接口此终端由用于数据接收的硬件及用于数据检索、图表绘制的软件组成。硬件采用RJ45接口,使得处于同一局域网段内的所有计算机均可实时接收数据,实现一个硬件多人访问的功能。软件可实现时间段数据检索、地表位移-时间曲线图绘制、监测点管理、远程控制等功能,软件的数据曲线及远程控制截图如图3所示。2.2高丽营地裂缝监测系统的改进该实时遥测系统已在重庆、贵州等地的滑坡、泥石流、高陡边坡、危岩体的监测中得到成功应用[10~12],并取得良好效果。但边坡、滑坡等的监测只是针对一维位移变化,而野外调查发现高丽营地裂缝具有三维活动特点,为此对该系统进行了改进和创新,设计了三维地裂缝监测系统。监测仪器的设置,是在地裂缝下盘安装一个基准点,上盘分别安装三个位移传感装置,其中竖直位移传感装置1处、水平位移传感装置2处,监测设施具体布置如图4。将位移传感装置和数据采集发射模块安装在野外监测站探槽内,数据接收处理终端放置在办公室内,利用接收短信的形式进行远程数据自动采集与监测。采用相关软件对监测数据实行管理,并对原始数据进行计算,获得相应变形成果,并绘制有关数据曲线。3监控性能分析3.1空间属性测量为更好地反映地裂缝三维活动规律,建立相对坐标系统,即沿地裂缝延展方向为X轴,表示水平扭动方向;垂直于地裂缝延展方向为Y轴,表示水平拉张方向;垂直于地表平面为Z轴,表示垂直差异沉降方向。垂直差异沉降的变化,利用竖直位移传感装置直接测量取得;而水平拉张和水平扭动,则要通过二元距离交会法测得。二元距离交会法,就是利用三条边(其中,两个已知点AB固定不变,而P为变化点),根据AP、BP边的距离实时变化,最后计算出P点的坐标变化情况(图5)。3.2高丽营地裂缝的三维活动特点该自动化遥测系统自2009年8月建成运行,监测频率为1次/30分钟,截至2012年11月,已成功积累大量原始数据。监测结果显示,水平扭动量、水平拉张量、垂直差异沉降量,三者的变化值比例为1:2.5:4.6。其中,水平扭动方向的累计变形量达6.10mm、水平拉张方向的累计变形量达15.18mm、垂直差异沉降的累计量为28.35mm,反映出该地裂缝具有明显的三维活动特征。在垂直方向上,地裂缝上盘呈相对下降趋势;而在水平方向上,具有明显的水平右旋和水平拉张特点。三维活动量中,垂直差异沉降量最大,水平拉张变化量次之,水平扭动变化量最小(图6)。高丽营地裂缝三维活动特点与黄庄—高丽营断裂活动特征相一致,充分证明该地裂缝受断裂控制的以往认识和判断结论。从监测时段内的地裂缝变化过程可看出,其发展变化具有年度周期性规律。水平扭动方向基本上呈现一个摆动状态,每年1~4月份处于相对左旋状态,而每年5~12月份则处于相对右旋状态(图7a);水平拉张方向也基本呈摆动状态,每年1~4月份处于相对紧缩状态,每年5~12月份则处相对拉张状态(图7b);垂直方向上,每年4~6月为其活跃期,变化量很大,而7月至次年3月则属相对静止期,变化量很小