西安三类勘察场地隐伏地裂缝识别特征

2022年7月25日14:25:37西安三类勘察场地隐伏地裂缝识别特征已关闭评论
摘要

宋彦辉李忠生高虎艳丛璐程耀摘要:论述了西安地裂缝勘察场地类型的划分,分析了三类勘察场地隐伏地裂缝识别存在的问题。依据西安地区地形地貌类型及地层沉积差异,将西安地裂缝三类勘察场地划分为3个亚区(Ⅲ0区、Ⅲ1区和Ⅲ2区)。Ⅲ0区位于西安北郊,地貌单元为渭河河漫滩及Ⅰ级阶地,目前尚未发现地裂缝;Ⅲ1区位于

宋彦辉李忠生高虎艳丛璐程耀
摘要:论述了西安地裂缝勘察场地类型的划分,分析了三类勘察场地隐伏地裂缝识别存在的问题。依据西安地区地形地貌类型及地层沉积差异,将西安地裂缝三类勘察场地划分为3个亚区(Ⅲ0区、Ⅲ1区和Ⅲ2区)。Ⅲ0区位于西安北郊,地貌单元为渭河河漫滩及Ⅰ级阶地,目前尚未发现地裂缝;Ⅲ1区位于西安西郊,地貌单元为Ⅰ级洪积台地;Ⅲ2区位于西安东郊,地貌单元为浐河、灞河Ⅰ级阶地;Ⅲ1区和Ⅲ2区地裂缝研究程度低,是西安地裂缝三类勘察场地研究的难点所在。根据Ⅲ1区和Ⅲ2区大量地球物理勘探和工程地质钻探,提出Ⅲ1区宜采用浅层人工地震勘探和工程地质钻探相结合的方法,控制钻孔间距不宜大于40 m,孔深宜为80~100 m;Ⅲ2区由于存在厚层可对比的卵石(圆砾)层,可仅采用工程地质钻探方法,建议控制钻孔间距为60~80 m,孔深60~70 m。
关键词:地裂缝;地质灾害;勘察;场地分区;识别特征;浅层人工地震勘探;工程地质钻探;西安
中图分类号:P642.2文献标志码:A
0引言
自20世纪50年代中期西安首次发现地裂缝以来,在西安城区已发现14条地裂缝。张家明等对西安地裂缝的成因、分布、活动特征等进行过深入的研究和探讨[17],同时也对西安地裂缝场地的勘察进行了探索和总结[816]。对于地裂缝的活动规律,目前比较统一的观点是人工开采地下水导致地裂缝两侧土层差异压缩,这也是西安地裂缝主要集中出现在城区范围的主要原因。张家明等认为,由于过量开采承压水,产生不均匀地面沉降,临潼—长安断裂带西北侧(上盘)一组NE向隐伏地裂缝出现活动,进而导致地表形成破裂,即西安地裂缝[8,1314]。习惯上把在地表出露的地裂缝和未在地表出露的地裂缝统称为地裂缝。地裂缝是西安城市建设中最主要的不良地质现象。随着西安城市规模迅速向周边地区扩展,非常有必要对西安城区外围地区地裂缝的发育问题进行深入探讨和研究,其中首要问题之一就是对隐伏地裂缝的识别。
张家明等将西安地裂缝勘察场地分为3类[8,14]:一类勘察场地是指地裂缝已造成地表破裂且其与错断上更新统或中更新统的隐伏地裂缝位置相对应;二类勘察场地是指地表无破裂迹象但场地内埋藏有上更新统或中更新统红褐色古土壤;三类勘察场地是指不符合一、二类勘察场地的所有其他场地。
一类勘察场地中,地裂缝直接出露地表,通过野外工程地质填图及测绘就能准确确定地裂缝的位置、走向等特征,无需利用其他工程地质勘探手段;二类勘察场地中,由于存在识别地裂缝的古土壤标志层,使地裂缝的勘察工作变得较为容易,方法主要是根据古土壤层是否被错断且错断特征是否符合西安地裂缝的特征来确定;三类勘察场地中,由于没有标志层的存在,如何识别地裂缝仍处于摸索阶段。王立峰等通过实例研究认为,对三类勘察场地地裂缝的识别可通过一套灰色中更新统湖积粉质黏土的顶板错断来判别[9],但这一方法并不具有普适性。根据多条隐伏地裂缝识别项目的研究结果,大多数情况下中更新统湖积灰色粉质黏土的顶板(其上为上更新统冲洪积黄褐色粉质黏土)并没有错断迹象(如西安里花水立交场地f8地裂缝等),因此,王立峰等提出的方法[9]可能仅对个别三类勘察场地有效。李亚圣总结了三类勘察场地地裂缝两侧上更新统地层厚度及细粒相粉质黏土层厚度的差异,得出地裂缝上盘两者厚度较下盘均明显增厚的统计结论[10],但由于统计分析样本限于一定地质地貌条件,所以其应用性受到限制。
本文基于西安地裂缝三类勘察场地内的大量工程实践,首先按照西安近郊区的地形地貌及地层沉积特征对西安地裂缝三类勘察场地进行分区,在此基础上分析研究了各区地裂缝两侧地层沉积差异、人工地震反射剖面异常特征等,提出了不同勘察场地分区内隐伏地裂缝的有效识别方法,对指导今后的勘察工作,进一步完善地裂缝勘察设计规范具有借鉴意义。
1西安近郊区地形地貌特征及三类勘察场地分布
西安位于渭河盆地东南隅,地貌类型单元自南向北可分为黄土台塬(Ⅰ~Ⅲ级)、黄土台塬前缘的冲洪积平原、渭河阶地(Ⅰ、Ⅱ级)和黄土台塬间的河流阶地(Ⅰ~Ⅴ级)。西安地区主要位于临潼—长安断裂带西北侧(上盘)黄土台塬前缘的冲洪积平原区(图1)。不同地貌单元发育有相应的地层。表1列出了西安地区各类主要地貌单元的地层结构特征。
从不同地貌单元对应的地层结构特征可以看出:渭河及支流的河漫滩、Ⅰ级阶地及Ⅰ级洪积台地由于不存在古土壤标志层,所以属于地裂缝三类勘察场地;它们主要分布在西安北郊、西郊和东郊(图1)。其中,西安北郊地区临近渭河,主要为渭河河漫滩及Ⅰ级阶地,包括部分灞河河道、河漫滩,该区域由于到目前为止未有地裂缝发育,所以不属于地裂缝勘察研究的范围。
根据三类勘察场地地层结构特征的差异,将西安地裂缝三类勘察场地划分为3个区:①Ⅲ0区,位于西安北郊,地貌单元为渭河河漫滩及Ⅰ级阶地;②Ⅲ1区,位于西安西郊,地貌单元为Ⅰ级洪积台地;③Ⅲ2区,位于西安东郊,地貌单元主要为浐河、灞河Ⅰ级阶地。
2三类勘察场地地裂缝识别
2.1Ⅲ1区
文献[14]指出,西安地裂缝三类勘察场地主要应通过中更新统河湖相地层的沉积旋回或相应地层
0为河漫滩;1为Ⅰ级阶地;2为Ⅱ级阶地;3为Ⅰ级台地;4为Ⅱ级台地;5为Ⅲ级台地;6为Ⅳ、Ⅴ级台地;7为Ⅴ、Ⅵ级台地;
8为Ⅰ~Ⅲ级台塬;9为现代冲积扇
图1西安地裂缝三类勘察场地分区及地貌单元分布
Fig.1Distribution of Geomorphic Units and Zoning for the Third Investigation Site of Xian Ground Fissure
表1西安地区主要地貌单元地层结构特征
Tab.1Characteristics of Stratum Structures for Main Geomorphic Units in Xian Area
地貌单元类型地层结构特征
渭河、浐河、灞河河漫滩全新统冲积砂、卵石层
渭河及支流Ⅰ级阶地河流相二元结构,上部为河漫滩相黄土状土或黏性土,下部为卵石、砂类土与黏性土沉积
渭河及支流Ⅱ级阶地上部发育上更新统风积马兰黄土及一层残积古土壤,下部为上更新统、中更新统冲积粉质黏土和砂类土
Ⅰ级台地上部为全新统和上更新统洪积黄土状土、黏性土、砂类土,下部为中更新统以灰色为主的湖积黏性土、砂类土
Ⅱ~Ⅵ级台地上部发育一层至多层黄土古土壤地层(第一个黄土古土壤地层序列属晚更新世堆积,其下为中更新世堆积),下部为上更新统冲积砂类土和黏性土(Ⅱ级台地)、中更新统湖积砂类土和黏性土(Ⅲ~Ⅴ级台地)及下更新统湖积砂类土和黏性土(Ⅵ级台地)
Ⅰ~Ⅲ级黄土台塬上部为大于20层的黄土古土壤地层序列,下部为下更新统湖积地层或第三系泥岩、砂岩
的错断来识别地裂缝,或通过人工浅层地震的方法来确定。前期工程实践中,由于西安城区内浅层人工地震勘探往往受到施工条件的限制,所以多采用工程地质钻探进行隐伏地裂缝的判别。实践表明:三类勘察场地地层结构复杂,中更新统地层主要为湖积粉质黏土及砂类土,其中砂类土多呈中、薄层或透镜体状与黏性土交织在一起;粗、细粒相沉积旋回规律表现得不太清晰,在很多情况下给西安地裂缝的识别带来了困难。
基于西安地铁建设工程对地裂缝的勘察研究,综合采用浅层人工地震勘探方法及工程地质钻探手段开展研究。
研究工作分两步进行:首先对Ⅲ1区可能发育地裂缝地段布置浅层人工地震勘探工作,然后在地震勘探异常点布置工程地质钻探获得地质剖面以确定是否存在地层错断或不连续现象,从而综合判定地裂缝是否存在。
2.1.1浅层人工地震勘探异常特征
为获得高质量的地震反射剖面,采用具有高抗干扰能力、高灵敏度、大动态范围的遥测数字地震仪,经解译分析,疑似地裂缝的地层断点异常在地震反射剖面上具有4个主要特征(图2):①反射波同相轴中断和波形紊乱;②断点南侧地层反射波界面埋深大于对应的北侧地层;③断点两侧反射层位数量有时存在一定差异;④断点异常界面视倾向与西安地裂缝一致(倾向S或SE)。
图2浅层人工地震反射剖面显示的地裂缝
Fig.2Ground Fissures Discovered by Shallow Artificial Seismic Reflection Profile
2.1.2地层异常特征
由于人工地震勘探的多解性,单纯依靠地震反射剖面来判别地裂缝有时难免出现误判,如果在地震异常点处的地质剖面也能反映地层的错断或其他异常特征,则两者结合可使地裂缝的识别更加可靠,进而在此基础上,能够发现并总结三类勘察场地地裂缝存在的地层学特征和标志。
通过分析西安西郊位于Ⅲ1区内的多条地裂缝勘探剖面(均在前期进行了人工地震勘探),发现地裂缝两侧地层的沉积变化及错断特征主要具有如下特征:
(1)大多数情况下,全新统、上更新统冲洪积地层较连续,沉积规律相对较好,无明显地层错断迹象。由于上更新统底界埋深通常在30~40 m之间,所以无法利用地质剖面判断地裂缝的存在(图3)。
(2)中更新统地层在地裂缝两侧由于本身沉积韵律不清晰,难以进行地层的有效对比,但在横向上出现突变和不连续现象。地裂缝两侧中更新统地层沉积相出现明显差异,一侧为粗粒相沉积,另一侧为细粒相沉积。中更新统湖积地层(Q12)地裂缝左侧与右侧在沉积韵律上出现明显差异,其中左侧(下盘)砂类土沉积层少且薄,有时呈透镜体存在,而右侧(上盘)砂类土沉积层多且厚,连续分布,从而造成沉积韵律的不协调及突变现象(图3)。有时,裂缝一侧砂类土成层性好,至另一侧该层突然消失,不存在尖灭现象(图4)。
(3)当地裂缝两侧沉积相具有粗略可比性时,下降盘的相应地层厚度会大于上升盘,且沉积旋回常多于上升盘。如图4剖面中,勘探深度可大致划分成4个冲洪积沉积旋回,上盘各沉积旋回厚度均大于相应下盘,且勘探深度越大,沉积旋回的厚度差越大。
(4)由于地层中粗粒相砂类土对比性差,且勘探时一般不能揭穿中更新统地层,所以地层断距除少数情况下可粗略估算外,一般难以确定。
2.2Ⅲ2区
浐河及灞河河漫滩、Ⅰ级阶地的地层结构普遍发育2层以上厚度较大的卵石(圆砾)层,局部为中粗砂层。这些粗粒相地层厚度较大,上更新统冲积卵石(圆砾)层厚度最大超过20 m,中更新统单层冲积卵石(圆砾)层厚度也大多超过4 m,这些层位一般在较大范围内分布相对较稳定且连续。当勘察场地内发育隐伏地裂缝时,上更新统底部及中更新统冲积地层往往被错断,一般表现为地裂缝南盘(或南东盘)地层下降,而北盘(或北西盘)相对抬升,这与目前已出露地表的西安地裂缝表现一致(图5)。
图3Ⅰ级洪积台地地裂缝剖面
Fig.3Cross Section of Ground Fissure in Ⅰorder Diluvial Platform
图4残留Ⅱ级洪积台地地裂缝剖面
Fig.4Cross Section of Ground Fissure in Remaining Ⅱorder Diluvial Platform
图5灞河Ⅰ级阶地的地裂缝剖面
Fig.5Cross Section of Ground Fissure in Ⅰorder Terrace of Ba River
3三类勘察场地地裂缝勘探方法
文献[12]对西安地裂缝三类勘察场地的勘探给出了指导性方案,但由于当时受工程建设条件限制,并未在三类勘察场地开展大量的地质工作,所以指导性方案未按照不同的分区分别考虑。基于西安地铁工程建设需要,根据Ⅲ1区和Ⅲ2区不同的地层结构特点及地裂缝两侧地层错断变化规律,分别提出相应的勘探布置方案,以便更好地为今后的勘探工作服务。
3.1Ⅲ1区
由于Ⅲ1区地层结构复杂,地裂缝勘探在条件许可的情况下应尽量采用浅层人工地震勘探和工程地质钻探相结合的方法,这样可以弥补由于地层复杂或人工地震多解性造成的误判,从而提高地裂缝识别的可靠度。当采用工程地质钻探时,由于该区地层结构复杂,若钻孔间距过大,将导致地层划分、连接出现错误。建议控制钻孔间距不大于40 m,当发现异常时应进行加密勘探,并使确定地裂缝存在的相邻钻孔间距最终不大于10 m。对于勘探深度,在进行勘探研究时均采用孔深80 m;实践表明这一深度基本能够反映地层剖面的变化,但某些场地仍略显不足,因此,建议勘探深度采用80~100 m为宜。
由于地层结构复杂,地裂缝每个勘察场地至少应布置3条勘探线,线距可与控制钻孔间距一致,也可根据工程情况做适当调整,只有当3条勘探线均出现地层异常且符合西安地裂缝的发育规律,才能确定地裂缝的存在,否则应进行论证和补充勘探工作。
3.2Ⅲ2区
根据Ⅲ2区地层结构特点,该区地裂缝勘探可只采用工程地质钻探进行,勘探标志层为上更新统及中更新统冲积卵石(圆砾)层。这些地层单层厚度大,分布相对较稳定,埋深30~60 m的地层常被明显错断,因此,该区勘探深度可取60~70 m,控制钻孔间距可放大至60~80 m范围。为确定地裂缝的走向,地裂缝每个勘察场地仍至少需要2条勘探线。
4存在问题
西安地裂缝在城区范围内的研究程度较高,外围地区(如Ⅲ1区、Ⅲ2区)前期研究程度低,且外围地区与西安城区已知地裂缝发育区之间仍存在空白区,如Ⅲ1区、Ⅲ2区勘探发现的地裂缝目前仍无法与已有西安地裂缝(f1~f14)建立联系,它们是不是已有西安地裂缝的拓展延伸尚不明确,尤其是Ⅲ1区更是如此。由于目前西安地裂缝三类勘察场地一般均处于隐伏状态,地表较少有活动迹象,所以利用各种手段在地裂缝研究程度低的地区查明的地质异常是否属于西安地裂缝还缺少更多直接证据的支持。
本文提出了三类勘察场地地裂缝的一些识别特征,但这些特征不像二类勘察场地靠古土壤的错断来识别那么直观,仍需要对地层的沉积特征进行分析判断,因此,不同专家可能对同一地质剖面会有不同的解读和判断。
5结语
(1)根据西安近郊区地形地貌类型及地层沉积差异,将西安地裂缝三类勘察场地划为3个亚区(Ⅲ0区、Ⅲ1区和Ⅲ2区)。Ⅲ0区尚未发现地裂缝;Ⅲ1和Ⅲ2区地裂缝研究程度低,随着城市空间的不断拓展,这两个区是今后地裂缝勘探研究的重点和难点。
(2)分别提出了Ⅲ1和Ⅲ2区地裂缝的识别原则和方法。Ⅲ1区包括浅层人工地震反射剖面异常特征和地质剖面的沉积相异常特征;Ⅲ2区主要为第四系卵石(圆砾)层的错断特征等。
(3)依据三类勘察场地地裂缝的识别原则和方法,提出Ⅲ1区宜以浅层人工地震勘探与工程地质钻探相结合的方法查明地裂缝,控制钻孔间距不宜超过40 m,孔深宜为80~100 m;Ⅲ2区可主要采用工程地质钻探查明地裂缝,控制钻孔间间距以60~80 m为宜,孔深60~70 m。
(4)随着城市建设的飞速发展,城市空间不断向外围扩展,西安潜在地裂缝区(如Ⅲ1区和Ⅲ2区)是今后工程研究的重点区域。就勘探方法而言,目前仍限于地球物理勘探和地质钻探,其他手段的应用仍十分有限。
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