临汾地裂缝灾害与地下水开采相关关系

2005/10/21 14:53:06

摘要　山西临汾市地裂缝比较集中在5个区域发育，其灾害造成了巨大的经济损失，严重影响着临汾市的经济发展.阐述了地下水开采对地裂缝灾害的影响，并通过地面沉降的计算机的模拟，对地下水超采引起的地面沉降及临汾市地裂缝灾害的发生与发展的时空关系进行了详尽的探讨，为该市的城市规划部门提供了科学的依据.
关键词　地裂缝灾害，地下水超采，沉降计算，相关关系，计算模型
中图分类号　P　64

Correlative Relation Between Earth-Fissure Hazards
and Over-Exploitation of Groundwater

Dong Donglin　Wu Qiang　Sun Guimin^
Jiang Zhenquan　Sui Wanghua　Tian Baolin^

( Department of Resource Exploitation Engineering, CUMT, Beijing 100083)
(College of Mineral Resource and Environment Sciences, CUMT, Xuzhou 221008)

Abstract　There are five development zones of earth-fissures in Linfen City in Shanxi Province. The hazard results in enormous economic losses and hinders economic development of the city seriously. In this paper, the effect of over-development of groundwater on earth-fissure is studied. Through the simulated results of surface subsidence, the space-time relation between the subsidence caused by over-development groundwater and earth-fissure hazards is researched completely. It is a scientific base for urban planning.
Key words　earth-fissure hazard, over-development of groundwater, subsidence calculation, correlated relation, calculated model

　　临汾市位于山西省南部临汾盆地内，是晋南经济、文化的中心城市.随着临汾市经济的发展，城市规模不断增大，地下水的需求量也逐年增加.由于多年来该市地下水处于无序的开采状态，地下水位也急剧下降，从而导致地面的不均匀下沉.再加之该地区频繁的、高强度的地震活动及新构造运动的叠加效应，促使了该区地裂缝的形成与发展.
　　临汾市地裂缝比较集中在5个区域发育，分别见于高堆、贾得、周家庄、梁村和临汾师大.地裂缝灾害已经造成市中心建筑物楼房开裂破坏，数十户民房因房屋遭破坏而被迫搬迁，大面积农田灌溉用水漏失，多处公路被切断裂开，铁路也存在着潜在的危机，严重影响着临汾市的经济发展.

1　地下水的开采状况及时空特征
　　根据含水层的埋藏条件及地下水补给、排泄、径流特征，临汾市含水层可划分为3层(表1).
　　临汾市自70年代中期，地下水开采强度逐年增加，从70年代后期，开始处于超采状态.由于持续超采，使得地下水位持续大幅度下降，至1992年，年开采量已达51.45hm³.

表1　临汾市含水层划分
Table 1　Aquifer classification in Linfen City

含水层	地层时代	岩性特征	埋深	富水性
上部	Q_p3,Q_h	上为粘性土及粉细砂混层，下为砂砾石层	10～25 m	上部较差，下部较好
中部	Q_p2	粗砂层	西部小于80m，东部50～80 m，中部50～87 m	西部与城区富水性较好，其它地区则较差
下部	Q_p1	细砂、粗砂混层	15～17 m	较差

　　临汾市有4个地下水集中开采区：坟上水源地、翟村水源地、城区及城北（屯里、梁村一带）水源地，主要用于农灌、工业用水及生活用水.
　　在时间上，中层水的强化开采主要起自1976年（中深水井主要集中成井时期）.在此之前，地下水补给、排泄基本处于均衡状态.1978年已在城区范围形成降落漏斗，中心水位下降10m左右.在此之后，由于在城区大量厂矿企事业单位自备中深水井的成井及各水源地中深水井的增加，使得开采强度进一步加大，地下水位持续大幅度下降.据山西地矿局提供的资料，至1986年，地下水降落漏斗分布区域较1978年大幅度扩展，形成了一个NE—SW向展布、波及面积超过50km²的椭圆形降落漏斗，其中心位于下康、屯里一带，中心水位较1978年下降了30m，年降幅接近4m.
　　另据本次勘查所进行的中深水井水位统测结果，至1995年1月，降落漏斗中心区域的地下水水位降幅比1978～1986年期间趋缓，年平均降幅约在3m左右，但外围降幅加大与1986年相比，降落漏斗向东西两侧大幅度扩展，并在城区南部形成了一个新的降落中心(图1).

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图1　临汾市1995年地下水位降落漏斗分布
Fig.1　The distribution of water cone
in Linfen City in 1995

2　地下水超采与地面沉降
　　地下水开采导致地面沉降的主要原因是随地下水位的下降，孔隙水压力逐步消散，有效应力逐步增加，土层逐渐被压密所致.根据太沙基（Terzaghl）有效应力原理

σ＝σ′＋μ ，

式中：σ为总应力；σ′为有效应力；μ为孔隙水压力.
　　对于所研究的区域，不同深度土层所承受的荷载主要由上覆土层的自重及地表建筑物荷重构成，其中上覆土层自重为主体部分.在土层固结压缩过程中，不同土层的压缩程度和固结特点具有很大差别.一般来讲，含水层（砂性土）在地下水位下降的过程中，孔隙水压力消散的速度较快，在较短的时间内即可完成其固结过程.而粘性土层中孔隙水压力消散极其缓慢，因此，其固结压缩将持续很长时间才能够趋于稳定.
2.1　压缩土层分布及沉降计算
　　在研究区范围，上部含水层多年水位观测结果表明，尽管水位总体变化趋势呈下降状态，但变化幅度小，而深部承压含水层开采只限于市区及邻近范围，水位变化所波及的范围有限，所以，导致土层沉降的主要部分是中部承压含水层的水位降低.其水位降低幅度大，波及范围广，基本涉及整个研究区，所以，工作的重点是分析中部含水层水位下降所导致的地面沉降变形问题.
　　基于中部承压含水层的埋藏条件及动态变化特征，分析认为其主要影响的深度大体限于100m埋深范围.在这个范围，含水层组主要是细砂－砂砾层，而压缩性土层则以粉质粘土为主，粘土、粉土层分布厚度相对较小，且不同位置差异较大.
　　鉴于本次工作的基本目的及计算条件，选用南京水科院开发的“软土地基弹塑性固结变形计算程序——CONDEP”进行土层沉降计算.这种计算方法的主要特点是能够根据实际水位降，模拟分析孔隙水压的变化，并获得孔隙水压力变化过程中土层中的应力、应变分布及变化趋势.此模型已应用于北伦港码头、天津新港油罐地基、宝钢引水工程大堤坝基等多项大型工程的地基沉降问题的分析，其计算结果均与实测结果比较接近.
2.2　计算模型的计算条件及参数的选取
　　沉降分析建立6条计算剖面，其主要依据为山西地矿局213地质队提供的水位地质勘探成果，其中有3条纵向剖面和3条横向剖面.纵向剖面沿地下水位降落漏斗长轴方向，其中，汾河东、西岸及中部顺河各取一条，西岸剖面（金殿—伍默—泊庄—吴村）主要穿过二级阶地，东岸剖面（西秦—鹅舍—靳家庄—阎马庄）主要穿过三级阶地，中间剖面（尧庙—郭家庄—东芦—韩村）主要穿过汾河一级阶地.横向剖面垂直于地下水位降落漏斗的长轴方向，在研究区北、中、南各有一条（分别为：南麻—南羊—韩村—孙曲—李仵、良种场—九洲堡—郭家庄—刘村、鹅舍—小贾—尧庙—金殿—苏村），均横穿研究区内的所有地貌单元.
2．2．1　计算模型
　　1) 模型主要分析中层承压水超采引起的土层沉降问题，将计算深度（埋深200m）范围的土层分为压缩层（粘性土层）和含水层（砂性土）2个层组，并概化为含水层与压缩层相间排列，以此为基础进行剖分，模型如图2所示.

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图2　沉降计算模型
Fig.2　Computation model of subsidence

　　2) 模型采用平面应变模型，边界条件处理为：地面为自由位移边界、自由排水边界，底部为固定位移边界、不排水边界，两侧垂直方向为自由位移边界，水平方向为固定位移边界.模型的横向尺寸大于降落漏斗的范围，纵向尺寸取至主要抽水含水层以下.
　　3) 计算以1973年为起始时间,即假定1973年的水位为初始水位,在此基础上根据1978，1986，1995及2005年的水位降分别计算相应时间的地面沉降值.计算所依据的地下水水位值分别为：1978，1986年的数据依据山西地矿局提供的资料，1995年的数据依据本次勘查地下水水位统测绘制的研究区地下水位等值线确定，2005年的数据则是根据1986～1995年期间的水位平均年降幅以每年1　m的降深推算所得.
　　4) 计算采用4节点等参单元，沉降盆地边缘单元划分尺寸较小，盆地中间和降落漏斗外缘划分适当放宽.计算假定0～100m和100～200m两个深度范围的含水层段具有相同的承压水位，并在计算中对各自的降深作为独立的因素分别考虑.
　　5) 材料模式采用剑桥弹塑性模型.计算参数有水下浮重度、静止侧压系数、渗透系数、剪切模量、压缩系数、回弹指数等，参数的选取主要根据两个勘探孔的试验数据及前人工程地质勘察和抽水试验成果.
2．2．2　计算参数的选取
　　计算参数在综合分析本次勘查的试验成果及所收集的区内有关土层试验资料基础上确定，主要计算参数如表2所列.

表2　沉降计算模型参数
Table 2　The parameters of calculating surface subsidence

层组	浮重度/ (kN^.m^-3)	静止侧压力系数K₀	剪切模量 G₀/Pa	渗透系数 K_y/10^-7	K_y∶K_x	压缩系数C_c	回弹指数C_e	试验参数M
C₁	9.9	0.30	0.46	24.0	2.0	0.159	0.015	0.145
S₁	9.1	0.20	0.60	249 200	1.0	0.183	0.019	0.277
C₂	10.2	0.30	0.46	23.0	2.0	0.174	0.017	0.573
S₂	8.9	0.20	0.52	249 200	2.0	0.183	0.013	0.573
C₃	9.9	0.33	0.46	20.0	2.0	0.088	0.022	0.397
S₃	9.0	0.23	0.52	249 200	1.0	0.183	0.013	0.380
C₄	10.5	0.33	0.46	18.0	2.0	0.171	0.033	0.300
S₄	10.0	0.23	0.60	249 200	1.0	0.183	0.013	0.477
C₅	10.7	0.35	0.33	24.0	2.0	0.123	0.024	0.350
S₅	9.0	0.25	0.60	249 200	1.0	0.183	0.013	0.397
C₆	10.3	0.35	0.46	14.0	2.0	0.159	0.015	0.397

2.3　计算结果分析
　　通过计算模型的运算，得出该区的沉降结果^［1～3］.其特征如下：
　　1) 不同阶段地面沉降区分布与同期水位降深漏斗分布区在形状上相似，沉降中心位于沿汾河的漫滩、一级阶地范围，但明显向西偏移.
　　2) 与地下水位降深漏斗的扩展相比，沉降盆地的扩展极不明显，主要表现为盆地边缘沉降梯度的变化.另外，对比1978，1986，1995年的地面沉降情况，1978年地面沉降极不明显，沉降速率为6mm/a，在1978～1986年期间呈明显加速趋势，沉降盆地中心的沉降速度为30mm/a，而在1986～1995年期间，地下水位下降速度明显趋于平缓，而沉降速率仍保持10mm/a以上的较高水平，这表明地面沉降比地下水位下降明显滞后.
　　3) 沉降中心两侧的垂直形变梯度与地貌单元有明显对比关系.在沉降中心两侧二级阶地、一级阶地范围的形变梯度与三级阶地、洪积扇范围的形变梯度呈明显差异.汾河西岸二级阶地后缘与洪积扇、三级阶地交界的单元界限方向存在一形变梯度陡变带，在东侧的形变梯度陡变带也基本沿单元界限方向展布.
　　4) 沉降引起的水平位移方向指向盆地中央，水平位移最大值出现在沉降盆地外部边缘的拐点处，模型对应于1986，1995及2005年3个计算时段沉降盆地的水平位移如图3所示.

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图3　临汾沉降的水平位移
Fig.3　Horizontal displacement of subsidence in Linfen City

3　地面沉降与地裂缝灾害的时空关系
　　随着中层含水层的持续超采，地面沉降进一步加大.当中层含水层降不均匀时，引起上部土层（包括浅部地层）骨架颗粒不均匀沉降从而产生应力集中.当应力集中达到一定程度时，则会产生地裂缝.
3.1　空间关系特征
　　对比地裂缝发育位置与沉降区分布(以1995年为例，见图4所示)，可以发现，鹅舍、周家庄、师大、梁村等处地裂缝与高堆地裂缝分别分布于沉降盆地的东、西两侧，且在展布方向上二者也表现有明显的对应关系.

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图4　地裂缝发育位置与沉降形态
Fig.4　Earth-fissure development sites and subsidence

3.2　时间关系特征
　　研究区范围地面沉降主要发生于1978年以后，从沉降形变特征看，高堆、周家庄、梁村及师大四处地裂缝均处于1978年以后的沉降盆地边缘区，而鹅舍、龙祠地裂缝发育位置在1986年以前的地面沉降还很不明显，在1986～1995年期间所产生的沉降也保持较低水平.因此，除这两处地裂缝与地面沉降的关系不太明朗外，其他地裂缝与沉降的关系还是比较明显的.其中，周家庄、山西师大地裂缝在产生时间上与沉降表现有一致性，而高堆、梁村地裂缝尽管在发生的时间上早于地面沉降期，但其明显活动时期与地面沉降在时间上的对应性也比较明显.

4　结　论
　　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.因此对地下水资源的开发应加强管理，有效地限制临汾市地下水过量开采是当务之急.

作者简介　董东林，男，1970年生，助教，工学硕士
作者单位：董东林　武强　孙桂敏：中国矿业大学资源开发工程系　北京 100083)
　　　　　姜振泉　隋旺华　田宝霖：中国矿业大学资源与环境科学学院　徐州 221008)

参考文献
1　姜振泉，王晓波，张　京.山西断陷带地裂缝的成因及其发育条件.中国矿业大学学报，1997,26(3):74～78
2　董东林，武　强，孙桂敏.山西临汾地裂缝GIS预测的初步研究.中国地质灾害与防治学报，1996,7(4):16～20
3　董东林.GIS支持下的山西临汾市地裂缝灾害敏感性评价与发展趋势预测:［硕士学位论文］. 中国矿业大学北京研究生部，

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