苏昌地区地裂缝灾害研究
(江苏省地质调查研究院，江苏南京，210018)
20世纪80年代以来，苏锡常地区国民经济高速发展，但地下水资源的过度开采破坏了平衡的地质环境，诱发了地面沉降、地裂缝、积水等一系列地质灾害，尤其是不均匀地面沉降发展迅速，具有破坏性，给社会造成了不稳定因素和负面影响。本文重点研究地裂缝的形成机理，以便更好地对地裂缝进行预测，达到减灾防灾的目的。
关键词:苏昌地区地裂缝研究
改革开放以来，苏常地区经济得到了突飞猛进的发展，现已成为我国东部沿海地区最发达的地区之一。然而，与苏锡常地区经济建设的快速发展相比，环境保护明显滞后，尤其是对地质环境保护意识的淡漠。长期过度开采地下水资源引发了区域性地面沉降地质灾害。
苏锡常地区地面沉降主要发生在最近30年，中心城区较早，外围县市较晚，与地下水开采历史基本一致。80年代中期以前，主要发生在三个中心城市和西溪地区。80年代中期以后，随着地下水开采面积的扩大和开采强度的逐年突增，地面沉降问题也迅速向区域扩展(图1)，发生程度越来越严重(表1)。
图1苏锡常地区地面沉降发展变化图
现状累计沉降大于200mm的区间面积近6000km2，占苏昌平原总面积的1/2，500mm等值线连续环绕三个中心城市，面积超过1500km2。
同时，在区域性地面沉降过程中，由于特定地质背景条件的存在(基岩潜山、古埋藏阶地、含水砂层分布不均等。)和不合理的人工开采地下水的方式方法，在苏昌地区的部分地区，不均匀地面沉降的地质灾害已经发展起来，并在地表以地裂缝的形式表现出来。它破坏了地面建筑和地下管线，严重影响了当地经济的可持续发展。
表1苏锡常地区地面沉降发展变化统计表
苏昌地区的地裂缝最早出现于20世纪80年代末，90年代达到顶峰。在本世纪初，它们也相继发生。
1地裂缝分布及发育特征
苏锡常地区地裂缝的分布和发育在空间和时间上都是有规律的。
1.1的空间分布特征
(1)平面特征
苏昌地区地裂缝地质灾害的平面形态有直线型、直线型、曲线型、雁型等。具有一定宽度的断裂带大多分布在主断裂两侧，一般小于100m，地裂缝从几十米延伸到上千米。
(2)剖面特征
苏锡常地区地裂缝地质灾害剖面一般不清晰，多在裂缝两侧上下交错，表面形成陡坎状或阶梯状地裂缝；有的是“V”形裂缝，表面裂缝宽度一般在2 ~ 80 mm左右，可见裂缝深度一般在20 ~ 40 cm左右。对无锡市石塘湾致灾的岸地断裂灾害进行剖面开挖和地球物理面波(SWS)测量后，显示开挖剖面中的断裂深度为3m(图2)，面波勘探结果显示两侧断裂相同的第四系地层受切割影响达36m。根据三维地震勘探结果分析，地裂缝影响深度可达基岩面，影响深度可达60 ~ 80m。
(3)方向性特征
苏昌地区地裂缝地质灾害的分布和发育具有明显的方向性，多呈北东或北北西向分布。还有一些地裂缝灾害呈环状分布。经统计分析裂缝的发展方向，方向不明显(图3)。
图2无锡石塘湾两岸地裂缝成因示意图
图3常州大学城周楠村地裂缝发展方向玫瑰图
1.2的时间发展特征
根据苏锡常地区地裂缝发育时间的统计，与该地区地面沉降灾害发育高峰期有明显的相关性。该地区地裂缝起源于1989。在接下来的20年里，几乎每年都会发生地裂缝。高峰期是90年代，尤其是1995。该地区有6处发生地裂缝，本世纪初有减缓的趋势。
1.3不同地质背景条件下出现不同类型的地裂缝。
不同的地质环境背景是地裂缝产生的内在因素。因此，在潜山、古埋藏阶地和埋藏基岩峭壁分布发育的地区，通常发育线性地裂缝，并具有一定的延伸性，如江阴市长泾-汤和-张静杨树里地裂缝带，就属于这种类型的地裂缝。在地下水主开采层以上的第四纪沉积物中，沉积差异明显的地方，由于地下水排泄因素的影响，往往形成与土体结构差异有关的半圆形地裂缝，如常州市草桥地裂缝灾害。在第四纪沉积物中主要含水砂层不发育或发育不良的地区，人们通常采用综合开采上、下含水层的方法抽取地下水资源，然后部分地区地下水位形成局部下降漏斗，使部分地区水力梯度陡降，在地表产生环形地裂缝灾害，如常州大学城周楠村地裂缝灾害。
1.4地裂缝具有可持续发展的特征。
苏锡常地区地裂缝在一定时期内具有持续发展的特征。它们一般出现在汛期或雨季开始时，一旦形成，就沿着断裂面继续下落并加剧，是一种不稳定的发展状态。根据野外调查，苏昌地区仍有5条地裂缝具有进一步发育的特征，15地裂缝处于相对稳定的发育阶段，5条处于稳定阶段。
地裂缝形成机理研究
影响苏锡常地区地裂缝形成的主要因素有:客观地质背景条件(基岩面起伏特征、基岩岩性、古埋藏阶地、第四纪地层结构差异、含水层结构特征等。)以及人类以发展经济为目的对地下水资源无序、过度开采的破坏作用。不同类型地裂缝的形成机理是不同地区、不同地质背景条件下不同影响因素相互作用的结果。
2.1潜山类型
地面沉降主要是由该区第四纪地层差异、古基底起伏和地下水超采等外部因素综合作用造成的。长期超采地下水造成含水层砂和地下水库水头下降，导致含水层砂本身和上覆土层释水压缩，造成地面沉降；当土层本身的结构差异或沉积基底的起伏等环境地质条件不均匀时，土层压缩引起的地面沉降过程中会出现明显的差异沉降，在土体中形成侧向拉应力；当侧向拉应力达到或超过土的极限抗拉强度时，就会在地表以地裂缝灾害的形式表现出来(图4)。
图4基岩潜山地裂缝形成地质模型图
2.2地下水综合开采
地裂带附近有集中开采的深井，开采量大。第一、第二和第三承压含水层用作采矿的水资源。由于承压含水层ⅱ、ⅲ不发育，区内承压含水层ⅱ、ⅲ水位已降至-60 ~-70m，深井主要开采层主要为地表附近的承压含水层ⅰ，导致区内地下水含水层上下贯通，特别是浅层水(潜水、承压水ⅰ)水位急剧下降，形成以深井为中心的局部水位下降漏斗(图5)。这是由于地表附近的软土层和承压含水砂层的压缩变形造成的。I承压水层具有埋藏浅、颗粒细、渗透性差的特点。在强烈的开采作用下，泥沙颗粒随地下水流失，沙粒重新排列，形成陡峭的水位降落漏斗状，水力梯度大，往往导致地面不均匀沉降的地质灾害。
图5地下水综合开采型地裂缝形成地质模型图
2.3土壤结构差异类型
地裂缝发育区近地表第四系沉积构造明显，特别是地表硬土层下，存在厚度不均的高压缩性软土层(淤泥质粘土层)，而淤泥质粘土层的液化指数、天然孔隙比、渗透系数都比较大。当降水偏少的年份到来时，地下水补给条件较差，由于长期超采，地下水水头急剧下降，促使高压缩性软土紧密释水，形成塑性变形，引起地面持续沉降，最终诱发地裂缝灾害(图6)。
图6不同土壤结构地裂缝形成的地质模型
2.4埋地阶地类型
地裂缝的形成机制与基岩潜山型相似，主要是由古埋藏阶地或基岩断崖(具有线性分布特征)、第四纪地层差异、区内地下水超采等外部因素综合作用所致。长期超采地下水造成含水层砂和地下水库水头下降，导致含水层砂本身和上覆土层释水压缩，造成地面沉降；在埋藏阶地或基岩峭壁边缘，土体压缩引起明显的具有线性分布特征的差异地面沉降，在地表表现为线性地裂缝灾害的形式(图7)。
图7埋藏阶地地裂缝形成地质模型图
2.5岩溶类型
目前苏锡常地区发育的该类型地裂缝的形成机理与潜山地裂缝相似，主要是由基岩隆起(基岩岩性必须是具有溶盐特征的灰岩地层)、岩溶发育、第四系地层差异、区内地下水超采等外界因素综合作用所致。长期超采地下水，造成含水砂层和地下水位下降，造成地下含水砂层本身和上覆土层的释水压缩，造成地面沉降；在岩溶发育区，土层失水压实，导致上覆松散堆积物塌陷，诱发地面不均匀沉降，特别是在岩溶塌陷边缘，容易发生环状地裂缝灾害(图8)。
图8岩溶地裂缝形成地质模型图
3基于GIS的地裂缝易发区划分
目前，GIS空间分析方法已越来越多地应用于地质环境的定量或半定量分析与评价。苏锡常地区地裂缝研究利用Arc/Info模拟该地区地裂缝的空间特征。
3.1因子的确定
地裂缝灾害易发区的划分主要依据基岩面的起伏形态、第四纪沉积物分布的厚度差异、地下水位、地下水含水层的空间特征和地面沉降等五个因素，这些因素对地裂缝的发育起着明显的作用。
3.2评估模型
基于GIS的评价模型的数据表达为:
地质灾害调查与监测技术方法论文集
其中:I——风险指数，代表各种影响因素综合作用的叠加结果；
wi——第I个因子的权重；
ci——第I个因子的定量赋值；
n-影响因素的数量。
3.3评估程序
GIS辅助的地裂缝空间分布区划过程如图9所示。
Arc/Info中的空间叠加实际上是图层的叠加，所有的空间分析都是基于数字地图。经过多次调整，苏昌地区地裂缝评价分区模型为:I=0.33×C基岩+0.12× c第四系+0.19× c地下水位+0.16× c含水层+0.2× c地面沉降。
根据影响因子综合影响总得分由高到低对评价结果进行定性分类，分类原则上反映当前灾害的严重程度，并进行相应的面积统计。统计数据见表2。
图9基于GIS的地裂缝危险性评估流程
表2各事业部评价结果及统计结果
3.4各级地裂缝灾害易发区的地质背景分析
从评价结果可以看出，苏昌地区的地质灾害区和地裂缝潜在危险区主要分布在常州戚墅堰东段和吴县黄埭西段。本区块第四系基底相对两侧隆起，基岩面埋深较小，其波动范围正好在ⅱ、ⅲ承压含水砂层发育深度内，客观上具备地裂缝灾害的特定地质环境条件，但不同等级地区的地质背景因地而异。
3.5地裂缝灾害易发区的划分
根据上述模型的运行结果和目前的认识，以基岩面(潜山和埋藏陡岩)的起伏形态、第四系沉积物的分布和厚度差异、孔隙承压含水砂层厚度变化明显的线性边界(多为古河道边界)为依据，初步确定了地裂缝灾害易发区的划分原则。初步圈定了6个地裂缝地质灾害易发区和可能存在地裂缝地质灾害隐患的区域(图10)。
(1)横林地裂缝地质灾害易发区
以横林镇为中心，沿NE向构造线，西南至湖塘桥、马航、戚墅堰，是受江南断裂控制的特定带区，面积约30km2。
(2)横山大桥地裂缝地质灾害易发区。
横山大桥位于方貌山前，这里的基岩面由裸露变陡。推测隐伏断崖控制中更新世古河道，两侧地面沉降明显不均匀，是地裂缝和灾害易发区。
(3)无锡-苏州古河道南侧基岩岸线地裂缝地质灾害易发区。
该地带自西北向东南延伸较长，西起锡山嘉祥，东南大致沿京杭运河，经无锡市区延伸至苏州壶关。该带是苏锡常地区地裂缝和地质灾害易发带，目前已发现的嘉祥和茅村院两条地裂缝都在该带。
(4)江阴古河道南界地裂缝地质灾害易发区。
分布在西山的堰桥、长安、厚桥、安贞之间是一个基岩断块隆起。在其影响下，推测潜山、断崖发育，是环境地质背景条件变化较大的地带，实际上是区域内容易产生裂缝的地带。秦湘、堰桥、汤和、石塘湾长泾等地的地裂缝都在这一带。
图10苏昌地区地裂缝地质灾害易发区区划图
(5)洞庭地裂缝地质灾害易发区
在西山新城(东亭)西郊，已形成地裂缝区域的勘探结果表明，可能与岛状残丘潜山或浅层地层因素有关，但诱发原因仍与超采ⅱ类承压地下水有关。
(6)张家港塘桥地裂缝地质灾害易发区。
在张家港东南部的塘桥、唐史、西漳等乡镇，从迹象看，地面沉降严重，但不均匀，许多地方出现了灾难性的地裂缝。
(7)查看乔乔地裂缝地质灾害易发区。
位于后山西侧山前平原东北部的带状间隔，目前已在多处发生，并有进一步严重发展的趋势。
4地裂缝灾害防治对策
地面沉降、地裂缝等地质灾害已严重制约了苏昌地区经济社会的可持续发展，必须采取有效措施加以防治。地质灾害防治必须贯彻防避结合的方针，按照国家和省有关地质灾害防治的规定，进一步加强领导，提高认识，科学规划，加强管理，把地质灾害造成的损失减少到最低限度。从调查中得知，该地区的地裂缝灾害主要是严重地面沉降后的一种灾变形式，所以最根本的是控制地面沉降。在地面沉降严重的地区，应深入研究各种影响因素，对地面沉降的不均匀发展趋势做出科学合理的评价。
特别是在初步划定为地裂缝地质灾害易发区，城市建设和工程项目建设也必须列为可能发生的地质灾害之一，进行认真的危险性评估。在已发生地裂缝的灾区，要查找原因，准确划定危险区域，设置监测点，落实具体避让措施。
5结论
本文的研究成果是江苏省地质调查研究院三角洲项目组集体工作的结晶。在此，向所有参与该项目的老师和同事们表示衷心的感谢！