山西省地面沉降與地裂縫防治現(xiàn)狀

馬玲玲 賀秀全

(山西省地質環(huán)境監(jiān)測中心，山西太原 030024)

0 引言

20世紀中、后期以來，在山西斷陷盆地的大同、太原、榆次、臨汾、運城等大中城市先后出現(xiàn)了地裂縫和地面沉降災害，山西斷陷盆地已成為我國乃至全世界地裂縫與地面沉降最發(fā)育、破壞性最強、區(qū)域性特點最典型的地區(qū)之一。

1 山西省地裂縫與地面沉降現(xiàn)狀

1.1 地裂縫

1.1.1 地裂縫分布現(xiàn)狀

山西斷陷盆地地裂縫的出現(xiàn)可謂源遠流長，早在漢代就有歷史文獻記載，進入現(xiàn)代，特別是20世紀80年代以來，隨著人類活動的不斷加劇，地裂縫迅速發(fā)展。迄今為止，山西省已有26個縣(市、區(qū))發(fā)現(xiàn)地裂縫，地裂縫所經之處，地面及地下建筑物遭到嚴重破壞，尤其是對城市地下鋪設的供水、供氣和排水系統(tǒng)管網構成嚴重威脅，給國民經濟、城市建筑及生命線工程造成巨大破壞，據(jù)不完全統(tǒng)計，已造成9億多元的直接經濟損失。調查統(tǒng)計，山西斷陷盆地共發(fā)現(xiàn)有地裂縫271條(帶)，按照地裂縫的劃分標準，其中小型地裂縫115條(帶)，占42.4%，中型地裂縫66條(帶)，占24.4%，大型地裂縫85條(帶)，占31.4%，巨型地裂縫5條(帶)，占1.8%。規(guī)模最大的為太原盆地祁縣白圭地裂縫帶，總長度達22.4 km。

1.1.2 地裂縫分布規(guī)律

按照城市統(tǒng)計，大同市地裂縫最為發(fā)育，共發(fā)育地裂縫11條，總長度達33.4 km，分布于大同城區(qū)的主要地段，不但出現(xiàn)時間早、發(fā)展速度快、規(guī)模大，而且造成的經濟損失及社會影響大。按照地貌單元統(tǒng)計，運城盆地地裂縫最為發(fā)育，出現(xiàn)歷史久遠，而且分布范圍廣，密度大，共有地裂縫99條(帶)，占山西斷陷盆地地裂縫總數(shù)的36.5%;太原盆地共有地裂縫83條(帶)，占山西斷陷盆地地裂縫總數(shù)的30.6%，其中包括規(guī)模最大的祁縣白圭地裂縫帶，總長度達22.4 km;臨汾盆地共有地裂縫73條(帶)，占山西斷陷盆地地裂縫總數(shù)的26.9%，其他盆地分布地裂縫16條(帶)，占山西斷陷盆地地裂縫總數(shù)的5.9%;以行政區(qū)劃來統(tǒng)計，山西共有26個縣(市、區(qū))出現(xiàn)地裂縫，其中運城市有6個縣(市、區(qū))出現(xiàn)地裂縫99條(帶);運城市鹽湖區(qū)地裂縫最為發(fā)育，共有地裂縫52條(帶)，占山西地裂縫總數(shù)的19%;晉中市有4個縣(市、區(qū))分布地裂縫67條(帶)，占山西地裂縫總數(shù)的25%;其他市地裂縫分布相對較少。

1.1.3 地裂縫成因類型及特點

地裂縫地域分布特征明顯的表現(xiàn)為與人類經濟活動的密切相關性，因為地裂縫是地面沉降發(fā)展到一定階段的環(huán)境效應，地面沉降又是地下水長期過量開采的結果，地下水開采量在山西這樣一個經濟欠發(fā)達地區(qū)來說往往是與經濟總量息息相關的。從地裂縫出現(xiàn)的時間來看，大多發(fā)現(xiàn)于20世紀80年代初期，90年代進入高發(fā)期，這也反映了在粗放型經營狀態(tài)下，地裂縫的產生與地下水開采的關聯(lián)性。山西地裂縫按照其成因類型基本可分為五類:地質構造活動型、地質構造——地面沉降復合型、地面沉降型、黃土濕陷型、黃河庫岸沉陷型。

山西斷陷盆地地裂縫災害特征概括起來有以下特點:三維空間的有限性;成災過程的緩變性和累進性;反復成災，災害過程常具有周期性變化;災害強度分布的非均衡性和非對稱性;災害效應的方向性;另外，地裂縫災害還具有不可抗拒性，城市災害重、鄉(xiāng)村災害輕或不構成災害等特征。

1.1.4 地裂縫災害的經濟損失

經初步估算，山西斷陷盆地地裂縫災害造成的直接損失約為9.3億元，大同地裂縫地處城市區(qū)，造成的直接經濟損失最大，約為6.4億元，占山西斷陷盆地地裂縫造成的直接經濟損失的68%，單一地裂縫條帶造成直接經濟損失最大的是太原盆地清徐西邊山地裂縫，造成的直接經濟損失為1.3億元，占山西斷陷盆地地裂縫造成的直接經濟損失的13.7%。統(tǒng)計結果表明，山西地裂縫災害造成的經濟損失及社會影響，明顯的表現(xiàn)為城市嚴重、農村輕的顯著特點。

1.2 山西地面沉降現(xiàn)狀

20世紀80年代以來，山西斷陷盆地的中小城市、農村地下水開發(fā)利用量大幅度增加，地面沉降范圍也因此從城市向農村擴展，并在區(qū)域上連片發(fā)展，地面沉降范圍擴大。由于下伏基底地形起伏，地面沉降區(qū)往往伴生地裂縫，加劇了地面沉降災害，山西地面沉降主要發(fā)生在太原市、大同市及晉中市。太原市、大同市有水準監(jiān)測資料，其他地方無水準監(jiān)測資料。

1.2.1 太原市地面沉降概況

太原市地面沉降發(fā)現(xiàn)于20世紀50年代，至80年代沉降加劇。據(jù)地面沉降二等水準測量點實測資料，1956年～2007年地面沉降范圍，北起上蘭鎮(zhèn)，南至劉家堡鄉(xiāng)南代家堡;西起風聲河，東至西溫莊村;南北長約39 km，東西寬約19 km，地面沉降涉及范圍約600 km2，最大沉降中心為吳家堡—大馬村一帶，吳家堡累計地面沉降量314.8 cm，年均沉降速率6.17 cm/年;大馬水準點實測資料，累計沉降 303.5 cm，年均沉降速率 5.95 cm/年，20 世紀90年代以來，沉降范圍逐年向盆地邊緣和南部擴展，沉降漏斗面積逐年擴大。

太原市地面沉降歷史演變劃分為4個階段:1)1956年～1981年為初步形成階段;2)1981年～1989年為快速發(fā)展階段;3)1989年～2000年為持續(xù)急劇擴展階段;4)2000年～2007年為平穩(wěn)不均衡發(fā)展階段。根據(jù)不同歷史時期地面沉降等值線圖，太原市目前可劃分出2處沉降區(qū)，5個沉降漏斗中心。1956年～2007年太原市地面沉降等值線圖外圍半閉合線仍為100 mm，南北長約45 km，東西寬約18.8 km，沉降面積552 km2。

由于2003年山西省“引黃入晉”工程將黃河水引入太原，同時太原市實施了關井限采措施，老的沉降中心北固碾、萬柏林、下元、吳家堡沉降速率明顯減緩，取而代之的是小店、武家寨等新的沉降中心正在快速形成。

由于地面沉降造成地面高程降低，地面積水，橋墩下沉，城市地下管道坡度改變，深井管上升，建筑物傾斜倒塌等。如迎新街觀測站J34孔井管坐落在深部基巖上，1984年以來，由于地面沉降，井管升高330 mm。南內環(huán)橋1988年建成以來，由于地面不均勻下沉，引起橋上、下錯動達100 mm，并出現(xiàn)多處裂縫。武家莊村50個宅院(300余間)全部倒塌，90%住房成為危房，90%耕地常年積水無法耕種，20余眼深井全部報廢，直接經濟損失達2.19億元。吳家堡村房屋倒塌、裂縫、積水嚴重，新建筑房屋地基高出地面1.5 m ～2.5 m。

1.2.2 大同市地面沉降概況

大同地面沉降監(jiān)測結果表明，2006年大同市形成了北部和南部2個沉降區(qū)，4個沉降漏斗。2個沉降區(qū)1.0 cm閉合線總面積為25.73 km2;北部沉降區(qū)沉降漏斗中心位于陳莊一帶，1.0 cm閉合線面積為 8.93 km2，1.4 cm 閉合線面積為 4.51 km2，1.8 cm 閉合線面積1.45 km2;南部沉降區(qū)1.0 cm 閉合線面積16.83 km2，3個沉降漏斗中心分別為西水磨、大同機車廠、西韓嶺。西水磨沉降漏斗1.4 cm閉合線面積 0.23 km2，大同機車廠沉降漏斗1.4 cm閉合線面積為0.56 km2及西韓嶺沉降漏斗1.4 cm閉合線面積為2.65 km2。對比幾年的沉降速率圖，大同市地面沉降的范圍在持續(xù)向南部擴展，沉降速率為1 cm/年～2 cm/年。

大同市地下水降落漏斗的中心與地面沉降中心基本一致，因而證實了過量開采地下水是產生地面沉降的主要影響因素之一。地面沉降區(qū)建筑物損壞，道路、橋涵、地下管道開裂，鐵路扭曲變形，造成的損失較大。據(jù)不完全統(tǒng)計，大同市地面沉降造成的直接經濟損失在2億元左右。

2 近年來開展的調查、監(jiān)測工作及防治對策

自20世紀80年代以來，山西省地質環(huán)境監(jiān)測中心、多所科研院校及相關地質單位對地裂縫、地面沉降早已展開過調查與研究，并取得了一系列成果，如《山西斷陷盆地地裂縫災害研究》《地裂縫及其災害的理論與應用》《大同城市地質勘察研究》《臨汾地裂縫的成因及發(fā)育環(huán)境研究》《內陸新生代斷陷盆地區(qū)地面沉降機理及模擬——以山西省太原市為例》等。

2.1 地面沉降與地裂縫勘查概況

先后開展的勘查項目有:《山西省地面沉降與地裂縫調查》《山西盆地地裂縫地面沉降調查與監(jiān)測》《山西省太原市地面沉降勘查》《山西省清徐地裂縫勘查》，勘查手段包括調查、物探、槽探、遙感解譯、監(jiān)測等，通過調查、勘探與監(jiān)測，基本查明了山西盆地地裂縫、地面沉降分布規(guī)律，對地裂縫、地面沉降成因進行了研究，提出了地裂縫、地面沉降災害防治對策及防治技術，服務了地方城市及國家重大工程建設。

2.2 地裂縫、地面沉降監(jiān)測網絡建設

2.2.1 地面沉降監(jiān)測網建設

全省共建設地面沉降監(jiān)測水準點270個，GPS觀測墩14個，水準線路單程總長約830 km，總控制面積約1 080 km2。另外，太原市吳家堡分層標，由于城市道路建設已經被破壞，正在重建中。其中大同市地面沉降監(jiān)測網，由86個水準點、6個GPS觀測墩組成，控制面積約220 km2，水準線路單程總長約200 km;太原市地面沉降監(jiān)測水準控制網，由102個水準點、8個GPS觀測墩組成，水準線路單程總長約380 km，控制面積約560 km2;臨汾市地面沉降監(jiān)測水準控制網由82個水準點組成，控制了臨汾市平原地區(qū)，控制面積約300 km2，水準線路單程總長約250 km。

2.2.2 地裂縫監(jiān)測網建設

全省在斷陷盆地中共19條(帶)典型地裂縫建設監(jiān)測水準點82個。其中大同市地裂縫監(jiān)測網點共埋設水準點36點，短水準剖面2條(水準點26個)，水準對點5對(水準點10個)，另有地裂縫監(jiān)測站1處;太原盆地地裂縫監(jiān)測網點建設共布設短水準剖面5條，埋設水準標石32點;臨汾市地裂縫監(jiān)測網點建設共埋設水準標石4點(水準對點2對);運城盆地地裂縫監(jiān)測網點建設共埋設水準標石10點，短水準剖面1條，水準對點2對。

2.2.3 緩變形地質災害防治措施

目前，山西省全面開展了地質災害危險性評估制度，緩變形地質災害防治效果明顯。在大、中城市采取關井壓采、引黃河水代替地下水等措施，大幅度減少了地下水的開采量，水位持續(xù)回升，對地裂縫分布的場地主裂縫帶實行建筑避讓，在建設項目中采取工程防治措施等。

3 地質調查服務于地方城市建設及國家重點建設工程

山西省開展的地裂縫與地面沉降調查與監(jiān)測工作，一直致力于為城市規(guī)劃發(fā)展和為國家重大工程建設提供技術支持。在太原市長風商務區(qū)建設及大同市城市道路改造、城中村改造建設工程中，針對建設工程項目區(qū)地面沉降、地裂縫發(fā)育情況，提出了地裂縫和地面沉降的防治對策和技術手段。地方政府認真聽取并采納了本項目組對工程建設地質災害的防治意見，減輕了地裂縫、地面沉降對建設工程的影響。2009年，2010年在地裂縫監(jiān)測網點建設過程中，針對國家重點工程大同—西安高速鐵路規(guī)劃線路跨越構造地裂縫情況，在臨汾市高堆村、運城市五曹村、祁縣白圭村、東炮村分別布設了地裂縫監(jiān)測短水準剖面及水準對點，以長期監(jiān)測高鐵線路所經區(qū)段地裂縫活動情況，為大西高鐵的正常施工及安全運營提供了科學依據(jù)及技術保障。

4 結語

山西地裂縫地面沉降研究，查明了山西斷陷盆地地裂縫、地面沉降分布規(guī)律，建立了太原市、大同市、臨汾市地面沉降監(jiān)測水準控制網以及部分典型地裂縫監(jiān)測網，獲取了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。但在取得眾多成果的同時，依然存在一些問題，地面沉降地裂縫監(jiān)測網絡體系不健全;地裂縫、地面沉降處于不斷發(fā)展中，需要及時關注;地裂縫、地面沉降監(jiān)測資料序列短，不能掌握其活動規(guī)律;地裂縫、地面沉降成因機制研究不夠深入。由此，對今后工作提出一些建議:

1)應在山西斷陷盆地選擇規(guī)模大、代表性強的地裂縫進行研究，對其成因機理、致災特點進行了深入研究，對發(fā)展趨勢做出預測。如大同盆地應縣石莊地裂縫、太原盆地清徐縣西邊山地裂縫帶、祁縣白圭地裂縫帶、臨汾盆地高堆地裂縫帶、運城盆地半坡地裂縫帶等。

2)應列專題進行山西斷陷盆地地裂縫與地面沉降經濟損失評估。

3)進一步完善地面沉降監(jiān)測網絡體系，在大同、太原分別建設一組地面沉降監(jiān)測分層標，建立太原市地面沉降基巖標。

4)晉中市、運城市地面沉降嚴重，應加快建立水準監(jiān)測網。

5)建議國家地調局盡快制定有關地裂縫、地面沉降勘查的技術規(guī)范。

［1］賀秀全.山西省地面沉降與地裂縫調查報告［R］.山西省地質環(huán)境監(jiān)測中心，2009.

［2］武 強.山西斷陷盆地地裂縫災害研究［M］.北京:地質出版社，2003.