顺义地裂缝（机场段）发育特征与成因分析

文章编号：1007-1903（2019）04-0017-05

Abstract： Shunyi ground fissure （airport section） is one of the most rapid and severely damaged ground ones in recent years in the Beijing Plain， which directly affects the safety of the airport terminal and runway. Field investigations show that the ground fissures are characterized by main vertical deformation together with secondary tensile deformation， and the ground fissures on the southeastern side subside more than those on the northwestern side. This section is supposed to be the extension of the Shunyi ground fissure to the southwest. This paper has taken Shunyi ground fissure （airport section） as the research object. The basic characteristic of ground fissures have been described in detail through a large number of field geological survey data， and the relationship between ground fissures and structures has also been analyzed by the methods of trial trench， drill and geophysical exploration. The results show that ground fissures （airport section） are attributed to the Shunyi fault and Quaternary thickness differences. Over-exploitation is blamed to induce the formation of ground fissure， while the human activities， urban building loads， and the continuous decline of groundwater level cause the uneven settlement on both sides of the ground fissure， which also aggravate the development of ground fissures.

Keywords： Shunyi; Ground fissure; Development characteristic; Groundwater; Mechanism analysis; Beijing plain

0 前言

地裂縫是第四纪地层中出现的开裂现象，通常由内、外动力作用以及人类活动诱发产生（王景明等，2010;彭建斌等，2012;PENG Jianbing et al，2016）。地裂缝是北京平原区发育较为严重的地质灾害之一（刘方翠等，2016;贾三满等，2011），目前已发现多条破坏较严重地裂缝带，如西王路-八仙别墅地裂缝带、北小营地裂缝带、庙圈地裂缝带以及宋庄地裂缝带等（赵龙等，2017）。顺义地裂缝最早出现自1976年唐山大地震后，主要分布在吴家营—杜各庄—梅沟村—军营村—顺义县城一线。20世纪80年代初期，地下水超采区由近郊逐渐到远郊，该区域连续发现多条地裂缝，地裂缝破坏现象逐渐严重，到20世纪80年代末期，由于地下水严重超采顺义地裂缝东南侧形已形成平各庄沉降中心，地裂缝破坏程度逐渐加剧（杨涛等，2010）。赵忠海（2001）认为顺义木林—塔河地裂缝是由构造运动、抽取地下水引起的不均匀沉降及砂土液化引起的;张世明等（2005）认为超采地下水导致地面不均匀沉降是顺义地裂缝活动的主要原因。

最新调查发现，顺义某机场T2航站楼向南西方向延伸至天柱东路一带受地裂缝破坏影响，沿线路面及房屋已遭到严重破坏，部分路面已形成陡坎，判断该条地裂缝为顺义城区地裂缝向西南延伸带。本文详细描述了顺义地裂缝（机场段）的基本特征，分析了地裂缝成因，为地质灾害防治提供有力支撑。

1 区域地质概况

顺义城区地处北京迭断陷东北段，基底组成包括中上元古界、古生界及中生界，新生界第四系沉积厚度约200～900m。研究区内发育4条活动断裂，其中3条断裂呈北东-南西走向，自西向东为黄庄-高丽营断裂、顺义断裂、南苑-通县断裂（图1），南口-孙河断裂走向北西-南东，分别与上述三条断裂相交。

区域内水文地质条件具有明显的分带性，含水层分布呈明显的规律性。地下水主要以第四系孔隙水为主，含水层岩性分带性比较复杂，总的规律是由北向南平原厚度由薄变厚，颗粒由粗变细，开采层主要为300m以浅的中深层地下水。

2 地裂缝特征

2.1 分布特征

地裂缝（机场段）位于顺义地裂缝带南西段（图2）。1976年唐山大地震后，顺义地裂缝沿吴家营—杜各庄—梅沟村—军营村—顺义县城一线开始发育（任俊杰等，2007）2009年后地裂缝（机场段）活动开始显现并逐渐加剧。地裂缝（机场段）北起顺义区某机场T2航站楼，南至天柱东路，全长2.3km，整体走向NE45°。地裂缝沿线地表小塌陷坑呈串珠状展布，房屋及墙体开裂、地面土体错动变形（图2）。

2.2 剖面特征

为了深入研究地裂缝结构面和活动特征，前人在顺义地裂缝出露明显地段开挖探槽，探槽东西长15m，南北向宽6m，深7m（图3）。

按岩性特征、形成年代划分，探槽内共揭露7个地层单元，地层岩性从老到新依次为：第一层浅灰色粘土、第二层肉红色粘土与铁灰色粉砂（下）和铁灰色粉砂（上）互层、第三层灰黄色细砂或砂质粉土、第四层灰黄色粉质粘土、第五层黄色细砂、第六层黄色粉砂、第七层表层耕植土。在槽壁上可清楚看到一条正断裂，断裂向上延至地表，走向NE40°，倾向南东，倾角近80 °。探槽断面地表下4～5m处互层间有明显地层错断，断裂面两侧发育多条小型裂隙，错断具有典型的构造成因特征。剖面揭示地层错动面粗糙，裂面新鲜，裂面两侧裂隙发育方向性差，两侧地层连续完整，岩性均匀，颜色单一，具有近期形成的特征（图3）。

2.3 活动特征

顺义地裂缝（机场段）具有明显的垂向变形特征与水平拉张活动特征，表现为南东侧下降，北西侧上升。裂缝两侧沉降差异较为明显，部分路面已形成陡坎（图2-a），最大错位量达15cm，地裂缝所过之处已造成地表变形（图2-b），土体及建筑物均不同程度受到张裂破坏（图2-d），最大宽达15cm，农田出现塌陷坑，直径可達30cm（图2-e）。通过卫星遥感数据解译获取地裂缝多时段影像图（图4），地裂缝2009年开始逐渐显现，随后不断呈不连续断裂面发育，截至2017年地表开裂现象严重，已形成陡坎，最大沉降速率约45mm/a。

3 成因分析

3.1 深部构造控制

地球物理勘探技术是探测断裂最主要的方法之一，其中，浅层人工地震勘探法由于探测其原理，使其具有较高的分辨率，对于第四系内部不同的反射层具有很好的识别效果（王景明等，2010）。为揭示顺义地裂缝（机场段）与构造的关系，在地裂缝发育明显区域布设一条浅层人工地震勘探线（图2），测线全长共计500m，地震剖面反射结果如图5，剖面共识别出两个反射界面，反射波相同轴发生错段，分别为L1、L2。地震反射剖面结果表明断裂向上延伸至第四系内部，桩号240-340之间错动较明显，形成“铲式”断层结构。根据相关监测资料显示，顺义断裂活动性微乎其微。断层的缓变蠕动变形尚不足以对地表形变产生影响，判该条断层构造是顺义地裂缝（机场段）形成的控制因素。

3.2 隐伏断裂与第四系厚度差异

顺义地裂缝（机场段）发育方向与顺义断裂的走向基本一致， 总体上沿NE35°～ 50°方向展布，根据地裂缝北东端某机场钻孔地层剖面所示（图6），将100m深的地层划分为5个沉积旋回，5个钻孔Ⅴ段的厚度、底界面标高大致相同，但21号钻孔和22号钻孔第Ⅳ段地层存在明显差异，Ⅳ段底部地层埋深分别为34.8m和38.5m，厚度相差3.7m;21号钻孔和22号钻孔第Ⅲ段底部地层埋深分别为48.7m和56.8m，厚度相差8.1m，钻孔深部剖面错动特征与上述探槽剖面浅部错动特征具连续性，判断顺义断裂的从21号、22号之间通过。

前人钻孔证实，位于顺义-良乡断裂北西盘的顺4钻孔474m处见新生界与元古界白云岩分界线，位于南东盘顺5钻孔791m处见新生界与侏罗系泥岩分界线，两盘新生界底界高差近300m，第四系松散沉积层厚度总体差异相对较大。地裂缝的形成受是隐伏断裂的向上延伸，沉积厚度差异是地裂缝形成的内在因素。

3.3 超采地下水诱发地裂缝

研究表明，过量超采地下水，引发地下水位持续下降，形成地下水漏斗，引发不均匀沉降（姜媛等，2014;乔建伟等，2015）。顺义地裂缝（机场段）位于地下水漏斗严重区域（图7），在持续超采地下水情况下地裂缝两侧含水层发生不同应力变化，水位持续下降使得发生垂向运动。

地下水动态监测井（图8），S1123监测井位于地裂缝南东侧（上盘），S1129监测井位于地裂缝北西侧（下盘）。水位动态变化曲线（图8），S1123-1A监测井（孔深52.83m）2010年潜水位埋深为9.1m，到2017年底水位上升至10.46m。S1129-1A监测井（孔深54m）2010年水位埋深为12.61m，到2017年底水位下降到11.15m。通过地裂缝两侧地下水位变幅比对表明，潜水位动态变化呈相反趋势，中、深层水位呈下降趋势。综合地下水漏斗与地下水位动态变化表明，地裂缝位于第一层地下水漏斗边缘，两侧潜水水位变化呈相反动态变化发展产生地表应力差异，中、深层水位持续下降导致压缩层持续发生固结造成土体不均匀沉降，超采地下水是诱发地裂缝形成因素。

3.4 成因模式

综上述分析可知，顺义地裂缝（机场段）的形成可分为3个阶段：1）孕育阶段：早期地裂缝下伏存在先期断裂面，由于断裂面是土体中应力面的缺陷部位，其抗拉强度、抗剪强度较低，为地裂缝形成提供了诱发动力环境。2）诱发阶段：在持续超采地下水，地下水向漏斗中心渗流过程中使粘土层产生动能，发生拖拽作用，地表形成地裂缝。3）加剧阶段：伴随着地下水为持续下降，垂向应变逐渐增加，与此同时粘土层发生垂直运动，产生不均匀沉降加剧地裂缝发育。

4 结论

顺义地裂缝（机场段）分布于某机场T2航站楼向南西方向延伸至國航宾馆—机场高速—小王庄村南林地—天柱东路一带，南东侧相对于北西侧下降，最大垂向错动达20cm，探槽揭示断层错动整个第四系，发育特征主要以垂向发育变形特征为主，水平拉张变形特征为辅。

顺义地裂缝（机场段）受断裂控制，第四系厚度差异较大，是内在控制因素。过量开采地下水，形成地下水降落漏斗，引起地裂缝两侧粘土层发生不均匀沉降，是诱发地裂缝的形成因素。地下水位持续下降、城市建筑荷载以及人类活动等多种因素叠加，是加剧地裂缝发展因素。

参考文献

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