地裂缝与地面沉降

第四节　地裂缝与地面沉降

一、地裂缝

（一）地裂缝概念

地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下产生开裂，并在地面形成裂缝的地质现象。如果这种地质现象发生在有人类活动的地区，则可能会对人类生产与生活构成危害，称之为地裂缝灾害。

地裂缝属于裂隙的一种特殊形态，常常是一些地质作用（如地震、地面沉降或塌陷等）的附属产物，与断裂不同。地裂缝成因多种多样，出露于地表张开成缝，宽度变化大，存在时间较短，时隐时现；而断裂深入地下，延伸长，规模大，是较强构造运动的结果。同时，构造地裂缝与断裂活动也存在一定关系，它们有时是活动断裂在地表的露头。

（二）地裂缝类型及其特征

地裂缝按其成因分为构造地裂缝、非构造地裂缝和混合成因地裂缝三类。构造地裂缝是指由内动力地质作用产生的，包括地震地裂缝（也称构造速滑地裂缝）、区域微破裂开启型地裂缝和构造蠕变地裂缝三种。非构造地裂缝是指由外动力地质作用和人类活动作用而引起的岩土层裂缝，如膨胀土地裂缝、黄土地裂缝、冻土地裂缝、盐丘地裂缝、干旱地裂缝、地面塌陷地裂缝、滑坡地裂缝、地面不均匀沉降引起的地裂缝等。实际上，有许多地裂缝是几种因素综合作用的结果，称之为混合成因地裂缝。表9-3列举了一些常见的地裂缝。

表9-3　地裂缝成因类型及特征

续表9-3

二、地面沉降

地面沉降指地层在各种因素的作用下，造成地层压密变形或下沉，从而引起区域性的地面标高下降。

（一）地面沉降的成因机制和形成条件

1．地面沉降的成因机制

由于地面沉降的影响巨大，因此早就引起了各国政府和研究人员的密切注意。早期研究者曾提出一些不同的观点，如新构造运动说、地层收缩说和自然压缩说、地面动静荷载说、区域性海平面上升说等。大量的研究证明，过量开采地下水是地面沉降的外因，中、高等压缩性黏土层和承压含水层的存在则是地面沉降的内因。因而多数人认为地面沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。

在孔隙水承压含水层中，抽取地下水所引起的承压水位的降低，必然要使含水层本身及其上、下相对隔水层中的孔隙水压力随之而减小。根据有效应力原理可知，土中覆盖层荷载引起的总应力是由孔隙中的水和土颗粒骨架共同承担的。由水承担的部分称为孔隙水压力，它不能引起土层的压密，故又称为中性压力；而由土颗粒骨架承担的部分能够直接造成上层的压密，故称为有效应力；二者之和等于总应力。假定抽水过程中土层内部应力不变，那么孔隙水压力的减小必然导致土中有效应力等量增大，结果就会引起孔隙体积减小，从而使土层压缩。

由于透水性能的显著差异，上述孔隙水压力减小、有效应力增大的过程，在砂层和黏土层中是截然不同的。在砂层中，随着承压水头降低和多余水分的排出，有效应力迅速增至与承压水位降低后相平衡的程度，所以砂层压密是瞬时完成的。在黏性土层中，压密过程进行得十分缓慢，往往需要几个月、几年甚至几十年的时间，因而直到应力转变过程最终完成之前，黏土层中始终存在有超孔隙水压力（或称剩余孔隙水压力），它是衡量该土层在现存应力条件下最终固结压密程度的重要指标。

相对而言，在较低应力下砂层的压缩性小且主要是弹性、可逆的，而黏土层的压缩性则大得多且主要是非弹性的永久变形。因此，在较低的有效应力增长条件下，黏性土层的压密在地面沉降中起主要作用，而在水位回升过程中，砂层的膨胀回弹则具有决定意义。

此外，土层的压缩量还与土层的预固结应力（即先期固结应力）、土层的应力-应变性有关。由于抽取地下水量不等而表现出来的地下水位变化类型和特点也会对土层压缩产生一定的影响。

2．地面沉降的产生条件

从地质条件，尤其是水文地质条件来看，疏松的多层含水层体系、水量丰富的承压含水层、开采层影响范围内正常固结或欠固结的可压缩性厚层黏性土层等的存在，都有助于地面沉降的形成。从土层内的应力转变条件来看，承压水位大幅度波动式的持续降低是造成范围不断扩大的累进性应力转变的必要前提。

（二）地面沉降的防治

地面沉降与地下水过度开采紧密相关，只要地下水位以下存在可压缩地层就会因过量开采地下水而出现地面沉降，而地面沉降一旦出现则很难治理，因此地面沉降主要在于预防。

目前，国内外预防地面沉降的主要技术措施大同小异，主要包括建立健全地面沉降监测网络，加强地下水动态和地面沉降监测工作；开辟新的替代水源、推广节水技术；调整地下水开采布局，控制地下水开采量；对地下水开采层位进行人工回灌；实行地下水开采总量控制、计划开采和目标管理。

除上述措施外，还应查清地下地质构造，对高层建筑物的地基进行防沉降处理。在已发生区域性地面沉降的地区，为了减轻海水倒灌和洪涝等灾害损失，还应采取加高加固防洪堤、防潮堤以及疏导河道，兴建排涝工程等措施。

复习思考题

1．风化作用可分为几类，它们是怎样形成的，各有何特点？

2．岩石的风化程度和风化带如何划分，岩石风化如何治理？

3．河流地质作用有哪些地质现象，河流各段的水流动态侵蚀堆积有何关系，地壳升降与河谷发展有何关系？

4．河岸侵蚀和淤积如何判断与防护？