发育地裂缝的储备用地地质灾害危险性评估_张文栋.pdf

doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2023.02.002Vol.18 No.02 June,2023第 18 卷 第2期 2023 年 6 月http:/ 西安 710016；2.陕西地矿物化探队有限公司，陕西 西安 710032；3.西安理工大学，陕西 西安 710048）摘 要：在储备用地出让前开展地质灾害危险性评估工作，因拟建工程未达到可研阶段，加大了评估工作难度。对于西安地裂缝穿越的储备用地，在分析规划条件、地质条件的基础上，结合建筑物类别及基础类型，给出了储备用地避让距离D的计算公式。将避让距离D以内的区域划分为危险性大区；将避让距离D以外、特殊类建筑避让距离以内的区域划为危险性中等区；将危险性大区及危险性中等区以外范围划分为危险性小区。这种划分方法最大程度接近场地实际，且方便快捷，满足相关规范要求，对该类型地质灾害危险性评估工作的开展具有指导意义。关键词：地裂缝；储备地；危险性评估；避让距离Geological hazard assessment of reserve land with developed earth fissuresZHANG Wendong1,CHENG Yan2,ZHU Kun1,MA Jiqi1,MU Huandong3（1.Xian Municipal Environmental Monitoring Station,Xi an 710016,Shaanxi,China；2.Shaanxi Geological and Mineral Exploration Team Co.,Ltd.,Xi an 710032,Shaanxi,China；3.Xi an University of Technology,Xi an 710048,Shaanxi,China）Abstract:It is difficult to carry out geological disaster risk assessment before transfer of reserve land because the proposed con-struction project had not reached the feasibility stage.Based on the reserve land traversed by earth fissures in Xian,this paper presents the calculation formula of setback distance D by analyzing the planning conditions and geological conditions,as well as the building and foundation types.The area within the setback distance D is identified as major risk area;The areas outside the set-back distance D and within the setback distance of special buildings are classified as medium risk area;The areas outside the major risk area and the medium risk area are low risk area.This classification method closely reflects the actual situation,can be applied conveniently and easily,meets all relevant regulations,and serves as an effective guide in the risk assessment for this type of geo-logical disasters.Keywords:earth fissure;reserve land;risk assessment;setback distance我国地质灾害频发，因地质灾害导致的直接经济损失占我国自然灾害损失的20%以上（薛瑞，2011），严重威胁人民生命财产安全。地裂缝作为一种常见的地质灾害，在我国广泛发育（乔建伟等，2020），且以河北平原（京津冀地区）（李世雄等，2006）、汾渭盆地（陕西省、山西省）（彭建兵等，2007）、苏锡常地区（江苏收稿日期：2023-02-16；修回日期：2023-04-07基金项目：陕西省自然科学基础研究计划一般项目（2022JQ-289）资助第一作者简介：张文栋(1986-)，男，硕士，工程师，主要从事地灾防治及地质环境监测工作。E-mail：引用格式：张文栋，程岩，朱锟，马吉奇，慕焕东，2023.发育地裂缝的储备用地地质灾害危险性评估J.城市地质，18（2）：130-137130张文栋等 发育地裂缝的储备用地地质灾害危险性评估http:/ 亿元（闫文中，2010）。根据现有地裂缝勘察成果，目前西安地区共分布14条主地裂缝（f 1f 14）和3条次生地裂缝（f 5、f 6、f 9），地裂缝的广泛发育一定程度上制约了城市规划与建设，而储备用地作为城市发展的重要基础，在土地出让之前对其开展场地地质灾害危险性评估，既有利于提前防范地质灾害，又为合理估算土地价格提供了依据。目前，关于西安城市地裂缝及地裂缝场地评价已有大量的研究成果。易学发（1984）在20世纪80年代指出，西安城区陆续发现的地裂缝使附近建筑物遭到不同程度的变形和破坏，影响工程建设，进而提出了西安地裂缝是在地面沉降的特殊背景中产生的，是局部地面不均匀沉降的产物。姜规模（2005）以丰富的实际资料对西安地裂缝的形成机制进行了研究，指出现阶段过度开采地下水引起的承压水下降是引发西安地裂缝强烈活动的主要因素，限制开采地下水或采用人工回灌技术是防治地裂缝灾害最为有效的措施。随着研究的进一步深入，许多学者从构造活动的角度分析了西安地裂缝的成因机理（赵其华等，1995；李新生等，2001；苗康运等，2008）。研究认为西安所处的渭河断陷盆地一直处于下沉状态，绝大部分地裂缝带处于盆地断陷的北盘（亦即下降盘），地裂缝在横向张应力下形成。近年来，学者们提出了西安地裂缝是构造控制、地下水诱发的综合成因说，亦即西安地裂缝的活动成因是其受长安-临潼断裂带控制，地下水开采加剧地裂缝活动的成因模式（彭建兵等，2007）。在分析地裂缝成因机理基础上，有学者从西安地裂缝发育特征、致灾机理等方面出发，提出了地裂缝相关防治措施（刘玉海等，1994；沈红艳等，2018）；也有学者通过分析地质环境条件、地质灾害发育特征和建设工程活动特点，总结了建设工程遭受地裂缝和地面沉降危险性评估的技术要点（袁湘秦等，2021）。在与地裂缝相关的工程建设方面，多位学者进行了不同程度的研究（黄强兵等，2009；李忠生等，2013；杨凯峰等，2021）。但现有的研究均针对的是一般建设工程的地裂缝场地，对特殊场地尤其是储备用地场地研究较少。因此，需要提出一种适合储备场地发育地裂缝的地质灾害危险性评估方法，该方法能够满足现行规程要求，合理有效地利用储备场地，并对后续工作提供参考依据。2021年以前，西安地区的活动地裂缝场地（储备用地）地质灾害危险性评估，是按照2006年版地方标准DBJ 61-6-2006西安地裂缝场地勘察与工程设计规程（后称“2006版规程”）划定的地裂缝影响范围进行分区的，而2021年版修订完成的DBJ 61/T 1822021西安地裂缝场地勘察与工程设计规程（后称“2021版规程”）删除了地裂缝的影响范围，若仍采用2006版规程的地裂缝影响范围进行分区评估地裂缝储备用地危险性缺乏规程支撑，有可能会对实际工程设计、施工带来一定的困扰；而采用2021版规程中关于“避让距离的规定”进行分区时，又因储备用地（仅有规划条件而工作程度未达到可行性研究阶段）上的拟建建筑物类别不够准确而难以开展分区评估。本文在分析、研究西安地裂缝基本特征及成因机理的基础上，结合地裂缝相关研究结果及规范规程，给出了一种发育地裂缝的储备用地地质灾害危险性评估方法。基于储备用地规划条件及西安地裂缝穿越的储备用地场地地质灾害危险性评估工作现状，本方法在未进行地裂缝场地详细勘察工作前，从危险性分区的角度，有效评价储备用地地质灾害潜在危险；依据2006版规程及2021版规程，给出了不同建筑物类别、基础类型及基础埋置深度避让距离的计算公式；确保在安全合理避让活动地裂缝的同时，又最大限度地发挥土地资源的利用价值。研究成果可以方便快捷地对储备用地进行地质灾害危险性初步评价，为类似的储备用地地质灾害评估工作提供参考。1 西安地裂缝基本特征及成因分析1.1 西安地裂缝基本特征根据西安地裂缝勘察资料及研究成果（石明，2009），目前西安市共发育有14条地裂缝（f 1f 14），其中，有活动的次级地裂缝为f 5、f 6及f 9。另外，f 12、131第 18 卷 第2期 2023 年 6 月f 13、f 14为同一雁行排列的地裂缝，在2021版规程中统一编为f 12。14条地裂缝均位于临潼-长安断裂上盘，地裂缝近似平行，间距大致相等，以洼地、黄土梁相隔，如图1所示。西安市地形大致表现为东南高、西北低，地貌单元包括渭河河漫滩，渭河一、二、三级阶地，古河道洼地，黄土塬及黄土梁等类型。市区内从南至北共发育有10条黄土梁，梁面高程由南向北逐渐降低。地裂缝就发育在这种黄土梁洼地相间的地貌单元中，并且大部分地裂缝都处于黄土梁的南侧，且总与其相伴而生。1.2 西安地裂缝成因分析1）地下水成因说地下水成因是最早提出来的用于解释西安城市地裂缝现象的一种观点（沈红艳等，2018），该学说普遍认为，自20世纪70年代以来，随着西安城市发展，工农业生产、居民日常生活等方面用水需求量激增，西安地面沉降速率加快，地裂缝的异常活动与自备井数量的增加密不可分。通过比较西安地下水位与地面沉降量的关系，可以发现地下水的长期开采是引起西安地裂缝的主要原因（姜规模，2005）。西安地裂缝是在地表大规模变形这一特殊背景下形成的，是局部地面沉降的产物（易学发，1984）。2）构造成因说在地下水成因基础之上，结合西安地质构造及地裂缝发育特征，又有学者提出了构造成因说。在构造成因说框架下，可分为构造重力扩展成因、断块掀斜成因、力偶作用成因、基底断裂活动成因、历史地震成因等（苗康运等，2008）。构造成因学说提出地裂缝主要受到西安东南侧发育的临潼-长安断裂带控制，受汾渭地堑作用，是在一定构造应力下形成的，如图2所示（其中 f 1f 12为地裂缝，最右侧为临潼-长安断裂带）。3）综合成因说综合成因说结合了地下水成因说以及构造成因说（李新生等，2008），认为构造活动是西安地裂缝形成的内因，决定了地裂缝的延伸方向和展布规律，决定了其受力模式和破坏类型。地下水的过量开采，改变了土层原本的受力平衡状态，使得土中孔隙水压力降低，有效应力增加，从而导致土体开始发生压缩变形，引起地裂缝超常活动。综合成因说越来越被大多数学者所接受。2 储备用地地质灾害危险性评估2.1 地质灾害危险性评估原则储备用地是指政府根据国家储备用地管理办法规定，依法完成了收购的土地。根据相关要求，需对储备用地开展地质灾害危险性评估工作。但由于拟建工程未达到可研阶段，加大了评估工作的难度，特别是对于西安地裂缝场地这种特殊场地，合理评估储备用地地质灾害危险性对于后期工程是十分重要的。2006版规程中指出，根据地裂缝场地勘探标志层不同，将地裂缝场地分为一、二、三类，并根据上下盘图1 西安地裂缝及地貌分布图Fig.1 Ground fissures and geomorphic distribution in Xi anNf1f2f3f4f5f6f7f8f9f10图2 西安地裂缝发育示意图Fig.2 Diagram of ground fracture development in Xi an132张文栋等 发育地裂缝的储备用地地质灾害危险性评估http:/ 地质灾害危险性综合分区地裂缝穿越的储备用地场地地质灾害危险性评估工作不同于地质灾害勘察或治理工程设计，其属于地质灾害危险性半定量分区，主要目的是让建设单位提前防范地裂缝、合理规划建筑物，规范开展建筑设计及施工，以发挥建设土地的最大价值，因此在地质灾害危险性综合分区时应进行（拟建建筑遭受活动地裂缝危险性）以下2个方面分析。2.2.1 危险性综合分区一般方法前文已述，在2021年以前，对有地裂缝穿越的储备用地开展地质灾害危险性评估时，在危险性综合评估分区时，按照2006版规程中划定的变形区范围，一般不考虑规划条件将地裂缝主变形区（上盘06 m、下盘04 m）划分为危险性大区，而将微变形区（上盘620 m、下盘412 m）划分为危险性中等区。但2021版新规程中取消了此类变形区的划分。2.2.2 建筑类别避让距离D的确定根据拟建建筑物规模、重要性以及由于地裂缝活动可能造成的建筑物损坏或影响正常使用的程度，2021 版规程将建设在地裂缝场地的建筑物分为特殊类、一类、二类、三类和四类共5个重要性类别；而活动地裂缝场地内除四类建筑外的其他各类建筑均应采取避让措施，最小避让距离见表1。除建筑物类别外，在进行实际危险性综合分区工作时，最小避让距离还应考虑基础形式及基础埋置深度。2021版规程所规定的建筑物避让距离是建筑物基础底面外缘（桩基础为桩端外缘）至地裂缝的最短水平距离，且计算时地裂缝倾角统一采用80；本文依照规程要求，给出基础类型不同时，避让距离的计算公式。文中，建筑物避让距离D是指考虑建筑物基础形式及埋置深度时，建筑物最外缘距地裂缝地表破裂带的最短水平距离。地裂缝上盘避让距离D如式（1）所示。由于地裂缝倾向上盘，随地裂缝深度加深，下盘受影响逐渐减小，其避让距离D如式（2）所示。D=L1+k+H*tan10(1)D=L2+k(2)式中：D为建筑物外缘至地表裂缝的最小距离，以下称避让距离D；L1+k为表1中上盘不同建筑物类别的避让距离；H为基础埋置深度。其中，若建筑物基础为独立式基础、条形基础、筏型基础等类型，H为基础底面至地表的实际距离；若建筑物类型为桩基础，H为桩基地面至地表的实际距离。并且，建筑物基础的任何部分都不能进入地裂缝破碎带。L2+k为表1中下盘不同建筑物类别的避让距离。因此，由式（1）、式（2）可知，除4类建筑外，地下基础距地裂缝的最小距离为上盘6 m+k、下盘4 m+k。最远距离应根据建筑物类别及基础埋置深度确定。2.3 危险性综合分区建议方法在进行活动地裂缝场地地质灾害危险性综合分区时，需预先明确地裂缝展布位置，进而基于规划条件，根据建筑物避让距离进行分区，既解决了因规范的修编无法分区的问题，又能最大限度接近后期规划设计，从而为后续工程设计施工提供参考。1）危险性大区如前文所述，2006版规程对主变形区及微变形区表1 建筑物避让最小距离Tab.1 Minimum distance of building avoidance建筑物类别四类建筑三类建筑二类建筑一类建筑特殊类建筑避让最小距离/m下盘可以不避让地裂缝布置4+k8+k12+k16+k上盘6+k12+k18+k24+k注：k为勘探精度修正值。133第 18 卷 第2期 2023 年 6 月进行了划分，但是随后在2021版规程中取消了这一规定。根据已有研究成果显示，活动地裂缝破碎带内变形量大，破坏性强。并且，在2.2.2节中给出了不同类别建筑相应的避让距离确定公式。无论从危险性还是建筑物避让距离方面考虑，处于避让距离内的建筑物会承受地裂缝活动带来的风险，因此，在地质灾害危险性评价中建议将避让距离D内的区域划分为地质灾害危险性大区（图3）。2）危险性中区在规划条件方面，规划书地块基本信息会明确地块名称、四至范围、用地性质及净用地面积；在规划条件中会确定容积率、绿地率、建筑密度及相关的建筑指标。因此结合用地性质，根据绿化率、建筑密度、建筑面积、容积率及防火分区等参数估算建筑类别；在估算建筑类别的基础上，参考周边建设场地的地层岩性、岩土体工程地质性质、水文地质及工程地质条件、地基与基础方案（参考以周边建筑物的基础类型和基础深度，在西安城区多为CFG桩复合地基或钻孔灌注桩）等，根据一般工程经验，按照“就高原则”合理确定避让距离D。另外，依据2006版规程所述，上盘微变形区为620 m，下盘微变形区为412 m。微变形区内土体及地面会有所变形，但危险性较危险性大区已有很大程度的减弱。但是，对于特殊类建筑而言，2021版规程规定上盘最小避让距离为24 m+k，下盘最小避让距离为16 m+k。因此，综合考虑2006版规程及2021版规程，遵循 2.1 节中“就高原则”，进行地裂缝储备用地地质灾害分区时，除危险性大区外，将活动地裂缝下盘16 m+k、上盘24 m+k+H1*tan10内区域划分为危险性中区（图3）。3）危险性小区在确定好建筑物与地裂缝避让距离 D 时，可将危险性大区及中区之外的区域划分为危险性小区（图3）。危险性小区内地面变形小，建筑物受地裂缝影响弱。综上所述，在进行危险性分区时，需要考虑建筑物类别及建筑物基础形式的影响，建筑类别的影响可根据表1确定，即图3中L1的取值。建筑物基础形式不同，危险性分区计算考虑内容也不同。若建筑物非桩基础，危险性大区与危险性中区的计算是考虑建筑物基础底面至地裂缝的最短距离；若建筑物为桩基础，在计算危险性大区与危险性中区时，还应考虑基础埋置深度H的影响。由于储备用地其具体设计方案尚未可知，建筑物类别及基础埋置深度H无法确定。此时，可根据场地周边建筑物用途、类别、基础形式进行初步评估。图3 地质灾害危险性分区示意图Fig.3 Geological hazard zoning diagram134张文栋等 发育地裂缝的储备用地地质灾害危险性评估http:/ 某储备用地地质灾害危险性评估根据文中所述危险性综合分区建议方法，依托西安市雁塔区西沣路以东储备地地质灾害危险性评估项目，对西安某储备用地进行地质灾害危险性评估。评估的地质灾害类型包括滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷、采空塌陷、地裂缝、地面沉降、不稳定斜坡等地质灾害灾种。西安地处汾渭盆地，斜坡类灾害发育相对较少，斜坡类地质灾害主要集中于盆地边缘地区。因此，本储备用地地质灾害类型主要为地裂缝和地面沉降2种地质灾害，场地及周边不发育崩塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷、采空塌陷、不稳定斜坡地质灾害。依照西安市2018年10月2020年10月地面沉降平均形变速率数据，拟建场地周边区域沉降速率低于10 mma-1，现状发育程度弱，属于地质灾害危险性小区。因此，仅对地裂缝灾害的危险性进行评估。相关勘察资料及实地踏勘情况显示，拟建场地发育有f 9地裂缝和f 9次生地裂缝。拟建场地建筑面积约为110 000 m2，单层建筑面积约4 000 m2，基础形式为桩筏基础，埋深36.045.0 m。场地北部及南侧均存在隐伏地裂缝（推测），对后期建筑物施工、运营具有一定安全隐患（图4）。评估区内f 9地裂缝长136 m，倾向164，倾角约80，呈隐伏状；f 9次生地裂缝位于评估区南侧，倾向336，倾角约80，呈隐伏状。在现场调查中未发现地表有地裂缝变形迹象，场地西侧和北侧路面未出现与f 9地裂缝走向一致的裂缝现象，场地南侧的水泥路（f 9隐伏穿过）也未出现开裂等现象，场地内f 9地裂缝隐伏穿过地段也无地表变化迹象，现状条件下地裂缝发育程度较弱。由图4可知，拟建场地南北两侧均存在隐伏地裂缝，且拟建场地绝大部分位于f 9地裂缝上盘，对场地影响较大。场地地形平坦，地面高程364367 m，地形地貌简单。场地地层，上部为第四系全新统人工填土及冲积层，下部为第四系上、中更新统冲积层。在地质构造方面，场地主要受到汾渭地堑影响，在东侧约4 km有一皂河断裂发育，对场地影响较小。场地内地下水埋深610 m，水位年变化幅度13 m，主要接受大气降水补给及地下水侧向流入，排泄方式为地下水侧向流出、人为抽采及蒸发消耗等。综合考虑场地地质条件及建筑规划，并根据2021版规程中对建筑物类型的规定，确定该场地内建筑符合二类及三类建筑特征，遵循“就高原则”，初步以二类建筑进行考虑，桩深按45 m计。依据式（1）、式（2）计算结果及2.2.3节“危险性综合分区建议方法”中的有关内容，本建设场地地质灾害危险性评估结果如表2所示。其中，由于f 9、f 9地裂缝为推测地裂缝，呈隐伏状，且目前仍处于储备用地初步评估阶段，本次k按10 m考虑（开展地裂缝专项勘察后可重新确定）。本方法简单可行，若后期规划调整，建筑类别及基础埋置深度改变，本分区届时可依据实际情况进行及时调整。结合地裂缝场地建筑物避让距离，场地地裂缝地质灾害危险性评价示意图如图5所示。图4 某建设场地与地裂缝位置关系示意图Fig.4 Diagram of the relationship between the location of a construction site and ground fissures表2 某建设场地危险性分区表Tab.2 The table of hazard zoning of a construction site建筑类别危险性分区危险性大区危险性中等区危险性小区二类建筑下盘危险性分区范围/m018182626上盘危险性分区范围/m029.9329.93+k41.9341.93注：k为勘探精度修正值，表中数据代表建筑物基础至地表破裂的水平长度。135第 18 卷 第2期 2023 年 6 月根据危险性分区图（图5）并结合场地位置与地裂缝关系图（图4），可以得出，本储备用地主要受f 9地裂缝的影响，受f 9地裂缝影响较小。对于f 9地裂缝，在上盘29.93 m、下盘18 m范围属f 9地裂缝主变形区（破碎带），拟建工程遭受地裂缝地质灾害的危害程度大，属危险性大区；在上盘29.9341.93 m范围内，拟建工程遭受地裂缝地质灾害的危害程度中等，属危险性中等区；在上盘34 m以外地裂缝变形程度弱，拟建工程遭受地裂缝地质灾害的危害程度小，属危险性小区。对于f 9地裂缝，次生裂缝f 9从场地南侧（用地范围外）穿过，呈隐伏状，拟建场地位于该次生地裂缝上盘。并且，f 9与场地南部边界最小距离36.8 m，位于危险性大区外，仅有部分位于f 9地裂缝影响范围内，属危险性中等区，对拟建工程影响小。因此拟建工程遭受f 9次生地裂缝的危害程度小。4 结论本文在分析西安地裂缝基本特征、成因机理的基础上，以西安某储备用地为研究对象，对发育地裂缝的储备用地进行了地质灾害危险性评估。主要结论如下：1）提出了一种适用于西安储备用地发育地裂缝的地质灾害危险性评估方法，建议采用避让距离与危险性分区法。2）依照2021版规程中关于最小避让距离的规定，给出了储备用地避让距离D的计算公式，并建议将避让距离D范围内的区域划分为危险性大区，结合2006版规程中微变形区的规定以及2021版规程中对特殊类建筑最小避让距离的规定，采取“就高原则”，给出了危险性中等区的划分原则，将危险性中等区以外，建设用地范围以内的区域划分为危险性小区。3）根据建设场地的地层岩性、岩土体工程地质性质、水文地质及工程地质条件、地基与基础方案等，合理确定避让距离。当场地受多条地裂缝影响时，应注意场地位于地裂缝之间时对拟建工程的限制。参考文献黄强兵，彭建兵，樊红卫，杨沛敏，门玉明，2009.西安地裂缝对地铁隧道的危害及防治措施研究 J.岩土工程学报，31（5）：781-788.姜规模，2005.西安市地面沉降与地裂缝研究 J.城市勘测（3）：53-55.李世雄，李守定，郜洪强，2006.河北平原地裂缝分布特征及成图5 西安市某储备用地地裂缝场地评价示意图Fig.5 Ground fissure site evaluation of a reserve land in Xi an136张文栋等 发育地裂缝的储备用地地质灾害危险性评估http:/ J.工程地质学报（2）：178-183.李新生，王静，王万平，李忠生，张福忠，彭建兵，2008.西安地铁二号线沿线地裂缝成因分析 J.水文地质工程地质（5）：33-36.李新生，闫文中，李同录，孙国梁，2001.西安地裂缝活动趋势分析 J.工程地质学报（1）：39-43.李忠生，高虎艳，宋彦辉，李新生，邓国华，朱宝山，2013.西安地铁四号线沿线长安地裂缝研究 J.土木工程学报，46（8）：98-104.刘玉海，陈志新，倪万魁，1994.西安地裂缝与地面沉降致灾机理及防治对策研讨 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