西安地面沉降与地裂缝关系的量化分析.pdf

第?卷第?期!年#月地质灾害与环境保护%&?&()?+,./0.102(&03%045%/%24(&06&?7?,附 8%97,!西安地面沉降与地裂缝关系的量化分析赵其华王兰生:成都理工学院工程地质研 究所,成都;通 过重力扩展机制分析,表明过量 开采地 下水造成的异常地面 沉降,促进与加速 了地裂缝的活动进程。本文 正是在上 述研究的基础 上,采用灰色动态关联 时序分析模型,定 量地分辨出 由地裂缝 活动引起 的垂直 位错 量和过 量开 采地下 水 引起的垂 直 下沉量,在表 观地 面沉降量值中各 自所占比例,从而 为制订合 理的管理 控制对 策提供了地质 依据。二、地面沉降的基本特征:一=地面沉降形态特征西安市地面 沉降始于!?!年,依据其活动速率大致可分为三个阶段?:?=!:#=!一!年为加速 沉降期,沉降速率一般达 !:=!年以来为异常沉降期,最大沉降速率已达#33:图=。依据 观测 资料,西安 市 沉降范围已达#3,最大 累积 沉降量达#3 3,已形成 多个沉降中心。在沉降区发育有大小不等、形态各异 的和深度不同的沉降漏斗,因其形似 狭长簸箕 状 故又称 沉降槽,其长轴展布方向近1 1向,与地 裂 缝走向一致。,参加研究的尚有陕西地矿局水文地质总站张茂增、沈小珍同志等。第 期赵其华、王兰生?西安地面沉降与地裂缝关系的量化分析图 !年西安地面沉降速率等值线图:二=地面沉降与地裂缝关系的相关性已有表观地 面沉降及短 水准 监测资料表明,地裂缝 活动 量与沉降量两者具有同步发展趋势。地形变观测资料显示,地 面沉降自!;年开始,沉降速率加快,同时地裂缝的垂 直错位也相应加快,甚至对 地面 沉降所表现的季节性差异也有相应的反 映,说明因超采引起的地面沉降对地 裂缝的活动有明显的影响。图#反映 了地裂缝两侧 地面沉降的差 异,沉降量在地 裂 缝 处有 一 明显跃变现象。再从二者的空间分布特点上可以归纳 出,地裂缝与地 面 沉降的活 动 量级均表现为西 安市南 东侧 强而向北西方 向渐弱的特点,而 且沉降槽多夹持在两 地 裂缝之间的地块之中,地裂缝 多位于 沉降槽北侧变形梯度较大处。/一;一一;?!;7#!7一#?#?#!,;!7!7#!7 !7!7#!7 图#地 裂缝附近沉降的差异现象以上相关性分析表明,地裂缝与地 面沉降二者具有较好的相关性,即两者既存在着独立的成因机制,同时又有着密切的联系。:三=地 面沉降与地下水开采的相关性 7地下水开采状况地 下水开采层主要 为浅部承压水、,埋深在 3以内。含水岩性以粉细砂 为主,自南而北粒径由粗变细,单层含水厚度 由小到大,其中亚 砂土、亚粘土等弱透 水层普遍发育,水质好,渗透系数为;3.,单位涌水 量 7?/。地质灾害与环境保护!年#7承压水 位变化动态承压水位 自然动态规律表现为?一般在、月份水位略有下降,!月份水位回升,高水位期出现在0月至次年、#月份,水位变化缓慢,变幅一般为7?3 3。西安市承压水开采始于五十年代,但当时由于开采量小,直到 六十年代仍未形成区域性降水漏斗,年均降幅为?一3,仍保持自东南向西北的天然流向。进入 七十年代后,开采井数逐年增加:表=,地下水开采量迅速增大,因而承压水位大幅度下降,年均下降;3,形成了区域性降水漏斗。表?西 安 市自 备井数盆 统计表年年代代!?!?!;?!;!井井数数?;!?;!#?7地面沉降 与承压水位 变化的 相关性前述分析已指出,地面 沉降是自!;年以后开始进入迅 速发展阶段,这一特征与承压水区域性降水 漏斗的形成时期相当,因此可以认为造成地面沉降的近期活跃,其主导 因素是 地下水 开采。为研究两者在时间上的相关性,以承压水位下降量为自变量,以沉降量为函数,经 回归分析,得出相关系数如表#所示。相关系数一般均大于7,并且水位的季节变化在沉降量上也有明显反 映:表=。表#累积水位降与累积沉降最的相关性观观测点号号观浏时间间相关方程程相关系数数;?!;7?7 !;7?#十 7#7 ;!一#7;十#7 7!#;?!十 7#7!#;?召 !一 7#!#;#忍 !#;7?一#!7 7!#西西华一,;!井井!;!一;7一?7#7!表季节性水位变化与地沉速率变化对比水水准点点季节沉降率:3 33&7=井号号季节水位降:33&7=四四四四四四四四四四四四四长长安环环7 ,#7?!,;一7?7?7 一7;导导 !7 ;7#7 7 ;!一7?7?7?#一7 雁雁塔北北7?7 7?;,!;!一7?7?7?#一7一承压水水位变幅一地下水开采量一为假定的由地裂缝活动造成的垂 直位错量。关联分析按下述程序进行?7参数标准化处理将上述四项动态资料:包括未知量=视为个时间序列?、和。并将它们反映到笛卡尔二维平面坐标系中,则为四条关联 曲线:图=。由于?未知,这里只能 反映 三 组时序。从解决实际问题 的角度出发,以为母序列,、义、:为子序列,并将子序列与母序列的关联性用关系 系数及关联度来衡量。首先作标准 化处理,将各参数除以系列参 数的算术平均值,变为无 量 纲 因子,处理方法如下?:=:=:=叉:=一斋鑫?:、=一斋鑫:、=一责鑫:、=一斋鑫。、=式中,为观测点数。#7关联 系数经过数据标准化处 理,则在笛卡尔二维平面 上,的区间内,第条子线在时刻与母线,的距离?:?=一,:4=一:4、=是衡量该时刻条子线与母线关联度的基本依据。显然?:?=一,则在4?时刻,子、母线重合,关联性最好,?:?=愈大,关联性愈差。衡量此种关联性的指标称为关联系数,具体计算公式为?右,:忿=氏(。叮7“:?=3右:?=毛=一:4?=?#,乞#,为分 辨系数,一般取值小于式中,?、,?表示抽水时对?的贡献或影响,而,#?是未知的。考虑到,#反映的 是受重 力扩展活动控制的 活动量,可设 定某一年的是二 的责倍,将、叠 力。到一中成 为?,再通过 具体观测值求得。!三时序分析从以上灰色关联模型 可见,自然因素引起的沉降量中,还 包含有各种藕合效应及随机成份 引起的变形,为有效地 滤掉这 部分“噪声”,采用 了时序分析方法。地裂缝的活 动受其 自身力学机制的严格控制,但同时又会受到各种随机干扰因素的影响,其变化是复杂的。然 而通过 上述关联综合分析,求解的自然 因素沉降量所组成的时序列在某一 时刻的取值,它正是上述多因素综合作用的表现。时序分析的任务,就是 滤掉随机干扰成份,求出自身活动规律。时序变化,一般可 由趋 势项、周 期项和随 机项 的线性 组合来表示 夕!#%!#十&!#。!#式 中,%!#为趋 势变化 项,它 是 事物 内部 机理 控制项(风#为周 期变化 部 分,反 映了事物 自身的发展和消亡过 程(。!#则为随机性干扰项的综合性体现(军!#为时间序列在时刻的取值。时序分析的任务在于分别求出趋势项、周期项,筛除随机 项,以便得出研究对象 自身的影响效益。本次研究中,趋势性分析采用多项式拟合来完成(周期性分析采用方差分析的方法来提取 周期项。!四地面沉降分配比灰色关联时序分析结果依据上 述研究分析思路,编制了相应软件,选取 了?)个计算点,计算结果见表。第 期赵其华、王兰生?西安地面沉降与地裂缝关系的量化分析#表灰色动态关联 时序分析 结果序序号号观测点号号原始数据据重力扩展沉降量量抽水沉降量量观测点距沉降中心距离离:=:=?年;年 年 年年年年年?+,?./0/123)2 2 2!0 3 2 位于沉降中心心军军干校校校校校校校校校校校校校校校校校校校?.3)0 0 0,/3 2 2 2 2 2?,13/013/.32 2 2 2 2 2 2 2 24 4 4 4 40 5 52 2,0 1,22),?),0 0 0 0 0 0 0 0 0)1+)2),10?2)!13 !2 030 位于沉降中心一侧侧钟钟楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼楼1.30.0/3.2 2 2 2 2?13)1030 0一)3.3?2 2 2 2 2 2 2 2 24 4 4 4 4,)5 5?),?1,?)1?).1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1.+)11)1.1 1 1!.31 !2/3 位于沉降中心一侧侧雁雁塔南南南南南南南南南南南南南南南南南南南)30 0 0 0)31 2 2 2 2 2?)?)303?/一13013)4 4 4 4 42 15 5)10)2/).,/?,/1 1 1 1 1 1 1 1 1 0+/1/0/!?/30 !,.3 位于沉降中心李李家村村村村村村村村村村村村村村村村村村村?2.0 0 0,3/2 2 2 2 2)?1232 一)3?/?3?1 1 1 1 1 1 1 1 14 4 4 4 4,25 5)0,)?)?1 1 1 1 1 1 1 1 12 2 2 2 2+2./,0 2 2 2!2)3,!3)位于沉降中心一侧侧侧侧绘 局局局局局局局局局局局局局局局局局局局)30 0 02)2 2 2 2 21?)31130,?3./.30 4 4 4 4 4,166?/1?.0,2?0 0?0 0 0 0 02+2?.?2?)2 2 2!)3 !230 位于沉降中心心吉吉祥村村村村村村村村村村村村村村村村村村村?7 7 7,/2 2 2 2 2?/30 23)?32 1)3?2 2 2 2 2 2 2 2 24 4 4 4 4/5 5),1./,)?)2).1+0 12)2 !)3 !231 位于沉降中心心西西工大大大大大大大大大大大大大大大大大大大?.3,?,/3?/一侧!80北侧 2 2 2 2 2).?3,11321一)30)3.4 4 4 4 4,?5 5 0 0.0?.111 1 1 1 1 1 1 1 1,2?+?.),3,?2 2 2!123 !0 30 位于沉降中心心职职三院院院院院院院院院院院院院院院院院院院,31)/?30,9 9 9 9 9:?3一?3,/?32,23/4 4 4 4 4/)5 52?/,?/,2 1?)/2+.0.,.!?,30 !,?3 位于沉降中心心和和平门门门门门门门门门门门门门门门门门门门?03?1 1 113,一侧!.0北侧“2 2 2 2 2)?13232 一)3?/?31?4 4 4 4 4,25 5)0,)?)?1 1 1 1 1 1 1 1 1?.0+/0,?1?,3 !2?30 位于沉降中心心小小寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨寨,/?32?2 2 2 2 22?13?123?3/230 4 4 4 4 42.5 5?/.?11?1?02)?,+0).?,1 !0 !2 位于沉降中心边缘缘射射击场场场场场场场场场场场场场场场场场场场1 1 12 2 2 2 2 2?,?)3123 2?3,131 4 4 4 4 42 25 5?)20)?/)?)/+/1,2,/?2?!)3,!23)位于沉降中心心大大雁路路路路路路路路路路路路路路路路路路路?31.,23.2 2 2 2 2?/)3)32)13.4 4 4 4 42?5 5),./)?1/?,?1?!表观沉降 中地裂缝活动量和超采沉降量所占比例3资料不齐全,仅作参考(+地面沉降量!;,?水位变幅!;,5开采量!;,=,括弧内的比值为未作时序分析的结果。#地质灾害与环境保护!年结果显示,在沉降中心区,地裂缝 自身活动量占表观沉降量的?7?,在沉降中心两侧或沉降速率不大的地段,一般为#?一?,而在沉降边缘区,地裂缝活动引起的沉降量所占比例高达?。四、地面沉降量趋势分析按以下两种地下 水 的极端 开采情况,对!一#年由超采引起的地面沉降量级作出预测。7满足自然供需状况下,即按目前的递增趋势递增,今后#7控制年水位变幅为零的情况下,今后 年的沉降量,采用灰色系统2氏生物生长模型2:=。两种预测结果见表?。表?西安 市部 分地段沉 全 预测:单位?33=地地点点时间模型型!#!?!;!#小小寨寨:,=!?7 ;?7#7?!7#7;#7?#?7!#7!6 6 6 6 6:=;!7;#7#?;7#7#7?7#7 7!沙沙坡村村:,=7!#7;7 7!7?7 ;7 ;7!7;7 6 6 6 6 6:=?!7!#7?7!#7 7!;。7#7 草草场坡坡:,=7;?7?!7 7!#7#;7?7 ;7#!?;7 6 6 6 6 6:?=7#7#;7 ;7?,#7?7?7!7;西西工大大:,=!?7 !?7;!;7 !;7 !7#!7 !7#!7 !7!6 6 6 6 6:=#7 7 7 ;7 7#7?7?7!7?7 军军政干校校:,=?7?7?7?;!丫7了了誓了了/7?誓厂厂/犷犷6 6 6 6 6:=#。7 金金花饭店西西:,=7?7 7 义犷犷?7 !7#7?#7#7 ;!6 6 6 6 6:?=们7#7;!7?7 7?#7#7 7!大大雁塔塔:,=7 !7#!#7?7#7!?7;7?7 6 6 6 6 6:=!7?7?7 7#7 7#7 !7 ;7?八八府庄庄:,=#;,#7#7?7#7 7!#7!7?7#7!6 6 6 6 6:=7 7 7!7 7#7?7#7 7 韩韩森寨寨:,?=7#7 7!#7;#!7 ;7#7 !7;?;7!;7;6 6 6 6 6:?=?7 7 7#7 7 7#7 7若控制年水位变幅为零,维持现降水漏斗不变的情况下,今后的抽水沉降将趋于消失。因此,有效地控制地质灾害的进 程,当务之 急是制订地下水的合理 开采方案,同时建立相应的管理控制系统。五、小结总结本文的研究过程,可以得 出如下结论与 认识?二将灰色 理 论与时 间序列分析相结合,创建了灰色动态关联 时序分析模型,定量地第 期赵其华、王兰生?西安地面沉降与地裂缝关系的量化分析分辨出表观地 面沉降量值中,因地裂缝活动和 超采地 下水造成的沉降量比例,得出沉降中心区,表观地面 沉降中,由地裂缝活动迭加 的垂直位错量只占 一?7?写,在沉降中心 两侧或沉降速度不大的地 段,一般为#?一?,而在沉降边缘区,地裂缝活动引起的沉降所占比例高达?。#7研究区地面沉降是由人为和自然 因素共同作用的结果。在确定性模型 尚未建立的情况 下,采用灰色 系统分析的方法,可有效地利用已知信息,求解出适 用于城市规划、管理的地质依据。研究结果表明,研究区的异常表观 地面 沉降量主 要由超 采地下水引起。7针对研究区致灾特点,结合两种开采情况 下地 面沉降趋势预测结果,当务之急是制订合理的地下水开 采方案,加速 黑河引水工 程的进程,同时考虑转移地 下水水源地,从而转 移地面 沉降地区的办法 达到用水与治 沉二者兼顾的目的。这样,不仅有效 地逐步消除由超采 引起 的地表垂 直位错,而且 可以最大 限度地减轻由地裂缝 活动导 致的灾害程度。参考文献?邓聚龙,灰色 系统,国防工业出版社,!?。#?77潘迪特,时间序列及系统分析与应用,机械工业出版社,!。赵其华,西安地裂缝、地面沉降及地面稳定性,成都理工学院,硕士学位论文,!7:土接 第;页=这些 断层不 仅规模较 小,未切穿河 间地块,而且都具 压性或压扭性特 征,其破碎带具有 一定的 阻水性能。因此,近坝 地段不具备库水沿断裂带 向邻 谷发生 集中渗漏 的条件。从水文地质条件来看,两岸河间地块分别处于糖房湾背斜的北翼和南翼,均 由须家河组、自流井组、沙溪庙组地层组成,岩层 呈单斜产出,因而具有基本相同的水文地质结构,即都包含了须家河组 和沙溪庙组两个弱含水透水岩系及其间所夹的厚约#3的自流井组相对隔水岩系。自流井组隔水岩系在金沙江河谷两岸的出露高程几乎都在 3以上,上覆的沙溪庙组含水透水岩系中的地 下水:包括其中的上 层滞水=受其阻隔,分别径流排泄于邻谷的捻溪河和关河,与正常蓄水位 3的库水不发生水力联 系,因此 也与水库渗漏 问题无关,显然与水库渗漏有关系的只能是 隔水岩系下伏 的须家 河组 含水透水 岩 系。但如 果须家河 组含水透水 岩系及其上覆 自流井组 中的地下水存在分水岭且高于水库 正常水位,则将不会发生渗漏,否 则就 有可能发 生渗漏。据6 坝线 及6?坝 线横剖 面的钻孔资料,河流两岸含水透水岩系中的地 下水分水岭高程均在 3以上,高于水库正常蓄水位 3,因此,水库蓄水后,库水不会沿该含水岩系向邻谷或更远的排水区发生渗漏。上述分析表明,在近坝地段的河间地块地区,从地形 地 貌、地 层岩性、地质构造、水文地质等方面来看,都不具备向邻谷渗漏的必要条件和充分条件。因此,水库蓄水后,库水不会通过近坝地区的河间地块 向邻谷 捻溪 河和关河产生渗漏。