• English | 武漢大學 | 院長信箱
    點擊展開菜單
    成果交流
    當前位置: > 科學研究 > 成果展示 > 成果交流 >

    這里是我國乃至全世界地裂縫災害發育最典型的地區,但高鐵、地鐵在此暢通無阻

    時間:2017-05-22 來源:賽杰奧 點擊:
    汾渭地區地處黃河流域的中游,是中華民族的發祥地,自古便是人口密集、農業發達、交通便利之地區,現今仍是我國的經濟核心區之一、人口稠密區和重大工程重點建設區之一。其中,汾渭盆地內部的關中地區(渭河盆地)位于絲綢之路經濟帶起點的關天經濟區內,是西部大開發的橋頭堡。汾河盆地(包括大同盆地、太原盆地、臨汾盆地和運城盆地)處于絲綢之路經濟帶的輻射影響范圍內,與渭河盆地屬同一構造帶內,兩者具有明顯的構造牽連性,均為地裂縫地面沉降強烈發育區和高易發區。

    ▲全球已發現地裂縫分布示意圖及

    汾渭斷陷盆地地裂縫分布圖 

    汾渭盆地北起大同盆地,南達渭河盆地的寶雞市,全長1200km,寬30~60km,總體呈北北東向,平面上呈“S”形展布。汾渭盆地處于印度板塊、太平洋板塊與歐亞板塊相互作用交匯部位,同時又處于鄂爾多斯穩定地塊和活動的華北地塊的構造復合部位,在區域構造環境上具有明顯的特殊性和代表性,在中國大陸現代地殼變動格局中具有特殊的地位和作用。

     

    汾渭地塹已成為我國乃至全世界地裂縫地面沉降最發育、破壞性最強、區域性特點最典型的地區之一。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、供氣和排水系統造成嚴重威脅,已造成上百億元的直接經濟損失。地面沉降主要發生在一些大中城市,形成的降落漏斗中心,給城市防洪造成巨大壓力;不均勻沉降還使建筑物和文物古跡遭到傾斜和破壞,也加速了地裂縫的活動。這些災害不僅影響了城市的規劃布局、土地有效利用、地下空間的開發,而且還危及各類工程建筑的安全,也給城市居民生活造成困難。

     

    20世紀中、后期以來,在汾渭盆地帶的大同、太原、榆次、臨汾、運城、西安及咸陽等大中城市先后出現地裂縫和地面沉降災害,迄今為止,已有60余個縣市、400余處發現地裂縫,總計500余條,雖沒有地震災害的地動山搖之烈,但卻因其作用力的持久增強性及其分布位置的城市相對集中性,給國民經濟、城市建筑及生命線工程造成巨大破壞。

     

    自2004年開始,基于汾渭地區地裂縫地面沉降災害的發育現狀及防災減災的迫切性,長安大學先后承擔了國土資源大調查、國家自然科學基金等項目,在汾渭地區展開地裂縫地面沉降調查、監測及成因與減災綜合研究!斗谖寂璧氐亓芽p災害》一書即是上述系統研究的成果總結,取得的學術成果主要包括如下10個方面:

     

    ▋ 1. 首次系統填繪了汾渭盆地1∶50萬、1∶20萬、1∶1萬和1∶1千等不同比例尺的地裂縫分布圖235幅,調查發現汾渭地區發育地裂縫518條,揭示了汾渭盆地地裂縫的空間分布規律。發現汾渭盆地地裂縫主要分布在大同、太原、臨汾、運城和渭河等5個沉積盆地中;盆地地裂縫在空間上以成帶發育為主,并主要沿活動斷裂帶和地下水降落漏斗區的邊緣發育,具有在斷陷盆地群集同生、沿活動斷裂帶集中共生、與地面沉降相伴鏈生的空間分布規律,形成了我國地裂縫研究的系統基礎資料。

     

    ▋ 2. 監測發現汾渭盆地地裂縫的活動具有間歇性和分段差異性特征,揭示了地裂縫的活動規律與運動規律。開發了地裂縫地面沉降GPS與InSAR融合監測新技術,實現了mm量級的監測精度,并用于高精度監測汾渭盆地典型地裂縫地面沉降的活動狀況,掌握著主要地裂縫的發展變化趨勢;發現地裂縫具有在晚更新世以來3~4次周期性開裂,近50年來受人類活動影響歷經4~5次周期性復活擴展的時間活動規律,以及單條地裂縫分段活動差異顯著的特征;發現地裂縫的運動以垂直位錯為主,最大活動速率可達每年數厘米,水平拉張量較小,水平扭動量極小。這些成果為地裂縫災害的評價、預警和科學防治提供了重要依據。 

     

     

    ▋ 3. 勘探發現地裂縫具有特殊的立體結構特征,揭示了其生長規律。通過科學探槽、鉆探和地球物理勘探,發現汾渭盆地長大地裂縫均與下伏斷層相對應,并隨深度位錯量增大而具同生斷層特征,表明汾渭盆地主干地裂縫多為隱伏構造破裂在地表的露頭;發現地裂縫沿走向時隱時現,具分段特征,平面上一主多支,具分叉特征,垂向上10m以淺表現為多條拉裂縫,向深部收斂成單條剪切面,具分異特征,剖面上分為破裂帶和影響帶,具分帶特征;地裂縫表現出垂向上自下而上逐步生長、向兩側分帶增生、沿走向分段擴展的生長規律。這些成果為地裂縫成因機理的研究和工程減災設計奠定了重要基礎。

    汾渭盆地地裂縫機制模式圖

     

    ▋ 4. 發現多個盆地地裂縫的群發由大陸構造動力所驅動:以GPS觀測數據為約束,計算發現汾渭盆地現代構造變形主要受青藏塊體的隆升東擠的大陸動力影響,汾渭盆地以2~5mm/a的速率呈北西-南東向伸展,各個盆地地裂縫多發區域均存在顯著的與地裂縫走向近垂直的拉張應變量,表明青藏塊體的隆升東擠為汾渭地區多個盆地地裂縫的群發提供了拉張動力源,地裂縫可能是青藏塊體隆升東擠的遠程地表破裂響應。

     

    ▋ 5. 發現單個盆地多條地裂縫的同生由盆地構造動力所驅動:基于地球物理勘探、地震層析成像技術和小波分析技術,建立了汾渭盆地上地幔隆起、中地殼低速高導層流展、基底伸展和地表多級破裂的地殼結構模型,確認上地幔隆起和中地殼流展的深部應力上傳提供了孕裂的動力源,基底斷塊差異運動和蓋層斷裂系統伸展活動的動力自下而上驅動著單個盆地多條地裂縫的同步生長,表部的拉張應力加劇了土體的破裂。

     

    ▋ 6. 發現地裂縫與斷層的共生由斷層局部構造動力所驅動:科學探槽和鉆探揭示,汾渭盆地地裂縫與斷層普遍相伴共生,且主要由斷層局部構造動力所致:盆緣斷裂差異垂向蠕動的共生裂縫和伴生在斷層上盤的次級裂縫;盆內塊間斷裂垂向活動伴生的共生裂縫和派生在斷層上盤的次級裂縫;隱伏走滑斷層水平扭動派生的地裂縫;土層構造節理在區域構造應力場作用下開裂響應成縫。從理論上詮釋了地裂縫形成與斷層局部構造動力的內在關系。

     

    ▋ 7. 發現地裂縫的復活與擴展由水動力所驅動:大型模擬試驗證明,超采地下水引起的壓縮層差異沉降和含水層的水平運動既可激活先存斷層斷錯擴展至地表形成地裂縫,也可直接引起地面沉降而鏈生地裂縫;降雨沖蝕、浸水潛蝕和地下水位回升濕陷等水動力作用既可形成新的地裂縫,也可重新開啟和擴展老地裂縫。從理論上闡明了水動力及人類地質營力的外生擴縫動力學機制。以此為基礎,提出并論證了構造控制、應力驅導和動水擴展的多因耦合共生成縫理論。這些成果為地裂縫的風險預警和減災應對提供了重要理論依據。

    陜西涇陽地裂縫成因機理圖

     

    ▋ 8. 率先解決了與地裂縫小角度相交或近距離平行的地鐵工程適應地裂縫變形的技術難題。我們前期曾成功解決了西安地鐵與地裂縫直交和大角度相交的減災技術問題,但在建的西安地鐵3號線多處與地裂縫小角度相交或近距離平行,面臨著更加復雜的減災技術難題。通過大型物理模型試驗,再現了地裂縫活動下與地裂縫小角度相交的地鐵隧道的變形破壞模式,主要為拉剪和扭轉剪切變形破壞,提出了地鐵隧道結構分段設騎縫、局部擴大斷面和封閉的防水結構等適應地裂縫變形的隧道結構型式,以及地鐵隧道平行地裂縫安全避讓距離等應對措施。這些成果現已應用到西安地鐵3、4、5、6號線的工程設計中,成功解決了地裂縫環境下地鐵工程減災的特珠難題。

     

    ▋ 9. 研究并揭示了地裂縫活動對高速鐵路路基及橋梁的危害機理,突破了高速鐵路適應地裂縫變形的減災難題。通過大比例尺模型試驗,揭示了高速鐵路路基、橋梁穿(跨)越活動地裂縫帶時路基中的應力場與位移場的變化規律、路基變形破壞區范圍和失穩特征、橋梁的結構響應以及路基與軌道、地基與橋梁二者之間的相互作用,揭示了地裂縫作用下路基發生彎曲-扭剪破壞、橋梁發生落梁、錯位和剛性扭剪破壞模式,提出了高速鐵路穿越地裂縫帶路基柔性加固和剛性加固措施:路堤填土內分層滿鋪高強土工格柵、樁筏結構型式與樁板結構型式,橋梁采用可調支座的簡支箱梁結構型式。這些成果現已應用到大西高速鐵路穿越地裂縫帶的設計中。

     

    ▋ 10. 揭示了地裂縫對各種建筑物基礎的破壞機理模式,提出了地裂縫環境下工程建筑物安全避讓距離及基礎處理措施方案,為城鎮建設地裂縫減災提供了技術支持。通過大型物理模擬試驗和數值仿真分析,調查發現工程建筑物在地裂縫活動下的豎向拉裂、斜向陷裂、水平剪裂、平面褶裂、鏡向開裂及三維扭裂的工程致災規律,揭示了地裂縫對道路、橋梁、隧道和管道等構筑物危害的力學機制,提出了控制采水、合理避讓、適應變形、局部加固的地裂縫減災技術。

     

    此外,還在前期西安地區地裂縫地面沉降信息管理系統基礎上,構建了整個汾渭盆地地裂縫地面沉降數據庫和基于WEBGIS的信息管理系統,為汾渭地區地裂縫地面沉降的災害管理和防災減災工作提供了先進的信息平臺和手段。

    汾渭盆地地裂縫地面沉降信息管理系統主界面

     

    重大項目的攻關必須有一批志同道合、各有專長的專家實行多學科協作。我們這部專著成果是各有關方面大力支持的結果,凝聚了數十人的心血。本書各章執筆分工如下:第1章由彭建兵執筆;第2章由陳志新、孟令超、王飛永執筆;第3章由彭建兵、孟令超執筆;第4章由孟令超、彭建兵、喬建偉執筆;第5章由盧全中、孟令超、喬建偉執筆;第6章由彭建兵、何紅前、喬建偉執筆;第7章由孫曉涵、王瑋執筆;第8章由李宇、杜文鳳執筆;第9章由盧全中、鄧亞虹執筆;第10章由彭建兵、盧全中、王啟耀執筆;第11章由黃強兵、劉聰、彭建兵執筆;第12章由黃強兵、彭建兵執筆;第13章由鄧亞虹、盧全中、石玉玲執筆;第14章由彭建兵、臧明東執筆;第15章由李斌執筆。全書由彭建兵統稿并定稿。

     

    【相關閱讀】彭建兵:我28年的地裂縫研究之旅

     

    本文摘編自《汾渭盆地地裂縫災害》(彭建兵等著. 責任編輯:張井飛 韓鵬. 北京:科學出版社,2017.1) 一書“前言”,有大幅刪減,文中圖片來自該書正文相關章節,標題為編者所加。

    时时彩计划