陕西省Xi市地裂缝灾害评估

(一)地裂缝的分布特征

陕西Xi是目前中国地裂缝灾害最严重的城市。地裂缝的活跃历史很长。早在4000年前就有“黄帝死必裂”的记载。今天的地裂缝是历史地裂缝的延续和发展。

据调查，目前Xi市城区和郊区共有地裂缝10条。它们的开发长度超过1km。近年来，它们的倾滑速率在不小于总长度三分之一的长度内达到10 ~ 100 mm/a(图15-1，表15-1)。

图15-1 Xi市地裂缝分布图

Xi安地裂缝的发生和活动特征具有统一的规律性。所有地裂缝的总体走向为NEE，大致平行分布，间距为0.6 ~ 1.5 km，东起浐河，西至何穗。北起辛家庙，南至电视塔。NEE方向长19km，西北方向宽10.5km，总面积150km2，全长55km以上。每个地裂缝的活动强度不同，同一地裂缝不同地段的活动强度也有很大差异。

这些10地裂缝带的地表破裂十分显著，组合形式多样。地裂缝活动具有垂直沉降、水平延伸和左旋水平错动的三维变形特征。地裂缝灾害具有三维空间的有限性、灾害过程的缓慢性和致灾效应的不可逆性等特点。地裂缝的破坏和扩展速度往往在时间上发生跳跃式的变化；分割活动在空间上有明显的差异。地裂缝带呈现多期断裂形态。地裂缝所到之处，都有地表碎裂、建筑开裂、道路变形、地下管线错位、地面各种设施被破坏等现象。这是活动构造地裂缝的典型特征。10地裂缝分布特征见表15-1。

表15-1 Xi市地裂缝基本特征

根据李永善等人，1992

(2)Xi安地裂缝的地质构造背景

Xi地裂缝类型较多，但以构造地裂缝分布最广，破坏最严重。

构造地裂缝是一种构造地质现象，它的发生发展受区域构造运动控制，属于浅部土层现今断层活动的破裂变形。其活动程度取决于当地的地质构造条件及其对构造运动的响应；同时受到当地诸多因素的干扰和制约，如建筑物的重力荷载、抽水引起的地面沉降等。Xi安位于渭河盆地中部的Xi安凹陷南部，被不同规模的正断层所包围；这些正断层将渭河盆地分割开来，形成SN-走向的伸展构造和掀斜断块。铲式正断层上壁上陡下缓，常发育次级同向或反向断层，表现出伸展构造的序列特征。Xi安地裂缝是魏奋盆地地裂缝带的有机组成部分，其成因与渭河断陷盆地的构造活动和区域性地裂缝活动密切相关。

1.Xi安地区的主要断裂构造

Xi安地区发现了几十条大断层。都是倾滑断层，一般以渭河为界，南部发育了一组低阶反倾滑断层。北部主要是同倾滑断层。Xi安地区的主要断裂主要分为三组:NEE、Ne-Nee和NNW，均为活动断裂。NEE断裂是控制渭河盆地伸展构造的主要断裂。规模大，活动时间长，往往成为不同沉积地貌单元的分界。北东向NEE断裂在规模和活动时间上仅次于北东向，但它对Xi地区的构造活动和复式地堑的形成仍起着重要的控制作用。盆地内隐伏NNW向断裂，规模最小，但控制着低阶凸凹块体的分布。

Xi安地区的三组大断裂带都有强烈的活动性，地裂缝活动是一个重要标志。如Xi安10地裂缝总体走向为NE-Nee，与区域性大断裂走向相似。通过对地裂缝演化过程的观测和研究，发现地裂缝的活动高潮期与断裂构造带的活动期是一致的。这表明了地裂缝与断裂构造活动的密切关系。

2.Xi安地区的地貌特征

Xi安地区构造地貌发育，其分布和形态明显受断块运动控制。大致可分为渭河河漫滩、渭河一、二、三级阶地、古河道洼地、黄土高原四类地貌单元。

Xi安有10黄土梁和洼地。这些黄土梁和洼地在平面上呈NE-Nee向拉长，它们以大致相等的间距平行分布。黄土梁南高北低，南陡北缓，洼地北深南浅，具有剖面形状不对称的特点。其总体地形为东南高西北低，10黄土梁顶部标高由南向北逐渐降低；洼地底部高程也由南向北逐渐降低，类似于黄土梁。

(3)地裂缝活动与地震的关系

自从Xi安地裂缝出现以来，人们一度认为地裂缝是准静态的地蠕变断裂。但目前至少有两条地裂缝已经直接露出地裂缝的滑动面，剖面上可以看到清晰的擦痕和滑槽。这种迹象表明，地裂带可能是历史地震的地表破裂带，或者是地震时快速滑动的小断层。

据史料记载，无论有无地震，Xi安都有地裂缝，但有地震时地裂缝较多，且相对集中在Xi安。没有地震的时候，地裂缝的数量越来越少，越来越分散。有关研究表明，华北地区已有约200年的地震活动和20年的地震活动。Xi安地裂活动的高潮几乎与华北地震的高潮同步(表15-2)。由此可见，Xi安的地裂缝与地震活动密切相关。

表15-2地裂缝活动高潮期与地震高潮幕对比表

Xi安地裂活动可分为平静期、弱活动期和强活动期。平静期地裂缝活动率基本为零(0.01 ~ 0.1 mm/a)，地裂缝平静期持续时间与同阶段地震大致相当或略短。在弱活动期，地裂缝平均速度大区域为0.1 ~ 1 mm/a，局部区域为1 ~ 10 mm/a，其持续时间大致等于或略长于同期地震活跃期。强活动期发生在弱活动期的某一时期，常因结构性和非结构性因素叠加而加重，其速率可达10 ~ 100 mm/a，强活动期持续时间通常为数年。

将Xi安地裂缝的强度变化与地震活动周期进行比较，似乎地裂缝的强活动周期与地震活动阶段有对应关系。这可以解释为，当地震释放的能量较强时，地裂缝活动开始加剧，在地震的一个活跃期结束后，地裂缝活动将达到峰值，然后趋于减弱。Xi地裂缝的起伏与地震周期性活动的相关性反映了地裂缝与地震之间密切的内在联系。

(四)人为因素对地裂缝的影响

地裂缝是由内部动力地质作用引起的断裂活动。虽然受区域构造运动控制，但人类工程活动的影响不容忽视。在所有人为因素中，最主要的是抽取深层承压水引起的地面沉降加剧地裂缝。相关研究结果表明，Xi市地面快速沉降与地裂缝异常活动基本一致。

Xi安地下水大致可分为两层:上部为潜水和浅层承压水含水层；下部为深层承压含水层。Xi安的水全部取自深层孔隙承压水。由于长期过量抽取同层承压水，深部承压水含水系统被压实，发生严重地面沉降。梁、洼地貌使市区工程地质条件呈现出剖面的差异性和条带的不均匀性，地面沉降等高线沿构造凹陷走向延伸。

在Xi安地裂缝的研究中，曾经有过构造成因的基本观点。这种观点认为，地裂缝是一组活动断层，地裂缝运动就是断层的活动。然而，Xi安地裂缝与伸展断裂系统的构造活动速度和外围地区的地裂缝活动速度不相容，地面沉降中心的地裂缝活动速度与沉降中心边缘的地裂缝活动速度之差，以及地裂缝活动的年周期变化，使构造成因难以自圆其说。Xi安地裂缝与构造活动不协调的特征反映了非构造因素在地裂缝中的作用。抽取深层承压水加剧地裂缝表明，过度开采承压水引起的地面沉降对地裂缝活动速率有显著影响。

通过多年的研究，Xi安地裂缝的成因已得到公认。也就是说，Xi安的地裂缝是多种因素叠加的结果。在地裂缝活动系统中，成因以自然地质作用为主，人为因素为辅，即地裂缝的产生本质上与伸展断裂系统的活动有关；抽水引起的地面沉降不是Xi安地裂缝的直接原因，只是加速了地裂缝的活动速率。二者在灾害属性和致灾机制上有本质区别。控制承压水的过度开采，降低地面沉降的幅度，可以降低地裂缝的活动速率，使之与区域构造活动速率相适应，从而减缓地裂缝的破坏损失。

2.Xi安地裂缝危险性评价及发展趋势预测

(一)Xi安地裂缝风险评估

地裂缝风险评估是在对历史灾害和灾情调查分析的基础上进行的。根据地裂缝灾害的形成机理和灾害因素与灾害活动强度的相关性，划分了地裂缝的规模(表15-3)，确定了风险指数。按此标准，Xi安地裂缝除1为小型，2条为中型外，其余均为大型或特大型。Xi安地裂缝危险性指数评分标准见表15-4。

表15-3地裂缝规模分类表

表15-4 Xi安地裂缝风险评分标准

地裂缝危险性评估的具体步骤是:将1∶2.5万的Xi市区图缩小四倍；在1 ∶ 1万地图上，用网格法将Xi安地裂缝划分为252个网格块。每个区块3.24km2，评价面积为* * * * * 816.48 km2；；根据表15-4中的风险评分标准对每个方格进行评分；然后将这三个要素相互比较，根据它们与地裂缝的关联度，取1 ~ 9之间的一个值(关联度越高，值越大)；然后利用层次分析法计算出各子指标WF1、WF2、WF3的权重值；在每个网格中。将各影响因素的指数得分与其权重值相乘，求和得到各方块的风险指数；计算出252个风险指数后，利用制图软件SURFER将地图缩小到1∶20万，绘制出Xi安地裂缝风险指数等值线图(图15-2)。

根据对评价结果的综合分析，对Xi安地裂缝的风险等级进行了划分，见表15-5。

图15-2 Xi市地裂缝危险性指数等值线图

表15-5 Xi市地裂缝分类

根据地裂缝的三维空间限制特征，考虑其安全系数，沿地裂缝方向，在地裂缝以南20m和以北15m范围内划分危险区域(图15-3)，并据此估算Xi市各级地裂缝的面积(表15-6)。

表15-6 Xi市地裂缝危险性分区

图15-3 Xi市地裂缝区划图

1-一级危险区；2-II危险区；三-三级危险区

(二)Xi安地裂缝发展趋势预测

根据Xi安地裂缝的形成条件和活动规律，推断Xi安地裂缝的发展趋势如下:

1.现有的地裂缝是危险的，可能会发生新的活动。它们主要出现在断层的下降盘一侧，走向与断层基本一致。例如，新发现的F6和F7之间的地裂缝F12就属于这一类。

2.未来，沿东北和NEE方向的地裂缝在Xi安最为发育，并有沿走向向两端扩展的趋势。比如燃料公司的F13地裂，可能就是F5地裂的延伸。裂缝不太可能出现在其他方向。

3.在Xi安东北部和东南部以及断裂带附近，地面沉降严重的地区容易出现地裂缝，如辛家庙北部井上村F11地裂缝。

三。Xi市地裂缝脆弱性评价

地裂缝易损性评价是在承灾条件调查分析的基础上，根据承灾因子与破坏效应的相关性，分析了物质易损性、经济易损性和社会易损性。在此基础上确定评价因子，制定因子指标标准表(表15-17)；在获得每个评价因子的分项指数后，脆弱性指数(Y(f)I)通过以下公式获得:

地质灾害评估的理论与实践

其中:Ep、EL、Es分别为人口密度、土地类型、建筑类型的指标，可根据表15-5选取；WP、WL和WS分别是人口、土地和建筑物相对于地裂缝脆弱性的权重，通过层次分析法得到。

脆弱性评估的具体方法与风险类似，包括以下步骤:用网格法将1∶65438+百万地图划分为252个方块；人口密度、土地类型和建筑类型的评价因子按指数对每个广场进行评分；然后，利用层次分析法得出各区块的脆弱性指数。在此基础上绘制了脆弱性指数等值线图(图15-4)。同时划分了脆弱性等级(表15-8)。根据地裂缝的活动特征，进行地裂缝易损性分区，最终估算出Xi市地裂缝易损性分区的分布面积(表15-9)。

表15-7漏洞评估要素和因子指标标准表

图15-4 Xi市地裂缝易损性指数等值线图

表15-8漏洞分类表

表15-9 Xi市地裂缝易损性分区

四、Xi安地裂缝灾害损失评估

(一)损失评估指标

1.伤亡指数

可以分为死亡人数和残疾人数两个指标。这种指标是无法用金钱来量化的。因为地裂缝灾害是一种缓发性灾害，很少或没有人员伤亡。

2.土地价值损失指数

土地价格受多种因素影响，如区域环境污染程度、地质灾害发生频率、资源保障程度等。地质灾害高风险区的地价必然低于安全区的地价。地裂缝一般呈线性延伸，两侧一定宽度范围内危险指数很高。这样的地带即使在繁华的商业区，其地价也会大幅降低，土地利用退化造成的差价损失就是地质灾害对土地的损害损失值。地裂缝灾害越严重，土地等级差异越大。

3.建筑损坏损失指数

根据资产核实登记表中地质灾害损失评估的资产分类，建筑物可分为房屋和建筑设施两类。房屋可分为生产用房、实验用房、科研用房、办公用房、邮电用房、运输用房、商业和服务用房、文化体育设施用房、教育用房、医院和卫生用房、居民起居室和其他用房。建筑设施可分为池、槽、塔、井、路、沟、桥、梁、架、坝、堰。不同结构的建筑单位面积造价相差很大，抗灾能力也大不相同。同样的灾害强度下，破坏程度也大不相同。因此，为了正确评价地裂缝对建筑物造成的破坏和损失，需要综合考察受影响建筑物的类型、单位面积造价、受影响面积和受损率。表15-10是地裂缝对建筑物破坏率的标准表，建筑物的破坏程度以此划分。

表15-10建筑物损坏程度划分表

4.单元失效强度指数的计算

在完成危险和易损性评价并获得危险指数和易损性指数后，可以计算单元失效强度指数，计算公式如下:

Zp=VW Aw VI Ai

其中:ZP——单位破坏强度指数；

VW、VI——单位风险指数和脆弱性指数；

危险的重量和易受失败伤害的力量。

5.单位平均损失率指数

单位平均损失率指标是地裂缝经济损失评估的基础。评估方法是选取具有代表性的不同失效强度的单元，对历史灾害损失进行调查统计，参考灾害的发展趋势，按照以下公式确定单元平均损失率或损失值。

地质灾害评估的理论与实践

其中:zs-平均单位损失率/%;

ZD——单位裂缝损失强度/(万元/a)；

X——由机组类型决定的修正系数；

GNP-单位国民经济总产值/(万元/年)。

(2)地裂缝经济损失计算

地裂缝的承灾体主要是土地、建筑物和生命线工程(地下管线工程)，其内部财产损失和人员伤亡很少，可以忽略不计。因此，地裂缝经济损失价值的计算主要考虑土地价值损失、建筑物破坏损失和生命线工程破坏损失。

1.土地价值损失会计

根据Xi市的具体情况，参考其他城市的土地分类和地价，列出了Xi市的土地分类及地价表(表15-11):

表15-11 Xi安土地分类及价值表

一般来说，地裂缝脆弱区的土地等级不同，其土地退化值也不同。表15-12列出了各级脆弱地区不同级别的土地退化情况。比如脆弱区I级土地退化4级，土地价值从300元/m2降到100元/m2以下。

表15-12脆弱地区土地退化表

由此计算，Xi安地裂缝造成的土地价值总损失为16515000元。

2.建筑损失会计

Xi的建筑分为五类，即民用住宅建筑、工业建筑、商业建筑、教育文化体育卫生建筑和其他建筑。在国有资产数据库中，统计了各种不同功能和用途的资产的单位成本，为地质经济损失的估算提供了基础数据。

参考其他城市的建筑成本，列出了Xi安不同类型建筑的单位成本(表15-13)。

表15-13 Xi安各类建筑价值表

根据各单元地裂缝破坏强度，调查统计各类建筑物的破坏率和破坏面积。按下列公式计算各种建筑物的损失:

地质灾害评估的理论与实践

式中:DH——各类建筑物因地裂缝造成的损失之和；

石——本单位各类建筑物因灾害而受损的面积；

jhi——各种建筑的单位成本；

αi——地裂缝对各种建筑物的破坏率；

N——建筑类别(n = 1，2，5)。

在计算建筑物的损失时，首先要确定破坏强度和破坏率的对应关系。根据实际统计数据，可以确定故障强度指标达到时对应的故障率是多少。

根据有关单位的统计资料，并参考各种建筑物的单位造价，估算到1992年底，Xi市地裂缝造成的建筑物经济损失为45693500元。

3.生命线工程损失核算

由于生命线工程的特殊性，地裂缝造成的生命线工程直接损失可能不大，但造成的间接损失却十分严重。因此，这个损失是总损失的重要组成部分。生命线工程经济损失的计算应包括直接损失和间接损失。由于资料的限制，这部分的损失值很难计算，现在只提出计算方法。

直接损失计算。假设在不同破坏强度下，地裂缝对生命线工程的破坏率分别为αⅰ和αⅱ，不同尺度地裂缝的影响宽度分别为Lⅰ和Lⅱ。首先绘制地裂缝分布图和生命线工程分布和值图，并找出它们的交点:分别统计生命线工程和各级地裂缝的交点。直接损失为:生命线工程与各级地裂缝的交点×生命线工程单位造价×α×L L .地裂缝对生命线工程破坏造成的年直接经济损失是累积的。

间接损失估计。地裂缝造成的直接损失和间接损失联系紧密，不可区分，一般按照典型实例中间接损失和直接损失的比例进行评估。经过大量的数据统计和分析，有关单位提出地裂缝造成的损失直接比为3∶1。地裂缝破坏生命线工程所造成的间接损失涉及很多方面，其中直接比例会更大。因此，在计算直接损失后，按间接比例3.5∶1折算间接损失，两者之和即为地裂缝对生命线工程造成的总经济损失。

4.地裂缝灾害总经济损失评估

Xi自古就有地裂缝，现代地裂缝最早发现于20世纪50年代。特别是20世纪70年代以来，地裂缝愈演愈烈，成为困扰Xi城市建设规划、土地合理利用和地下管线工程安全使用的重大地质灾害。其灾害机理是构造应力和重力荷载的双重作用所致；灾害的主要形式是地基断裂的地表建筑物破坏、各种管线断裂、井管上升和路面不均匀变形。经分析计算，Xi安地裂缝危险区为3.75km2，二级危险区为2.64km2，三级危险区为2.49km2，其分布范围如图15-3所示。一级脆弱区3.71km2，二级脆弱区3.49km2，三级脆弱区2.18km2。分布范围如图15-4所示。到1992年底，土地损失总计16515000元，建筑物损失45693500元，高达62208500元。如果加上生命线工程损失和间接冲击破坏，地裂缝造成的经济损失会更大。

五、地裂缝灾害防治对策及措施。

1.建立地裂缝信息管理系统。其中，信息系统应包括历史灾害、地理信息、人口经济、资产脆弱性等基础数据。管理系统应包括项目管理和决策管理系统。

2.新城建设或者旧城区改造，应当采取避让原则，将重要的工程设计和具有重要价值的建筑物建设在远离地裂缝的安全地带。在规划布局时，应考虑地裂缝的活动特征和分布特征，使工程建筑的分布方向尽可能与地裂缝的方向平行，以减少影响和损失。

3.由于人类活动的影响，地裂缝的活动速率会发生异常变化。因此，限制承压水的开采，从时间和空间上尽可能均衡地开采地下水，可以缓解地裂缝的发育，减少地裂缝的危害。

4.建立地裂缝长期监测系统，及时发现异常，采取相应措施，为防灾和城市建设合理布局提供参考。

目前没有具体可行的地裂缝防治技术方案，难以对防治工程做出有效评价。