地裂缝灾害的发育特征与成因机制研究

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地裂缝是一种内部和外部地质动力过程所引起的浅表部破裂,是多场多尺度耦合作用的结果,其形成因素包含构造性因素和非构造性因素,或者说是自然因素和人为因素。地裂缝灾害在我国分布广泛,主要分布区有汾渭盆地、华北平原和苏锡常地区,这些地区的构造和人类活动强烈,诱发了大规模地裂缝灾害的发生,给人民的生命财产安全带来了严重的威胁,给国家和社会带来了巨大的经济损失。所以,系统地分析和总结地裂缝灾害的分类、分布、特征、结构和机制具有重要的现实指导意义。本文选题依托中国地质调查局计划项目“汾渭地区地裂缝成因与灾害综合研究”和国土资源公益性行业科研专项项目“华北平原典型地裂缝成因与监测预警研究”,选择国内的汾渭盆地、华北平原和苏锡常地区为研究区,以这些地区的地裂缝为研究对象,通过野外调查、测绘、槽探、钻探、物探及相关监测工作,从整体上总结了地裂缝的分类、分布规律、运动特征、破裂模式及灾变模式,从不同尺度研究了构造性地裂缝的内外动力多场耦合机理和非构造性地裂缝的水土耦合机理;从而为地裂缝的防灾减灾提供理论基础及指导性建议。本文的主要研究成果如下:(1)提出和描述了地裂缝的分类与分析体系。按照不同要素可以分为不同类型,地裂缝的分类方式多样,比如地裂缝属性(构造性地裂缝与非构造性地裂缝)、纵深及营力因素(表部外营力控制型地裂缝、浅部人类活动控制型地裂缝和深部内营力控制型地裂缝)、其他因素(主次关系、力学性质、长度和宽度)。建立了广义地裂缝的概述性分析体系和典型地裂缝的详述性分析体系,分析了成生本质与表象特征之间的因果关系及因素关联性。(2)总结了地裂缝的分布规律与立体破裂结构。地裂缝的分布规律与很多因素有关,比如:区域构造、断层活动、地下水开采、地形地貌、地层岩性和强降雨等。立体破裂模式:平面多级分叉、走向差异分段、剖面变形分带、垂向结构分层、立体组合分形、非构形态单一。运动特征包括垂直位错、水平拉张、水平剪切、组合运动。活动特征包括渐进性、间歇性、跳跃性、差异性、渐灭性、滞后性和周期性,其中差异性包括分段差异性、季节差异性和空间差异性,渐灭性和滞后性对于非构造性地裂缝表现较为明显。(3)总结了地裂缝的灾变模式及其效应。地裂缝对于田地道路的致灾模式包括垂直陡坎、串珠状陷坑、水平沟槽和带状破裂;对于房屋建筑的致灾模式包括竖向张裂、斜向陷裂、水平剪裂、镜像开裂、平面褶裂、三维扭裂和结构致裂。(4)提出了断裂蠕滑地裂缝的形成扩展机制。断裂蠕滑地裂缝形成的内在动力来源于一系列深部地质过程,其深部孕裂育缝机制包括了拆沉伸展减薄作用、底侵熔融促展作用、重力均衡牵引作用和断裂蠕滑致裂作用;该机制促使沉积盖层上部的松散层破裂扩展,从而为地裂缝的形成和出露奠定构造原型和基础。浅部应力场多方位破裂成缝机制包括了断裂上盘应变模型、断裂下盘牵裂模型和应力应变传递模型。(5)提出了抽水差异沉降地裂缝的形成扩展机制。地层不均匀压缩和差异形变是形成抽水差异沉降地裂缝破裂的前提和基础;在抽水作用下从三维空间上对含水层的应力、应变进行定量分析是研究该类型地裂缝破裂机制的突破口,这其中包含潜水层形变分析和承压水层形变分析。典型的抽水差异沉降地裂缝常常沿着漏斗边缘分布,这些地裂缝往往具有有限的深度,呈现出较为明显的拉张特性,这是由漏斗边缘较大的拉张应力造成的,比如区域沉降漏斗边缘、古河道肩部和基岩山脊处。(6)提出了降雨冲蚀型型地裂缝的形成扩展机制。浅表部岩土体内部的隐伏裂隙可以作为水体下渗的优势通道,大量地表水沿着岩土体破裂裂隙向下渗流,这是一个由非饱和到饱和的渗流过程,其裂缝内部孔压的变化对于裂缝的扩展具有重要的影响。渗透过程的不断作用致使充填土内尤其是裂缝底部产生较为强烈的水蚀效应,这包括了水压致裂成穴机制、孔压激增成洞机制和溃决扩展成缝机制,并促使了地裂缝的快速出露。(7)提出了多因耦合型地裂缝的形成扩展机制。断裂活动与超采地下水耦合形成的地裂缝常常发生大中型城市地区,造成的危害也较为严重,其耦合作用包括:差压增剪增弯作用、水平拖拽减抗作用、带内水压激增作用和剪切力偶偏移作用。区域构造活动与黄土湿陷耦合形成的地裂缝发生在黄土分布区,严重影响着农业灌溉和经济发展,其耦合过程包括了Green-Ampt水平入渗过程、黄土增湿变形过程和重力弯折成缝过程。
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