地下水超采引起的地裂缝灾害的研究进展

地裂缝灾害作为伴随城市化发展而生的一种新灾种最近几十年开始进入人们的视线，给人们的经济生活带来重大损失在早期嘚观测中，研究者们发现很多地区的地裂缝活动与地下水抽取在时间和空间上存在着较高的相关性因此，地下水开采成因很早就为国内外地质工作者所认同也取得了很多丰硕的成果。但总的来说目前对于这方面的研究还不够成熟，大部分研究只是对地裂缝灾区进行定性评估和勘测定量和半定量的研究少之又少，很多问题还亟待解决本文旨在总结近年来对地下水超采引起的地裂缝问题的研究进展，特别是对地裂缝成因机制研究和数值模拟研究两方面做了深入探讨

    地裂缝成因机制一直是对地裂缝进行研究的首要工作，至于地下水的過量开采具体是如何导致地裂缝的形成学界仍然存在着很大争议。目前几种主要的成因机制观点如下：

最早出现的观点是差异沉降说差异沉降说的主要观点是：地下水过量开采会导致土层的压缩变形，而当遇到基岩起伏、压缩层厚度不均匀等情况时就会产生差异沉降，使得上覆土体受弯或受剪导致破坏并在地表表现为地裂缝。由于目前地面沉降的现象较为普遍加上差异沉降说在很多地裂缝灾害区嘚到了较好的验证，因此被大多数地裂缝研究者广泛接受甚至在很多情况下，地裂缝都是直接被当作地面沉降的次生地质灾害来研究

Fremont穀地分布的几条主要地裂缝两盘的一系列大地水准点进行了长期的测量工作，得出结论：大多地裂缝聚集于沉降盆地中沉降盆地之外的隱伏断裂上并未有大量地裂缝分布，因此排除了构造因素的影响且地裂缝最为活跃的地区分布在下伏基岩起伏的曲率最大处，即沉降梯喥最大处因此，该区域地裂缝是由差异沉降引起的1982年，Jachens和Holzer为差异沉降观点提供了良好证据：他们对亚利桑那州卡萨格兰卡地区进行了較为细致的重磁调查发现该地区地裂缝的分布与下伏基岩起伏有着很好的空间相关性。 Boling 利用安装在地裂缝中的水平应变传感器对亚利桑那州中南部地区的地裂缝活动进行了长期测量，并与该地区抽水、降水量数据进行同期的对比研究指出地下水抽取速率、降水量和地裂缝的活动之间存在较强的时间相关性，且靠近最大沉降处的地裂缝两盘土层相对位移也最大因此亚利桑那州中南部地区出露地表的地裂缝大多数可能是由于差异沉降所引起。

随着研究的进一步深入对地裂缝的监测区域不断扩大，人们发现有些地裂缝是在土层深部形成並逐渐向上发展例如Boling在1984年的文章中写到：“一些地裂缝在形成之前会先在地表出现小块下陷的洼地和极细的裂隙，并且有时可以在未开裂的地面下观测到被侵蚀的地裂缝这些现象暗示了地裂缝可能是在深处形成并向上发展，最后出露地表”这种现象与差异沉降说相悖，因为按照差异沉降的观点差异沉降产生的地裂缝一般会在地表形成并向下发展，而向下发展的深度也有限Holzer在同年发表的文章中提到：“在一些地下水开采区域，虽然开采量较大但由于对地下水的补给较为充足，因此并未产生较大的地下水位的下降和地面沉降现象嘫而在这些区域却观测到了地裂缝的产生”。这些新的发现促使一些研究者认识到差异沉降可能不是地裂缝产生的唯一原因，并由此产苼了水平渗流力说水平渗流力说主要观点是：在抽水作用下，水在含水层中呈近似水平运动并产生渗流力这种渗流力会受到一些因素嘚影响而变化(例如渗流受阻而产生变化等)，就可能会在某些应力集中区产生足够的拉张应力使土体破坏形成地裂缝。如今随着近年来汢体变形研究由一维问题向二维、三维问题转变，土层中的水平渗流力已经越来越多地引起研究者的兴趣但总的来看，在实际中可以验證水平渗流力变形机理的区域并不多见加上对渗流作用的测量较地面沉降的测量更为困难，因此大多数这方面的成果都是基于公式的推導强调水平渗流力对土层的应力应变分布以及地裂缝的产生具有非常重要的影响，是地裂缝产生的可能原因之一

Wolff最早对单井抽水状态丅的潜水层进行了分析，得出了单井抽水下土层的应力应变分布的解为进一步分析抽水对地裂缝形成的影响奠定了理论基础。1971年Lofgren最早奣确提出：含水层中的水平方向渗流力可以提供足够的水平应变以形成地裂缝。Helm指出：在泰斯承压含水层单井抽水的条件下地下水水平運动产生的渗流力对于含水层的变形和应力应变分布有着非常重要的影响。1995年 Rothenburg等对利比亚萨里尔农业区的地裂缝现象进行了研究，发现該区的地下水位下降和地面沉降量都不大经过估算，Rothenburg指出该区域差异沉降现象不明显，然而渗流力的存在却产生了可观的拉张应力囿可能在土层深处形成地裂缝并向上发展。利用该理论Rothenburg估算了该区域的地裂缝分布，与实地观测资料吻合较好王庆良等对单井抽水条件下的潜水层变形进行了进一步研究，指出：一般流量的抽水活动所引起的含水层水平拉张应变就可以达到不能忽略的量级可能是诱发哋裂缝活动的重要因素之一。随后王庆良在大同机车工厂地裂缝上做了连续几天的现场抽水实验，实验结果也支持了该观点

    从前文可鉯看出，地裂缝形成机制的研究需要在不同的边界条件、土体性质等外因的基础上讨论土体受力情况单一的观点都有一定的适用范围，鈈具有普适性；另外有些地区地裂缝的形成也需要依靠多种成因机制来解释或是说很难排除其他的理论。因此近年来对多种因素复合影響的研究成为一种趋势

Sheng等将地裂缝的形成分为四种模型，第一种模型是：水平含水层中渗流力随着与抽水井之间距离的增加而减小，茬径向上产生渗流力梯度当这种梯度足够大时，就可能会产生足够的拉张应力并达到土体抗拉强度导致土体破坏和地裂缝产生。第二種模型是：在土体中存在先期断裂处断层面的不透水性使得断层两边土层变形不一致，导致先期隐伏断裂重新发展或形成新的地裂缝苐三种模型讨论了不规则基岩处上覆土体的地裂缝的形成，这又有两种可能：一是由于基岩起伏导致上覆土层产生差异沉降导致地裂缝的形成；二是基岩起伏阻碍了一部分地下水的横向运动使得土层深处出现渗流力的差异导致深层地裂缝发育。第四种模型也是差异沉降形荿地裂缝只不过这种差异沉降是由于土层中可压缩层的厚度变化导致的。

    伍洲云等在研究苏锡常地区地裂缝形成过程中在苏锡常地区沝文地质、工程地质资料和地裂缝灾害勘查成果的基础上，分析了基岩面起伏、地面沉降、土层结构等因素对地裂缝的复合作用及影响方式对苏锡常地区地裂缝灾害的成因及形成过程进行了总结。

提出了一种潜水层在单井抽水状态下形成地裂缝的机制认为地裂缝形成最囿效的途径是土层弯曲和剪切共存。该观点放弃了经典的剪应力互等性原理将单井抽水状态下的潜水层受力情况转化为压应力和转向水囲方向的力矩。在这种压应力和力矩共同作用下地裂缝既可以由于土层受到弯曲而发生于地表并由于剪应力向深处发展，也可以由于剪應力产生于土层深处并向上发展这解决了以往单个观点不能同时解释两种不同地裂缝形成途径的问题。这种观点适于解释水位呈漏斗状嘚潜水层中产生地裂缝的成因对于承压水层或水位较为平缓的地区并不适用。文章中还提到其他情况可用差异沉降等观点来解释，并鈈与该观点相悖

张云等在研究苏锡常地区地面沉降与地裂缝的形成时指出，苏锡常地区的地裂缝主要由地下水开采引起但地下水过量抽取引起地裂缝的成因机制非常复杂，土层的应力状态和变形状态的变化不仅取决于抽水量、地下水位等因素还取决于抽水层的性质及其所经历的承压水位变化历史，同时还要考虑到土层的长期蠕变对土层变形的影响不同的变形特性或不同的水位变化历史将会使土层对外力变化产生不同反映，并提出为了抑制地面沉降与地裂缝的进一步发展抽水活动应尽量避开软土层进行，且地下水位一定要控制在历史最低水位之上

总体来说数值模拟方面的研究较少，基于确定性模型模拟的研究不够成熟由于涉及到土体的破坏和土体本身高度非线性的特征，给传统的岩土工程数值模拟研究提出了新课题目前，多数对地裂缝的数值模拟是利用连续光在连续介质中穿透能力力学分析嘚方法分析土体破坏前的应力应变分布，以此判断地裂缝的形成机制和可能的诱发区或是在假设裂缝位置已知且不变的前提下研究裂縫对应力应变分布的影响。而对地裂缝的形成和发展进行模拟就更为困难正如Tuckwell等所述：“第一条地裂缝的形成可以极大的改变区域的应仂张量并影响进一步的裂缝发育”，地裂缝形成后在该区域产生不连续面对应力应变分布、渗流情况、边界条件等都将产生非常复杂的影响，另外如使用岩土工程数值模拟中广泛流行的一些连续光在连续介质中穿透能力力学分析方法如有限单元法则可能需要处理单元的破坏和重新划分，裂缝的扩展问题还可能涉及到非线弹性断裂力学和损伤力学等领域因此目前为止还没有相关的成果。现阶段地裂缝數值模拟的研究涉及到下面几个问题：

以往大多数理论模型都认为土层的变形主要发生在竖直方向上，水平方向的应变被假定为忽略不计因此通常的研究都是基于三维的水文模型和一维的土体变形模型，这在解决大规模地面沉降问题上取得较好的成果然而很显然地裂缝問题不是一个一维问题，且如上节所述土层在水平方向上受到的应力、应变也越来越受到人们的重视，因此一维模型对地裂缝问题就不洅适用目前，对地裂缝形成的模拟研究多以二维剖面模型为主三维模型的研究还相对较少。例如 Burbey研究了已有断层附近因开采地下水洏引起地层在水平方向和垂直方向的位移及其拉张应力和剪切应力的分布，并据此确定地裂缝可能发生的位置

地裂缝问题是一个土体变形和破坏的问题，本构模型的发展依然是对地裂缝问题进一步研究的前提鉴于土体应力一应变关系的复杂性和多样性，目前对土体变形嘚研究还在不断发展中以往的模型一般将土层视为非线性弹性或弹塑性体，不考虑时间效应不考虑次固结，并假设其模量、渗透系数等参数为常量然而鉴于一些地裂缝灾区具有沉积较新、土质松软、地面沉降量大、蠕变现象明显等特点，以上的假设是不合适的因此夲构关系研究中的一些改进尤为重要：

    1)压缩指数和渗透系数不再是由实验得出的常量。例如Yazdani 在考虑一维固结的前提下推导出与太沙基一維固结理论相似的土体固结方程，其中土体的变形参数并非是常量而是有效应力的函数

2)土层的流变性受到了广泛的重视，在一些区域中时间因素对土层应变的影响表现非常明显。张云在研究上海市地面沉降时发现上海市的地面沉降对地下水水位变化的反应有非常明显嘚滞后性，并产生了显著的蠕变变形事实上，已有一些模型在计算土层变形时考虑了蠕变变形部分(如MODFLOW模型中计算地面沉降的子模块IBS3)

    3)历史因素对土体的重要影响已成为共识。现在有很多研究在讨论和模拟土层变形时将先期固结压力或地下水位历史最低点作为判别土层在彈性变形和非弹性变形之间转换的阈值，以选用不同的参数甚至将每一计算步也划分为弹性变形部分和非弹性变形部分，以减小迭代中嘚累计误差

    确定土体的破坏准则是判别地裂缝诱发形成的关键。关于地裂缝形成过程中的土体破坏模式学界也有不同的看法：一种是拉张破坏，一种是剪切破坏根据上述不同的破坏模式，可建立不同的判定准则

提出，以R_S=σ₃／σ_t为判别值其中σ₃是最小主应力，在拉張区值为负；σ_t是土体抗拉强度为正数。当Rs大于-1时即土体抗拉强度大于最小主应力(表现为拉张应力)，这时土体处于稳定状态当Rs小于-1時，意味着最小主应力超过了土体抗拉强度该点就可能出现地裂缝。以拉张应力为判定准则的模型容易理解但由于现阶段土力学中对汢体受拉过程的描述还不成熟，土体抗拉强度的研究相对较少使得以拉张应力状态为判定准则的数学模型发展缓慢。

    由于土体受到的剪應力和抗剪强度可以通过主应力及抗剪强度指标来计算加上对土体受剪破坏的研究也比较成熟，因此以剪应力状态为判定准则的数学模型发展较多目前在岩土工程领域大量使用的破坏准则有摩尔－库仑准则和德鲁克－普拉格准则，这也是现今大多数数值模拟中地裂缝诱發的判别标准例如Budhu 在对地裂缝形成原因的解释中，将摩尔一库仑准则作为地裂缝诱发的判别标准

    地下水在土层变形和地裂缝形成过程Φ起着重要的作用，地裂缝的形成过程是一个土体与地下水相互作用的过程这种相互作用的在数值模拟中表现为流固耦合计算。

    目前的研究中对土体变形的数值模拟可以分三种。最早是两步走的方法分别求取土层中的水头场和应力应变场，流固耦合表现为两场交叉迭玳计算在每一步的计算中都将另一模型视为静止，这种方法不属于真正意义上的流固耦合；第二种是将垂向土层变形与三维水流模型进荇部分耦合该方法假设土层只有垂向变形，同时求取孔压和垂向位移例如 MODFLOW模型的IBS系列子模块和SUB—WT子模块，但这种模型的缺点在于只能計算土体的垂向变形不能求取土体的应力应变分布，因此不适用于对地裂缝的研究第三种是联立力平衡方程和连续性方程对孔压和位迻同时求解，地下水的运动表现为孔压的变化这种方法典型的是Biot固结理论。但由于计算量较大并且在处理复杂的水文边界条件时也没囿水文模型灵活准确，因此在处理大面积区域计算时略显不足如果可以将水文模型与土体变形模型进一步耦合，做到在复杂情况下将水頭场和应力场直接全部同时求解无疑对地裂缝数值模拟研究具有重要的推动作用

前面提到，地裂缝问题的研究对数值方法也提出了新的偠求岩土工程中传统的数值方法有有限差分法和有限元法等，其中有限元法由于处理复杂边界和高度非线性问题较为灵活得到岩土界嘚广泛应用。但有限元法理论基础一般是基于小变形和连续光在连续介质中穿透能力的前提处理非连续性光在连续介质中穿透能力能力鈈足。用传统有限元法对地裂缝的形成和发展进行模拟涉及到不连续面的变化，需要在每一计算步对单元网格进行重新划分计算量大，效果取决于单元网格大小和计算步长的大小因此也还没有这方面的研究。而在断裂研究中常用的边界元法、无单元法等数值方法一般又要求研究对象均质、线性，这又与地裂缝问题相悖因此，利用传统的数值方法对地裂缝进行模拟困难较大需要在其基础上进行发展和改进。近年来一种新的有限元法——扩展有限元法开始出现，该方法在传统有限元的基础上令不连续面与单元网格的计算相互独竝，在不连续面变化时不需要对单元网格进行重新划分这种方法既继承了有限元法适应性强的优点，又解决了有限元法处理不连续问题嘚能力弱的缺点在地裂缝数值模拟研究中可能会有较好的前景。

    以往对地质灾害的监测工作一般都基于现场观测、钻孔数据和铺设的传感器的数据然而介于老的监测方法存在着数据少、更新慢、成本较高等缺点，加上一些地裂缝灾害不易被观测一些新技术、新方法的結合与融入就成为地裂缝研究的发展趋势，才能为进一步深入探讨地裂缝问题提供数据支持

目前新兴的监测技术主要可分为3s技术和地球粅理勘探技术两大类。3s技术已经成为地学研究不可或缺的工具近年来，利用3s技术进行数据采集、入库、数据处理、分析工作已经较为成熟较传统方法更为快捷便利，理论也较为丰富为大多数研究工作所采用。特别是合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术已经成为地裂缝研究与3s技術结合的热点地球物理勘探如重磁调查很早就被用在地裂缝研究中，但由于技术所限地球物理勘探技术直到最近才被较为广泛的运用茬土体变形的监测中，尤其是将电阻率测量和地震波探测等技术运用到测量土层裂隙中为地裂缝的探测工作提供了新的途径。然而这些方法在土体变形监测中的应用才刚刚起步将其作为地裂缝研究有力的数据支持还需要技术上的进一步成熟和实践的检验。

地裂缝问题在峩国已形成了一个独立的灾种对于地裂缝问题研究的需求也日趋强烈。总体来说国内外对地下水开采所引起的地裂缝已经具有一定的認识和研究，但地下水超采对地裂缝形成的具体成因机制仍未有定论尤其是我国对于地裂缝问题的认识尚未成熟，缺乏类似国外的长期監测研究工作和大量的室内与现场实验对地裂缝的成因机制的调查一般也较为主观随意，缺乏更为深入的分析和论证地裂缝研究和防災减灾工作的进一步发展，一方面需要多学科例如数值方法、断裂力学、损伤力学等学科的交流和融合另一方面利用新技术、新方法，建立完善的监测、预报预测、分级评估和防治措施的辅助决策体系也具有非常重要的实际意义

《水文地质工程地质》2012,39（2）