山西省大同市地裂缝灾害灾情评估
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发布时间：2022-04-20 20:59
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时间：2023-07-21 10:12
一、地裂缝灾害概况
大同市位于山西省北部，是我国的重要煤炭、电力生产基地，也是以机械、化工、建材、医药生产为主的新兴工业城市；同时，它又是一座历史文化名城。进入80年代以来，随着工业生产的迅速发展，城市规模不断扩大，城市面貌正在发生日新月异的变化。作为一座正在崛起的现代化城市，有效地发挥土地资源潜力，合理地开采、利用地下水资源，防御各类地质灾害，保护环境等已构成当前城市建设和长远规划急待解决的问题。其中地裂缝灾害已成为大同城市建设和保证人民生命财产安全的重要问题之一。合理地评价地裂缝灾害造成的损失，是*部门合理地规划城市布局、有效地防治地裂缝灾害的重要依据。
（一）地质概况
大同市所处位置跨内蒙地轴的采凉山－雷公山断块，山西断隆的云岗向斜及桑干断陷三个四级大地构造单元的交界部位。区内地层发育较齐全，地质构造复杂。城区东、西、北三面环山，中部为冲积－湖积平原。有御河及其支流—十里河，自西北向东南流入大同市区东南郊汇流。大同市区即座落在二河间的剥蚀台地及堆积阶地之上。其地势总体呈西北高，东南低，海拔1030～1065m。市区全部被第四纪松散土层所覆盖。根据钻孔资料，第四系最大厚度达250m以上。城区地貌基本类型包括侵蚀－堆积河谷、剥蚀台地两大类，有地裂缝发育于其间。
（二）大同市地裂缝分布概况
大同市自1983年在大同机车工厂生活区出现地裂缝以来，到1995年，该市已发现七条规模不等的地裂缝。裂缝总长度已超过20km。这些地裂缝集中分布在十里河东北、御河以西的城区及近郊区。从南向北分述如下：
1.大同机车工厂－大同宾馆地裂缝带
该地裂缝带位于大同市西南郊，起于十里河左岸二级阶地，经电建公司机运站、机车工厂生活区、煤田115地质队、周家店、大同医专，向东偏移经大同宾馆，消失于南关南街，全长约5.0km。该地裂缝由多条走向NEE、右行排列的单体地裂缝组合成带。其走向方位为NE57°，倾向SE，倾角70°～80°；表现为水平拉张（南东盘下降），并伴有左旋水平扭动的张扭性地裂缝。该地裂缝发现于1983年，为大同市发育最早的裂缝。
2.新添堡地裂缝带
该地裂缝带位于大同机车工厂门前约400m的文化街一线，西南起自新添堡村，向东北*化街5栋、10栋、市木材公司储材厂，消失于三环路东，全长约1.2km。该地裂缝发现时间较晚，1992年地面有所显示，对大同机车工厂5栋、10栋居民楼及地下人防工事破坏较强烈。地裂缝具明显的方向性，走向方位NE53°，倾向SE，倾角80°左右；为南东盘下降，并伴有轻微的左旋扭动的张扭性地裂缝。
3.南郊凿井队下华严寺地裂缝带
该地裂缝西南起自市烟草公司家属院，经南郊凿井队、市电视台、儿童公园西北隅、和平里、下华严寺，沿NE40。左右方位延伸，在大同日报社印刷厂、草帽巷、雁北外贸大楼仍有断续分布，全长约5.5km。，地裂缝走向为NE30°～45°，倾向SE，倾角80°左右，SE盘下降。该地裂缝发现于1984年，1989年后发展加快，近年来一直向两边扩展。
4.文化里地裂缝带
该地裂缝带起自税务局，向东北方向延伸*化里、建设里、迎泽里，消失于西门外迎泽市场北端，长约1.4km。地裂缝走向为NE26°～42°，倾向NW，倾角82°～85°；NW盘下降，并微具右旋扭动。该地裂缝发现于1992年。
5.322医院地裂缝带
322医院地裂缝带位于文化里地裂缝带西约400m处，基本与文化里地裂缝平行。该地裂缝西南起自阀门厂仓库，向东北经新开西二路、322医院、59100部队及家属区，消失于大同公园南门口，全长约1.3km。其走向为NE30°～40°，倾向SE，倾角在85°以上；SE盘下降，并伴有右旋扭动。该地裂缝发现于1993年。
6.机车公司地裂缝带
该地裂缝位于城区东北角，西南起自雁同东路，经市二医院、机电公司后分叉，一支到铁一中，另一支到大同四中，终止于大同总参干休所，全长约1.0km。该地裂缝走向为NE35°，倾向NW，微显右旋扭动。
7.拥军北路—同丰路地裂缝带
铁路分局地裂缝带位于市区北部，西起拥军北路部队营房，经铁路分局14号院，跨铁路到大同铁路医院，向北偏转，经东、西大院、水电段、车辆段、材料厂，过同丰公路，全长约4.1km。该地裂缝发现于1990年。它由多条斜列的地裂缝组合而成，总体方向稳定，走向为NE60°～80°，倾向SE，倾角在80°左右；左旋扭动明显，为张扭性地裂缝带。
从上述地裂缝的分布范围看，已经涉及到大同市城区相当大的地区；从目前活动状况看，仍有继续向城区扩展的趋势。
（三）地裂缝活动规律
1.地裂缝的形态
从平面形态上看，地裂缝呈线性延伸，方向性强。地裂缝一般均沿NE或NEE走向。而从单条地裂缝各个地段来看，其发育程度有所差异，地裂缝带呈现出明显的横向分带性。从剖面形态来看，地裂缝形态及产状具有明显的一致性。所有人工探槽揭露的剖面都证实，主裂缝普遍倾向SE，倾角多为70°～80°。其上盘次级裂缝普遍倾向NW，与主裂缝呈对倾，倾角为60°～70°，两者夹角一般都在40°～50。之间，二者在剖面上组合成“Y”字型构造。其下盘次级裂缝普遍倾向SE，与主裂缝产状一致。根据地裂缝发育程度，，在剖面上可以主裂缝为中线，上盘一侧5～8m为地裂缝密集带；下盘一侧3～5m为地裂缝稀疏带。地裂缝发育宽度明显具有上宽下窄的特征。
2.地裂缝活动方式
大量资料表明，地裂缝对土体的破坏变形是在三维状态下进行的。它们的活动方式表现出三维的特点：即垂直升降的差异性、横向水平拉张变形、沿走向水平扭动变形。垂直升降的差异性，造成了地面建筑物开裂；横向水平拉张变形则使地面建筑物的开裂加剧；沿走向的水平扭动变形加速了被破坏地面建筑物的倒塌。
3.地裂缝的活动规律
从空间上看，大同市地裂缝在垂直方向上的沉降幅度较大，在水平方向上的活动量较小。从时间上看，大同市地裂缝表现出明显的间歇性活动特征，与断裂及地震活动呈明显的正相关。如大同机车工厂地裂缝，受1990年6月30日至10月口泉断裂活动速率加快的影响，该地裂缝活动也相对较为强烈。又如1989年10月18日大同－阳高6.1级地震后，大同市地裂缝活动速率明显加快。从人类开采地下水方面来看，地裂缝的活动强度也受到地下水开采量的影响。如1980年以前，大同市地下水位平均下降1.03～1.10m/a,1984～1989年间地下水位平均下降1.70m/a，而此期间正是大同地裂缝活动加剧的时期。
二、大同市地裂缝灾害的危险性评价
从前面所述的地裂缝的分布情况及活动规律看出，大同市的地裂缝基本上涉及整个城区。其地裂缝活动的活跃期与构造活动呈明显的正相关。因此，对大同市地裂缝进行危险性评价时，要充分考虑到这些特点，然后作出评价。
通过对大同市地裂缝的分析研究，我们认为大同市地裂缝的危险性分析包括如下内容：
（一）地裂缝灾害分级
不同规模的地裂缝，造成的损失是不同的，长度越长，宽度越宽的地裂缝造成的损失越大。
大同市的七条地裂缝带中的三条地裂缝带从南到北其地表连续出露长度分别为：大同机车工厂—大同宾馆地裂缝长约5.0km；南郊凿井队—下华严寺地裂缝长约2.5km；拥军北路—同丰路地裂缝长约3.0km。均属特大级地裂缝。
（二）地裂缝成灾机理分析
大同市地裂缝灾害，主要是由于房子村断裂活动导致地表土层破裂。其中断裂活动通过应力集中、传递、释放等活动方式，对土体、地下工程和地表建筑施加以拉张力和剪切应力；同时加之建筑物自重施加于地基产生的附加荷载作用，导致建筑物变形和破坏而酿成灾害。也就是说，地裂缝成灾力源来自地裂缝下部断层作蠕滑运动的构造应力，它以张应力和剪应力作用于土体，使地表土体结构发生破坏。当应力传递到建筑物地基、地下构筑物、地下管线工程周围介质（土体）内，在张应力、剪应力和建筑物荷载联合作用下使地下构筑物、基础和土体一起发生变形和破坏，从而形成地裂缝地质灾害。而地表建筑物变形和破坏，一方面受到下部构造应力传递于上部产生的应力集中；另一方面，由于地基土体遭受破坏，承载力显著降低，在建筑物自重作用下发生不均匀沉降，导致基础和上部结构产生水平拉张和剪切破坏。地裂缝成灾机理可用图15-5表示。
（三）地裂缝危险性指数及分布图
从地裂缝的成灾机理我们可以看出，大同市地裂缝活动与当地的构造活动密切相关。地裂缝的成灾过程是通过对其活动地段土体的破坏，从而引起地下工程与地表建筑物的破坏而形成的。因此，在求地裂缝危险性指数时，我们主要考虑已经出现的地裂缝活动、构造运动、地下水的开采以及地表水（主要指降雨）等因素的影响，将地裂缝对地下工程及地面建筑的危险性分成A、B、C、D、E五级，其对应的指数分别为9、7、5、3、1，按标准来求取地裂缝的危险性指数。
根据分级取指数的具体标准，我们将大同市区范围内，按每格大小为30″×15″（经度×纬度）格子，将这一范围分成大小一样的300个格子；取得每个格子中的危险性指数，绘出大同市地裂缝危险性指数等值线分布图（图15-6）。从图中可以看出，三条条带状高等值线分布带，与市区的三条地裂缝是完全吻合的。这客观地反映了大同市地裂缝的危险性分布情况。这三条地裂缝带对地面的破坏作用均有向两端扩张的趋势，而且大同机车工厂－大同宾馆地裂缝带与南郊凿井队—下华严寺地裂缝带对地面的破坏作用有连成一片的趋势。
三、大同市地裂缝灾害的易损性分析
地裂缝灾害的危险性反映了地裂缝灾害的自然属性；而地裂缝灾害的易损性则反映了它的社会及经济属性，也就是一定强度的地裂缝灾害，对社会财富的破坏及对人类社会经济活动的影响，包括对人们的心理影响。很明显，同一强度的地裂缝灾害发生在农村和城市，其造成的损失是完全不一样的。其原因在于承受灾害的对象不同。社会财富越集中，经济越发达的地区，地裂缝灾害的易损性就越大，反之则较小。对于大同市地裂缝的易损性评价，我们从以下几个方面进行：
图15-5 地裂缝成灾机理系统框图
（一）物质易损性
共包括两个方面的内容：一是大同市土地资源（主要指用地类别）与社会资产（包括地面建筑、城市地下设施、企业单位个数、事业单位个数、服务行业、金融业、交通业、矿产资源等）；二是地裂缝强度与土地资源、社会资产破坏程度的关系。对第一个方面的内容，我们统计出大同市土地资源类别分布和大同市社会资产统计简表（表15-14）。对于第二个方面的内容，通过前面的分析，我们已经知道，地裂缝所通过之处，地表开裂，地面建筑、地下设施无一不被破坏。而离地裂缝有一定距离的地面建筑、地下设施也随着地裂缝的发展，逐渐遭到破坏。
（二）经济易损性
地裂缝的经济易损性包括如下内容：一是地裂缝可能造成的直接经济损失，其中包括土地价值、房屋维修或搬迁的费用、生命线工程修复或改道的费用等；二是地裂缝可能造成的间接经济损失，包括停产造成的损失、对人类谋生活动的影响及其它的次生效应所产生的影响。大同市地裂缝所造成的直接经济损失，经统计为4000万元；间接经济损失按间直比为3∶1计算，应为12000万元。
（三）社会易损性
地裂缝灾害的社会易损性不同于其它地质灾害的社会易损性。它一般不会造*们心理上的恐慌。就大同市而言，到目前为止，还没有由于地裂缝造*员伤亡方面的报道。
图15-6 大同市地裂缝灾害危险性指数等值线图
表15-14 大同市（城区）社会资产统计简表
（四）破坏率和损失率
地裂缝直接破坏的是土地、，地面建筑和地下工程设施。对地面建筑和地下工程破坏率定义为：地裂缝所造成的地面建筑物被破坏的面积/建筑的总面积。其损失率可定义为：地裂缝所造成的地面建筑物被破坏面积的价值/建筑物的总价值。上面的两个定义也可类推到地裂缝对土地资源的破坏上。根据破坏率，结合结构物的状况，我们将地裂缝对结构物的破坏程度分为微、轻、中、大、重、五个等级。同时，我们给出一个维修费占建筑费的百分比，从而得到可供参考的维修费用。
（五）易损性指数及综合易损性指数等值线分布图
通过地裂缝物质易损性及经济易损性的分析可知，地裂缝易损性的强弱主要取决于地裂缝区的物质财富丰富程度及社会经济发展程度。为了直观地、较为合理地反映这种影响，我们选取了人口密度、土地类别、结构物三种对地裂缝易损性较有影响的因素。按这些因素所处的不同状态，选取一定的易损性指数；然后将这三种因素对地裂缝易损性的影响的重要程度两两作比较。将此比较的结果按层次分析法计算出每一种因素对地裂缝易损性影响的权重，从而得到地裂缝易损性综合指数。其具体做法如下：
将大同市区按每格大小为30″×15″（经度×纬度）的格子分成大小一样的300个格子。根据表15-15的评价要素的取数标准取得每个格子中、每一种因素P（人口密度）、L（土地类别）、S（结构物种类）的指数Ep、EL、Es（表15-5），然后将P、L、S两两作比较，将这种比较的结果按绝对重要、重要、比较重要、一般重要、同样重要分成五级；分别给定其重要性指数为9、7、5、3、1；最后将重要性指数代入层次分析法计算程序，算出P的权重WP、L的权重WL、S的权重WS，按下式求得综合易损性指数VI：
地质灾害灾情评估理论与实践
表15-15 易损性评价要素及要素指数标准表
将综合易损性指数点在图上，绘出地裂缝综合易损性指数等值线图（图15-7）。
从易损性指数等值线分布图可以看出，大同市区的地裂缝易损性比较大的主要集中在城区（见图中等值线为6的线），而最大者则主要集中在市中心的商业金融区。
四、大同市地裂缝灾害破坏损失评价
地裂缝破坏的直接对象是土地及建筑在地上和地下的各种设施。因而，对地裂缝破坏损失评价则考虑到这两个方面。每一个方面又可考虑现实损失评价和未来损失评价。其具体内容如下：
（一）土地价值损失核算
地裂缝对土地的破坏损失有两种情况：一种是由于地裂缝的破坏造成土地完全无法使用。如主地裂缝直接通过的地方，地面被破坏，以致于该土地失去了使用的价值。另一种是由于地裂缝的破坏造成土地的降级使用。如受到主地裂缝所影响的地段，本来是一级用地，现在降为*或四级用地。以下从现实损失评价和未来损失评价来考虑。
1.土地现实损失评价
土地现实损失评价是核算已经发生了地裂缝灾害的地段的损失。评价的目标是获得灾害所造成的土地资源的总损失。其具体评价方法为：
根据地裂缝所经过地段的使用类别，结合地裂缝对土地的破坏状况，用下面的公式求出现实土地总损失DT0：
地质灾害灾情评估理论与实践
式中：n1——完全被破坏的土地面积的块数；
n2——降级使用的土地面积的块数；
ESTi——第i块被完全破坏的土地面积；
ESj——第j块降级使用的土地面积；
PEi——第i块土地的单价；
∆PEj——第j块降级使用的土地的单价差。
按上式，我们求得大同市地裂缝造成的现实土地总损失DT0约为1000万元。
图15-7 大同市地裂缝灾害易损性指数等值线图
2.未来损失评价
土地未来损失评价是核算将要发生地裂缝灾害的地段可能会造成的土地资源的损失。评价的目标是获得灾害未来所造成的土地资源的总损失DT1。其具体评价公式为：
地质灾害灾情评估理论与实践
式中：K——比例系数，K的具体求法是根据前面所做的地裂缝危险性指数等值线分布图来取，在等值线最高的地方（即已经发现了地裂缝的地方）K取1，其它地方的K值可为（Vi/Vmax）2;
Vi——所取地方的地裂缝危险性指数值；
Vmax——所评价地点的危险性指数最大值；其它量的含义同（2）式。据此计算得出，2000年大同市的土地价值损失约为2000万元。
（二）房屋等建筑物损失核算
地裂缝对结构物的破坏表现为房屋开裂，以至于倒塌。其造成的损失可分为两种情形来考虑。一种情形是房屋遭到一定程度的破坏，经维修后还能继续使用；另一种情形是房屋完全被破坏，已经无法使用。第一种情形的损失可以直接用维修费用来估算，第二种情形我们仍然从现实损失评价和未来损失评价两个方面来考虑。
1.现实损失评价
结构物现实损失评价是核算已经发生地裂缝灾害的地段造成的结构物的损失。评价的目标是获得灾害所造成的结构物的总损失DB0。其评价的数学模型为：
地质灾害灾情评估理论与实践
式中：HSi——第i段被破坏的结构物的面积；
PHi——第i段结构物单位面积的造价；
n——灾害破坏的结构物的地段数。
按上述模型，我们求得大同市地裂缝造成的结构物的现实损失约为3000万元。
2.未来损失评价
结构物未来损失评价是核算将要发生地裂缝灾害的地方可能造成的结构物的损失。评价的目标是获得未来灾害将要造成的结构物的损失DB1。其评价公式为：
地质灾害灾情评估理论与实践
式中：K的含义同（3）式；其它量的含义同（4）式。如果不采取有效预防措施，预计到2000年，大同市结构物损失约为4000万元。
通过上面的分析，我们能够得到地裂缝灾害的现实总损失为（DT0+DB0），即4000万元；未来（2000）总损失为（DT1+DB1），即6000万元。
五、地裂缝灾害防治工程评价
大同市地裂缝属于构造地裂缝，其显著特征是具有不可抗拒性。因此，目前对地裂缝灾害的防治还没有有效的方法。下面仅就防治工程的可行性及防治费用两方面作一简单分析。
（一）防治工程可行性分析
地裂缝防治工程可行性分析应包括以下二方面的内容：
1.地裂缝场地工程地质评价。通过对控制和影响地裂缝的主要因素的分析，结合场地的土体物理力学性质，对地裂缝影响地带进行分级分区。
2.防治工程技术分析。主要分析防治工程是否合理可行。
（二）防治效益分析
1.减灾效益的直接经济指标（Z）
Z=J-T
式中：J为采取特定减灾技术进行灾害防治后灾害损失的减小量；T为防治费用的投入。
2.减灾效益比（B）
B=Z/T
3.投效比（Bt）
Bt=J/T
一般地说，Z只是反映了对某种灾害进行防治后所获得的直接经济效益的净值。它没能反映出减灾活动的效益，也就是说，获得同样的直接经济效益净值，防治费用T的投入可能大不一样。为了反映减灾活动的效益，可用指标（B）来衡量。B反映了单位投入所获得的直接经济效益的净值，即减灾活动的效益。当B值大于或等于当年社会的折现率时，可认为在减灾活动上的投入是可行的。
根据大同市及西安等地的实际调查，采取有效预防措施后，地裂缝所造成的各种损失可以减少三分之二以上。
