苏锡常地区是我国最早发现地裂缝现象的地区之一,也是地裂缝监测和防治工作开展最早、研究水平较高、监测网络最完备的地区之一。自上世纪八十年代末期发现地裂缝至今,共调查发现 20 多条地裂缝,长度累计 23km 。差异地面沉降在造成土层变形破坏形成地裂缝的同时,对公路、桥梁、管线等重要基础设施造成重大损坏,大面积的灾区土地资源遭长年弃置。 20 世纪 90 年代起,江苏省地质调查研究院就有目的、有计划、有针对性地对长江三角洲苏锡常地区 25 处地裂缝进行了详细勘察,建立了典型地裂缝监测设施,获取了地裂缝形变系列数据。从地裂缝特征到形成机制,从地裂缝的发生、发育分布规律到地裂缝的预警区划分和防治对策都进行了深入研究,在地质资料、监测设施、监测技术、监测数据、分析研究方法等方面都有了丰厚的积累。 研究地裂缝地质背景,建立三维地质结构模型 早在 2000 年前后,长三角苏锡常地区就开展了地裂缝地质背景调查,建立了苏锡常地区基岩地质模型、第四系结构模型、地下水系统结构模型。描述了区域含水层系统分布、地下水位漏斗形态、地面沉降及地裂缝分布之间的关系。基于上述三个层面的地质条件认识,为解释地面沉降地质灾害发生机理、预测其发展趋势提供了较为完善的基础地质资料。 查明时空分布规律,提出 5 种成因模式 地裂缝的空间展布及成灾时间与地下水水位、地面沉降、基岩起伏变化以及土层结构差异等因素密切相关。采用钻探、三维物探等方法开展地裂缝勘查,发现地裂缝的发育分布有线性展布、环形展布的特点。 苏锡常地区的地裂缝是在特定的地质环境条件下抽取地下水引起地面不均匀沉降造成的,其受内外两种因素共同控制。在出版的《苏锡常地裂缝》一书中就系统地总结了该地区地裂缝的 5 种成因模式:基岩潜山型、基岩陡崖型、浅隐伏灰岩型、地层结构差异型和地下水综合开采型。 建立地裂缝监测平台,开展新监测技术试验 建立了较为完善的地面沉降、地裂缝监测网络系统。包含 GPS 监测点 239 座、基岩深标 12 座、分层标 7 组、水准控制剖面 260 公里,另有配套的地下水长期观测网,部分站点已实现了对灾情自动化监测和数据实时传送。这些基础设施已成为跟踪分析苏锡常地区地裂缝(包括地面沉降)活动性的窗口,也是和国内外开展学术交流的良好硬件平台。 通过近 10 年的试验摸索,已形成了严密的地面沉降地裂缝 GPS 监测技术方案,使测量大地高中误差可控制在 ± 5 mm 以内。从 2007 年起,连续 5 年实施地面沉降 GPS 静态观测,累计观测点数达 395 个,初步建立起了以常州南部、江阴南部、吴江南部为重点监测区,其它地区为一般监测区的整体框架。 同时,大力开展以 InSAR (合成孔径雷达差分干涉测量)、光纤监测为代表的新监测技术试验。 5 年来,共积累 JERS 、 ERS1 、 ERS2 、 EnviSAT 数据 223 景,覆盖 12000 平方公里,利用 InSAR 集成 PS/SBAS 时序分析技术,揭示了苏锡常 1992-2010 年地面形变的时空特征。及时发现了地下水禁采以来区域地面沉降中心向常州南部、江阴南部、吴江南部 “ 迁移 ” 的新格局,为地裂缝防控指明了方向。 开展基于差异性地面沉降的地裂缝数值模拟 成功建立了研究区区域非线性地面沉降耦合模型,同时创造性地引入多尺度有限单元法( MsFEM )成功进行了模型的求解及地面沉降趋势预测。在数值模型基础上,利用 VRT 首次实现地面沉降地质结构的三维可视化。运用虚拟现实技术( VRT )首次在计算平台上成功再现了苏锡常地区地层结构及含水层空间分布特点,并将苏锡常地区地面沉降模型模拟预测结果及地裂缝破坏效应进行了三维可视化表达,突出表现了研究区地下水流场变化和地面沉降的发生发展及演变过程、地面沉降与地裂缝的时空对应关系,实现了实时动态显示。 评价地裂缝易发性,预测典型地裂缝发展趋势 运用 GIS 技术强大的空间分析功能,对苏锡常地裂缝易发区带进行了划分,确定出安全区、较易发生区和极易发生区三种类型;同时运用人工神经网络技术( ANN )分析了地下水位和地面沉降两项动态地质条件对地裂缝形成的作用关系;最后采用灰色 GM 模型对长泾、河塘两地已有地裂缝的未来发展变化趋势进行了模拟计算,预测了可能的变形量,为地裂缝防灾减灾和综合治理奠定了基础。 地裂缝地质灾害防控实践应用广泛 苏锡常地区地面沉降防控经历了限采~禁采两个阶段。 2000 年起,江苏省人大通过决议,在苏锡常地区开展了以 “ 禁采 ” 为主要手段的地面沉降防控,此次举措为全国首例。历时 5 年的禁采工作,使地下水位得到有效恢复的同时,地面沉降及地裂缝活动性明显减弱。江苏在缓变型地质灾害防治方面走出了具有本地特色的道路,也为国内外此类问题的解决积累了宝贵的经验。 地裂缝与城市建设、社会经济发展规划关系密切,十多年的研究成果应用广泛。作为城市规划中的辅助决策。为降低灾害区的建设风险,实验室依据对周边地裂缝形成条件及发展机理的分析研究,为无锡市提供了地裂缝易发区评价区划成果,直接指导了新城区选址方案的调整。 重大工程建设中的安全性评估。地面沉降引起沪宁高速公路无锡段路面起伏不平。在京沪高速铁路、宁沪城际铁路建设中,实验室凭借翔实的监测数据和科学的地质推论,给出了明确的铁路沿线危险区段界线和风险程度评述,对工程建设方案提出了建议。在西气东输管线安全地质评估上也发挥了重要作用。 新农村建设中的地质论证。地裂缝灾害区的土地资源开发利用成为当前苏锡常地区农村城镇化改造面临的难题。实验室科学评价每一条地裂缝带的风险,从建设成本和预期收益两方面开展综合分析,取得显著经济和社会效益。 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室迎来新的机遇 2012 年 6 月,国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室获批准建设,为地裂缝研究再添新基地。该实验室由江苏省国土资源厅主管,依托于江苏省地质调查研究院,是集地裂缝、地面沉降先进设备、人才培养和理论研究于一体的重要平台。地裂缝重点实验室使地裂缝研究迎来新的机遇,重点实验室将立足于江苏苏锡常地区采水型地裂缝灾害的多样性与复杂性,根据地裂缝研究技术发展前沿趋势与地面沉降防治需求,设置了地裂缝调查与监测新技术、地裂缝破坏机理物理模型试验、地裂缝预警预报体系及防控技术与措施等多个研究方向,开拓地裂缝灾害研究领域,为苏锡常乃至华北平原、汾渭平原等的地裂缝灾害防治提供支撑。

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