生命线工程破坏

“生命线工程”是指对社会生活、生产有重大影响的交通、通信、供水、排水、供电、供气、输油等工程系统。（《破坏性地震应急条例》）

“生命线工程”（Lifeline Engineering）在《工程抗震术语标准》中的解释是：与人们生活密切相关，且地震破坏会导致城市局部或全部瘫痪、引发次生灾害的工程，如供水、供电、交通、电讯、煤气等。

一、地裂缝活动概况

（一）地裂缝分布特征

陕西省西安市是目前我国地裂缝灾害最严重的城市。其地裂缝的活动历史非常悠久，早在4000年前，就有“黄帝将亡则地裂”的记载。现今地裂缝活动是历史地裂缝的延续和发展。

据调查，目前西安市区和近郊区已出现10条大致平行排列的地裂缝。它们的发育长度均超过1km。近年来它们的倾滑速率在不短于全长三分之一的长度上达到10～100mm/a（图15-1、表15-1）。

图15-1西安市地裂缝分布图

西安市地裂缝的产状、活动特征等具有统一的规律性。所有地裂缝总体走向为NEE，彼此以0.6～1.5km的间距近似平行展布，东起铲河，西到唣河；北起辛家庙，南到电视塔。在NEE方向长19km，在北NW方向宽10.5km，总面积达150km2，总长度已逾55km。每条地裂缝活动强度不尽相同，同一条地裂缝的不同地段的活动强度差异也很大。

这10条地裂缝带的地表破裂醒目，组合形态类型多样。地裂缝的活动具有三维空间的形变特征，表现为垂直沉降、水平引张和左旋水平错动。地裂缝灾害具有三维空间的有限性、灾害过程的缓变性和致灾作用的不可逆转性等特点。地裂缝的破坏延展速度在时间上常呈跳跃式变化；在空间上分段活动差异明显。地裂缝带显示出多级破裂形态。凡地裂缝所到之处，均出现地表破碎、建筑物开裂、道路变形、地下管道错断、地面各类设施均遭破坏的现象。这是典型的正在活动的构造地裂缝特征。10条地裂缝的分布特征见表15-1。

表15-1西安市地裂缝基本特征

据李永善等，1992

（二）西安地裂缝的地质构造背景

西安地裂缝有多种类型，但分布最广、破坏最严重的是构造地裂缝。

构造地裂缝是一种构造地质现象，它的发生和发展受区域构造运动控制，属于现今断裂活动在浅部土层中的破裂变形。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程度；同时又受多种局部因素如建筑物的重力荷载和抽水引起的地面沉降等的干扰和制约。西安市地处渭河盆地中央的西安凹陷区的南部，四周被不同规模的正断层所围限；而渭河盆地又被这些正断层分割，形成了SN向的伸展构造和掀斜断块。在上陡下缓的铲式正断层的上盘，常发育有次级的同向或反向断裂，表现出伸展构造的序次特征。西安市地裂缝是汾渭盆地地裂缝带的有机组成部分，它的成因与渭河断陷盆地的构造活动和区域地裂缝的活动有着密切的联系。

1.西安地区的主要断裂构造

西安地区已查明的较大断裂有数十条。它们都是倾滑断层，大体以渭河为界，南部发育了一组低序次的反倾向滑动断层；北部主要是同倾向滑动断层。西安地区的大断裂主要分为NEE向，NE—NEE向和NNW向三组，均为活断层。其中NEE向断裂是控制渭河盆地伸展构造的主干断层。它的规模大，活动时间长，往往成为不同沉积与地貌单元的分界。NE—NEE向断裂在规模和活动时间上次于NEE向断裂，但对控制西安地区的构造活动及形成复式地堑仍有重要作用。NNW向断裂隐伏于盆地内部，规模最小，但控制着低序次凸凹地块的分布。

西安地区三组大断裂带均具有很强的活动性，地裂缝活动是一个重要的标志。如西安市的10条地裂缝的总体走向均为NE—NEE向，与区域性大断裂方向具有相似性。通过地裂缝破裂演化过程的观测和研究，地裂缝的活动高潮期与断裂构造带的活跃期具有一致性。这表明了地裂缝与断裂构造活动的密切关系。

2.西安地区的地貌特征

西安地区构造地貌十分发育，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，古河道洼地及黄土塬四类地貌单元。

西安地区共有10条黄土梁和洼地。这些黄土梁与洼地在平面上均为NE—NEE向的长条形，二者以近似等间距平行展布。黄土梁南高北低，南陡北缓，洼地北深南浅，具有剖面形态的不对称特征。其总地势为东南高西北低，10条黄土梁的顶面高程自南向北逐渐递降；洼地底部的高程也自南向北也逐渐降低，具有与黄土梁相似的特征。

（三）地裂缝活动与地震的关系

西安地裂缝出现以来，人们曾认为地裂缝是准静态的地表蠕滑破裂。然而，目前至少已有2条地裂缝上的探槽直接揭露出了地裂快速滑动的滑动面，并且在剖面上可看到清晰的擦痕与滑槽。这种迹象表明了地裂缝带可能是历史地震的地表破裂带，或地震过程中发生过快速滑动的小断层。

据史料记载，西安地裂缝在有震和无震时均发生过，但有震时地裂缝次数较多且相对集中于西安市；无震时地裂次数较少且较分散。有关研究表明，华北地区已有200a左右的地震活跃期和20a左右的地震活跃幕。西安地裂缝活动的高潮期与华北地震高潮幕几乎同步（表15-2）。由此可以看出，西安地裂缝与地震活动具有密切的相关性。

表15-2地裂缝活动高潮期与地震高潮幕对比表

西安地裂活动可分为平静期、弱活动期和强活动期。处于平静期的地裂缝，其活动速率基本为零（0.01～0.1mm/a），地裂平静期的持续时间大致与同一阶段地震的平静期相当或略短；处于弱活动期的地裂，其速率在大区域上平均值为0.1～1mm/a，局部达1～10mm/a，其持续时间大致与同阶段地震活跃期的时间相当或略长；强活动期出现于弱活动期的某时段上，往往是由于构造与非构造因素叠加而加剧了地裂活动，其速率可达10～100mm/a，强活动期持续时间一般为数年。

将西安地裂的强弱变化与地震活动周期相比，地裂的强活动时段与地震活动阶段似有“相位滞后”的对应关系。这可解释为地震释放能量较强时，地裂活动开始加剧，地震的一个活动阶段结束以后，地裂活动将达到峰值，而后趋于减弱。西安地裂的这种起伏变化与地震的周期性活动的相关性，反映了地裂与地震存在密切的内在联系。

（四）人为因素对地裂缝的影响

地裂缝是由内动力地质作用引起的断裂活动。它虽然受区域构造运动的控制，但人类工程活动的影响也是不可忽视的。在所有人为影响因素中，最主要的是抽汲深层承压水引起的地面沉降对地裂缝的激化。有关研究成果表明，西安市地面的快速沉降和地裂缝的超常活动在区段上是基本吻合的。

西安市地下水大致可划分为两个层系：上部为潜水、浅层承压水含水层；下部为深层承压水含水层。西安市用水全部取自深层孔隙承压水。由于长期过量抽取同一层位承压水，引起了深层承压含水系统的压密，出现了严重的地面沉降现象。西安市的梁、洼地貌使市区的工程地质条件呈现出分片的差异性和条带状不均匀性，地面沉降等值线均沿着构造洼地的走向延伸。

在西安地裂缝的研究中，曾存在着构造成因说的基本观点。这种观点认为地裂就是一组活断层，地裂运动则是断层的活动。但西安地裂缝表现出与伸展断裂系的构造活动速度及外围地区地裂缝活动速度的不相适应性，地面沉降中心的地裂缝活动速度与沉降中心边缘地裂缝活动速度的差异及地裂缝活动的年周期变化等都使构造成因难以自圆其说。西安地裂缝这些与构造活动不协调的特征，反映了了非构造因素对地裂缝的作用。抽汲深层承压水对地裂缝的激化，说明过量开采承压水引起的地面沉降对地裂缝活动速率有显著的影响。

通过多年的研究，目前对西安地裂缝的成因已达成共识。即：西安地裂缝是多因素叠加的结果，在地裂缝活动系统中，其成因以自然地质作用为主，人为因素影响为辅，即地裂缝的产生与伸展断裂系的活动具有本质联系；抽水引起的地面沉降不是产生西安地裂缝的直接原因，只是加快了地裂缝的活动速率。此二者的灾害属性和致灾机理具有本质差异。控制过量开采承压水，降低地面沉降幅度，可减小地裂缝的活动速率，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。

二、西安地裂缝的危险性评价与发展趋势预测

（一）西安地裂缝危险性评价

地裂缝危险性评价是在历史灾情和成灾条件调查与分析的基础上进行的。根据地裂缝灾害的形成机理和成灾因子与灾害活动强度的关联程度，对地裂缝进行了规模划分（表15-3）和危险性指数的确定。按此标准，西安市地裂缝除1条为小型、2条为中型外，其它均为大型或特大型。西安市地裂缝的危险性指数评分标准见表15-4。

表15-3地裂缝规模分级表

表15-4西安市地裂缝危险性评分标准

地裂缝危险性评价的具体步骤是：将1∶2.5万西安市区图缩小四倍；用网格法在1∶10万图上将西安市地裂缝所在范围划分成252个方格区块；每个区块为3.24km2，评价区共816.48km2；对每一个方格根据表15-4危险性评分标准进行打分；再将此三要素两两相比较，按其与地裂缝的相关程度，在1～9之间取值（相关程度越高，取值越大）；然后应用层次分析法，上机运算，算出每一格中每项分指数的权重值WF1、WF2、WF3；用每一项影响要素指数分与其权重值相乘，求其和，即可得出每一方格区块的危险性指数；在算出252个危险性指数后，运用绘图软件SURFER将图缩为1∶20万，并绘制西安市地裂缝危险性指数等值线图（图15-2）。

根据评价结果综合分析，对西安市地裂缝进行危险性等级划分，具体如表15-5所示。

图15-2西安市地裂缝灾害危险性指数等值线图

表15-5西安市地裂缝危险性等级划分

根据地裂缝灾害的三维空间有限性特征，考虑其安全系数，在地裂缝南侧20m，北侧15m范围内，沿着地裂缝走向划分危险区（图15-3），并据此估算出西安市地裂缝的各级危险区面积（表15-6）。

表15-6西安市地裂缝各级别危险性分区面积

图15-3西安市地裂缝危险性分区图

1—Ⅰ级危险区；2—Ⅱ级危险区；3—Ⅲ级危险区

（二）西安地裂缝发展趋势预测

根据西安市地裂缝形成条件和活动规律，推测西安市地裂缝发展趋势如下：

1.已有的地裂缝附近危险性较大，可能会出现新的活动。它们主要出现在断裂下降盘一侧，走向与断裂走向基本一致，如在F6和F7地裂缝之间最新发现的F12地裂缝就属此类。

2.西安地区未来仍以NE及NEE向地裂缝最为发育，并且有沿走向向两端扩展的趋势。如燃料公司的F13地裂缝，可能就是F5地裂缝的延伸。其它方向出现裂缝的可能性较小。

3.在西安东北部、东南部及断裂带附近，地面沉降严重的地段，地裂缝较易出现，如辛家庙北的井上村F11地裂缝。

三、西安市地裂缝易损性评价

地裂缝灾害易损性评价是在承灾条件调查与分析基础上，根据承灾因子与破坏效应的关联关系进行物质易损性、经济易损性和社会易损性分析；并据此确定评价要素，制定要素指数标准表（表15-17）；在得出各评价要素分指数后，用下式求易损性指数（Y（f）I）：

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：Ep、EL、Es分别为人口密度、土地类别、建筑物类别要素指数，可根据表15-5分别选取；WP、WL、WS分别为人口、土地和建筑物相对于地裂缝易损性的权重，用层次分析法（AHP法）求得。

易损性评价的具体做法同危险性类似，其具体步骤是：用网格法将1∶10万图幅划分成252个方格；对每一个方格分别进行人口密度、土地类别、建筑物种类评价要素分指数打分；然后利用层次分析法，求出各区块的易损性指数；据此绘制易损性指数等值线图（图15-4）。同时划分易损性等级（表15-8）。根据地裂缝灾害活动特征对地裂缝进行易损性分区，最后估算出西安市地裂缝各级别易损性分区的分布面积（表15-9）。

表15-7易损性评价要素及要素指数标准表

图15-4西安市地裂缝灾害易损性指数等值线图

表15-8易损性等级划分表

表15-9西安市地裂缝各级别易损性分区面积

四、西安市地裂缝灾害破坏损失评价

（一）损失评价指标

1.人员伤亡指标

可分为因灾死亡人数和伤残人数两项指标。这一类指标不能用货币加以量化。由于地裂缝灾害属于缓发性灾害，所造成的人员伤亡极少甚至没有。

2.土地价值损失指标

土地的价格受到各种因素的影响，如地域的环境污染程度、地质灾害频度、资源条件保证程度等。处于地质灾害高风险区的土地价格必然会低于安全地带的地价。地裂缝一般呈线性延展，在其两侧一定宽度范围内，危险性指数很高。这样的地带即使处于繁华的商业区，其土地价格也将大打折扣，土地降等级使用所造成的差价损失即为地质灾害对土地的破坏损失值。地裂缝灾害越严重，土地级差越大。

3.建筑物破坏损失指标

按照清产核资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大类。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、交通用房、商业和服务业用房、文化体育设施用房、教育用房、医院和卫生用房、居民生活用房、其它用房等。建筑设施可分为池、槽、塔、井、道路、沟、桥、梁、架、坝、堰等。不同结构建筑物的单位面积造价相差甚远，其抗灾性能有很大差异，在灾害强度相同的情况下，所表现出的破坏程度也大不相同。因此，要正确评价地裂缝灾害对建筑物的破坏损失情况，必须全面调查受灾建筑物类型及单位面积造价、受灾面积、破坏率等。表15-10是地裂缝对建筑物破坏率标准表，依此对建筑物的破坏程度进行了划分。

表15-10建筑物破坏程度划分表

4.单元破坏强度指数的计算

在完成了危险性和易损性评价，得出危险性指数和易损性指数之后，可进行单元破坏强度指数的计算，计算公式如下：

Zp=VW·Aw·VI·Ai

式中：Zp——单元破坏强度指数；

VW、VI——单元危险性指数和易损性指数；

Aw、Ai——危险性、易损性对于破坏强度的权重。

5.单元平均损失率指标

单元平均损失率指标是进行地裂缝灾害经济损失评价的基础，评价方法是在上述各种评价的基础上，选择不同破坏强度的代表性单元，进行历史灾害损失调查和统计、同时参考灾害发展趋势，按下式确定单元平均损失率或损失值。

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：Zs——单元平均损失率/%;

Zd——单元内地裂缝灾害的损失强度/（万元/a）；

X——按单元类型确定的修正系数；

GNP——单元国民经济总产值/（万元/a）。

（二）地裂缝灾害经济损失计算

地裂缝承灾体主要是土地、建筑物和生命线工程（地下管线工程），其内部财产的损失和人员的伤亡极少，可忽略不计。因此，对地裂缝灾害经济损失值的计算主要考虑土地价值损失、建筑物破坏损失、生命线工程破坏损失。

1.土地价值损失核算

根据西安市具体情况，并参照其他城市土地分级与土地价格，列出西安市土地分级与价值表（表15-11）：

表15-11西安市土地分级与价值表

一般说来，地裂缝易损区的土地级别不等，其土地降级值也不同。表15-12列出了各级易损区内不同级别土地的降级情况，如Ⅰ级土地在Ⅰ级易损区内土地降4级，土地价值由300元/m2降到100元/m2以下。

表15-12易损区内土地降级表

由此算出，西安市地裂缝对土地价值总损失值为1651.50万元。

2.建筑物损失核算

西安市建筑物分为五种类别，即民用住宅建筑、工业建筑、商业建筑、教科文体卫建筑和其它类建筑。在国有资产数据库中，各类不同功能及用途的房产的单位造价均有统计，它为地质灾害经济损失的估算提供了基础数据。

参考其他城市建筑物造价，列出西安市不同类型建筑物的单位造价（表15-13）。

表15-13西安市各类建筑物价值表

根据各单元地裂缝灾害的破坏强度，调查统计各类建筑物的破坏率及破坏面积。按下式计算各类建筑物的损失情况：

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：DH——各类建筑物遭受地裂缝灾害的损失之和；

SHi——单元内各类建筑物因灾破坏面积；

JHi——各类建筑物的单位造价；

αi——地裂缝灾害对各类建筑物的破坏率；

n——建筑物类别（n=1,2，…5）。

在计算建筑物的损失情况时，首先要确定破坏强度与破坏率的对应关系。可根据实际统计数据确定当破坏强度指数达到多大时，相应的破坏率为多少。

依据有关单位的统计数据，参照各类建筑的单位造价，估算出至1992年底西安市地裂缝造成的建筑物经济损失为4569.35万元。

3.生命线工程损失核算

由于生命线工程有其特殊性，所以由地裂缝造成的生命线工程的直接损失也许并不大，但由此造成的间接损失却很严重。因此，该项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两部分。由于资料所限，此部分难以算出损失值，现仅提出计算方法。

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、αⅡ…，各不同规模地裂缝的影响宽度分别为LⅠ、LⅡ…。首先，绘制地裂缝分布图及生命线工程分布和价值图，并寻找其交合点：分别统计生命线工程与各级地裂缝的交汇点数。直接损失为：生命线工程与各级地裂缝的交汇点数×生命线工程的单位造价×α×L。将各条地裂缝对各类别生命线工程破坏的损失累加起来，即为地裂缝对生命线工程破坏所造成的年度直接经济损失。

间接损失估算。地裂缝造成的直接损失和间接损失是紧密相关而不易区分的，一般依据典型实例的间接与直接损失比例来评估。有关单位经过大量的数据统计和分析研究，提出地裂缝造成损失的间直比为3∶1。由于地裂缝对生命线工程的破坏所造成的间接损失牵涉到诸多方面，其间直比会更大。因此，在计算出直接损失后，用间直比3.5∶1来换算间接损失，两者之和即为地裂缝对生命线工程造成的总的经济损失值。

4.地裂缝灾害总计经济损失评价

西安地裂缝古已有之，现代地裂缝最早发现于50年代，尤其自70年代以来，地裂缝活动加剧，成为困扰西安城市建设规划、土地合理利用及地下管线工程安全使用的主要地质灾害。其灾害机理是构造应力与重力荷载双重作用所致；灾害形式主要以地表建筑物随基础断裂受损、各类管线折断、井管上升及路面差异变形等表现出来。经分析计算，西安市地裂缝Ⅰ级危险区3.75km2，Ⅱ级危险区2.64km2，Ⅲ级危险区2.49km2，其展布范围如图15-3；Ⅰ级易损区3.71km2,Ⅱ级易损区3.49km2，Ⅲ级易损区2.18km2，分布范围如图15-4。至1992年底，土地总损失1651.50万元，建筑物损失4569.35万元，仅此两项损失就高达6220.85万元。若加上生命线工程损失及间接影响破坏，地裂缝所造成的经济损失将更大。

五、地裂缝灾害防治对策与措施建议

1.建立地裂缝灾害信息与管理系统。其中，信息系统应包括历史灾情、地理信息、人口经济、资产易损性等方面的基础数据；管理系统应包括项目管理和决策管理系统。

2.在新城镇建设或老城镇改造时，要采取避让原则，应把重要的工程设计及具有重要价值的建筑物等建在远离地裂缝的安全地带上。在规划布局上要考虑到地裂缝的活动特点及展布特征，使工程建筑物的展布方向尽可能与地裂缝的走向平行一致，以减小影响，降低损失。

3.由于人类活动的影响，可导致地裂缝活动速率的超常变化，因此限制承压水开采量，从时间和空间两方面考虑尽可能均衡的开采地下水，可缓解地裂缝的发展，减轻地裂缝危害。

4.建立地裂缝长期监测系统，以便及时发现异常，采取相应措施，为灾害预防和城市建设合理布局提供参考依据。

由于目前还没有形成具体的、切实可行的防治地裂缝灾害的技术方案，所以还难以进行有效的防治工程评价。

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