北京地區建設用地地面沉降危險性評估方法及標準

賈三滿，田 芳，劉明坤，楊 艷

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

根據《地質災害防治條例》（國務院令第394號）的要求，需對建設項目建設用地進行地質災害危險性評估，其目的是分析工程建設可能受到地質災害的影響，預測工程建設活動可能產生的各類環境地質問題及地質災害，為防災減災與建設場地地質環境恢復治理提供基礎資料和科學依據，避免或減輕地質災害造成的損失。要求在查明工程建設場地地質環境條件的基礎上，確定場地地質災害發育類型、現狀、分布及影響因素，分析預測評估區內潛在的地質災害、工程建設可能引發或加劇地質災害及其危險性，以及工程建設和建成后可能遭受的地質災害及其危險性，劃分地質災害危險性等級，對建設用地適宜性進行評價，并提出相應的防治措施和建議。地面沉降是北京的主要自然災害之一[1]。由于地面沉降是一種累進性的緩變地質災害，其發展過程是不可逆的，一旦形成便難以恢復[2]，但一般短期內對建設用地危害并不明顯，給準確評估地面沉降危險性造成了困難。鑒于對多年來對地面沉降監測資料的積累，有必要對地面沉降危險性評估方法及標準進行梳理，以便為今后地質災害評估提供參考。

1 北京地面沉降基本情況

北京地面沉降最早于1935年在西單到東單一帶被發現。截至到1952年的17年間最大累計沉降量僅為58mm。隨著東郊地區電子、紡織工業區等迅速發展的同時，大量開采地下水，在上世紀五、六十年代，逐步形成東郊沉降區。上世紀70年代是北京市地面沉降快速發展時期，沉降區集中，沉降量大，東郊沉降區快速發展的同時，昌平區、順義區、大興區等均出現新的沉降中心，個別監測點的年沉降量達到81mm。80年代初至90年代初，隨著順義區第八水廠自來水引入市區，并采取了大力開展節約用水和加強地下水開發管理等措施，城區地面沉降明顯減緩，但在東郊邊緣地帶及遠郊區地下水集中開采區，地面沉降區域面積仍在迅速擴大，并形成了新的通州沉降區。

進入20世紀以來，北京平原區地面沉降一直處于快速發展階段。截至2011年底，發生區域地面沉降的面積達到4273km2，平均年沉降量23.4mm，最大年沉降量128.2mm。沉降區分為北部沉降區和南部沉降區。北部沉降區包括昌平沙河-八仙莊、朝陽來廣營、東郊八里莊-大郊亭（三間房、通州城區和黑莊戶-臺湖）沉降區，以及順義平各莊沉降區（目前該沉降區已經與北部昌平沙河-八仙莊沉降區連成一片），南部沉降區主要為大興榆垡－禮賢沉降區。累計沉降量大于100mm的區域面積達到3904km2，大于500mm的區域面積達到1094km2，最大累計沉降量為1302mm（昌平沙河—八仙莊沉降區），來廣營金盞地區、三間房地區、禮賢地區最大累計沉降量均超過1m。

地面沉降作為我市最主要的地質災害之一，對城市規劃發展和經濟建設造成一定的負面影響，具體危害體現在：破壞市政設施，地下管道、井臺抬升等破壞事件頻繁發生，影響其正常使用，增加維護管理成本；導致建筑物墻體開裂、地基下沉，威脅居民生命財產安全；引發軌道交通基礎工程不均勻沉降，縮短使用年限，威脅公共交通安全；降低城市整體防洪排澇能力，加大城市規劃建設難度，影響區域經濟發展；誘發或加劇地裂縫災害，影響土地資源綜合利用價值。

2 評估方法

2.1 地面沉降現狀調查

北京地面沉降主要是由于長期超量開采地下水引起的，地層巖性是產生地面沉降的地質條件。因此，地面沉降調查一般包括地下水開發利用調查和地面沉降調查兩部分。

（1）地下水開發利用調查

調查水井的數量、開采量、水位，并選取具有代表性的水井、詳細調查其位置、井深、取水層位、井的結構、水泵類型、水位埋深、取水量、水深、水位、動態變化規律等，編制地下水位等水位線圖。必要時設置專門地下水長期動態監測孔，定期量測地下水位，并對工作區地下水井進行地下水位普測。

（2）地面沉降調查

首先查看地下水開采量強度大、地下水位降深幅度也大的地段的開采井泵房（地面、墻壁有無裂縫，井管較地面有無上升，房屋有無變形等），然后逐漸向四周擴展，查看地面建筑物有無損壞，并訪問建筑物年限。

機井井管相對地面上升現象在北京平原沉降區非常普遍。許多機井因地面沉降，井管較地面相對上升，大者超過300mm，泵房地面及墻體開裂，造成泵房破壞，嚴重地影響抽水。許多單位只好停止抽水翻修和重建，影響生產和生活供水，泵房修建又造成經濟損失。如原北京市東郊棉紡廠許多機井（上世紀90年代），因地面沉降出現井管相對地面上升，泵房破壞，廠家只能停產翻修或重建，影響正常供水和造成經濟損失。又如通州衛星城的中科院印刷廠，自備井因地面沉降，井管相對地面上升了350mm，泵房墻體開裂，影響該廠正常供水。在通縣造紙廠附近約1km2內有機井7眼，其中4眼機井井管有明顯的相對地面上升，特別是在廠東北角3號機井井管上長較大，泵房已倒塌，機井報廢。

學校是學生學習的場所，體育教師是學校的主要成員，學校體育工作的具體實施要靠體育教師，體育教師在學校乃至學校體育中是不可或缺的。因此，教師的發展很大程度上關系到學生的發展。

90年代，遠郊區地面沉降中心，機井井管相對地面上升，泵房開裂破壞也比較普遍。如昌平區東三旗村機井及北京市種禽公司地熱井，順義區沙坨村均出現井管相對地面上升現象。位于東郊的北京傳媒大學地熱井由于地面沉降的影響，井管不斷上升。圖1（a）所示為位于東郊的北京傳媒大學地熱井，由于地面沉降的影響，在2000—2005年五年內不得不兩次對井管進行改造，以保證地熱井的正常使用。圖1（b）所示為順義區仁和鎮自來水廠的供水水井，由于水井抬升，直接影響其供水能力。

對供水管線應查看地面是否潮濕、冒水；冬季是否常年結冰；煤氣管道破裂調查用感官嗅其氣味是否正常，調查居民用氣量是否充足。根據2000年到2006年3月北京市自來水供水管線破損原因、發生區域等情況的調查分析，北京市自來水供水管線破損事故共6048處，其中由于地基下沉造成的有2073處，占總事故量的34.28%。在全部因地基下沉或其它不明原因造成的自來水供水管線破損記錄中，其中朝陽區占總破損量的40.04%，東城區占總破損量的21.86%，海淀區占總破損量的15.45%，西城區占總破損量的10.17%；其它各區僅占總破損量的12.47%[4]。結果表明，市政設施的損壞分布與地面沉降區分布有一定的相關關系，地面沉降已對市政設施的安全使用造成了不利影響。

調查淹沒損失、淹沒設施名稱、淹沒面積、淹沒水深，對比分析本次降水量大小及歷史同等降水量淹沒情況和相應的地面變形情況（有無阻水建筑物修建）。若發現在相同的降水、風力、風向及排水條件下洼地積水，河水越堤、海水淹沒碼頭、工廠等，屬于地面沉降所致。

2.2 地面沉降預測

對已發生地面沉降地區，在查明地面沉降原因和發育規律的基礎上，通過分析評估區水資源開發利用規劃，并考慮建筑施工、使用等情況預測地面沉降發展趨勢并估算沉降量，提出防治措施。對可能發生地面沉降地區首先分析場地是否具備產生地面沉降的地質條件，分析地下水開采前景，并考慮建筑施工、使用等情況預測地面沉降發展趨勢并估算沉降量，提出防治措施。對可能發生地面沉降的地區，主要是預測地面沉降的可能發展趨勢，即預測地面沉降量及沉降過程。

地面沉降預測評估一般包括對工程建設期間或建成后由于建筑施工降水、地面大面積荷載增加等可能引發或加劇的地面沉降進行預測和工程建設自身可能遭受地面沉降危害的可能性、危險性和危害程度進行預測。預測指標主要有沉降速率和累計沉降量，預測時間不小于5年。

當前地面沉降預測計算方法可分為3大類：一類為確定性的土水模型，第二類為隨機統計模型和人工智能模型[5]，第三類為定性和半理論半經驗方法（表1）。其中，土水模型包括兩個方面：一方面是確定含水層水位與開采（回灌）量之間的關系，即水位模型；另一方面是計算由于含水層水位變化而引起黏性土及含水層本身的變形，即土力學模型。水位模型和土力學模型按照不同的作用關系便形成了地面沉降預測計算模型[6]。隨機統計模型包括回歸分析模型、時間序列模型和生命旋回模型，其構建要基于大量監測數據，不考慮地面沉降的成因機制。人工智能方法在地面沉降預測中有著獨特的優越性，最常用且研究也比較深入的包括人工神經網絡、遺傳算法和模糊計算等。對于建設場地的地面沉降預測，由于地面沉降區地質條件和各種邊界條件的復雜性，采用半理論半經驗方法或經驗方法，經實踐證明是較簡單實用的計算方法。北京地區建設用地地面沉降評估常用的方法是《巖土工程勘察規范》（GB50021-94）推薦的有分層綜合法和單位變形量法[7]。

表1 抽水引起地面沉降的主要預測方法

分層總和法是以粘性土和粉土層的壓縮或回彈系數，砂層的彈性壓縮模量或彈性回彈模量作為指標分別計算各土層的沉降量，再求總和，即地面總沉降量。計算公式如下：

粘性土及粉土層按下式計算：

砂層按下式計算：

式中：S∞——最終沉降量（cm）；

av——粘性土或粉土的壓縮系數或回彈系數（MPa-1）；

e0——原始孔隙比；

Δp——水位變化施加于土層上的平均荷載（MPa）；

H——計算土層的厚度（m）；

E——砂土的彈性模量，壓縮時為Ec，Es（MPa）。

北京地區第四系松散沉積層厚度較大，局部達上千米，獲取地層巖性概化模型深部地層壓縮性指標比較困難，造成計算結果與實際偏差較大，所以，在有條件的地區應根據實測資料進行修正。

單位變形量法是根據已有的地面沉降實際觀測資料為基礎的一種經驗方法。它的優點是可以完全結合地層的實際條件和水位升降情況。單位變形量法假定土層變形量與水位升降幅度及土層厚度之間都呈線性比例關系，計算土層在某一特定時間段（水位上升或下降）內，含水層水頭每變化1米時其相應的變形量（單位變形量），將單位變形量除以土層厚度H，稱為該土層比單位變形量。在已知預測年份的水位升、降幅度及土層厚度條件下，可按下式預測土層沉降量。

式中：Ss、Sc——分別為預測期內水位上升或下降△h(m)時，厚度為H(m)的土層的預測沉降量(mm)；Is、Ic——分別為水位升、降期的單位變形量(mm/m)；

△hs、△hc——分別為預測期內水位升、降的幅度；

I′s、I′c——分別為土層在水位升、降期的比單位變形量(mm/m?m)。

這種方法有較好的實用性，但需要大量的實測資料。

3 評估標準

地面沉降是一種“沉默”的地質災害，確定評價因子和標準是十分復雜的問題。不同地區、不同行業有不同的標準。天津采用累積沉降量和沉降災害面積，按下述進行災害程度和災害規模分區：極嚴重地面沉降災害區，累積沉降量大于2.0m；嚴重地面沉降區，累積沉降量1.5～2.0m；一般地面沉降災害區 ，累積沉降量0.5～1.0m；輕微沉降區累積沉降量小于0.5m[8]。

北京地區在分析地面沉降形成原因和發育特征的基礎上，綜合考慮地面沉降歷史災害強度和未來一段時期內發育程度和災害強度3個因素，評價指標主要考慮地面沉降活動強度、活動頻次兩種指標。累計地面沉降量反映的是地面沉降強度指標，現狀及預測沉降速率反映的是活動頻次指標，地質災害已經造成或發生時可能造成的潛在經濟損失和受威脅需轉移人數作為災害強度指標，評價標準見表2～表5。

表2 地面沉降現狀發育程度

表3 地面沉降災害強度分級標準z

表4 地面沉降發育程度預測

表5 地面沉降災害危險性評估分級表

4 結語

地面沉降主要是在經濟快速發展過程中過量開發利用地下流體產生的環境地質問題，它是制約一個地區經濟科持續發展的重要因素之一[9]。地面沉降作為北京平原區主要的地質災害，是建設用地地質災害危險性評估的重要內容。自2004年以來，北京投巨資建設了覆蓋全市平原區的地面沉降監測網絡，實時監測地面沉降變化，積累了大量監測資料，為準確評估地面沉降危險性奠定了基礎。由于地面沉降對不同類型建（構）筑的致災機理、破壞程度不盡相同，所以在今后的評估工作中，有必要分別建立地面沉降針對不同類型建（構）筑的評價方法和標準。

[1]郭萌,葉 超,賈三滿等.地面沉降對北京城市安全影響戰略研究[R].《北京市重大地質問題戰略研究》之二.北京:北京市地質礦產勘查開發局,2006.

[2]殷躍平,張作辰,張開軍.中國地面沉降現狀與防治[C].第七屆國際地面沉降學術研討會論文選譯.中國地質調查局地面沉降研究中心,中國地質調查局水文地質環境地質部,2006.

[3]國土資源部.國土資發(2004)69號 地質災害危險性評估技術要求（試行）[S].北京:國土資源部,2004.

[4]北京市國土資源局.北京市地質災害對城市建設影響調研報告[R].北京:北京市國土資源局,2006.

[5]許燁霜,余恕國,沈水龍.地下水開采引起地面沉降預測方法的現狀與未來[J].防災減災工程學報,2006,26(3):352～357.

[6]張 云,薛禹群.抽水地面沉降數學模型的研究現狀與展望[J].中國地質災害與防治學報,2002,13(2):1～6.

[7]中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規范[S].北京:中國建筑工業出版社,1995.

[8]張 梁,張業成,羅元華等.地質災害災情評估理論與實踐[M].北京:地質出版社,1998:299～304.

[9]張阿根,魏子新.中國地面沉降 [M].上海:上海科學技術出版社,2005:1～2.