北京地區(qū)建設(shè)用地地面沉降危險(xiǎn)性評(píng)估方法及標(biāo)準(zhǔn)

賈三滿，田 芳，劉明坤，楊 艷

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》（國(guó)務(wù)院令第394號(hào)）的要求，需對(duì)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)用地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估，其目的是分析工程建設(shè)可能受到地質(zhì)災(zāi)害的影響，預(yù)測(cè)工程建設(shè)活動(dòng)可能產(chǎn)生的各類環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題及地質(zhì)災(zāi)害，為防災(zāi)減災(zāi)與建設(shè)場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)，避免或減輕地質(zhì)災(zāi)害造成的損失。要求在查明工程建設(shè)場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，確定場(chǎng)地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型、現(xiàn)狀、分布及影響因素，分析預(yù)測(cè)評(píng)估區(qū)內(nèi)潛在的地質(zhì)災(zāi)害、工程建設(shè)可能引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害及其危險(xiǎn)性，以及工程建設(shè)和建成后可能遭受的地質(zhì)災(zāi)害及其危險(xiǎn)性，劃分地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)，對(duì)建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的防治措施和建議。地面沉降是北京的主要自然災(zāi)害之一[1]。由于地面沉降是一種累進(jìn)性的緩變地質(zhì)災(zāi)害，其發(fā)展過(guò)程是不可逆的，一旦形成便難以恢復(fù)[2]，但一般短期內(nèi)對(duì)建設(shè)用地危害并不明顯，給準(zhǔn)確評(píng)估地面沉降危險(xiǎn)性造成了困難。鑒于對(duì)多年來(lái)對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)資料的積累，有必要對(duì)地面沉降危險(xiǎn)性評(píng)估方法及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，以便為今后地質(zhì)災(zāi)害評(píng)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(fā)現(xiàn)。截至到1952年的17年間最大累計(jì)沉降量?jī)H為58mm。隨著東郊地區(qū)電子、紡織工業(yè)區(qū)等迅速發(fā)展的同時(shí)，大量開(kāi)采地下水，在上世紀(jì)五、六十年代，逐步形成東郊沉降區(qū)。上世紀(jì)70年代是北京市地面沉降快速發(fā)展時(shí)期，沉降區(qū)集中，沉降量大，東郊沉降區(qū)快速發(fā)展的同時(shí)，昌平區(qū)、順義區(qū)、大興區(qū)等均出現(xiàn)新的沉降中心，個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年沉降量達(dá)到81mm。80年代初至90年代初，隨著順義區(qū)第八水廠自來(lái)水引入市區(qū)，并采取了大力開(kāi)展節(jié)約用水和加強(qiáng)地下水開(kāi)發(fā)管理等措施，城區(qū)地面沉降明顯減緩，但在東郊邊緣地帶及遠(yuǎn)郊區(qū)地下水集中開(kāi)采區(qū)，地面沉降區(qū)域面積仍在迅速擴(kuò)大，并形成了新的通州沉降區(qū)。

進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，北京平原區(qū)地面沉降一直處于快速發(fā)展階段。截至2011年底，發(fā)生區(qū)域地面沉降的面積達(dá)到4273km2，平均年沉降量23.4mm，最大年沉降量128.2mm。沉降區(qū)分為北部沉降區(qū)和南部沉降區(qū)。北部沉降區(qū)包括昌平沙河-八仙莊、朝陽(yáng)來(lái)廣營(yíng)、東郊八里莊-大郊亭（三間房、通州城區(qū)和黑莊戶-臺(tái)湖）沉降區(qū)，以及順義平各莊沉降區(qū)（目前該沉降區(qū)已經(jīng)與北部昌平沙河-八仙莊沉降區(qū)連成一片），南部沉降區(qū)主要為大興榆垡－禮賢沉降區(qū)。累計(jì)沉降量大于100mm的區(qū)域面積達(dá)到3904km2，大于500mm的區(qū)域面積達(dá)到1094km2，最大累計(jì)沉降量為1302mm（昌平沙河—八仙莊沉降區(qū)），來(lái)廣營(yíng)金盞地區(qū)、三間房地區(qū)、禮賢地區(qū)最大累計(jì)沉降量均超過(guò)1m。

地面沉降作為我市最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)城市規(guī)劃發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成一定的負(fù)面影響，具體危害體現(xiàn)在：破壞市政設(shè)施，地下管道、井臺(tái)抬升等破壞事件頻繁發(fā)生，影響其正常使用，增加維護(hù)管理成本；導(dǎo)致建筑物墻體開(kāi)裂、地基下沉，威脅居民生命財(cái)產(chǎn)安全；引發(fā)軌道交通基礎(chǔ)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(guī)劃建設(shè)難度，影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展；誘發(fā)或加劇地裂縫災(zāi)害，影響土地資源綜合利用價(jià)值。

2 評(píng)估方法

2.1 地面沉降現(xiàn)狀調(diào)查

北京地面沉降主要是由于長(zhǎng)期超量開(kāi)采地下水引起的，地層巖性是產(chǎn)生地面沉降的地質(zhì)條件。因此，地面沉降調(diào)查一般包括地下水開(kāi)發(fā)利用調(diào)查和地面沉降調(diào)查兩部分。

（1）地下水開(kāi)發(fā)利用調(diào)查

調(diào)查水井的數(shù)量、開(kāi)采量、水位，并選取具有代表性的水井、詳細(xì)調(diào)查其位置、井深、取水層位、井的結(jié)構(gòu)、水泵類型、水位埋深、取水量、水深、水位、動(dòng)態(tài)變化規(guī)律等，編制地下水位等水位線圖。必要時(shí)設(shè)置專門地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔，定期量測(cè)地下水位，并對(duì)工作區(qū)地下水井進(jìn)行地下水位普測(cè)。

（2）地面沉降調(diào)查

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

機(jī)井井管相對(duì)地面上升現(xiàn)象在北京平原沉降區(qū)非常普遍。許多機(jī)井因地面沉降，井管較地面相對(duì)上升，大者超過(guò)300mm，泵房地面及墻體開(kāi)裂，造成泵房破壞，嚴(yán)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(chǎn)和生活供水，泵房修建又造成經(jīng)濟(jì)損失。如原北京市東郊棉紡廠許多機(jī)井（上世紀(jì)90年代），因地面沉降出現(xiàn)井管相對(duì)地面上升，泵房破壞，廠家只能停產(chǎn)翻修或重建，影響正常供水和造成經(jīng)濟(jì)損失。又如通州衛(wèi)星城的中科院印刷廠，自備井因地面沉降，井管相對(duì)地面上升了350mm，泵房墻體開(kāi)裂，影響該廠正常供水。在通縣造紙廠附近約1km2內(nèi)有機(jī)井7眼，其中4眼機(jī)井井管有明顯的相對(duì)地面上升，特別是在廠東北角3號(hào)機(jī)井井管上長(zhǎng)較大，泵房已倒塌，機(jī)井報(bào)廢。

學(xué)校是學(xué)生學(xué)習(xí)的場(chǎng)所，體育教師是學(xué)校的主要成員，學(xué)校體育工作的具體實(shí)施要靠體育教師，體育教師在學(xué)校乃至學(xué)校體育中是不可或缺的。因此，教師的發(fā)展很大程度上關(guān)系到學(xué)生的發(fā)展。

90年代，遠(yuǎn)郊區(qū)地面沉降中心，機(jī)井井管相對(duì)地面上升，泵房開(kāi)裂破壞也比較普遍。如昌平區(qū)東三旗村機(jī)井及北京市種禽公司地?zé)峋樍x區(qū)沙坨村均出現(xiàn)井管相對(duì)地面上升現(xiàn)象。位于東郊的北京傳媒大學(xué)地?zé)峋捎诘孛娉两档挠绊懀懿粩嗌仙D1（a）所示為位于東郊的北京傳媒大學(xué)地?zé)峋捎诘孛娉两档挠绊懀?000—2005年五年內(nèi)不得不兩次對(duì)井管進(jìn)行改造，以保證地?zé)峋恼Ｊ褂谩D1（b）所示為順義區(qū)仁和鎮(zhèn)自來(lái)水廠的供水水井，由于水井抬升，直接影響其供水能力。

對(duì)供水管線應(yīng)查看地面是否潮濕、冒水；冬季是否常年結(jié)冰；煤氣管道破裂調(diào)查用感官嗅其氣味是否正常，調(diào)查居民用氣量是否充足。根據(jù)2000年到2006年3月北京市自來(lái)水供水管線破損原因、發(fā)生區(qū)域等情況的調(diào)查分析，北京市自來(lái)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(lái)水供水管線破損記錄中，其中朝陽(yáng)區(qū)占總破損量的40.04%，東城區(qū)占總破損量的21.86%，海淀區(qū)占總破損量的15.45%，西城區(qū)占總破損量的10.17%；其它各區(qū)僅占總破損量的12.47%[4]。結(jié)果表明，市政設(shè)施的損壞分布與地面沉降區(qū)分布有一定的相關(guān)關(guān)系，地面沉降已對(duì)市政設(shè)施的安全使用造成了不利影響。

調(diào)查淹沒(méi)損失、淹沒(méi)設(shè)施名稱、淹沒(méi)面積、淹沒(méi)水深，對(duì)比分析本次降水量大小及歷史同等降水量淹沒(méi)情況和相應(yīng)的地面變形情況（有無(wú)阻水建筑物修建）。若發(fā)現(xiàn)在相同的降水、風(fēng)力、風(fēng)向及排水條件下洼地積水，河水越堤、海水淹沒(méi)碼頭、工廠等，屬于地面沉降所致。

2.2 地面沉降預(yù)測(cè)

對(duì)已發(fā)生地面沉降地區(qū)，在查明地面沉降原因和發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析評(píng)估區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃，并考慮建筑施工、使用等情況預(yù)測(cè)地面沉降發(fā)展趨勢(shì)并估算沉降量，提出防治措施。對(duì)可能發(fā)生地面沉降地區(qū)首先分析場(chǎng)地是否具備產(chǎn)生地面沉降的地質(zhì)條件，分析地下水開(kāi)采前景，并考慮建筑施工、使用等情況預(yù)測(cè)地面沉降發(fā)展趨勢(shì)并估算沉降量，提出防治措施。對(duì)可能發(fā)生地面沉降的地區(qū)，主要是預(yù)測(cè)地面沉降的可能發(fā)展趨勢(shì)，即預(yù)測(cè)地面沉降量及沉降過(guò)程。

地面沉降預(yù)測(cè)評(píng)估一般包括對(duì)工程建設(shè)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(fā)或加劇的地面沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)和工程建設(shè)自身可能遭受地面沉降危害的可能性、危險(xiǎn)性和危害程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)指標(biāo)主要有沉降速率和累計(jì)沉降量，預(yù)測(cè)時(shí)間不小于5年。

當(dāng)前地面沉降預(yù)測(cè)計(jì)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(jī)統(tǒng)計(jì)模型和人工智能模型[5]，第三類為定性和半理論半經(jīng)驗(yàn)方法（表1）。其中，土水模型包括兩個(gè)方面：一方面是確定含水層水位與開(kāi)采（回灌）量之間的關(guān)系，即水位模型；另一方面是計(jì)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(xué)模型。水位模型和土力學(xué)模型按照不同的作用關(guān)系便形成了地面沉降預(yù)測(cè)計(jì)算模型[6]。隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型包括回歸分析模型、時(shí)間序列模型和生命旋回模型，其構(gòu)建要基于大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不考慮地面沉降的成因機(jī)制。人工智能方法在地面沉降預(yù)測(cè)中有著獨(dú)特的優(yōu)越性，最常用且研究也比較深入的包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊計(jì)算等。對(duì)于建設(shè)場(chǎng)地的地面沉降預(yù)測(cè)，由于地面沉降區(qū)地質(zhì)條件和各種邊界條件的復(fù)雜性，采用半理論半經(jīng)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)方法，經(jīng)實(shí)踐證明是較簡(jiǎn)單實(shí)用的計(jì)算方法。北京地區(qū)建設(shè)用地地面沉降評(píng)估常用的方法是《巖土工程勘察規(guī)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(yù)測(cè)方法

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

粘性土及粉土層按下式計(jì)算：

砂層按下式計(jì)算：

式中：S∞——最終沉降量（cm）；

av——粘性土或粉土的壓縮系數(shù)或回彈系數(shù)（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(jì)算土層的厚度（m）；

E——砂土的彈性模量，壓縮時(shí)為Ec，Es（MPa）。

北京地區(qū)第四系松散沉積層厚度較大，局部達(dá)上千米，獲取地層巖性概化模型深部地層壓縮性指標(biāo)比較困難，造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大，所以，在有條件的地區(qū)應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行修正。

單位變形量法是根據(jù)已有的地面沉降實(shí)際觀測(cè)資料為基礎(chǔ)的一種經(jīng)驗(yàn)方法。它的優(yōu)點(diǎn)是可以完全結(jié)合地層的實(shí)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(guān)系，計(jì)算土層在某一特定時(shí)間段（水位上升或下降）內(nèi)，含水層水頭每變化1米時(shí)其相應(yīng)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(yù)測(cè)年份的水位升、降幅度及土層厚度條件下，可按下式預(yù)測(cè)土層沉降量。

式中：Ss、Sc——分別為預(yù)測(cè)期內(nèi)水位上升或下降△h(m)時(shí)，厚度為H(m)的土層的預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)期內(nèi)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(shí)用性，但需要大量的實(shí)測(cè)資料。

3 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

地面沉降是一種“沉默”的地質(zhì)災(zāi)害，確定評(píng)價(jià)因子和標(biāo)準(zhǔn)是十分復(fù)雜的問(wèn)題。不同地區(qū)、不同行業(yè)有不同的標(biāo)準(zhǔn)。天津采用累積沉降量和沉降災(zāi)害面積，按下述進(jìn)行災(zāi)害程度和災(zāi)害規(guī)模分區(qū)：極嚴(yán)重地面沉降災(zāi)害區(qū)，累積沉降量大于2.0m；嚴(yán)重地面沉降區(qū)，累積沉降量1.5～2.0m；一般地面沉降災(zāi)害區(qū) ，累積沉降量0.5～1.0m；輕微沉降區(qū)累積沉降量小于0.5m[8]。

北京地區(qū)在分析地面沉降形成原因和發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，綜合考慮地面沉降歷史災(zāi)害強(qiáng)度和未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)發(fā)育程度和災(zāi)害強(qiáng)度3個(gè)因素，評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考慮地面沉降活動(dòng)強(qiáng)度、活動(dòng)頻次兩種指標(biāo)。累計(jì)地面沉降量反映的是地面沉降強(qiáng)度指標(biāo)，現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)沉降速率反映的是活動(dòng)頻次指標(biāo)，地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)造成或發(fā)生時(shí)可能造成的潛在經(jīng)濟(jì)損失和受威脅需轉(zhuǎn)移人數(shù)作為災(zāi)害強(qiáng)度指標(biāo)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2～表5。

表2 地面沉降現(xiàn)狀發(fā)育程度

表3 地面沉降災(zāi)害強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)z

表4 地面沉降發(fā)育程度預(yù)測(cè)

表5 地面沉降災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估分級(jí)表

4 結(jié)語(yǔ)

地面沉降主要是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過(guò)程中過(guò)量開(kāi)發(fā)利用地下流體產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，它是制約一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)科持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[9]。地面沉降作為北京平原區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害，是建設(shè)用地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的重要內(nèi)容。自2004年以來(lái)，北京投巨資建設(shè)了覆蓋全市平原區(qū)的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面沉降變化，積累了大量監(jiān)測(cè)資料，為準(zhǔn)確評(píng)估地面沉降危險(xiǎn)性奠定了基礎(chǔ)。由于地面沉降對(duì)不同類型建（構(gòu)）筑的致災(zāi)機(jī)理、破壞程度不盡相同，所以在今后的評(píng)估工作中，有必要分別建立地面沉降針對(duì)不同類型建（構(gòu)）筑的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。

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