北京地區地面沉降與地裂縫關系研究

姜 媛，王 榮，田 芳，劉明坤

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195)

0 引言

北京是世界上發生地質災害較多、較嚴重的大城市之一，地質災害高易發區和中易發區面積分別達到1870km2和3665km2。北京山區存在崩塌、滑坡、泥石流等突發性地質災害，而在平原區主要是地面沉降和地裂縫兩大類緩變型地質災害。由于在平原區人類活動引發和加劇了災害的發展。同時，人類大量的工程建設對地質環境又提出了更高的要求，地質災害對其影響更加顯著。隨著勘察和研究工作的深入，發現地面沉降與地裂縫在活動時間、活動方式等方面存在一定關聯。同時，超采地下水導致的差異沉降在地裂縫垂向形變中也占有一定比例。本文旨在研究總結地面沉降與地裂縫時空發展演化之間的關系及相互作用，以期為二者的聯合防治提供理論依據。

1 地裂縫、地面沉降的發展與分布特征

北京地區地裂縫古已有之，并且常在地震時，與砂土液化伴生出現。近來出現的地裂縫，主要是1965年邢臺地震后，在平原地區出現的與主要構造方向相一致的地裂縫以及近幾十年來西山采煤區因采空引起的地裂縫。1976年唐山發生7.8級大地震，直接或間接地導致了北京的許多地區，如昌平南新村、通州西集鄉、順義俸伯鎮以及房山小次洛村等都出現了地裂縫，其中昌平南新村所受的災害尤為嚴重，所建的17幢樓房，因地震時地面開裂而導致了13幢裂毀。從1957年至今，北京地區發生了多處、多起地裂縫災害，其分布狀況大體呈現出以下幾點主要特征：①絕大多數出現在平原區和山間盆地中的第四系松散沉積物中；②地裂縫的規模和分布面積與誘發地震的強烈程度有關；③構造地裂縫多分布在發震構造和孕震構造沿線；④目前較為發育和典型的地裂縫多分布在平原地面沉降區[1]。

進入21世紀以來，北京平原區地面沉降仍處于快速發展階段，截至2009年底，最大年沉降量達到137.51mm，最大累計沉降量達到了1163mm。依據歷年累計沉降量和近幾年年度沉降情況，將北京平原區地面沉降區域劃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、黑莊戶—臺湖）沉降區，以及順義平各莊沉降區。南部沉降區，主要分布在大興榆垡－禮賢地區[2]。

2 地面沉降與地裂縫活動的一致性

2.1 地面沉降、地裂縫加劇活動時間具有同步性

北京地面沉降按照其發展過程可以分為4個階段：形成階段、發展階段、擴展階段和快速發展階段[3]。1955～1973年為地面沉降形成階段，在北京東郊八里莊及酒仙橋一帶隨著地下水開采量增加開始出現地面沉降，年均沉降速率為16～28.2mm。1973～1983年為地面沉降發展階段，北京市地下水長期超采，水位急速大幅下降，東郊地面沉降隨之快速發展擴大。1987～1999年為地面沉降擴展階段，隨著北京第八水廠自來水引入北京市區，并采取了節約用水和加強地下水開發管理等措施，使北京東郊地區地下水開采量減少，地下水位下降速率明顯減緩，老沉降區沉降速率減緩，但沉降面積在迅速擴大，不斷出現新的沉降區。1999年以來北京遭遇連續干旱，水資源供需矛盾突出，為保障供水，不得不超采地下水，地面沉降快速發展。近年來，北京地面沉降中心最大年沉降速率連創歷史新高，沉降區域面積不斷擴大，累積沉降量連年攀升。

北京平原區從1965年發生多起地裂縫災害，并呈現明顯的增多趨勢。據不完全統計，從1965年至1975年期間，北京地區發生不到10條地裂縫破壞，從1975年起數量明顯增加，到1985年期間，地裂縫破壞處已多達數十條。進入20世紀80年代末期，地裂縫發展迅速，已經發現數百處地裂縫。地裂縫在數量和規模上都隨著時間遞增而繼續發展。總體上來看，地裂縫的高峰時期也是北京平原區地下水開采量開始大幅度增加，地面沉降逐漸開始發展的時期。通過地表調查發現目前北京平原區地裂縫仍在活動中，且其活動速率逐年加快。野外調查中對房屋破壞變形速率進行了統計（見表1）。由表1可以看出，房屋修建的日期越長，其活動速率相對越小，尤其是進入2000年后，其活動速率明顯增加，表明地裂縫進入活躍期。西王路地裂縫監測站2009年的監測資料顯示，該地裂縫上下盤地表位錯量達18mm[4]，而黃莊－高麗營斷裂平均滑動速率只有0.1～0.2mm/a[5]，兩者活動量相差甚遠，可見近年來地裂縫進入超常活動階段（表2）。

2.2 地面沉降、地裂縫活動特征的相似性

通過對監測數據分析可知，地裂縫活動具有年周期變化規律，垂直方向上每年4～6月為其活躍期，變化量很大，而7月至次年3月則屬相對靜止期，變化量很小（見圖1）[4]。根據地裂縫三維監測資料和地下水位監測資料對比，地裂縫垂向變化與承壓水動態季節變化有較好的相關性，水位下降，變形速率增大，水位回升，變形速率減緩，甚至有少量回彈。地面沉降速率具有相似的變化規律，即二、三季度沉降速率較大，一、四季度沉降速率較小（見圖2）。兩者活動特征都與地下水位年內動態變化密切相關（見圖3、4）。

表1 地裂縫活動速率統計表

表2 北京地區地裂縫發展階段對比表

圖1 自動化遙測監測地裂縫三維活動（2009年8月1日—2012年12月14日）

圖2 天竺站F3-5沉降速率變化圖

圖3 地裂縫垂向變形量與水頭變化對比圖

圖4 分層標F3-4月沉降速率與D3-4水位變化速率對比圖

3 地面沉降與地裂縫活動的不一致性

從上述地面沉降和地裂縫活動的一致性分析可知，抽取地下水導致的地面沉降加劇了地裂縫的活動，但二者又存在著某些不一致性。北京地面沉降的產生主要是由過量開采地下水引發的，而地裂縫形成的基礎是地質構造作用，盡管二者在急劇變形的時間上是同步的，但是地裂縫早在地下水位降落漏斗形成之前就存在，可見北京地區地裂縫的早期活動與開采地下水引發的地面沉降無關，所以二者在起點上是不同的。

目前較為發育和典型的地裂縫多分布在平原地面沉降區，其走向與平原隱伏斷裂構造線方向具有明顯的一致性（見圖5）。在北京平原區地下水超采地區，如通州、順義等地區，由于地下水超采，使承壓水位下降，當地下水得不到及時補給時，就會造成含水層骨架壓縮，引起土層壓縮固結，產生地面沉降。由于受到起伏不平的基底形態和斷裂構造的控制，不均勻沉降會導致地裂縫的產生。這種地裂縫多分布在沉降區的邊緣地帶，發育延展方向與該地區斷裂構造一致，對地表建筑物破壞較為嚴重。例如，順義地裂縫發育在因地下水超采形成的平各莊地面沉降區，并受北東向的良鄉－順義斷裂控制。發育影響寬度約為200m。同樣，高麗營地裂縫也位于這一地區，受控于黃莊－高麗營斷裂。但是在平原區地面沉降最為嚴重的地區，如金盞、三間房、黑莊戶和管莊，地裂縫發育程度低，地表很難找到其破裂痕跡。可見，抽取地下水導致的地面沉降對地裂縫活動的影響不能絕對化，需要進一步研究其影響程度和形成的物理力學機制等。

圖5 北京平原區地裂縫分布圖

4 地面沉降和地裂縫的相互作用

引起地裂縫兩側地層蠕滑變形主要有兩個因素，一是斷裂的早期活動，形成了構造破裂面，深部基巖斷裂的蠕滑引起第四系的蠕動變形而沿原有構造破裂面產生地裂縫；另一是由于地面差異沉降造成的[6]。以高麗營地裂縫為例，據分別位于其兩側的湯熱61、湯熱54號地熱孔資料顯示，下盤于孔深491m處穿過松散堆積見安山巖，而上盤深1115m才見火山角礫巖，兩盤松散堆積厚度相差余620m。而且通過鉆探揭露地層淺部（0～30m）特征發現，粘性土厚度在地裂縫兩側地層中占比不同，在下盤約占44%，在上盤約占62.4%（見圖6）。由于地裂縫兩側粘性土層厚度差異，導致場地深部地層的不均勻性，使地裂縫兩側釋水壓密變形沉降程度不同，產生差異沉降，進而加劇了地裂縫的垂向活動。

此外，利用八仙莊地面沉降監測站分層監測結果，計算得到該地區的主要沉降層的比單位變形量，結合場區內C206地下水監測孔的年水位變幅和勘察孔揭露的地層情況，計算場區內2009年地裂縫兩側的差異沉降量，計算公式如下：

圖6 地裂縫兩側巖土體厚度柱狀圖

式中：S——地層變形量即地面沉降量

Ⅰ＇——地層的比單位變形量

H——計算土層厚度

h——水位下降值

通過計算得到，場區內在主要地下水開采層范圍內，上盤2009年沉降量為6.73mm，下盤2009年沉降量為1.17mm，2009年沉降差為5.56mm，占地裂縫垂向位錯量的30%。見表3。

表3 場區內差異沉降統計計算表

5 結論

（1）過量開采地下水是北京平原區產生地面沉降的主要因素，也是地裂縫活動的誘發和激化因素。開采地下水導致的不均勻沉降，加劇了北京地裂縫的垂向活動。

（2）地面沉降、地裂縫與加劇活動時間具有同步性。自1999年以來，地面沉降和地裂縫分別進入快速發展及活躍階段；地面沉降、地裂縫在活動特征上具有相似性，且兩者活動特征都與地下水位年內動態變化密切相關。

（3）北京地區地裂縫的早期活動與開采地下水引發的地面沉降無關，所以與地面沉降在起點上是不同的；此外，二者在分布范圍上也存在不一致性。在平原區地面沉降最為嚴重的地區，如金盞、三間房、黑莊戶和管莊，地裂縫發育程度低。不均勻沉降導致的地裂縫多分布在沉降區的邊緣地帶。

（4）通過八仙莊地面沉降監測站分層監測結果、地下水監測孔的年水位變幅和勘察孔揭露的地層情況，計算出地裂縫兩側土層不均勻沉降差占地裂縫垂向位錯量的30%。

（5）要控制復合型地裂縫的快速發展，首先要限制地下水開采，特別是深層承壓水的開采，控制承壓水頭的下降速率，使地面沉降趨于穩定，緩解地裂縫強烈活動的趨勢，減輕其對城市建設的危害。

[1]北京市地質礦產勘查開發局,北京市地質研究所.北京地質災害[M].北京:中國大地出版社,2008:195～220.

[2]楊 艷，賈三滿，王海剛.北京平原區地面沉降現狀及發展趨勢分析[J].上海地質，2010, 31(4).

[3]楊 艷，賈三滿，羅 勇等.北京地面沉降工作分析及展望[J].上海地質，2012, 7(2).

[4]王海剛，楊 艷，劉明坤等.基于自動化監測的北京高麗營地裂縫活動性分析[J].上海地質，2013,34(2).

[5]徐錫偉,吳衛民,張先康等.首都圈地區地殼最新構造變動與地震[M].北京:科學出版社.

[6]郭 萌、王 榮、王海剛等，北京土溝—高麗營地裂縫成因分析[J].城市地質，2013,8(2).