寧波市地面沉降管理區劃及防治對策研究

寧波市地質環境監測站 趙團芝 侯艷聲 胡新鋒

寧波市地面沉降管理區劃及防治對策研究

寧波市地質環境監測站 趙團芝 侯艷聲 胡新鋒

一、引言

地面沉降是緩變型地質災害，涉及經濟、社會、資源、環境等各個領域，可造成城市重力排污失效，地區防洪防汛效能降低，城市建設和維護費用劇增，管道、鐵路斷裂，建筑物開裂，威脅城市安全。我國地面沉降較嚴重的有上海、天津、蘇州、西安、寧波、常州等50多個城市，造成的經濟損失僅長江三角洲地區高達4000億元，成為沿海城市主要的環境地質問題，長期威脅著城市的建設和發展。

寧波地處濱海軟土地區，屬于典型的豐水型缺水城市。過去不合理地開采地下水資源，形成了以和豐創意廣場（原和豐紗廠）為中心的地面沉降漏斗區。2008年底，中心城區實施地下水禁采措施后，地面沉降速率得到有效控制。但在城市化快速推進中，出現了多個沉降漏斗區，并有擴大連片的趨勢，工程建設的地面沉降效應逐漸凸顯。嚴學新、唐益群等研究了在地下水開采條件下密集建筑群誘發地面沉降的規律和機理，提出了防治地面沉降的合理化建議與措施。本文主要探討在地下水零開采條件下工程性地面沉降的發育規律，參照地面沉降管理危險性、風險性區劃成果，提出具體的地面沉降管控措施，為保護地質環境、科學防災減災提供技術支撐。

二、地質環境條件概述

（一）第四系地層結構

第四系發育一套復雜的陸相、海陸交互相沉積物，市區一帶厚度約90米，向濱海遞增至120米。50米以下為陸相堆積，以沖積砂、砂礫與沖湖積粘性土互層，構成了粗細相間的地層結構；50米以淺地層，是海相與陸相粘性土互層，構成軟硬土相間的地層結構。

（二）軟土的工程地質性質

寧波平原軟土層分布廣，厚度大，埋深淺。淺部軟土層主要是①2層（mQ43）、②2、②3層（mQ42）和③2（mQ41）層，土質主要為淤泥、淤泥質粘土和淤泥質粉質粘土，根據其物理力學性質指標統計分析，寧波軟土主要呈現高天然含水率、高壓縮性、低抗剪性、低滲透性等特點。因此，寧波平原地質環境條件十分敏感和脆弱。

三、工程性地面沉降特征分析

（一）第一軟土層沉降比

寧波市地面沉降監測中心監測數據顯示， 2009年、2010年和2013年第一軟土層沉降量占總體沉降量的93.7%、98.4%和90.9%，與該中心鄰近的和豐創意廣場、銀億東岸住宅樓相繼于2009年底、2013年開始基坑工程施工。無論是從空間上、時間上，基坑工程建設周期與第一軟土層沉降比顯著增加有極為密切的關系。

（二）地面沉降與建筑容積率的對應關系

在現狀和未來城市中，高層建筑以及密集建筑群建設的荷載特征主要反映在建筑容積率上。對比分析發現，在建筑容積率出現峰值部位，累積沉降量、沉降速率均出現峰值，說明累積沉降量、沉降速率與建筑容積率之間存在對應關系。

（三）工程性地面沉降發育規律

按照不同圍護形式，選取擬建與在建的典型基坑工程，開展專項地面沉降監測，繪制地面沉降曲線。靠近支護結構處的地表沉降量約為0.3-0.6倍He(開挖深度)；從基坑圍護結構至1-1.5倍He處，沉降量明顯逐漸增大,達到最大值；在1.5-3倍He處，沉降量急劇減小；在3倍He以外，基坑周邊沉降量減小的趨勢不變或變緩。大部分基坑的最大沉降量均發生在1-2倍He范圍內，主要集中在1.5倍He左右。根據沉降曲線趨勢外推判斷，基坑的地面沉降效應主要影響范圍為6.0倍He。

注：橫坐標D/He：D表示監測點與基坑圍護結構的距離，He表示基坑開挖深度；縱坐標δv/δvmax：δv為監測點沉降量，δvmax表示所有監測點最大沉降量。

四、地面沉降控制管理區劃

（一）現狀城市沉降危險性區劃

1.指標量化

選取累積沉降量和沉降速率作為地面沉降危險性評價指標，按照預定分級數進行指標分段，分段賦值見表1。

表1 地面沉降危險性分區評價指標及量化取值表

2.危險性指數計算

根據累積沉降量和沉降速率計算地面沉降危險性指數：

式中：Zp為現狀城市地面沉降危險性指數；Zq為累積沉降量因子的量化值；Kq為累積沉降量因子的權重系數；Zs沉降速率因子的量化值，Ks為沉降速率因子的權重系數。

將沉降危險性指數由高到低排序生成曲線，根據曲線分布規律評定地面沉降危險性等級，劃標準見表2。

表2 地面沉降危險性區劃標準

按下式計算各危險性分區面密度：

式中： Tijk為i因子j水平在k區段下的面密度，i=1為累積沉降量，i=2為沉降速率，j=1-5為i因子的5個水平數，k為某評價區塊的編號（由多個基礎網格組成）；Nijk為i因子j水平在k區段下發生地面沉降的網格數； Mijk為評價區段包含的網格數。

3.危險性區劃分析

根據寧波地面沉降現狀特征，沉降速率主要反映了地下水停采后工程性地面沉降發展趨勢，累積沉降量反映了地下水開采和工程建設引起的地面沉降歷史，重點考慮Kq=0.3， Ks=0.7的模式作為危險性區劃的依據。將所計算所得的危險性指數與評價單元網格進行對應，形成網格圖形的屬性數據，對數據進行分級，不同分區賦以不同的顏色，形成危險性區劃圖，同時給出地面沉降危險性分區的分布面積及面密度。見圖3及表3。

表3 地面沉降危險區面積及面密度統計

圖3 寧波市區地面沉降危險性分區圖（Kq=0.3， Ks=0.7）

（二）地面沉降風險性區劃

1.指標量化

參照天津、滄州、北京地區經驗及羅元華等編寫的《地質災害風險評估方法》，選取累積沉降量、沉降速率、第I軟土層厚度作為危險性因素評價因子，建筑容積率作為易損性因素評價因子，分段賦值見表4。

表4 地面沉降風險性分區評價指標及量化取值表

1.風險性指數計算

采用加權綜合評價法，綜合考慮各因子對總體對象的影響程度，用風險性指數集中表示整個評價對象的優劣，其計算公式為：

式中：K為各評價因子總分值；ωi為 第i個因子權重；Zi為 第i個因子分值；n為評價因子個數。

根據各評價因子總分值，將地面沉降風險性等級劃分5級。基于城市防洪考慮，在寧波城區三江六岸設置100米緩沖區，將原有風險性等級提高一級。具體見表5。

表5 地面沉降風險性區劃標準

2.風險性區劃分析

采用GIS軟件配準第I軟土層厚度等值線圖和建筑容積率分區圖，將矢量化的第I軟土層厚度等值線圖、建筑容積率分區圖、累積沉降量及沉降速率圖件轉換為柵格圖，權重疊加分析生成分區柵格圖，最終優化為風險性區劃圖。見圖4、表6。

圖4 寧波市區地面沉降風險性區劃圖

表6 地面沉降風險區面積及面密度統計

IV區主要分布在天童北路、嵩江路交叉口附近及江南路、院士路交叉口東南側，此區域累積沉降量、沉降速率、建筑容積率均較大；還有一部分分布在沿江區域，此區對于地面沉降控制要求較高。III區主要分布在四個區塊，第一區塊位于兩個江的交匯處，此區域建筑容積率較大；第二區塊位于杭甬高速、奉化江、鄞縣大道、世紀大道包圍區域，此區域累積沉降量、沉降速率均較大；第三區塊位于甬江、中興路、杭甬高速、世紀大道包圍區域及世紀大道以西，此區域沉降速率、第I軟土層厚度較大；第四區塊主要分布在部分沿江區域，此區對于地面沉降控制要求較高。其余均為II區，主要分布在中心城區的西南側及東北角。其中西南側累積沉降量、沉降速率、建筑容積率、第I軟土層厚度均較小，東北角第I軟土層厚度較大，其余均較小。

五、工程性地面沉降防治對策

地面沉降災害涉及經濟、社會、資源、環境等各個領域，其防治工作是一項專業性、綜合性和基礎性事業。要綜合運用行政和技術管理手段，通過科技帶動控沉理念、防治方法、監管應用等全面進步，將工程性地面沉降速率控制在合理的范圍內，促進城市建設與地質環境協調發展。

（一）開展專項沉降監測

按照地面沉降監測技術規范，在重要城市功能區或重大工程建設周邊區域，進一步優化現有地面沉降監測網絡。運用自動化監測技術，開展專項地面沉降監測工作，提高監測頻率和精度，客觀地反映工程性地面沉降發育規律，為工程性地面沉降理論研究及防控措施提出提供基礎數據。

（二）加強實地調查評價

通過地面沉降調查，進一步查清主要沉降區的水文地質、工程地質條件、地層結構等地質特性，掌握各類工程性地面沉降類型及沉降跡象，查明工程性地面沉降的主要影響因素、分布范圍及發育趨勢，分析評價工程性地面沉降引發的環境地質效應及對已有建構筑物的影響，開展地面沉降災害經濟損失評估，為進一步分析研究寧波市工程性地面沉降提供詳實的基礎資料。

（三）注重技術理論研究

重點研究城市密集高層建筑群、深基坑、軌道交通盾構法施工、高架道路、越江大橋等工程，分析各類工程建設引發地面沉降的影響因素，建立沉降模型，探討沉降機理和發育規律。深入開展淺部軟土層和深部硬土層的變形特征與規律研究，明確提出工程性地面沉降在區域性地面沉降中所占比例，為科學防控工程性地面沉降提供理論依據。

（四）創新防治技術措施

根據地面沉降危險性、風險性區劃結果，對不同分區采用不同的地面沉降控制指標，有針對性的防控地面沉降。通過沉降控制指標促使施工單位采用科學的施工方法和措施預防和減少工程性地面沉降發生。對涉及降排地下水的基坑工程，應采取加深止水帷幕、坑外設置回灌井等措施，合理控制地下水位的下降及其影響范圍，控制地面沉降的發生和發展。

（五）提升管理信息化水平

搜集和整理與地面沉降相關的城市地質、城市發展規劃、城市防災減災等數據資料與技術經濟指標，建立地面沉降數據庫，對地面沉降成果資料進行有效管理。研究考慮抽水和建筑荷載雙重作用下地面沉降全耦合模型，建立基于三維地質結構模型的地面沉降預警預報系統，實現地面沉降動態模擬、分析與評價，充分發揮信息系統優勢，做好地面沉降信息的發布，為地面沉降防治提供數據平臺。

（六）推進管理法制化建設

盡快制定并頒布實施寧波市地面沉降管理相關辦法，從法規制度層面，進一步明確專項規劃編制、組織機構成立、專項經費落實等，把地面沉降綜合防治工作納入整個城市防災減災工作體系中，實現地質資源開發與地質環境保護和諧統一。