北京宋莊地裂縫分布特征及成因分析

趙 龍，劉久榮，王 榮，沙 特，邢一飛，羅 勇,2田苗壯，孔祥如，齊鳴歡，王新惠，李玉梅

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2. 中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029；3. 吉林大學地球科學學院，吉林·長春 130061）

北京宋莊地裂縫分布特征及成因分析

趙 龍1，劉久榮1，王 榮1，沙 特1，邢一飛1，羅 勇1,2田苗壯1，孔祥如1，齊鳴歡1，王新惠1，李玉梅3

（1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2. 中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029；3. 吉林大學地球科學學院，吉林·長春 130061）

宋莊地裂縫是北京地區新發現的一條地裂縫，近年來宋莊地裂縫快速發育，已經造成了沿線多個村莊的房屋及路面破損，造成重大財產損失。因此，需要調查了解地裂縫展布特征和分布情況，分析形成原因，進而才能提出減緩地裂縫災害的合理措施，保證地裂縫沿線村民的生命財產安全。本文采用地下水分層監測、水準測量技術結合地球物理探測、鉆探技術，對宋莊地裂縫展開詳細調查，并結合調查結果分析其形成原因。結果表明，宋莊地裂縫展布北東方向，長度約8.7km。宋莊地裂縫發育受區域地質構造、第四系沉積層厚度控制，長期過量開采地下水是引起地裂縫災害形成的主要因素。

地裂縫；分布特征；成因分析；差異沉降；地下水

地裂縫是一種十分常見的地質災害，是指在內外力因素共同作用下，巖石和土層連續性遭到破壞，發生變形，最終導致巖土體結構失衡發生破裂，在地表及建（構）筑物表面形成的裂隙或裂縫[1,2]。相關研究表明地裂縫多形成于地質構造活躍及人為活動明顯的平原及盆地地貌單元中[3]。地裂縫作為一種特殊的地質災害，具有隨機性、突發性、隱蔽性和緩變性等特點，可直接或間接地降低環境質量、危害人類和生物圈的發展[4]。

北京由于其處于特殊的地質構造背景加之近年來人類活動加劇，發生了多起地裂縫災害[5]。主要包括：順義地裂縫、高麗營地裂、羊房地裂縫和北小營地裂縫，這些地裂縫多發現于北部地區。2016年，在開展地質調查工作過程中在北京東部地區通州發現宋莊地裂縫。由于通州城市副中心建設作為北京重點發展項目，人類活動影響將日益加劇，這可能會很大程度上加劇了地裂縫災害的發展，同時地裂縫具有突發性、隱蔽性特點，由其所造成的危害和隱患會更加嚴重[5]。筆者在1:2.5萬區域地質調查基礎上，結合區域地質構造及地下水動態變化特征，概述了北京通州區宋莊地裂縫的分布特征并對成因進行了淺析。

1 環境地質概況

通州區位于北京市東南部，京杭大運河北端。區域地理坐標北緯3936～4002，東經11632～11656（圖1）。氣候屬暖溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區，多年平均氣溫11.4℃，多年平均降雨量610.0mm[6]。研究區位于通州區東北部宋莊鎮，位于北京迭斷凹與大興迭隆起交界處，下伏早、中更新世有活動跡象的南苑-通縣斷裂。受地質構造及南苑-通縣斷裂影響，研究區兩側地層松散層沉積厚度差異顯著[9]。

第四系沖洪積扇地層為多層韻律的黏性土與砂卵石相間分布由潛水層、承壓水層組成，層次多、顆粒細，厚度比較穩定，具體劃分為三層承壓水及一層潛水。水位降深5m時，單井出水量1000～1500m3/d，淺層水開采深度小于100m，水位埋深15.20m，深層水開采深度為100～300m，含水層富水性較差。研究區地下水開采主要用于農業、工業及生活用水，截止到2014年研究區自備井數量為44座，2014年供水量約為48.693萬m3。

2 地裂縫基本特征

宋莊地裂縫展布北東方向，南起小中河向東北延伸，經雙埠頭村、溝渠村、大龐村至平家疃村，長度約8.7km。地裂縫影響帶最寬處達到450m。宋莊地裂縫近3年形成且快速發育。雙埠頭村南側林地中沿地裂縫走向上發育有18處地表塌陷點，雙埠頭村村民房屋墻體及路面共開裂72處，溝渠村村民房屋墻體及路面共開裂31處，大龐村村民房屋墻體及路面共開裂58處，少部分墻體垂向錯動明顯，平家疃村村民房屋墻體及路面共開裂6處[7]（圖2）。

依據調查結果，總體上看宋莊地裂縫具有如下特征：（1）在調查區內由宋莊地裂縫形成的災害點展布方向具有一致性，均由西南向北東方向延伸；（2）災害點分布不是沿著一條直線規則性分布，而是呈面狀向北東方向延伸。雙埠頭村災害點分布面積較大，向北東方向延伸，災害點散開面積逐漸變小；（3）宋莊地裂縫造成的災害點地表和房屋破壞形式具有分段性，雙埠頭村地表和房屋破壞形式主要以水平拉張為主，局部房屋受扭動破壞影響，而且北側大龐村以垂直錯動為主。

圖1 宋莊地裂縫展布及影響帶范圍Fig.1 The extension and affected scope of Song zhuang ground fissures

圖2 宋莊地裂縫災害點Fig.2 disaster points of Song zhuang ground fissures

3 地裂縫成因淺析

3.1 第四系沉積厚度差異構成地質背景

宋莊地裂縫位于北東向南苑-通縣斷裂上盤，南苑-通縣斷裂在垂向400m處形成錯段，錯斷距離約300m，使得兩側地層沉積厚度有較大差異[8]。鉆孔資料顯示宋莊地裂縫北西側第四系沉積厚度約為500m，而地裂縫南東側第四系沉積厚度為290m。第四系沉積厚度較大差異造成宋莊地裂縫兩側地層厚度不均[9,10]（圖3）。

圖3 宋莊地裂縫兩側典型鉆孔第四系沉積厚度對比Fig.3 The comparison chart of thickness of Quaternary deposited in typical borehole at both sides of the Songzhuang ground fissures

相關研究表明，相同的水位降深，可壓縮性黏性土厚度越大，沉降量越大，持續的沉降時間越長[12]。通過平原區可壓縮性土厚度等值線與地面沉降發育關系同樣得出：可壓縮黏性土厚度較大且地下水位下降較快的西小營、八仙莊、金盞、通州城區、黑莊戶以及南部的小馬坊等地區與南北兩大沉降區和七個沉降中心高度吻合，因此在北京地區可壓縮層厚度制約著地面沉降發育程度[12]。圖4為宋莊地裂縫兩側地層中可壓縮層厚度統計結果，可以看出ZK1鉆孔中可壓縮層厚度為231.04m，鉆孔ZK2可壓縮層厚度為146.28m，ZK1明顯大于ZK2。在地質應力或人為活動影響下，可壓縮層發生自然固結或釋水壓縮，可能影響宋莊地裂縫兩側下沉速率及累計下沉厚度，長期的作用下，導致兩側地層受力不均，形成差異形變。因此可壓縮層厚度差異為宋莊地裂縫的形成提供了地質背景。

3.2 地下水位持續下降引起地面沉降

宋莊地裂縫位于通州東北部宋莊地區，沿線穿過雙埠頭、溝渠村、大龐村和平家疃等村落。近年來，村莊人口聚集、房屋和道路等建筑物增多、較大規模的工廠區逐步建成、周邊以地下水為水廠和水源地逐具規模。為支撐經濟建設和社會發展，宋莊地裂縫沿線開采/超采地下水發展成為該區域主要環境地質問題。

圖4 宋莊地裂縫兩側典型鉆孔可壓縮層厚度Fig.4 The thickness of compressible stratum based on typical borehole at both sides of the Song zhuang ground fissures

宋莊帶裂縫沿線經過潮白-薊運-溫榆河地下水子系統，沖洪積扇子區，有四個主要賦水含水層，如圖5為宋莊地裂縫沿線某分層地下水監測井2010～2015年間，4層主要含水層水位變化情況。監測結果表明2010～2015年潛水含水層、第一承壓含水層水位變化較為平緩，總體水位基本保持穩定。年內含水層水位波動變化，雨季（6～8月）期間水位上升，非雨季水位下降，降雨對地下水補給貢獻較大。二三承壓含水層總體上處于波動下降階段，推測第二、三含水層為該區域主要開采目標層，受長期過量開采影響水位下降幅度逐漸增大，截止到2015年第二承壓含水層水位降深達11m，第三含水層水位降深達10m。

圖5 含水層水位變化曲線Fig.5 Curves of ground water level in aquifers along ground fissure

近年來的地面沉降水準測量成果與平原區地下水動態監測成果、地面沉降監測站內分層標監測與地下水分層監測成果等對比分析同樣表明，在地下水位明顯下降的地區，地面沉降發展速率明顯加快[12]。基于以上分析結果，受水位持續下降影響，宋莊地裂縫沿線地面沉降災害逐漸加劇。如圖6為宋莊地裂縫沿線徐辛莊地面沉降監測點監測結果表明2010～2015年相鄰年間沉降差值逐漸增大，表明地面沉降處于持續發育。其中2010～2012年沉降差值變化明顯，2012～2015年沉降差值仍然不斷增大，但增大幅度較小。

3.3 差異沉降引發地裂縫

圖6 徐辛莊地面沉降監測點2010～2015年相鄰年間沉降量差值變化曲線Fig.6 The curve related to difference of adjacent subsidence from 2010 to 2015 at point of subsidence monitoring in Xuxinzhuang

受到前期構造影響，宋莊地裂縫北西側地層第四系厚度大于南東側，統計結果顯示宋莊地裂縫北西側可壓縮層厚度也遠大于南東側。地層多為正常固結或超固結土，自然固結壓縮作用較為緩慢，宋莊地裂縫沿線區域范圍內近期未發生重大地質構造，且宋莊地裂縫近期形成，并快速發展。因此綜合以上初步分析認為，人類活動尤其地下水超采對地面沉降貢獻程度較大。在地下水長期處于超采的背景下，地下水位持續下降，在有效應力的作用下，兩側壓縮量產生明顯差異，形成差異沉降[11]。隨著差異沉降增加，應力集中在軟弱地區并釋放，導致軟弱區土體破裂形成地裂縫（圖7）。

圖7 地層差異產生不均勻沉降誘發地裂縫示意Fig.7 Schematic diagram of ground fissure caused by stratigraphic differences

4 結論及建議

（1）宋莊地裂縫南起小中河北向東北延伸至平家疃村潮白河以西，長度約8.7km，最大地裂縫影響帶450m，宋莊地裂縫近3年形成且快速發育。宋莊地裂縫災害點展布方由西南向北東方向延伸；分布面積向北東方向延伸逐漸減小；災害點地表和房屋破壞形式具有分段性。

（2）宋莊地裂縫地質災害受兩種因素控制，沉積物厚度差異是宋莊地裂縫形成的地質背景；長期地下水過量開采引起地下水位持續下降引發差異沉降是宋莊地裂縫形成主要原因，因此，宋莊地裂縫的防治應從控制地下水開采為主要出發點。

（3）宋莊地裂縫的形成對通州副中心形成不利的地質環境，建議有關部門對地裂縫影響明顯的大龐村、溝渠莊村、雙埠頭村等區域制定防災應急預案，建立地裂縫預警預報體系，完善地裂縫監測設施；在地裂縫發育范圍內及周邊加快市政供水管網覆蓋，限制居民和工業使用地下水，減少地下水開采，減緩地裂縫發展趨勢。

（References）

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[12] 北京市水文地質工程地質大隊. 北京市地面沉降監測年度報告[R]. 2015. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology. The annual report of Beijing land subsidence monitoring[R]. 2015.

Distribution characteristics and cause analysis of Songzhuang ground fissures in Beijing

ZHAO Long1, LIU Jiu-Rong1, WANG Rong1, SHA Te1, XING Yi-Fei1, LUO Yong1,2, TIAN Miao-Zhuang1, KONG Xiang-Ru1, QI Ming-Huan1, WANG Xin-Hui1, LI Yu-Mei3
(1. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China; 2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China; 3. College of Earth Science, Jilin University, Jilin Changchun 130061, China)

The Songzhuang ground fissures were recently found in the Beijing area. Ground fissures, which have rapidly developed in recent years, pose a great destructive risk to many houses and roads along the fissures. To reduce the risk caused by these fissures, an investigation into the distribution characteristics of ground fissures and an analysis of the factors causing ground fissures and their mechanisms must be conducted. An integrated investigation program was designed, including the multilayer monitoring of groundwater, leveling, geophysical exploration, and boreholes, with the aim to delineate the distribution of disasters and to identify the main causes of ground fissures. The results indicate that the ground fissures were extended in the NE direction, with a length of 8.7 km. Ground fissures were caused by differential subsidence, and the development of the ground fissures were mainly controlled by the thickness of the regional geological structure and the distribution of Quaternary deposits. The super-pumping of groundwater is the main factor that gives rise to disasters caused by ground fissures.

ground fissure; distribution characteristics; cause analysis; differential settlement; groundwater

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0035-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.009

2017-03-06

修回日期: 2017-06-03

趙龍(1990-),男,碩士,助理工程師,主要從事地質災害調查與監測.

電子郵箱: zszhaolong0123@yeah.net

聯系電話: 010-51560334

北京市科技計劃課題56130(Z131100 0022);北京市自然科學基金項目(8162043);北京市地面沉降監測系統年運行費項目(PXM2015-158305-000011;PXM2016-158305-000004);基于北斗衛星的地面沉降監測(121211220184);通州城市副中心地區重大地質問題調查與評價項目地面沉降專題(PXM2016-158203-000008)