北京市地面沉降分布及典型災(zāi)害類型初探

趙 龍，武增寬，李玉梅，羅 勇,2，沙 特，劉 賀，田苗壯，孔祥如

（1.北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,北京 100195; 2.中科院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029；3.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130061）

0 前言

地面沉降是松散沉積物固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，常由于自然因素或人類工程活動(dòng)誘發(fā)產(chǎn)生，屬于一種緩變性地質(zhì)災(zāi)害(Tricart，1999)。地面沉降自1891年墨西哥城最早發(fā)現(xiàn)以來，目前已分布在世界上50多個(gè)國家超過150個(gè)城市，逐漸成為一種全球性的、對(duì)人類生存環(huán)境產(chǎn)生重大影響的環(huán)境地質(zhì)問題(甘德福，1992)。

北京是我國地面沉降發(fā)育較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。地面沉降災(zāi)害主要發(fā)生在朝陽、海淀、順義、通州、昌平、大興等多個(gè)區(qū)，影響面積超過平原區(qū)面積的三分之二，近年來仍處于快速發(fā)展時(shí)期(雷坤超等，2016)。地面沉降影響建筑物結(jié)構(gòu)，降低其抗震能力；損失地面高程，降低防洪排澇能力；影響軌道交通安全；加劇地裂縫災(zāi)害。地面沉降災(zāi)害已成為影響北京城市規(guī)劃建設(shè)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的因素之一，然而當(dāng)前尚無系統(tǒng)梳理地面沉降災(zāi)害類型，增大了后期致災(zāi)模式分析難度。基于此筆者通過長期監(jiān)測(cè)、實(shí)地調(diào)查，分析了北京地面沉降發(fā)育趨勢(shì)，闡述了地面沉降災(zāi)害類型，為后續(xù)致災(zāi)模式分析提供重要基礎(chǔ)資料。

1 地面沉降發(fā)育地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

北京平原區(qū)位于整個(gè)北京市的東南部，由5大水系聯(lián)合作用形成的洪沖積扇群構(gòu)成。大致以溫榆河為界，東部為潮白河沖積扇，西部為永定河沖積扇(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991)。全新世以來構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，永定河由北向南的遷移，表現(xiàn)出沖積扇的移動(dòng)疊加。地勢(shì)為西北高、東南低，由山前向南、東南傾斜，山前海拔標(biāo)高60～80m，平原20～60m。平原大部分地區(qū)海拔20～60m。山前地帶地勢(shì)較高，坡度也較大，達(dá)1%～5%。平原東南部地區(qū)，地勢(shì)平坦，坡度小于0.5‰(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008)。

在地層沉積上，北京地表大部分被第四紀(jì)松散沉積物所覆蓋，厚度由山前到平原從數(shù)十米變化到近千米。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起地塊的抬升和下沉，導(dǎo)致古地貌的分異形成了新生代不同時(shí)期的北京斷陷盆地、延慶—懷來盆地、馬池口凹陷、順義凹陷及平谷盆地，制約了第四紀(jì)沉積物的分布和厚度變化。第四紀(jì)氣候的演變則決定了降雨量、溫度，致使地表植被演化和風(fēng)化強(qiáng)度的變化，不同的氣候環(huán)境，影響著河流搬運(yùn)能力，造成河道的變遷，形成了多期沖洪積扇和古河道。以上兩種因素共同作用共同建造了復(fù)雜多變的地層特征(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991)。

1.2 主要壓縮層分布特征

北京地面沉降區(qū)基本與地下水多層結(jié)構(gòu)區(qū)的分布相吻合。將粉質(zhì)粘土、粘土或粉土為主的間夾薄層粉砂或（和）粉細(xì)砂的地層概化為壓縮層，兩個(gè)或兩個(gè)以上的壓縮層組合稱為壓縮層組。根據(jù)第四紀(jì)地層形成時(shí)代、沉積環(huán)境及工程地質(zhì)鉆孔資料等，結(jié)合地面沉降的特點(diǎn)，將北京地面沉降區(qū)劃為3個(gè)壓縮層組，即第一壓縮層組（Q4+Q3）、第二壓縮層組（Q2）和第三壓縮層組（Q1），后者又可分為兩個(gè)亞層(田芳等, 2012)（圖1）。

第一壓縮層組（淺部土體）廣泛分布于北京平原區(qū)各沖洪積扇的中下部，巖性以全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)沖積相、沖湖積相粉土、粘性土為主，為正常固結(jié)土或微超固結(jié)土，含水量較高，以可塑為主，壓縮性中等。第一壓縮層組中可壓縮層厚度大部分超過40m，局部地區(qū)最厚達(dá)70m。

圖1 可壓縮層總厚度分區(qū)圖Fig. 1 Map of compressible layer thickness

第二壓縮層組（中深部土體）廣泛分布于北京沖洪積平原中下部地區(qū)，巖性為中更新統(tǒng)沖洪積、沖湖積的粉土、粉質(zhì)粘土、粘性土。正常固結(jié)土，可塑為主，壓縮性中等-低。第二壓縮層組大部分的可壓縮層厚度都超過50m，局部地區(qū)可達(dá)70～100m。

第三壓縮層組（深部土體）主要分布在幾個(gè)第四系沉積中心，巖性為下更新統(tǒng)河湖相沉積的灰褐色、灰色粉質(zhì)粘土、粘土層，以260～300m為界，其上為正常固結(jié)土-超固結(jié)土，可塑-硬塑，壓縮性低，其下固結(jié)程度增大，結(jié)構(gòu)致密，大部分呈堅(jiān)硬狀態(tài)，密實(shí)度高，壓縮性很低。第三壓縮層組上段的可壓縮層厚度普遍大于40m，局部地區(qū)超過100m。

1.3 水文地質(zhì)背景

圖2 北京平原區(qū)含水層組分布圖Fig. 2 Distribution map of aquifer group in plain area of Beijing

北京平原區(qū)的地下水主要賦存在第四系松散孔隙介質(zhì)中。北京平原是在永定河、潮白河、拒馬河、大石河、北運(yùn)河、薊運(yùn)河等河流的沖、洪積作用下形成的，沉積環(huán)境比較復(fù)雜(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008)。含水層巖性分帶比較復(fù)雜，總體的變化規(guī)律是：由山前至平原，第四系厚度逐漸增大，含水層顆粒由粗變細(xì)，地下水位埋深由深變淺，含水層結(jié)構(gòu)由單一的含水層逐漸過渡為多層。平原區(qū)的多層含水層結(jié)構(gòu)區(qū)主要分布于各沖洪積扇的中下部地區(qū)(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 2008)。根據(jù)地層年代、巖性、埋藏條件及地下水補(bǔ)徑排條件，以及地下水的開發(fā)利用等因素，將平原區(qū)第四系中的含水層和弱透水層組合在一起，對(duì)研究區(qū)的含水層進(jìn)行概化，在垂向上將監(jiān)控層位劃分成4個(gè)主要含水層組（圖2）。

北京位于北溫帶，是半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋相對(duì)較短，降水季節(jié)分配很不均勻，夏季 6、7、8三個(gè)月降水較多，約占全年80%(劉方翠等，2016)。1970年以前，北京市地下水開采量較小，地下水的補(bǔ)給量和排泄量基本平衡；隨后10年間，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人口的增加，城近郊區(qū)的地下水開采量大幅增加，并且出現(xiàn)了干旱少雨天氣，地下水補(bǔ)給量減少，從而導(dǎo)致地下水水位大幅度下降，局部地區(qū)甚至出現(xiàn)了地下水降落漏斗；1990年以后，城近郊區(qū)的地下水開采量基本得到控制，地下水位有所回升；1999年至2010年，出現(xiàn)了連續(xù)的干旱少雨天氣，地下水補(bǔ)給量減少，地下水位整體上呈下降的趨勢(shì)。2011年至今，隨著降雨量的回升，以及2014年年底南水進(jìn)京，地下水開采量得到了一定的控制，并且水務(wù)部門采取了一系列地下水優(yōu)化開采措施，地下水位整體上表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。

2 地面沉降分布及典型災(zāi)害類型

2.1 地面沉降分布

如圖3所示，北京平原區(qū)地面沉降主要分布在通州、大興、順義等地區(qū)，分為南、北、東三大集中區(qū)域。具體劃分如下：

平原區(qū)東部仍然是北京市地面沉降最為嚴(yán)重的地區(qū)。發(fā)育于潮白河沖積扇及永定河沖洪扇交界處，分析認(rèn)為，河流擺動(dòng)導(dǎo)致兩沖積扇疊加，使得交界處沉積環(huán)境復(fù)雜，砂層與粘性土層互層，層次多，粘性土層厚度大，為地面沉降發(fā)生發(fā)展提供有利的地質(zhì)條件。整體上，以年沉降量80mm為分界形成上下兩大沉降區(qū)域，上部區(qū)域位于朝陽金盞—東壩—朝陽農(nóng)場(chǎng)一帶，北至朝陽金盞，南到樓梓莊，西起東壩，東至朝陽農(nóng)場(chǎng)。下部區(qū)域位于朝陽王四營—三間房—管莊—黑莊戶—通州城區(qū)—張家灣—臺(tái)湖—次渠一帶，兩大沉降區(qū)域又以40mm沉降等值線連成一片，形成以宋莊、張家灣、臺(tái)湖、馬駒橋、王四營、東壩、金盞為邊界的東部主要沉降區(qū)。

圖3 北京平原區(qū)地面沉降（2014年）與沖積扇疊加圖Fig. 3 Overlay map of land subsidence（2014）and alluvial fan in plain area of Beijing

平原區(qū)北部發(fā)育于多套河湖相沉積地層，區(qū)域上昌平、海淀區(qū)內(nèi)存在四個(gè)沉降漏斗區(qū)，分別位于海淀西小營、昌平八仙莊，海淀上莊和燕丹。海淀西小營—上莊—昌平沙河—七里渠—燕丹一帶，以年沉降量40mm等值線連成一片。順義地區(qū)沉降漏斗區(qū)較為分散，包括高麗營、張鎮(zhèn)、南法信、李橋、楊鎮(zhèn)等小的沉降漏斗區(qū)，其中高麗營—南法信—張鎮(zhèn)以40mm沉降等值線連成一片，李橋、楊鎮(zhèn)呈零散分布。

平原區(qū)南部分沉降發(fā)育于永定河沖積扇，漏斗零散分布，主要有禮賢—小馬坊、榆垡兩大沉降漏斗區(qū)。其中，禮賢—小馬坊為南部主要沉降漏斗區(qū)，并且與河北交界。

2.2 災(zāi)害類型

為全面系統(tǒng)了解地面沉降災(zāi)害類型及特征，對(duì)地面沉降發(fā)育嚴(yán)重地區(qū)的建筑物、橋梁、地面和路面進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，依據(jù)調(diào)查結(jié)果將地面沉降災(zāi)害初步分為以下兩類，依據(jù)各類災(zāi)害致災(zāi)數(shù)量及破壞程度，選擇典型災(zāi)害類型進(jìn)行描述（圖4）。

（1）區(qū)域性沉降形成的點(diǎn)狀破壞

過量抽采地下水導(dǎo)致北京平原區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的區(qū)域性地面沉降，山前平原、沖積平原等大部分地區(qū)均發(fā)育著地面沉降。調(diào)查顯示，區(qū)域性地面沉降多造成點(diǎn)狀及面狀破壞。其中點(diǎn)狀破壞以井管抬升為代表。區(qū)域性地面沉降造成井管脫離原有地面使井管相對(duì)與原有地面呈現(xiàn)的抬升現(xiàn)象。力學(xué)上表現(xiàn)為應(yīng)力集中-應(yīng)力釋放過程，在井管周圍地面隨井管上升過程中，向上的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為兩側(cè)分量拉伸周圍地面向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)超過地面材料最大抗拉強(qiáng)度后，地面材料發(fā)生破裂，應(yīng)力釋放，失去拉伸作用的地面受重力作用，形成塌陷。在井管抬升災(zāi)害發(fā)生于井管周圍，該現(xiàn)象導(dǎo)致井管向上凸起，周圍地面出現(xiàn)以井管為中心向四周散射狀的裂縫。依據(jù)地面材料不同破壞程度有所差異，地面材料質(zhì)地較硬易出現(xiàn)抬升破壞，抬升部分總體裂縫延伸范圍較短。

圖4 井管抬升災(zāi)害現(xiàn)象Fig. 4 Hazard of well pipes uplift

（2）局部差異沉降形成線狀破壞

在差異抽水影響下形成的局部差異性地面沉降，多展現(xiàn)處線狀破壞，該類破壞多集中于建（構(gòu)）筑物，造成建（構(gòu)）筑物受力破壞，失去穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)為：墻體開裂，北京地區(qū)該類災(zāi)害多地質(zhì)構(gòu)造相聯(lián)系，與斷裂帶相伴而生，具有明顯的地域性特征(劉方翠等. 2016)。該類災(zāi)害呈現(xiàn)線狀沿固定方向展布，依據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)不同表現(xiàn)為上寬下窄，先從墻體頂部發(fā)生破壞的直立、單斜裂縫（圖5a、b），具有一定寬度剪裂帶的單斜拉剪帶裂縫（圖5c）及下寬上窄單斜階梯型裂縫（圖5d）。

圖5 墻體開裂災(zāi)害（a直立裂縫；b單斜裂縫；c單斜拉剪帶裂縫；d單斜階梯型裂縫）Fig. 5 Hazard of cracks in wall （a. vertical crack; diagonal crack; c shear crack; d echelon crack）

地面開裂：調(diào)查顯示，與斷裂帶伴生的地面開裂具有一定方向性，而斷裂走向較為一致。在沉積厚度差異的松散沉積物上，地層發(fā)生不均勻沉降，豎直方向彎曲變形形成的垂向錯(cuò)動(dòng)變形，超過路面材料最大抗拉/抗剪強(qiáng)度，錯(cuò)斷路面薄弱部分，形成開裂，路面錯(cuò)斷部分結(jié)合能力減弱，長期在自然及人為影響下，發(fā)生剝落，逐漸擴(kuò)大裂縫寬度。未發(fā)育在斷裂帶上的地面開裂無方向性，受豎直方向彎曲變形形成的垂向錯(cuò)動(dòng)變形影響在路基薄弱處呈現(xiàn)多方向小股裂隙（圖6）。

圖6 地面開裂災(zāi)害Fig. 6 Hazard of land cracks

橋梁開裂：在地面沉降等值線變化密集地區(qū)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)橋梁開裂，該類災(zāi)害發(fā)生在橋梁及橋墩處，在橋梁底部的橫梁處出現(xiàn)多處裂縫，受裂縫影響橫梁出現(xiàn)受力彎曲、錯(cuò)動(dòng)變形現(xiàn)象，橋墩部分出現(xiàn)單斜/直立裂縫，裂縫貫穿橋墩，造成上部橋面發(fā)生明顯開裂，嚴(yán)重地段出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)（圖7）。

3 結(jié)論及建議

文中依據(jù)長序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及野外調(diào)查結(jié)果，闡述了北京平原區(qū)地面沉降分布特征，北京地面沉降災(zāi)害類型，得出結(jié)論如下：

圖7 橋梁開裂災(zāi)害Fig. 7 Hazard of bridge

（1）北京平原區(qū)地面沉降分為南、北東3大集中區(qū)，北部與東部連接多沿潮白河與永定河沖積扇交際處發(fā)育，南部以河北界為中心向北發(fā)育。東部地區(qū)以年沉降量80mm為分界形成朝陽金盞—東壩—樓梓莊—朝陽農(nóng)場(chǎng)及朝陽王四營—三間房—管莊—黑莊戶—通州城區(qū)—張家灣—臺(tái)湖—次渠兩大沉降區(qū)，平原區(qū)北部除海淀西小營、昌平八仙莊兩個(gè)沉降中心外存在多數(shù)小沉降區(qū)。

（2）區(qū)域性地面沉降形成的以井管抬升為代表的點(diǎn)狀破壞現(xiàn)象，該類災(zāi)害以點(diǎn)為中心呈輻射狀分布，影響范圍較小。局部差異沉降形成包括墻體開裂、地表開裂及橋梁開裂等具有線狀破壞形式的災(zāi)害，該類災(zāi)害多呈線性沿固定方向延伸，影響范圍較大。

（3）開展北京平原區(qū)高精度地面沉降調(diào)查工作，重點(diǎn)關(guān)注地面沉降對(duì)線性工程、重大工程影響；實(shí)現(xiàn)自備井置換的沉降重點(diǎn)區(qū)域；建議各區(qū)政府按照劃定的地下水超采區(qū)及禁限采區(qū)，嚴(yán)格地下水資源管理，大幅度減少地面沉降發(fā)育強(qiáng)區(qū)內(nèi)的地下水開采，合理利用南水北調(diào)水開展中、深層承壓水人工回補(bǔ)。