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》（國務(wù)院令第394號）的要求，需對建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)用地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險性評估，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)測工程建設(shè)活動可能產(chǎn)生的各類環(huán)境地質(zhì)問題及地質(zhì)災(zāi)害，為防災(zāi)減災(zāi)與建設(shè)場地地質(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)場地地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，確定場地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型、現(xiàn)狀、分布及影響因素，分析預(yù)測評估區(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)害及其危險性，劃分地質(zhì)災(zāi)害危險性等級，對建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評價，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)對建設(shè)用地危害并不明顯，給準(zhǔn)確評估地面沉降危險性造成了困難。鑒于對多年來對地面沉降監(jiān)測資料的積累，有必要對地面沉降危險性評估方法及標(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年間最大累計沉降量僅為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，大量開采地下水，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，昌平區(qū)、順義區(qū)、大興區(qū)等均出現(xiàn)新的沉降中心，個別監(jiān)測點(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)第八水廠自來水引入市區(qū)，并采取了大力開展節(jié)約用水和加強(qiáng)地下水開發(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，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、朝陽來廣營、東郊八里莊-大郊亭（三間房、通州城區(qū)和黑莊戶-臺湖）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，最大累計沉降量為1302mm（昌平沙河—八仙莊沉降區(qū)），來廣營金盞地區(qū)、三間房地區(qū)、禮賢地區(qū)最大累計沉降量均超過1m。

地面沉降作為我市最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，對城市規(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)致建筑物墻體開裂、地基下沉，威脅居民生命財產(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值。

2 評估方法

2.1 地面沉降現(xiàn)狀調(diào)查

北京地面沉降主要是由于長期超量開采地下水引起的，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發(fā)利用調(diào)查和地面沉降調(diào)查兩部分。

（1）地下水開發(fā)利用調(diào)查

調(diào)查水井的數(shù)量、開采量、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、動態(tài)變化規(guī)律等，編制地下水位等水位線圖。必要時設(shè)置專門地下水長期動態(tài)監(jiān)測孔，定期量測地下水位，并對工作區(qū)地下水井進(jìn)行地下水位普測。

（2）地面沉降調(diào)查

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

機(jī)井井管相對地面上升現(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，井管較地面相對上升，大者超過300mm，泵房地面及墻體開裂，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，井管相對地面上升了350mm，泵房墻體開裂，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地面上升，特別是在廠東北角3號機(jī)井井管上長較大，泵房已倒塌，機(jī)井報廢。

學(xué)校是學(xué)生學(xué)習(xí)的場所，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)井井管相對地面上升，泵房開裂破壞也比較普遍。如昌平區(qū)東三旗村機(jī)井及北京市種禽公司地?zé)峋?，順義區(qū)沙坨村均出現(xiàn)井管相對地面上升現(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?。圖1（a）所示為位于東郊的北京傳媒大學(xué)地?zé)峋?，由于地面沉降的影響，?000—2005年五年內(nèi)不得不兩次對井管進(jìn)行改造，以保證地?zé)峋恼Ｊ褂?。圖1（b）所示為順義區(qū)仁和鎮(zhèn)自來水廠的供水水井，由于水井抬升，直接影響其供水能力。

對供水管線應(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水供水管線破損記錄中，其中朝陽區(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，地面沉降已對市政設(shè)施的安全使用造成了不利影響。

調(diào)查淹沒損失、淹沒設(shè)施名稱、淹沒面積、淹沒水深，對比分析本次降水量大小及歷史同等降水量淹沒情況和相應(yīng)的地面變形情況（有無阻水建筑物修建）。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、海水淹沒碼頭、工廠等，屬于地面沉降所致。

2.2 地面沉降預(yù)測

對已發(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，通過分析評估區(qū)水資源開發(fā)利用規(guī)劃，并考慮建筑施工、使用等情況預(yù)測地面沉降發(fā)展趨勢并估算沉降量，提出防治措施。對可能發(fā)生地面沉降地區(qū)首先分析場地是否具備產(chǎn)生地面沉降的地質(zhì)條件，分析地下水開采前景，并考慮建筑施工、使用等情況預(yù)測地面沉降發(fā)展趨勢并估算沉降量，提出防治措施。對可能發(fā)生地面沉降的地區(qū)，主要是預(yù)測地面沉降的可能發(fā)展趨勢，即預(yù)測地面沉降量及沉降過程。

地面沉降預(yù)測評估一般包括對工程建設(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)測和工程建設(shè)自身可能遭受地面沉降危害的可能性、危險性和危害程度進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測指標(biāo)主要有沉降速率和累計沉降量，預(yù)測時間不小于5年。

當(dāng)前地面沉降預(yù)測計算方法可分為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，土水模型包括兩個方面：一方面是確定含水層水位與開采（回灌）量之間的關(guān)系，即水位模型；另一方面是計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)測計算模型[6]。隨機(jī)統(tǒng)計模型包括回歸分析模型、時間序列模型和生命旋回模型，其構(gòu)建要基于大量監(jiān)測數(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)、遺傳算法和模糊計算等。對于建設(shè)場地的地面沉降預(yù)測，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)踐證明是較簡單實(shí)用的計算方法。北京地區(qū)建設(shè)用地地面沉降評估常用的方法是《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)分別計算各土層的沉降量，再求總和，即地面總沉降量。計算公式如下：

粘性土及粉土層按下式計算：

砂層按下式計算：

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——計算土層的厚度（m）；

E——砂土的彈性模量，壓縮時為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，計算土層在某一特定時間段（水位上升或下降）內(nèi)，含水層水頭每變化1米時其相應(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)測年份的水位升、降幅度及土層厚度條件下，可按下式預(yù)測土層沉降量。

式中：Ss、Sc——分別為預(yù)測期內(nèi)水位上升或下降△h(m)時，厚度為H(m)的土層的預(yù)測沉降量(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)測資料。

3 評估標(biāo)準(zhǔn)

地面沉降是一種“沉默”的地質(zhì)災(zāi)害，確定評價因子和標(biāo)準(zhǔn)是十分復(fù)雜的問題。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)度和未來一段時期內(nèi)發(fā)育程度和災(zāi)害強(qiáng)度3個因素，評價指標(biāo)主要考慮地面沉降活動強(qiáng)度、活動頻次兩種指標(biāo)。累計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)測沉降速率反映的是活動頻次指標(biāo)，地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)造成或發(fā)生時可能造成的潛在經(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)，評價標(biāo)準(zhǔn)見表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)度分級標(biāo)準(zhǔn)z

表4 地面沉降發(fā)育程度預(yù)測

表5 地面沉降災(zāi)害危險性評估分級表

4 結(jié)語

地面沉降主要是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中過量開發(fā)利用地下流體產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題，它是制約一個地區(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)害危險性評估的重要內(nèi)容。自2004年以來，北京投巨資建設(shè)了覆蓋全市平原區(qū)的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時監(jiān)測地面沉降變化，積累了大量監(jiān)測資料，為準(zhǔn)確評估地面沉降危險性奠定了基礎(chǔ)。由于地面沉降對不同類型建（構(gòu)）筑的致災(zāi)機(jī)理、破壞程度不盡相同，所以在今后的評估工作中，有必要分別建立地面沉降針對不同類型建（構(gòu)）筑的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)。

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