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(zhǎng)春 130061)
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(lái),目前已分布在世界上50多個(gè)國(guó)家超過(guò)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(wèn)題(甘德福,1992)。
北京是我國(guó)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(yáng)、海淀、順義、通州、昌平、大興等多個(gè)區(qū),影響面積超過(guò)平原區(qū)面積的三分之二,近年來(lái)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(wú)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(guò)長(zhǎng)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。
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(lái)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(kāi)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(lái)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)。
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(guò)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(guò)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(guò)100m。
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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(rùn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采量得到了一定的控制,并且水務(wù)部門(mén)采取了一系列地下水優(yōu)化開(kāi)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)。
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(yáng)金盞—東壩—朝陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)一帶,北至朝陽(yáng)金盞,南到樓梓莊,西起東壩,東至朝陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)。下部區(qū)域位于朝陽(yáng)王四營(yíng)—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(yíng)、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(yíng)、昌平八仙莊,海淀上莊和燕丹。海淀西小營(yíng)—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(yíng)、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(yíng)—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。
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(guò)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(guò)程,在井管周?chē)孛骐S井管上升過(guò)程中,向上的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為兩側(cè)分量拉伸周?chē)孛嫦蛏线\(yùn)動(dòng),當(dāng)超過(guò)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?chē)?,該現(xiàn)象導(dǎo)致井管向上凸起,周?chē)孛娉霈F(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(kāi)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(kāi)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(kāi)裂:調(diào)查顯示,與斷裂帶伴生的地面開(kāi)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(guò)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(kāi)裂,路面錯(cuò)斷部分結(jié)合能力減弱,長(zhǎng)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(kāi)裂無(wú)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(kāi)裂災(zāi)害Fig. 6 Hazard of land cracks
橋梁開(kāi)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(kāi)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(kāi)裂,嚴(yán)重地段出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)(圖7)。
文中依據(jù)長(zhǎng)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(kāi)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(yáng)金盞—東壩—樓梓莊—朝陽(yáng)農(nóng)場(chǎng)及朝陽(yáng)王四營(yíng)—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(yíng)、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(kāi)裂、地表開(kāi)裂及橋梁開(kāi)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(kāi)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(kāi)采,合理利用南水北調(diào)水開(kāi)展中、深層承壓水人工回補(bǔ)。