熊 峰,謝 羿,龐 設(shè) 典,官 善 友,彭 飛
(1.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司,湖北 武漢 430022; 2.武漢市江漢區(qū)振環(huán)建筑工程公司,湖北 武漢 430022)
隨著城市功能的不斷提升,重大工程的相繼建設(shè)與投入使用,對其賴以支撐的地質(zhì)環(huán)境帶來日益沉重的負(fù)擔(dān),因工程建設(shè)而引起的地面沉降、建筑物開裂已成為城市重要地質(zhì)災(zāi)害之一。武漢市泛后湖地區(qū)原為大面積湖區(qū),廣泛發(fā)育有深厚軟土層,是武漢市地面沉降最為嚴(yán)重的區(qū)域[1-2]。諸多研究表明,新近堆填的欠固結(jié)土固結(jié)壓縮是產(chǎn)生地面沉降的根本原因,建筑荷載、地下水位變化會加速土體固結(jié)是地面沉降的主要誘因[3-5]。也有研究表明在不同土地利用轉(zhuǎn)為建設(shè)用地對地面沉降的影響中,原水域用地沉降最明顯[4-6]。研究地面沉降成因及影響因素,開展風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),可為區(qū)域城市規(guī)劃和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù),提升區(qū)域地面沉降防控能力。
一般認(rèn)為,地面沉降的危險(xiǎn)性包括地面沉降發(fā)生的可能性和造成的危害性[7],前者用“危險(xiǎn)性”或“易發(fā)性”表示(本文稱之為“危險(xiǎn)性”),后者稱之為“易損性”。危險(xiǎn)性主要從沉降量、沉降速率、軟土厚度、地下水開采等方面進(jìn)行評價(jià),而對于易損性評價(jià)指標(biāo)往往包括地面高程、人口密度、單位面積GDP等[8-12]。但都忽視了一個重要條件——城市規(guī)劃,城市規(guī)劃是城市建設(shè)和管理的依據(jù)。因此,充分結(jié)合城市規(guī)劃進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)有利于提高評價(jià)結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和實(shí)效性。
本文在前人研究的基礎(chǔ)上,以武漢市泛后湖地區(qū)為例,在分析近年沉降趨勢的基礎(chǔ)上,結(jié)合地質(zhì)環(huán)境、城市規(guī)劃等條件,開展地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),研究成果可為本地區(qū)的城市規(guī)劃建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。
泛后湖地區(qū)位于武漢市江岸、江漢區(qū),多為長江一級階地,地形十分平坦,略低洼,標(biāo)高20 m左右,原為湖區(qū),現(xiàn)大部分已被人工填平。第四系覆蓋層地層結(jié)構(gòu)從上到下一般為厚度不大的松散人工填土、可塑狀一般黏性土、軟塑-流塑狀淤泥或淤泥質(zhì)土、稍密-密實(shí)的砂土。砂土底部一般混夾有礫卵石,砂土及礫卵石中賦存孔隙承壓水,其中淤泥、淤泥質(zhì)土厚度最大可達(dá)15 m以上?;鶐r以志留系泥巖,白堊-古近系泥巖、砂巖為主,埋深一般在40~50 m之間。
近年來,武漢泛后湖地區(qū)城市發(fā)展十分迅猛,工程建設(shè)強(qiáng)度大,相繼建成的地鐵3號線、6號線、8號線從中穿過,除此之外還有在建的地鐵12號線,新修的高層、超高層建筑、市政道路、深大基坑、綜合管廊等更是不勝枚舉。人類工程活動對地面沉降的影響強(qiáng)烈,自2013年以來,后湖地區(qū)多個小區(qū)、單位相繼發(fā)生了地面不均勻沉降現(xiàn)象,造成建筑物附屬設(shè)施及市政道路不同程度開裂、下沉,管道接口脫節(jié)等,給居民生活帶來了嚴(yán)重的影響。
武漢市從2016年開始對泛后湖地區(qū)開展地面沉降水準(zhǔn)測量和孔隙承壓水自動化監(jiān)測,其中水準(zhǔn)監(jiān)測至2021年已開展了5期。水準(zhǔn)觀測點(diǎn)及孔隙承壓水監(jiān)測井的位置如圖1所示。
圖1 水準(zhǔn)觀測點(diǎn)與孔隙承壓水監(jiān)測井位置示意
將水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)在MapGIS中生成沉降等值線圖,繪制近年來水準(zhǔn)監(jiān)測累計(jì)沉降等值線圖,如圖2所示。水準(zhǔn)觀測結(jié)果顯示,后湖地區(qū)地面沉降呈“漏斗式”分布,比較大的沉降漏斗主要有包括漢口城市廣場-同鑫花園(JC080、JC081、JC105)、地鐵百步亭花園路-新榮客運(yùn)站兩側(cè)(JC077、JC113)、漢口花園-中一花園(JC008、JC014、JC023),近5 a累計(jì)沉降量均超過100 mm,其中尤以漢口城市廣場-同鑫花園沉降漏斗的沉降現(xiàn)象最為顯著,最大累計(jì)沉降量達(dá)193 mm,平均沉降速率42.9 mm/a。除此之外,還有溫馨苑-怡康苑、黃埔科技園沉降也較為顯著。
圖2 2016~2020累計(jì)沉降量分布
根據(jù)圖3可知,2016年以來,上述3個沉降漏斗區(qū)的沉降主要發(fā)生在2016年12月至2017年6月,最大沉降沉降速率達(dá)178 mm/a。2017年6月至2020年12月,沉降逐漸放緩,沉降速率不超過35 mm/a。
圖3 典型沉降漏斗區(qū)累計(jì)沉降量變化曲線
自然狀態(tài)下土體固結(jié)沉降是一個漫長、緩慢而又逐漸變緩的過程,在相對較短的一個時(shí)期,若無外因影響,沉降是一個相對勻速的過程,然而水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示近年來的沉降速率總體上呈明顯的“先增后減再增”過程,表明地面沉降過程除受自身地質(zhì)條件影響外,受外界因素影響較大。
從致災(zāi)層面看,自然因素和人為因素共同導(dǎo)致了近年來后湖地區(qū)日益顯著的地面沉降現(xiàn)象,它們都是危險(xiǎn)性的評價(jià)指標(biāo)。自然因素是由于早期的填湖造地,武漢泛后湖地區(qū)下埋有深厚的淤泥、淤泥質(zhì)黏土等第四系欠固結(jié)軟土,軟土含水量高、壓縮性高、孔隙率大,在重力等作用下,容易發(fā)生固結(jié)沉降現(xiàn)象。人為因素是由于近年來片區(qū)建設(shè)加快,地鐵、深基坑、綜合管廊等工程遍地開花,大量進(jìn)行工程降水或地下水開采,造成附近地下水位急劇降低,加速上述欠固結(jié)軟土固結(jié)沉降過程,加之建筑荷載對地基的附加應(yīng)力作用,也導(dǎo)致了軟土固結(jié)沉降加劇,從而造成地面沉降災(zāi)害。
從承災(zāi)層面看,不同承災(zāi)體對地面沉降的承受能力和遭受災(zāi)害的損失程度不同,前者主要包括建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)、數(shù)量和分布情況等,后者包括人口密度、建(構(gòu))筑物價(jià)值和密度、經(jīng)濟(jì)密度等,它們都是易損性的反映。對于區(qū)(縣)級及以下的評價(jià)單元,獲取小范圍內(nèi)人口、經(jīng)濟(jì)等具體數(shù)據(jù)十分困難,基于城市規(guī)劃單元(地塊)的區(qū)域易損性評價(jià)效果較好,通過地塊的容積率、用地類型等可以綜合反映經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境價(jià)值。城市規(guī)劃是城市建設(shè)和管理的依據(jù),不僅決定城市的目前,而且約束城市的長遠(yuǎn),是城市建設(shè)的規(guī)范和藍(lán)圖。因此,在承災(zāi)層面重點(diǎn)考慮城市規(guī)劃因素,既是對當(dāng)前的現(xiàn)狀評價(jià),更是對未來一段時(shí)間的預(yù)測性評價(jià),具有一定的前瞻性。
風(fēng)險(xiǎn)是在特定區(qū)域和特定時(shí)間段內(nèi),由某一地質(zhì)災(zāi)害而造成的生命財(cái)產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)活動可能的損失,聯(lián)合國人道主義事務(wù)部提出了“風(fēng)險(xiǎn)度(risk) = 危險(xiǎn)度(hazard) × 易損度(vulnerability) ”的表達(dá)式[13]。
地面沉降是一個非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng),只有在分析和預(yù)測模型中選取與沉降發(fā)生具有顯著作用的誘發(fā)因子,才會獲得較好的預(yù)測結(jié)果[14]。通過對泛后湖地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、沉降現(xiàn)狀以及沉降影響因素的分析,對諸多相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行篩選,最終確定本次地面沉降危險(xiǎn)性指標(biāo)體系的兩個層面4個主要指標(biāo):① 沉降現(xiàn)狀,主要以(近5 a)累計(jì)地面沉降量和當(dāng)前的沉降速率作為評價(jià)指標(biāo),受人類工程活動的影響,后者表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性,而前者更能反映片區(qū)的平均水平;② 孕災(zāi)環(huán)境,主要從軟土層厚度和地下水位兩方面予以考慮,由于泛后湖地區(qū)欠固結(jié)軟土與富含孔隙承壓水的砂土層直接接觸,砂土層是欠固結(jié)軟土中孔隙水排泄、補(bǔ)給的主要通道,加之泛后湖地區(qū)十分平坦,因此選用承壓水水頭高程作為本次地下水因素的評價(jià)指標(biāo),承壓水水頭高程數(shù)據(jù)可在地下水監(jiān)測井監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過MapGIS軟件生成的水位高程等值線圖確定。
易損性評價(jià)指標(biāo)主要包括用地類型、建設(shè)強(qiáng)度、人口密度、建筑物年代4個次級指標(biāo)(見圖4)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),老舊小區(qū)設(shè)施陳舊,尤其是市政排水管網(wǎng)堵塞,地面沉降引起城市內(nèi)澇問題加劇,加之受早年技術(shù)水平限制、建筑物老化等因素,建筑結(jié)構(gòu)因地面沉降而出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象十分普遍,對于地面沉降的承受能力較低。醫(yī)院、學(xué)校、商場等區(qū)域人口流動大,重要性等級高,一旦發(fā)生地面沉降災(zāi)害,造成的損失和社會影響較大,而公園綠地、防護(hù)綠地等,發(fā)生地面沉降遭受的損失則小得多。建設(shè)強(qiáng)度是容積率、建筑密度、交通區(qū)位、用地規(guī)模等因素的綜合反映,強(qiáng)度等級越高,發(fā)生損失的程度也越大。
圖4 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系
指標(biāo)量化是在分析危險(xiǎn)性(易損性)指標(biāo)對地面沉降危險(xiǎn)性(易損性)的貢獻(xiàn)大小的基礎(chǔ)上,對各指標(biāo)進(jìn)行分級打分,本次共分為4級,分值分別為1,2,3,4分。危險(xiǎn)性及易損性指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算采用層次分析法,其原理是通過構(gòu)建兩兩重要程度的判別矩陣,通過求取最大特征根對應(yīng)的特征向量來確定各指標(biāo)的權(quán)重。計(jì)算結(jié)果如表1~2所列。
表1 危險(xiǎn)性指標(biāo)權(quán)重及量化
表2 易損性指標(biāo)權(quán)重及分級量化
利用MapGIS的空間分析功能,采用綜合指數(shù)法進(jìn)行危險(xiǎn)性及易損性評價(jià)[15]。其原理如下:
(1)
式中:y表示綜合指數(shù)值(危險(xiǎn)性、易損性值);ωi表示指標(biāo)i的權(quán)重;xi表示指標(biāo)i的量化值;n表示評價(jià)指標(biāo)個數(shù)。
根據(jù)公式(1)將危險(xiǎn)性(易損性)指標(biāo)疊加計(jì)算,得到危險(xiǎn)性(易損性)綜合指數(shù)y,然后按照等間距法對y值進(jìn)行分級,得到危險(xiǎn)性和易損性分區(qū)圖,如圖5~6所示。
圖5 危險(xiǎn)性分區(qū)
地面沉降高、較高危險(xiǎn)區(qū)主要位于漢口花園小區(qū)-中一花園、城市廣場-同鑫花園、地鐵百步亭花園路-新榮客運(yùn)站,這些地方軟土厚度較大、地下水位埋深較淺,同時(shí)也是近幾年沉降較快的地方。地面沉降高、較高易損性的地方主要集中在研究區(qū)南部老城區(qū),建筑設(shè)施老舊、人口密集,且規(guī)劃有大量的商業(yè)、科教、醫(yī)療等設(shè)施,發(fā)生地面沉降更容易造成損失。
圖6 易損性分區(qū)
風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與區(qū)劃在危險(xiǎn)性與易損性評價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,通過將危險(xiǎn)性和易損性“相乘”進(jìn)行疊加運(yùn)算,將地面沉降風(fēng)險(xiǎn)級別劃分為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)4個等級(詳見圖7和表3)。
表3 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)
圖7 風(fēng)險(xiǎn)性分區(qū)
通過對研究區(qū)開展地面沉降調(diào)查,提取其中差異性沉降差超過10 cm的調(diào)查點(diǎn),結(jié)果顯示66個調(diào)查點(diǎn)中有31個點(diǎn)位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),27個位于較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),如圖7所示,位于高、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)沉降點(diǎn)的比例達(dá)87.88%,表明風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果可信度較高。
針對研究區(qū)地面沉降特點(diǎn)、現(xiàn)狀,結(jié)合地面沉降風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)結(jié)果,提出武漢泛后湖地區(qū)地面沉降防控建議,如下:
(1) 科學(xué)規(guī)劃,合理設(shè)計(jì)。根據(jù)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果,優(yōu)化調(diào)整規(guī)劃方案。例如在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)多規(guī)劃綠地、公園等,減少商業(yè)金融、科教行政等用地面積,降低容積率、減小建設(shè)強(qiáng)度,從而在規(guī)劃層面事先規(guī)避或減小地面沉降危害。當(dāng)規(guī)劃無法變更時(shí),可采取工程措施減小地面沉降危害,如提高建筑結(jié)構(gòu)整體性,控制結(jié)構(gòu)沉降差等,工程施工過程中要采取措施減小因施工而產(chǎn)生的地面沉降對周邊環(huán)境的影響,如加強(qiáng)地基處理,限制地下水開采等。
(2) 監(jiān)測預(yù)警,加強(qiáng)管控。一方面要持續(xù)性開展水準(zhǔn)監(jiān)測、InSAR監(jiān)測、分層標(biāo)監(jiān)測、地下水監(jiān)測等區(qū)域性地下水和地面沉降監(jiān)測,完善地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[16];另一方面高、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)地面、地下及地上建筑物、市政基礎(chǔ)設(shè)施等均應(yīng)進(jìn)行施工期及使用期長期沉降監(jiān)測。地方政府要限制地下水開采、加強(qiáng)地面沉降管控,在用地規(guī)劃、水評和環(huán)評等審批環(huán)節(jié)[17],嚴(yán)格控制地下水開采量大的建設(shè)項(xiàng)目,制定并嚴(yán)格落實(shí)地面沉降防控的各項(xiàng)規(guī)章制度。
(3) 工程治理,消除影響。嚴(yán)格管理地下水資源,控制地下水開發(fā)利用,必要時(shí)可采取回灌地下水、人工回填土等措施,以緩解區(qū)域地面沉降趨勢。對于遭受地面沉降影響危害較大的設(shè)施應(yīng)及時(shí)修復(fù),避免造成二次危害。調(diào)查表明,老舊小區(qū)往往更容易遭受地面沉降危害,在進(jìn)行老舊小區(qū)改造、城市更新等活動中,應(yīng)重點(diǎn)考慮地面沉降因素。
(1) 泛后湖地區(qū)位于武漢市中心地段,未來可能繼續(xù)發(fā)生大量的工程建設(shè)活動,預(yù)測未來泛后湖地區(qū)地面沉降現(xiàn)象將持續(xù)存在,尤其是該地區(qū)還存在大量的老舊建筑,片區(qū)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)程度整體偏高。因此,需加強(qiáng)地面沉降管控,既要開展區(qū)域性的沉降監(jiān)測,也要從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工控制各環(huán)節(jié),有針對性地制定全生命周期的防控對策,提高泛后湖片區(qū)地面沉降的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。
(2) 在現(xiàn)狀調(diào)查與監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件、城市規(guī)劃、人口及(建筑)建成年代等評價(jià)指標(biāo),展開風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。將泛后湖地區(qū)劃分為4個風(fēng)險(xiǎn)等級,其中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比12.82%,主要分布在漢口花園、漢口城市廣場、新榮客運(yùn)站周邊;較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占比31.61%,主要分布于發(fā)展大道及后湖大道沿線。評價(jià)結(jié)果可為泛后湖地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、城市規(guī)劃建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。