北京地区建设用地地面沉降危险性评估方法及标准

贾三满，田 芳，刘明坤，杨 艳

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

根据《地质灾害防治条例》（国务院令第394号）的要求，需对建设项目建设用地进行地质灾害危险性评估，其目的是分析工程建设可能受到地质灾害的影响，预测工程建设活动可能产生的各类环境地质问题及地质灾害，为防灾减灾与建设场地地质环境恢复治理提供基础资料和科学依据，避免或减轻地质灾害造成的损失。要求在查明工程建设场地地质环境条件的基础上，确定场地地质灾害发育类型、现状、分布及影响因素，分析预测评估区内潜在的地质灾害、工程建设可能引发或加剧地质灾害及其危险性，以及工程建设和建成后可能遭受的地质灾害及其危险性，划分地质灾害危险性等级，对建设用地适宜性进行评价，并提出相应的防治措施和建议。地面沉降是北京的主要自然灾害之一[1]。由于地面沉降是一种累进性的缓变地质灾害，其发展过程是不可逆的，一旦形成便难以恢复[2]，但一般短期内对建设用地危害并不明显，给准确评估地面沉降危险性造成了困难。鉴于对多年来对地面沉降监测资料的积累，有必要对地面沉降危险性评估方法及标准进行梳理，以便为今后地质灾害评估提供参考。

1 北京地面沉降基本情况

北京地面沉降最早于1935年在西单到东单一带被发现。截至到1952年的17年间最大累计沉降量仅为58mm。随着东郊地区电子、纺织工业区等迅速发展的同时，大量开采地下水，在上世纪五、六十年代，逐步形成东郊沉降区。上世纪70年代是北京市地面沉降快速发展时期，沉降区集中，沉降量大，东郊沉降区快速发展的同时，昌平区、顺义区、大兴区等均出现新的沉降中心，个别监测点的年沉降量达到81mm。80年代初至90年代初，随着顺义区第八水厂自来水引入市区，并采取了大力开展节约用水和加强地下水开发管理等措施，城区地面沉降明显减缓，但在东郊边缘地带及远郊区地下水集中开采区，地面沉降区域面积仍在迅速扩大，并形成了新的通州沉降区。

进入20世纪以来，北京平原区地面沉降一直处于快速发展阶段。截至2011年底，发生区域地面沉降的面积达到4273km2，平均年沉降量23.4mm，最大年沉降量128.2mm。沉降区分为北部沉降区和南部沉降区。北部沉降区包括昌平沙河-八仙庄、朝阳来广营、东郊八里庄-大郊亭（三间房、通州城区和黑庄户-台湖）沉降区，以及顺义平各庄沉降区（目前该沉降区已经与北部昌平沙河-八仙庄沉降区连成一片），南部沉降区主要为大兴榆垡－礼贤沉降区。累计沉降量大于100mm的区域面积达到3904km2，大于500mm的区域面积达到1094km2，最大累计沉降量为1302mm（昌平沙河—八仙庄沉降区），来广营金盏地区、三间房地区、礼贤地区最大累计沉降量均超过1m。

地面沉降作为我市最主要的地质灾害之一，对城市规划发展和经济建设造成一定的负面影响，具体危害体现在：破坏市政设施，地下管道、井台抬升等破坏事件频繁发生，影响其正常使用，增加维护管理成本；导致建筑物墙体开裂、地基下沉，威胁居民生命财产安全；引发轨道交通基础工程不均匀沉降，缩短使用年限，威胁公共交通安全；降低城市整体防洪排涝能力，加大城市规划建设难度，影响区域经济发展；诱发或加剧地裂缝灾害，影响土地资源综合利用价值。

2 评估方法

2.1 地面沉降现状调查

北京地面沉降主要是由于长期超量开采地下水引起的，地层岩性是产生地面沉降的地质条件。因此，地面沉降调查一般包括地下水开发利用调查和地面沉降调查两部分。

（1）地下水开发利用调查

调查水井的数量、开采量、水位，并选取具有代表性的水井、详细调查其位置、井深、取水层位、井的结构、水泵类型、水位埋深、取水量、水深、水位、动态变化规律等，编制地下水位等水位线图。必要时设置专门地下水长期动态监测孔，定期量测地下水位，并对工作区地下水井进行地下水位普测。

（2）地面沉降调查

首先查看地下水开采量强度大、地下水位降深幅度也大的地段的开采井泵房（地面、墙壁有无裂缝，井管较地面有无上升，房屋有无变形等），然后逐渐向四周扩展，查看地面建筑物有无损坏，并访问建筑物年限。

机井井管相对地面上升现象在北京平原沉降区非常普遍。许多机井因地面沉降，井管较地面相对上升，大者超过300mm，泵房地面及墙体开裂，造成泵房破坏，严重地影响抽水。许多单位只好停止抽水翻修和重建，影响生产和生活供水，泵房修建又造成经济损失。如原北京市东郊棉纺厂许多机井（上世纪90年代），因地面沉降出现井管相对地面上升，泵房破坏，厂家只能停产翻修或重建，影响正常供水和造成经济损失。又如通州卫星城的中科院印刷厂，自备井因地面沉降，井管相对地面上升了350mm，泵房墙体开裂，影响该厂正常供水。在通县造纸厂附近约1km2内有机井7眼，其中4眼机井井管有明显的相对地面上升，特别是在厂东北角3号机井井管上长较大，泵房已倒塌，机井报废。

学校是学生学习的场所，体育教师是学校的主要成员，学校体育工作的具体实施要靠体育教师，体育教师在学校乃至学校体育中是不可或缺的。因此，教师的发展很大程度上关系到学生的发展。

90年代，远郊区地面沉降中心，机井井管相对地面上升，泵房开裂破坏也比较普遍。如昌平区东三旗村机井及北京市种禽公司地热井，顺义区沙坨村均出现井管相对地面上升现象。位于东郊的北京传媒大学地热井由于地面沉降的影响，井管不断上升。图1（a）所示为位于东郊的北京传媒大学地热井，由于地面沉降的影响，在2000—2005年五年内不得不两次对井管进行改造，以保证地热井的正常使用。图1（b）所示为顺义区仁和镇自来水厂的供水水井，由于水井抬升，直接影响其供水能力。

对供水管线应查看地面是否潮湿、冒水；冬季是否常年结冰；煤气管道破裂调查用感官嗅其气味是否正常，调查居民用气量是否充足。根据2000年到2006年3月北京市自来水供水管线破损原因、发生区域等情况的调查分析，北京市自来水供水管线破损事故共6048处，其中由于地基下沉造成的有2073处，占总事故量的34.28%。在全部因地基下沉或其它不明原因造成的自来水供水管线破损记录中，其中朝阳区占总破损量的40.04%，东城区占总破损量的21.86%，海淀区占总破损量的15.45%，西城区占总破损量的10.17%；其它各区仅占总破损量的12.47%[4]。结果表明，市政设施的损坏分布与地面沉降区分布有一定的相关关系，地面沉降已对市政设施的安全使用造成了不利影响。

调查淹没损失、淹没设施名称、淹没面积、淹没水深，对比分析本次降水量大小及历史同等降水量淹没情况和相应的地面变形情况（有无阻水建筑物修建）。若发现在相同的降水、风力、风向及排水条件下洼地积水，河水越堤、海水淹没码头、工厂等，属于地面沉降所致。

2.2 地面沉降预测

对已发生地面沉降地区，在查明地面沉降原因和发育规律的基础上，通过分析评估区水资源开发利用规划，并考虑建筑施工、使用等情况预测地面沉降发展趋势并估算沉降量，提出防治措施。对可能发生地面沉降地区首先分析场地是否具备产生地面沉降的地质条件，分析地下水开采前景，并考虑建筑施工、使用等情况预测地面沉降发展趋势并估算沉降量，提出防治措施。对可能发生地面沉降的地区，主要是预测地面沉降的可能发展趋势，即预测地面沉降量及沉降过程。

地面沉降预测评估一般包括对工程建设期间或建成后由于建筑施工降水、地面大面积荷载增加等可能引发或加剧的地面沉降进行预测和工程建设自身可能遭受地面沉降危害的可能性、危险性和危害程度进行预测。预测指标主要有沉降速率和累计沉降量，预测时间不小于5年。

当前地面沉降预测计算方法可分为3大类：一类为确定性的土水模型，第二类为随机统计模型和人工智能模型[5]，第三类为定性和半理论半经验方法（表1）。其中，土水模型包括两个方面：一方面是确定含水层水位与开采（回灌）量之间的关系，即水位模型；另一方面是计算由于含水层水位变化而引起黏性土及含水层本身的变形，即土力学模型。水位模型和土力学模型按照不同的作用关系便形成了地面沉降预测计算模型[6]。随机统计模型包括回归分析模型、时间序列模型和生命旋回模型，其构建要基于大量监测数据，不考虑地面沉降的成因机制。人工智能方法在地面沉降预测中有着独特的优越性，最常用且研究也比较深入的包括人工神经网络、遗传算法和模糊计算等。对于建设场地的地面沉降预测，由于地面沉降区地质条件和各种边界条件的复杂性，采用半理论半经验方法或经验方法，经实践证明是较简单实用的计算方法。北京地区建设用地地面沉降评估常用的方法是《岩土工程勘察规范》（GB50021-94）推荐的有分层综合法和单位变形量法[7]。

表1 抽水引起地面沉降的主要预测方法

分层总和法是以粘性土和粉土层的压缩或回弹系数，砂层的弹性压缩模量或弹性回弹模量作为指标分别计算各土层的沉降量，再求总和，即地面总沉降量。计算公式如下：

粘性土及粉土层按下式计算：

砂层按下式计算：

式中：S∞——最终沉降量（cm）；

av——粘性土或粉土的压缩系数或回弹系数（MPa-1）；

e0——原始孔隙比；

Δp——水位变化施加于土层上的平均荷载（MPa）；

H——计算土层的厚度（m）；

E——砂土的弹性模量，压缩时为Ec，Es（MPa）。

北京地区第四系松散沉积层厚度较大，局部达上千米，获取地层岩性概化模型深部地层压缩性指标比较困难，造成计算结果与实际偏差较大，所以，在有条件的地区应根据实测资料进行修正。

单位变形量法是根据已有的地面沉降实际观测资料为基础的一种经验方法。它的优点是可以完全结合地层的实际条件和水位升降情况。单位变形量法假定土层变形量与水位升降幅度及土层厚度之间都呈线性比例关系，计算土层在某一特定时间段（水位上升或下降）内，含水层水头每变化1米时其相应的变形量（单位变形量），将单位变形量除以土层厚度H，称为该土层比单位变形量。在已知预测年份的水位升、降幅度及土层厚度条件下，可按下式预测土层沉降量。

式中：Ss、Sc——分别为预测期内水位上升或下降△h(m)时，厚度为H(m)的土层的预测沉降量(mm)；Is、Ic——分别为水位升、降期的单位变形量(mm/m)；

△hs、△hc——分别为预测期内水位升、降的幅度；

I′s、I′c——分别为土层在水位升、降期的比单位变形量(mm/m•m)。

这种方法有较好的实用性，但需要大量的实测资料。

3 评估标准

地面沉降是一种“沉默”的地质灾害，确定评价因子和标准是十分复杂的问题。不同地区、不同行业有不同的标准。天津采用累积沉降量和沉降灾害面积，按下述进行灾害程度和灾害规模分区：极严重地面沉降灾害区，累积沉降量大于2.0m；严重地面沉降区，累积沉降量1.5～2.0m；一般地面沉降灾害区 ，累积沉降量0.5～1.0m；轻微沉降区累积沉降量小于0.5m[8]。

北京地区在分析地面沉降形成原因和发育特征的基础上，综合考虑地面沉降历史灾害强度和未来一段时期内发育程度和灾害强度3个因素，评价指标主要考虑地面沉降活动强度、活动频次两种指标。累计地面沉降量反映的是地面沉降强度指标，现状及预测沉降速率反映的是活动频次指标，地质灾害已经造成或发生时可能造成的潜在经济损失和受威胁需转移人数作为灾害强度指标，评价标准见表2～表5。

表2 地面沉降现状发育程度

表3 地面沉降灾害强度分级标准z

表4 地面沉降发育程度预测

表5 地面沉降灾害危险性评估分级表

4 结语

地面沉降主要是在经济快速发展过程中过量开发利用地下流体产生的环境地质问题，它是制约一个地区经济科持续发展的重要因素之一[9]。地面沉降作为北京平原区主要的地质灾害，是建设用地地质灾害危险性评估的重要内容。自2004年以来，北京投巨资建设了覆盖全市平原区的地面沉降监测网络，实时监测地面沉降变化，积累了大量监测资料，为准确评估地面沉降危险性奠定了基础。由于地面沉降对不同类型建（构）筑的致灾机理、破坏程度不尽相同，所以在今后的评估工作中，有必要分别建立地面沉降针对不同类型建（构）筑的评价方法和标准。

[1]郭萌,叶 超,贾三满等.地面沉降对北京城市安全影响战略研究[R].《北京市重大地质问题战略研究》之二.北京:北京市地质矿产勘查开发局,2006.

[2]殷跃平,张作辰,张开军.中国地面沉降现状与防治[C].第七届国际地面沉降学术研讨会论文选译.中国地质调查局地面沉降研究中心,中国地质调查局水文地质环境地质部,2006.

[3]国土资源部.国土资发(2004)69号 地质灾害危险性评估技术要求（试行）[S].北京:国土资源部,2004.

[4]北京市国土资源局.北京市地质灾害对城市建设影响调研报告[R].北京:北京市国土资源局,2006.

[5]许烨霜,余恕国,沈水龙.地下水开采引起地面沉降预测方法的现状与未来[J].防灾减灾工程学报,2006,26(3):352～357.

[6]张 云,薛禹群.抽水地面沉降数学模型的研究现状与展望[J].中国地质灾害与防治学报,2002,13(2):1～6.

[7]中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1995.

[8]张 梁,张业成,罗元华等.地质灾害灾情评估理论与实践[M].北京:地质出版社,1998:299～304.

[9]张阿根,魏子新.中国地面沉降 [M].上海:上海科学技术出版社,2005:1～2.