宁波市地面沉降管理区划及防治对策研究

宁波市地质环境监测站 赵团芝 侯艳声 胡新锋

宁波市地面沉降管理区划及防治对策研究

宁波市地质环境监测站 赵团芝 侯艳声 胡新锋

一、引言

地面沉降是缓变型地质灾害，涉及经济、社会、资源、环境等各个领域，可造成城市重力排污失效，地区防洪防汛效能降低，城市建设和维护费用剧增，管道、铁路断裂，建筑物开裂，威胁城市安全。我国地面沉降较严重的有上海、天津、苏州、西安、宁波、常州等50多个城市，造成的经济损失仅长江三角洲地区高达4000亿元，成为沿海城市主要的环境地质问题，长期威胁着城市的建设和发展。

宁波地处滨海软土地区，属于典型的丰水型缺水城市。过去不合理地开采地下水资源，形成了以和丰创意广场（原和丰纱厂）为中心的地面沉降漏斗区。2008年底，中心城区实施地下水禁采措施后，地面沉降速率得到有效控制。但在城市化快速推进中，出现了多个沉降漏斗区，并有扩大连片的趋势，工程建设的地面沉降效应逐渐凸显。严学新、唐益群等研究了在地下水开采条件下密集建筑群诱发地面沉降的规律和机理，提出了防治地面沉降的合理化建议与措施。本文主要探讨在地下水零开采条件下工程性地面沉降的发育规律，参照地面沉降管理危险性、风险性区划成果，提出具体的地面沉降管控措施，为保护地质环境、科学防灾减灾提供技术支撑。

二、地质环境条件概述

（一）第四系地层结构

第四系发育一套复杂的陆相、海陆交互相沉积物，市区一带厚度约90米，向滨海递增至120米。50米以下为陆相堆积，以冲积砂、砂砾与冲湖积粘性土互层，构成了粗细相间的地层结构；50米以浅地层，是海相与陆相粘性土互层，构成软硬土相间的地层结构。

（二）软土的工程地质性质

宁波平原软土层分布广，厚度大，埋深浅。浅部软土层主要是①2层（mQ43）、②2、②3层（mQ42）和③2（mQ41）层，土质主要为淤泥、淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土，根据其物理力学性质指标统计分析，宁波软土主要呈现高天然含水率、高压缩性、低抗剪性、低渗透性等特点。因此，宁波平原地质环境条件十分敏感和脆弱。

三、工程性地面沉降特征分析

（一）第一软土层沉降比

宁波市地面沉降监测中心监测数据显示， 2009年、2010年和2013年第一软土层沉降量占总体沉降量的93.7%、98.4%和90.9%，与该中心邻近的和丰创意广场、银亿东岸住宅楼相继于2009年底、2013年开始基坑工程施工。无论是从空间上、时间上，基坑工程建设周期与第一软土层沉降比显著增加有极为密切的关系。

（二）地面沉降与建筑容积率的对应关系

在现状和未来城市中，高层建筑以及密集建筑群建设的荷载特征主要反映在建筑容积率上。对比分析发现，在建筑容积率出现峰值部位，累积沉降量、沉降速率均出现峰值，说明累积沉降量、沉降速率与建筑容积率之间存在对应关系。

（三）工程性地面沉降发育规律

按照不同围护形式，选取拟建与在建的典型基坑工程，开展专项地面沉降监测，绘制地面沉降曲线。靠近支护结构处的地表沉降量约为0.3-0.6倍He(开挖深度)；从基坑围护结构至1-1.5倍He处，沉降量明显逐渐增大,达到最大值；在1.5-3倍He处，沉降量急剧减小；在3倍He以外，基坑周边沉降量减小的趋势不变或变缓。大部分基坑的最大沉降量均发生在1-2倍He范围内，主要集中在1.5倍He左右。根据沉降曲线趋势外推判断，基坑的地面沉降效应主要影响范围为6.0倍He。

注：横坐标D/He：D表示监测点与基坑围护结构的距离，He表示基坑开挖深度；纵坐标δv/δvmax：δv为监测点沉降量，δvmax表示所有监测点最大沉降量。

四、地面沉降控制管理区划

（一）现状城市沉降危险性区划

1.指标量化

选取累积沉降量和沉降速率作为地面沉降危险性评价指标，按照预定分级数进行指标分段，分段赋值见表1。

表1 地面沉降危险性分区评价指标及量化取值表

2.危险性指数计算

根据累积沉降量和沉降速率计算地面沉降危险性指数：

式中：Zp为现状城市地面沉降危险性指数；Zq为累积沉降量因子的量化值；Kq为累积沉降量因子的权重系数；Zs沉降速率因子的量化值，Ks为沉降速率因子的权重系数。

将沉降危险性指数由高到低排序生成曲线，根据曲线分布规律评定地面沉降危险性等级，划标准见表2。

表2 地面沉降危险性区划标准

按下式计算各危险性分区面密度：

式中： Tijk为i因子j水平在k区段下的面密度，i=1为累积沉降量，i=2为沉降速率，j=1-5为i因子的5个水平数，k为某评价区块的编号（由多个基础网格组成）；Nijk为i因子j水平在k区段下发生地面沉降的网格数； Mijk为评价区段包含的网格数。

3.危险性区划分析

根据宁波地面沉降现状特征，沉降速率主要反映了地下水停采后工程性地面沉降发展趋势，累积沉降量反映了地下水开采和工程建设引起的地面沉降历史，重点考虑Kq=0.3， Ks=0.7的模式作为危险性区划的依据。将所计算所得的危险性指数与评价单元网格进行对应，形成网格图形的属性数据，对数据进行分级，不同分区赋以不同的颜色，形成危险性区划图，同时给出地面沉降危险性分区的分布面积及面密度。见图3及表3。

表3 地面沉降危险区面积及面密度统计

图3 宁波市区地面沉降危险性分区图（Kq=0.3， Ks=0.7）

（二）地面沉降风险性区划

1.指标量化

参照天津、沧州、北京地区经验及罗元华等编写的《地质灾害风险评估方法》，选取累积沉降量、沉降速率、第I软土层厚度作为危险性因素评价因子，建筑容积率作为易损性因素评价因子，分段赋值见表4。

表4 地面沉降风险性分区评价指标及量化取值表

1.风险性指数计算

采用加权综合评价法，综合考虑各因子对总体对象的影响程度，用风险性指数集中表示整个评价对象的优劣，其计算公式为：

式中：K为各评价因子总分值；ωi为 第i个因子权重；Zi为 第i个因子分值；n为评价因子个数。

根据各评价因子总分值，将地面沉降风险性等级划分5级。基于城市防洪考虑，在宁波城区三江六岸设置100米缓冲区，将原有风险性等级提高一级。具体见表5。

表5 地面沉降风险性区划标准

2.风险性区划分析

采用GIS软件配准第I软土层厚度等值线图和建筑容积率分区图，将矢量化的第I软土层厚度等值线图、建筑容积率分区图、累积沉降量及沉降速率图件转换为栅格图，权重叠加分析生成分区栅格图，最终优化为风险性区划图。见图4、表6。

图4 宁波市区地面沉降风险性区划图

表6 地面沉降风险区面积及面密度统计

IV区主要分布在天童北路、嵩江路交叉口附近及江南路、院士路交叉口东南侧，此区域累积沉降量、沉降速率、建筑容积率均较大；还有一部分分布在沿江区域，此区对于地面沉降控制要求较高。III区主要分布在四个区块，第一区块位于两个江的交汇处，此区域建筑容积率较大；第二区块位于杭甬高速、奉化江、鄞县大道、世纪大道包围区域，此区域累积沉降量、沉降速率均较大；第三区块位于甬江、中兴路、杭甬高速、世纪大道包围区域及世纪大道以西，此区域沉降速率、第I软土层厚度较大；第四区块主要分布在部分沿江区域，此区对于地面沉降控制要求较高。其余均为II区，主要分布在中心城区的西南侧及东北角。其中西南侧累积沉降量、沉降速率、建筑容积率、第I软土层厚度均较小，东北角第I软土层厚度较大，其余均较小。

五、工程性地面沉降防治对策

地面沉降灾害涉及经济、社会、资源、环境等各个领域，其防治工作是一项专业性、综合性和基础性事业。要综合运用行政和技术管理手段，通过科技带动控沉理念、防治方法、监管应用等全面进步，将工程性地面沉降速率控制在合理的范围内，促进城市建设与地质环境协调发展。

（一）开展专项沉降监测

按照地面沉降监测技术规范，在重要城市功能区或重大工程建设周边区域，进一步优化现有地面沉降监测网络。运用自动化监测技术，开展专项地面沉降监测工作，提高监测频率和精度，客观地反映工程性地面沉降发育规律，为工程性地面沉降理论研究及防控措施提出提供基础数据。

（二）加强实地调查评价

通过地面沉降调查，进一步查清主要沉降区的水文地质、工程地质条件、地层结构等地质特性，掌握各类工程性地面沉降类型及沉降迹象，查明工程性地面沉降的主要影响因素、分布范围及发育趋势，分析评价工程性地面沉降引发的环境地质效应及对已有建构筑物的影响，开展地面沉降灾害经济损失评估，为进一步分析研究宁波市工程性地面沉降提供详实的基础资料。

（三）注重技术理论研究

重点研究城市密集高层建筑群、深基坑、轨道交通盾构法施工、高架道路、越江大桥等工程，分析各类工程建设引发地面沉降的影响因素，建立沉降模型，探讨沉降机理和发育规律。深入开展浅部软土层和深部硬土层的变形特征与规律研究，明确提出工程性地面沉降在区域性地面沉降中所占比例，为科学防控工程性地面沉降提供理论依据。

（四）创新防治技术措施

根据地面沉降危险性、风险性区划结果，对不同分区采用不同的地面沉降控制指标，有针对性的防控地面沉降。通过沉降控制指标促使施工单位采用科学的施工方法和措施预防和减少工程性地面沉降发生。对涉及降排地下水的基坑工程，应采取加深止水帷幕、坑外设置回灌井等措施，合理控制地下水位的下降及其影响范围，控制地面沉降的发生和发展。

（五）提升管理信息化水平

搜集和整理与地面沉降相关的城市地质、城市发展规划、城市防灾减灾等数据资料与技术经济指标，建立地面沉降数据库，对地面沉降成果资料进行有效管理。研究考虑抽水和建筑荷载双重作用下地面沉降全耦合模型，建立基于三维地质结构模型的地面沉降预警预报系统，实现地面沉降动态模拟、分析与评价，充分发挥信息系统优势，做好地面沉降信息的发布，为地面沉降防治提供数据平台。

（六）推进管理法制化建设

尽快制定并颁布实施宁波市地面沉降管理相关办法，从法规制度层面，进一步明确专项规划编制、组织机构成立、专项经费落实等，把地面沉降综合防治工作纳入整个城市防灾减灾工作体系中，实现地质资源开发与地质环境保护和谐统一。