浙江宁波工程性地面沉降特征与风险区划

赵团芝，侯艳声，胡新锋

(宁波市地质环境监测站，浙江宁波 315042)

0 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［1］。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4000×108元［2-5］，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。

地面沉降发生的主要因素有开发利用地下流体资源和固体矿产、岩溶塌陷和工程环境效应。其中，工程环境效应是近年来新的沉降制约因素，在城市化进程中不断显露。黄健民［6］对广州金沙洲地面沉降成因进行了分析，认为某高铁隧道施工大量抽排水是诱发和加剧地面沉降的主要因素。姜媛［7］在北京地面沉降风险评价与管理中，详细说明了地面沉降风险评价的评价体系、评价指标及评价方法及过程。严学新［8］、唐益群［9］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。

宁波地处滨海软土地区，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。但在构建以三江口和东部新城为中心的“双心三轴一带”的城市空间结构进程中，快速的城市化建设致使中心城区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。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，结合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，实现中心城区年度地面沉降速率10 mm的控沉目标，为保护地质环境、科学防灾减灾提供技术支撑。

1 地质环境条件概述

1.1 第四系地层

宁波平原在多次海陆变迁中，发育一套复杂的陆相、海陆交互相沉积物。第四系厚度在平原区为85～100 m，市区一带厚度约90 m，向滨海递增至120 m。50 m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 m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。这种海陆交互式沉积环境决定了研究区的水文地质、工程地质特征。

1.2 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()、②2、②3层()和③2()层，埋深约21 m，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(表1)，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。

表1 浅部软土层的物理力学指标统计Table 1 Physical-mechanic indices of the shallow soft soils

2 工程性地面沉降特征分析

2.1 地面沉降发展历程

宁波市大量开发地下水引起地面沉降，先后经历地面沉降初期(1964～1977年)、地面沉降发展期(1978～1985年)、地面沉降基本控制期(1986年以来)等阶段。1986年起，宁波市政府采取地下水计划开发、加大地下水回灌力度等措施，地面沉降速率有所缓和。截止2008年，宁波中心城区全面实行地下水禁采，地下水水位逐步回升，但地面继续下沉，沉降漏斗继续扩展(表2)。

2.2 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。

表2 中心城区地面沉降发展动态Table 2 Dynamic development of land subsidence in the central city

2.3 地面沉降与建筑容积率的对应关系

基于宁波市三维地图的建筑物矢量化数据，计算并绘制研究区内建筑容积率成果图(图1)，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。通过对比分析图2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。

2.4 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(图3)。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。

图1 中心城区建筑容积率分布图Fig．1 Distribution of the building volume rate in center city

图2 建筑容积率、累积沉降量、沉降速率对应柱状图Fig．2 Hstogram of cumulative settlement，subsidence rate and volume rate

图3 各行政区典型基坑地面沉降曲线Fig．3 Land subsidence curves of typical foundation pit in each region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。

3 地面沉降控制管理区划

3.1 现状城市沉降危险性区划

3.1.1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3。

表3 危险性评价指标及量化取值Table 3 Hazardous evaluation indices and quantization values

3.1.2 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:

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4。

表4 危险性区划标准Table 4 Standard of hazard zonation

按下式计算各危险性分区面密度:

式中:Tijk——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——i因子j水平在k区段下发生地面沉降的网格数;

Mijk——评价区段包含的网格数。

3.1.3 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(图4、表5)。

图4 地面沉降危险性分区图(Kq=0.3，Ks=0.7)Fig．4 Hazard zoning map of subsidence(Kq=0.3，Ks=0.7)

表5 危险区面积及面密度统计Table 5 Hazardous area and density

3.2 地面沉降风险性区划

3.2.1 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6。

3.2.2 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:

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 m缓冲区，将原有风险性等级提高一级(表7)。

表6 风险性评价指标及量化取值Table 6 Risk evaluation indices and quantization values

表7 风险性区划标准Table 7 Standard of risk zonation

3.2.3 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(图5、表8)。

表8 风险区面积及面密度统计Table 8 Risk area and density

图5 地面沉降风险性区划图Fig．5 Risk zoning map of subsidence

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。

4 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。

4.1 开展专项沉降监测

根据地面沉降危险性、风险性区划结果，进一步优化现有地面沉降监测网络。对于累积沉降量、沉降速率较大的区块，开展专项地面沉降监测工作，加大监测密度，提高频率和精度，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供基础数据。

4.2 注重技术理论研究

在沉降速率、建筑容积率较大的区块，选择密集高层建筑群、轨道交通等典型工程，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。按照地面沉降防治总体要求，合理确定不同分区的地面沉降控制指标，通过对重要城市功能区或重大工程建设区设置地面沉降预警值，避免或减少工程性地面沉降发生，有效控制地面沉降发展。

4.3 加强行政监督管理

市政府要成立地面沉降防治工作领导小组，加强地面沉降防治的组织领导。领导小组各成员单位按照其工作职责，市国土资源部门负责全市地面沉降防治的组织、协调、指导和监督工作;市建设、交通部门负责城市建设项目和交通工程项目在立项、设计、施工和运行管理过程中地面沉降防治工作;市水利部门负责地下水开发利用的监督管理和执法工作;市发改、规划等部门各司其职，形成工作合力，共同做好地面沉降防治工作。

4.4 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，保障地面沉降防治各项工作落实到位，切实将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。

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