北京市地面沉降分布及典型灾害类型初探

赵 龙，武增宽，李玉梅，罗 勇,2，沙 特，刘 贺，田苗壮，孔祥如

（1.北京市地质环境监测总站,北京 100195; 2.中科院地质与地球物理研究所，北京100029；3.吉林大学地球科学学院，吉林长春 130061）

0 前言

地面沉降是松散沉积物固结压缩并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象，常由于自然因素或人类工程活动诱发产生，属于一种缓变性地质灾害(Tricart，1999)。地面沉降自1891年墨西哥城最早发现以来，目前已分布在世界上50多个国家超过150个城市，逐渐成为一种全球性的、对人类生存环境产生重大影响的环境地质问题(甘德福，1992)。

北京是我国地面沉降发育较为严重的地区之一。地面沉降灾害主要发生在朝阳、海淀、顺义、通州、昌平、大兴等多个区，影响面积超过平原区面积的三分之二，近年来仍处于快速发展时期(雷坤超等，2016)。地面沉降影响建筑物结构，降低其抗震能力；损失地面高程，降低防洪排涝能力；影响轨道交通安全；加剧地裂缝灾害。地面沉降灾害已成为影响北京城市规划建设及区域经济可持续发展的因素之一，然而当前尚无系统梳理地面沉降灾害类型，增大了后期致灾模式分析难度。基于此笔者通过长期监测、实地调查，分析了北京地面沉降发育趋势，阐述了地面沉降灾害类型，为后续致灾模式分析提供重要基础资料。

1 地面沉降发育地质背景

1.1 区域地质背景

北京平原区位于整个北京市的东南部，由5大水系联合作用形成的洪冲积扇群构成。大致以温榆河为界，东部为潮白河冲积扇，西部为永定河冲积扇(北京市地质矿产局，1991)。全新世以来构造运动的影响，永定河由北向南的迁移，表现出冲积扇的移动叠加。地势为西北高、东南低，由山前向南、东南倾斜，山前海拔标高60～80m，平原20～60m。平原大部分地区海拔20～60m。山前地带地势较高，坡度也较大，达1%～5%。平原东南部地区，地势平坦，坡度小于0.5‰(北京市地质矿产勘查开发局等，2008)。

在地层沉积上，北京地表大部分被第四纪松散沉积物所覆盖，厚度由山前到平原从数十米变化到近千米。新构造运动引起地块的抬升和下沉，导致古地貌的分异形成了新生代不同时期的北京断陷盆地、延庆—怀来盆地、马池口凹陷、顺义凹陷及平谷盆地，制约了第四纪沉积物的分布和厚度变化。第四纪气候的演变则决定了降雨量、温度，致使地表植被演化和风化强度的变化，不同的气候环境，影响着河流搬运能力，造成河道的变迁，形成了多期冲洪积扇和古河道。以上两种因素共同作用共同建造了复杂多变的地层特征(北京市地质矿产局，1991)。

1.2 主要压缩层分布特征

北京地面沉降区基本与地下水多层结构区的分布相吻合。将粉质粘土、粘土或粉土为主的间夹薄层粉砂或（和）粉细砂的地层概化为压缩层，两个或两个以上的压缩层组合称为压缩层组。根据第四纪地层形成时代、沉积环境及工程地质钻孔资料等，结合地面沉降的特点，将北京地面沉降区划为3个压缩层组，即第一压缩层组（Q4+Q3）、第二压缩层组（Q2）和第三压缩层组（Q1），后者又可分为两个亚层(田芳等, 2012)（图1）。

第一压缩层组（浅部土体）广泛分布于北京平原区各冲洪积扇的中下部，岩性以全新统和上更新统冲积相、冲湖积相粉土、粘性土为主，为正常固结土或微超固结土，含水量较高，以可塑为主，压缩性中等。第一压缩层组中可压缩层厚度大部分超过40m，局部地区最厚达70m。

图1 可压缩层总厚度分区图Fig. 1 Map of compressible layer thickness

第二压缩层组（中深部土体）广泛分布于北京冲洪积平原中下部地区，岩性为中更新统冲洪积、冲湖积的粉土、粉质粘土、粘性土。正常固结土，可塑为主，压缩性中等-低。第二压缩层组大部分的可压缩层厚度都超过50m，局部地区可达70～100m。

第三压缩层组（深部土体）主要分布在几个第四系沉积中心，岩性为下更新统河湖相沉积的灰褐色、灰色粉质粘土、粘土层，以260～300m为界，其上为正常固结土-超固结土，可塑-硬塑，压缩性低，其下固结程度增大，结构致密，大部分呈坚硬状态，密实度高，压缩性很低。第三压缩层组上段的可压缩层厚度普遍大于40m，局部地区超过100m。

1.3 水文地质背景

图2 北京平原区含水层组分布图Fig. 2 Distribution map of aquifer group in plain area of Beijing

北京平原区的地下水主要赋存在第四系松散孔隙介质中。北京平原是在永定河、潮白河、拒马河、大石河、北运河、蓟运河等河流的冲、洪积作用下形成的，沉积环境比较复杂(北京市地质矿产勘查开发局等，2008)。含水层岩性分带比较复杂，总体的变化规律是：由山前至平原，第四系厚度逐渐增大，含水层颗粒由粗变细，地下水位埋深由深变浅，含水层结构由单一的含水层逐渐过渡为多层。平原区的多层含水层结构区主要分布于各冲洪积扇的中下部地区(北京市地质矿产勘查开发局 2008)。根据地层年代、岩性、埋藏条件及地下水补径排条件，以及地下水的开发利用等因素，将平原区第四系中的含水层和弱透水层组合在一起，对研究区的含水层进行概化，在垂向上将监控层位划分成4个主要含水层组（图2）。

北京位于北温带，是半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋相对较短，降水季节分配很不均匀，夏季 6、7、8三个月降水较多，约占全年80%(刘方翠等，2016)。1970年以前，北京市地下水开采量较小，地下水的补给量和排泄量基本平衡；随后10年间，随着社会和经济发展以及人口的增加，城近郊区的地下水开采量大幅增加，并且出现了干旱少雨天气，地下水补给量减少，从而导致地下水水位大幅度下降，局部地区甚至出现了地下水降落漏斗；1990年以后，城近郊区的地下水开采量基本得到控制，地下水位有所回升；1999年至2010年，出现了连续的干旱少雨天气，地下水补给量减少，地下水位整体上呈下降的趋势。2011年至今，随着降雨量的回升，以及2014年年底南水进京，地下水开采量得到了一定的控制，并且水务部门采取了一系列地下水优化开采措施，地下水位整体上表现出较为平稳的变化趋势。

2 地面沉降分布及典型灾害类型

2.1 地面沉降分布

如图3所示，北京平原区地面沉降主要分布在通州、大兴、顺义等地区，分为南、北、东三大集中区域。具体划分如下：

平原区东部仍然是北京市地面沉降最为严重的地区。发育于潮白河冲积扇及永定河冲洪扇交界处，分析认为，河流摆动导致两冲积扇叠加，使得交界处沉积环境复杂，砂层与粘性土层互层，层次多，粘性土层厚度大，为地面沉降发生发展提供有利的地质条件。整体上，以年沉降量80mm为分界形成上下两大沉降区域，上部区域位于朝阳金盏—东坝—朝阳农场一带，北至朝阳金盏，南到楼梓庄，西起东坝，东至朝阳农场。下部区域位于朝阳王四营—三间房—管庄—黑庄户—通州城区—张家湾—台湖—次渠一带，两大沉降区域又以40mm沉降等值线连成一片，形成以宋庄、张家湾、台湖、马驹桥、王四营、东坝、金盏为边界的东部主要沉降区。

图3 北京平原区地面沉降（2014年）与冲积扇叠加图Fig. 3 Overlay map of land subsidence（2014）and alluvial fan in plain area of Beijing

平原区北部发育于多套河湖相沉积地层，区域上昌平、海淀区内存在四个沉降漏斗区，分别位于海淀西小营、昌平八仙庄，海淀上庄和燕丹。海淀西小营—上庄—昌平沙河—七里渠—燕丹一带，以年沉降量40mm等值线连成一片。顺义地区沉降漏斗区较为分散，包括高丽营、张镇、南法信、李桥、杨镇等小的沉降漏斗区，其中高丽营—南法信—张镇以40mm沉降等值线连成一片，李桥、杨镇呈零散分布。

平原区南部分沉降发育于永定河冲积扇，漏斗零散分布，主要有礼贤—小马坊、榆垡两大沉降漏斗区。其中，礼贤—小马坊为南部主要沉降漏斗区，并且与河北交界。

2.2 灾害类型

为全面系统了解地面沉降灾害类型及特征，对地面沉降发育严重地区的建筑物、桥梁、地面和路面进行详细调查，依据调查结果将地面沉降灾害初步分为以下两类，依据各类灾害致灾数量及破坏程度，选择典型灾害类型进行描述（图4）。

（1）区域性沉降形成的点状破坏

过量抽采地下水导致北京平原区发生严重的区域性地面沉降，山前平原、冲积平原等大部分地区均发育着地面沉降。调查显示，区域性地面沉降多造成点状及面状破坏。其中点状破坏以井管抬升为代表。区域性地面沉降造成井管脱离原有地面使井管相对与原有地面呈现的抬升现象。力学上表现为应力集中-应力释放过程，在井管周围地面随井管上升过程中，向上的应力转化为两侧分量拉伸周围地面向上运动，当超过地面材料最大抗拉强度后，地面材料发生破裂，应力释放，失去拉伸作用的地面受重力作用，形成塌陷。在井管抬升灾害发生于井管周围，该现象导致井管向上凸起，周围地面出现以井管为中心向四周散射状的裂缝。依据地面材料不同破坏程度有所差异，地面材料质地较硬易出现抬升破坏，抬升部分总体裂缝延伸范围较短。

图4 井管抬升灾害现象Fig. 4 Hazard of well pipes uplift

（2）局部差异沉降形成线状破坏

在差异抽水影响下形成的局部差异性地面沉降，多展现处线状破坏，该类破坏多集中于建（构）筑物，造成建（构）筑物受力破坏，失去稳定性。具体表现为：墙体开裂，北京地区该类灾害多地质构造相联系，与断裂带相伴而生，具有明显的地域性特征(刘方翠等. 2016)。该类灾害呈现线状沿固定方向展布，依据建筑物结构不同表现为上宽下窄，先从墙体顶部发生破坏的直立、单斜裂缝（图5a、b），具有一定宽度剪裂带的单斜拉剪带裂缝（图5c）及下宽上窄单斜阶梯型裂缝（图5d）。

图5 墙体开裂灾害（a直立裂缝；b单斜裂缝；c单斜拉剪带裂缝；d单斜阶梯型裂缝）Fig. 5 Hazard of cracks in wall （a. vertical crack; diagonal crack; c shear crack; d echelon crack）

地面开裂：调查显示，与断裂带伴生的地面开裂具有一定方向性，而断裂走向较为一致。在沉积厚度差异的松散沉积物上，地层发生不均匀沉降，竖直方向弯曲变形形成的垂向错动变形，超过路面材料最大抗拉/抗剪强度，错断路面薄弱部分，形成开裂，路面错断部分结合能力减弱，长期在自然及人为影响下，发生剥落，逐渐扩大裂缝宽度。未发育在断裂带上的地面开裂无方向性，受竖直方向弯曲变形形成的垂向错动变形影响在路基薄弱处呈现多方向小股裂隙（图6）。

图6 地面开裂灾害Fig. 6 Hazard of land cracks

桥梁开裂：在地面沉降等值线变化密集地区调查中发现桥梁开裂，该类灾害发生在桥梁及桥墩处，在桥梁底部的横梁处出现多处裂缝，受裂缝影响横梁出现受力弯曲、错动变形现象，桥墩部分出现单斜/直立裂缝，裂缝贯穿桥墩，造成上部桥面发生明显开裂，严重地段出现错动（图7）。

3 结论及建议

文中依据长序列监测数据及野外调查结果，阐述了北京平原区地面沉降分布特征，北京地面沉降灾害类型，得出结论如下：

图7 桥梁开裂灾害Fig. 7 Hazard of bridge

（1）北京平原区地面沉降分为南、北东3大集中区，北部与东部连接多沿潮白河与永定河冲积扇交际处发育，南部以河北界为中心向北发育。东部地区以年沉降量80mm为分界形成朝阳金盏—东坝—楼梓庄—朝阳农场及朝阳王四营—三间房—管庄—黑庄户—通州城区—张家湾—台湖—次渠两大沉降区，平原区北部除海淀西小营、昌平八仙庄两个沉降中心外存在多数小沉降区。

（2）区域性地面沉降形成的以井管抬升为代表的点状破坏现象，该类灾害以点为中心呈辐射状分布，影响范围较小。局部差异沉降形成包括墙体开裂、地表开裂及桥梁开裂等具有线状破坏形式的灾害，该类灾害多呈线性沿固定方向延伸，影响范围较大。

（3）开展北京平原区高精度地面沉降调查工作，重点关注地面沉降对线性工程、重大工程影响；实现自备井置换的沉降重点区域；建议各区政府按照划定的地下水超采区及禁限采区，严格地下水资源管理，大幅度减少地面沉降发育强区内的地下水开采，合理利用南水北调水开展中、深层承压水人工回补。