农村给排水格局改变引起的住房安全问题研究——以北京市延庆区为例

王树芳，郭彬彬，刘元章，刘久荣，刘 凯，杨 勇

（1.北京市水文地质工程地质大队，100195，北京；2.中国地质科学院，100037，北京；3.北京市水科学技术研究院，100048,北京）

随着人口增加，人类活动对地质环境的影响越来越强烈，在局部地区甚至改变了当地的水文地质条件，使地下水的补径排条件失调，导致地质灾害频繁发生。一些大城市由于大量开采地下水，形成降落漏斗，诱发地面沉降、地裂缝等地质灾害。与此同时，由于地下水水位上升所引起的地质灾害也时有发生。从灾害表现上看，受灾地区地下水水位持续上升，房屋墙体开裂，地下硐室渗水，地下管线坑道积水，耕地被淹，土壤沼泽化，灾害严重地区还出现了房屋倒塌等情况，对人民生命财产安全产生了极大威胁。尤其是在以平房为主的农村地区，这种灾害更加明显，危害更大。由于经济和技术条件的限制，农村地区对这种地质灾害认识不足，治理措施不力，致使灾害影响范围逐步扩大，受灾人数逐年上升。

北京市延庆区康庄镇北部的许家营、马营、太平庄和张老营4个村近10年来发生房屋和墙体开裂、倾斜现象，村内路面开裂，灾害严重区发生房屋倒塌，1 700多人受灾。由于地质条件的复杂性，灾害发生原因一直未能查明，治理无从下手，致使灾情日趋严重。本项目在大量调查和试验的基础上，查明了致灾原因，为当地政府提供了灾害治理方案，为尽快解除地质灾害，保护人民生命财产安全提供了重要的技术支撑。研究区（4个村）位置见图1。

图1 研究区位置图

一、研究区概况

研究区位于延庆县康庄镇北部，在延怀盆地东部的山前洪积平原，平均海拔482 m左右，多年平均气温8.4℃，冻土层厚度为1.20 m左右，多年平均年降水量为454 mm。区内的马营河现已成为季节性河流，西北部的官厅水库建成于1954年，总蓄水能力22亿m3。西侧为野鸭湖湿地，湖面面积约为40 km2。研究区范围内出露的地层主要是第四系全新统（Q4）冲洪积及湖积物。张老营一带为全新统下部冲积层（Q41），大营村南分布有全新统中部湖积层（Q42），现今河道沉积多为全新统上部（Q43）。

二、水文地质条件

钻探和土工试验查明了研究区地表下5～12 m深度范围内的地层。按成因年代分为人工堆积层和第四纪冲洪积层两个大层。而第四纪地层依据土体颜色和密实度等差别又可以分为两个大层，每个大层又可以分为黏质粉土层、砂质粉土层和粉质黏土层3个小层。各层水文地质特征自上至下分述见表1。

表1 研究区水文地质特征一览

三、给排水格局的变化

1.给水格局的改变

研究区20世纪80年代以前均使用压水井供水，压水井一般深6～7 m，主要抽取地表以下3～7 m左右的浅层地下水。80年代以后，为了提高用水质量，保证居民用水安全，改用自来水井，主要抽取70～120 m的深层地下水。自来水接通后压水井即废弃不用，浅层地下水随之停采。

2.排水格局的改变

（1）雨水的排泄

由于自然原因和人为取土，原来4个村庄共有5个坑塘，总面积约为2.7万m2，这些坑塘起到了排泄和蓄积雨水的作用，同时在很大程度上也起到排泄地下水和控制地下水水位的作用。自2003年以来，由于村庄建设所有坑塘均被填埋。坑塘填埋后，雨水无处排泄，只能滞留在村内，入渗率甚至可以达到50%～70%，通过入渗增加了地下水的补给量，逐年抬高了地下水水位。很多研究者曾对北京地区和河北沧州地区农村坑塘利用与雨洪灾害治理进行过论述，认为坑塘的合理利用可以有效地避免农村内涝。

（2）生活污水的排泄

自来水接通初期，生活用水量较少，主要用于饮水、做饭、洗衣服等，所以生活污水排放量也较少，排放方式主要是直接倾倒在院内，通过自然蒸发排泄。随着人们生活水平的提高，近10年来4个村的绝大部分住户都安装了太阳能热水器，购买了洗衣机，生活用水量急剧增加。大多数农户在自家院子里开辟了小型菜园，每天利用自来水进行灌溉。为了排放生活污水，几乎每户都挖有一个2 m深的渗水井，污水排放到渗水井中，直接补给了浅层地下水。

（3）浅层地下水的排泄

坑塘蒸发是浅层地下水排泄的重要途径之一。在农村坑塘未填埋之前，浅层地下水向坑塘排泄，又通过坑塘水面蒸发进行排泄。坑塘填埋之后，浅层地下水通过蒸发排泄的途径大大受阻，导致浅层地下水水位升高。

另一方面，研究区水库建成后在村前和村后修建了截排水沟，用于截排地下水，有效防止了地下水水位上升产生的地质灾害。近10年来，4个村北部的截排水沟由于村庄建设和耕地扩展已经部分填埋；南部的截排水沟已经用砖石衬砌，部分地段发生坍塌，严重阻碍了地下水的排泄，致使浅层地下水在村内蓄积，逐步抬高了地下水水位。

四、地下水水位上升对建筑物的影响

研究区内许家营、马营、太平庄和张老营4个村目前57%以上房屋墙体发生开裂和倾斜，村内路面开裂，严重区出现房屋倒塌。4个村共有住户近1 140户，总人口约3 000人，其中656户受灾。

1.建筑物破坏类型

（1）院墙向外倾斜

研究区内的院墙与正房的山墙之间用混凝土和砂浆连接。院墙地基比较浅，一般不超过20 cm。院墙受破坏形式以向院外倾斜为主。本次对受灾最严重的两条巷子的墙体倾斜情况进行了统计，14面倾斜墙体中，只有1面倾向里侧，其他13面都向院外方向倾斜（图2）。

（2）房屋山墙开裂

研究区内的部分房屋山墙出现开裂现象。开裂的房屋有土墙也有砖墙，反映出灾害的破坏力非常强（图3）。土墙的裂缝一般是贯穿性的，从墙底部一直到顶部。一旦墙体开裂，雨水就会从侧面和顶部进入裂缝，造成土墙裂缝继续快速发展、砖墙稳定性被极大削弱。

（3）室内外地面开裂

研究区内的街道路面和室内地面都出现了开裂现象。街道路面一般由2～5 cm厚的水泥铺成，强度较高，但是仍然受到严重破坏。水泥路面在冬季会向上拱起约2～5 cm，春季冰雪融化时又会逐渐恢复，以致路面就出现凹凸不平的裂缝（图4）。部分室内水磨石地面也出现了裂缝。

图2 院墙向外倾斜

图3 房屋山墙开裂

图4 地面开裂

图5 房屋倒塌

（4）房屋倒塌

灾区部分房屋出现倒塌（图5），居民被迫搬离。通过调查与统计，倒塌房屋以建成时间比较久的为主，房屋结构以土体和砖土结合结构为主。房屋倒塌是房屋受破坏之后的最终表现形式,墙体开裂和地面开裂是房屋倒塌的前兆，当墙体和地面开裂程度逐渐严重时，出现房屋陆续倒塌现象。

2.建筑物破坏原因

研究区存在季节性冻土，冻土层厚度为1.2 m左右。该区房屋地基深度为0.8～1.0 m，未穿过冻土层。季节性冻土的两个重要性质就是冻胀和融陷，这与土的颗粒成分和含水量有关。根据工程地质勘探结果和土的冻胀性分类分级标准，该区主要土体为黏质粉土、粉质黏土和砂质粉土，属于极冻胀土。深度4 m以内的土平均天然含水率为25%，塑限平均值为17%，含水率大于塑限8个百分点。在这种情况下，当冻胀期间地下水水位低于或者等于冻深2 m时，则属于强冻胀土。本区冻深为1.2 m左右，地下水水位埋深为0～2 m，全部位于冻深以下2 m以内，属于强冻胀土。

季节性冻土经过反复冻胀后，土体发生了塑性流动，结构受到严重破坏，在建筑物基础下部受压的土体已经部分变为了流沙，承载力急剧下降。通过实地调查和当地群众的反映，该地区房屋地基及其周围路面存在季节性冻胀和融陷现象。据此分析，季节性冻土的冻胀和融陷作用是造成该地区建筑物破坏的直接原因。

五、地质灾害治理方案与成效

为了治理由于地下水水位上升引起的灾害，根据调查与试验结果，提出治理方案。治理方案的核心是，先减少新增的地下水补给量，再排泄已经储存在含水层里的地下水，最终使地下水水位下降到安全水平以下。

1.治理方案

（1）减少地下水的补给量

为每个院落修建雨水和生活废水排放管道，减少雨水的原地入渗量，避免生活废水直接排放。在村中的主干街道建设雨水和生活废水排放主干管线，从每个院落排出的雨水和生活废水可以通过主干管线排到污废水处理站。生活废水管道敷设后，填埋所有渗坑，以减少地下水补给，减少生活废水污染地下水。

（2）抽排地下水

在村内和村外条件适合的地方建设地下水抽水井，通过人工强制抽排地下水，降低地下水水位。另外，在村内的主干街道建设排水沟，沟内填充大块卵砾石，排水沟与村外河道相连。地下水通过排水沟可以自然排泄，从而降低地下水水位。

（3）严格控制院落菜地浇灌

严格控制院落菜地的灌溉，避免由于灌溉回渗引起地下水水位持续上升，从而造成抽排地下水工作失效。

（4）适当恢复农村坑塘

农村坑塘在一定程度上起到了排泄雨水与调节地下水水位的作用。因此，在村内较低洼的部位，或条件适合的地方，适当恢复坑塘。为使坑塘起到排泄地下水的作用，坑塘周边和底部一般不应做衬砌。

2.治理成效

当地政府已经根据治理建议开展了治理工作，为村庄修建了雨水与生活污水排放管道，停用了渗水井；在村外建设了抽水井，对地下水进行了强行抽排。这些措施应用后已经显示出较好的治理效果，地下水水位上升势头得到了一定程度的控制。但是，由于村内场地条件有限，排水沟修建与坑塘恢复可能还要涉及部分房屋的搬迁问题，需要统筹考虑才能更好地解决当地的地质灾害问题。

六、结论

通过对延庆区康庄镇北部4个村住房安全问题的详细调查、分析与研究，得出以下主要结论：

①近10年来研究区排水沟渠和坑塘的填埋极大地减少了地下水的排泄量，而且迫使降雨就地入渗补给地下水。渗水井作为生活污水的排放途径也极大地增加了地下水的补给量。浅层地下水排泄量大幅度减少与补给量大幅度增加使本区地下水长期处于正均衡状态，地下水水位持续上升。

②地下水水位上升使建筑物地基内的土体处于饱水状态。饱水的黏质粉土、砂质粉土和粉质黏土属于强冻胀土。季节性冻土所产生的冻胀和融陷作用使地基的承载力严重下降，在上覆载荷的情况下土体结构严重破坏，从而导致墙体开裂，最终造成房屋倒塌。

③研究区含水层颗粒非常细，地下水的流动性很差，地下水的积累与水位的上升实际上经历了十几年甚至更长时间，只不过是在致灾前未被人们发现。从治理方案实施效果看，在这样的水文地质条件下，地下水排泄和水位下降也需要经历一个相对缓慢的过程，需要按照自然规律开展相应的治理工作。

④随着南水北调东线和中线工程相继完工通水，北方地区开始大规模压减地下水开采量，局部地区地下水呈上升趋势，部分地区还会出现地下水水位过浅的现象。尤其是北方季节性冻土发育的地区，反复的冻胀和融陷作用会对建筑物的地基产生非常不利的影响。因此，应提前采取有效应对措施，维持地下水补排平衡，避免地下水水位上升引发建筑物破坏，以保障人民生命财产安全。