门头沟校区拟建场地地质灾害危险性评估

王文考，孟轲荆，梁兵，刘正，李冬月，代丽欣

(1.北京京能地质工程有限公司， 北京 102300； 2.中色华宇(北京)生态科技有限公司， 北京 102300；3.有色金属矿产地质调查中心， 北京 100012)

0 引言

众所周知，地质灾害是指在自然或人为因素的作用下形成的，对环境造成破坏、对人类生命财产造成损失、直接或间接危害人类生存安全的地质作用或地质现象(邓学军，1999；武军，2001；竟春艳，2015；金鑫，2019)。随着经济社会的快速发展，人们已越来越高度关注地质灾害安全问题，并积极地采取科学合理的预防手段和治理措施，有效地控制和降低地质灾害给人们带来的威胁甚至危害。近些年来，随着全球气候环境的变化，各类地质灾害时有发生，有的甚至频发，严重影响着人们的生产生活和生命财产安全，不断加强对地质灾害危险性的评估研究，对预防和控制地质灾害的发生具有十分重要的作用。

常见的地质灾害类型主要有崩塌(危岩体)、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷(采空塌陷、岩溶塌陷)、地裂缝、不稳定斜坡等(武强，2003；徐友宁等，2003；闫国杰，2004；岳境等，2006；林芳和郭守权，2010；孙承元，2016；李文军，2018)。其中采空区是一种潜在而特殊的地质灾害，它是指地下矿产被开采后的空洞区及其围岩变形失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直至上覆岩土层整体弯曲、下沉所引起的地表变形和破坏的地区(王金庄等，1995；郭广礼，2001；童立元等，2006；张永波等，2006；杨德智等，2010；丁党鹏，2011；钱自卫等，2011；周乃强等，2014)。矿山在开采地下矿产、创造经济效益的过程中，往往会留下许多采空区。采空区的存在，不仅使矿山的安全生产面临着严重威胁，而且存在诱发崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷、水土流失、环境恶化等地质灾害的可能性。随着我国城市化建设等各个方面的持续发展，基础设施投资日益增加，城市建设用地规模不断扩大，为提高土地的利用率，缓解土地资源紧缺的矛盾，开展了棚户区改造，在采空区上方修建公路、铁路、工业厂房、村镇等基础建设工作。为了充分保证拟建场地、工程建设和基础设施的安全，在工程建设前对场地范围进行地质灾害危险性评估工作是十分必要的，也是必不可少的重要环节之一。

地质灾害危险性评估是指分析和预测未来时期将在某个地方可能发生什么类型的地质灾害、灾害活动的强度和规模，以及危害的范围和强度(罗元华等，1998；王志等，2020)。北京市景山学校门头沟校区新建工程是门头沟区区委区政府推动教育优先发展，引入优质教育资源，在采空棚户区改造的同时，实施的配套教育设施建设工程。本文以该拟建场地为研究区，查明场地及其周边的地质环境条件，以及地质灾害类型、规模、分布、稳定状态等情况，分析评价地质灾害对场地和建筑物的影响，以及地质灾害发生的可能性、危害的范围和程度，通过对地质灾害危险性的现状评估、预测评估和综合评估，确定场地的适宜性，提出相应的地质灾害防治措施，为保障场地和工程建设的安全提供决策依据。

图1 拟建场地位置与调查范围示意图(a)及拟建场地卫星影像图(b)

1 研究区位置

门头沟校区新建工程位于北京市门头沟区城子地区，包括两个地块，其中东部地块为小学部，西部地块为中学部，总用地面积约79275 m2。建设用地位于九龙山的山前缓坡地带，地下存在煤矿采空区，北侧有一条东西向的冲沟，永定河断裂通过东侧。整个地质灾害危险性调查评估范围(即拟建场地范围)为5.6 km2(图1)。

2 地质环境条件

2.1 地形地貌

研究区属山前缓坡地带，海拔119～185 m，总体地势为西北高东南低。其中西部地块呈阶梯状分布，大致由五级平台组成，各平台间高差3～10 m不等；东部地块中部为一凸起缓丘，与周边高差约15～20 m，分布有空地、厂房、树林等(图2)。

图2 拟建场地(局部)实地现状图

2.2 气象水文

研究区属大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季晴朗清爽，冬季寒冷干燥，四季温差较大；一月平均气温-4.3℃，七月平均气温25.8℃，年平均气温7～10℃，全区的年平均气温随地形抬高而递减，年平均降水量为600 mm。

研究区位于永定河流域内，水流在平原区减慢，泥沙沉积，河床淤高，年径流量为0.468×108m3，是北京平原区径流量最小的水系。三家店拦河闸放水和坝下渗漏对北京西郊地区的地下水起到一定的补给作用。

2.3 区域地层岩性

研究区位于NNE向九龙山向斜东南翼，永定河隐伏断裂通过东侧，主要地层由老到新为：

(1)南大岭组(J1n)：分布在拟建场地的南部，岩性为基性浅成岩、玄武岩，底部夹少量紫灰色凝灰质粉砂岩和板岩。

(2)窑坡组(J1y)：分布在拟建场地北部及其周边地区，岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥质岩夹含砾粗砂岩和煤层。

(3)龙门组(J2l)：分布在北部的九龙山中部，岩性为一套深灰色—灰黑色复成分砾岩、砂砾岩，夹有岩屑砂岩、粉砂岩和煤线。与下伏窑坡组地层呈平行不整合接触。

(4)九龙山组(J2j)：分布在北部的九龙山上，岩性为一套灰紫和灰绿色陆相火山碎屑沉积岩。与下伏龙门组地层呈平行不整合接触。

(5)第四系(Q)：分布在拟建场地的南部，表层为填土，下部为坡洪积的黏土、粉砂土和碎石。

2.4 工程地质条件

据已有勘察钻孔资料显示，拟建场地揭露深度(最深91 m)范围内的地层划分为人工填土层、一般第四系坡洪积层、侏罗系窑坡组基岩及煤系地层。其中：

人工填土层：稍湿，松散—稍密，以碎石为主，含黏性土、煤渣，夹黏质粉土、碎石填土透镜体。

一般第四系坡洪积层：稍湿，稍密—中密，棱角状碎石，黏性土充填，夹粉质黏土、角砾、块石。其中，块石层钻探施工较困难。

侏罗系窑坡组基岩及煤系地层：分为全风化粗砂岩层、强风化粗砂岩层、中等风化—微风化中粗砂岩层。其中，中粗砂岩层钻探时岩芯较完整，易施工。

2.5 水文地质条件

区内水文地质条件较为简单，有利于大气降水的排泄。地表水流方向自西向东。含水层主要为基岩裂隙含水层。由于煤层的开采，该区地下水位很低，地下水的补给主要是大气降水直接渗入或通过第四纪的松散含水地层补给，大气降水除部分补给地下外，另一部分作为地表及地下径流向东排泄。

2.6 人类工程活动

主要是对该区煤层的开采。据已有矿区开采资料显示，建设用地处于采空区之上。煤层开采容易引起采空塌陷及采空变形，对地质环境的影响较大。

3 地质灾害危险性评估

地质灾害危险性评估的方法主要有：发生概率及发展速率的确定、危害范围及危害强度分区、区域危险性区划等(罗元华等，1998；王志等，2020；段顺荣等，2021；贾超等，2021；张杨等，2022)。该新建工程属“较重要建设项目”，通过资料分析、现场调查、地质环境条件分类，综合确定调查区(即评估区)的地质环境复杂程度属于“复杂”，地质灾害危险性评估的级别属于“一级”，需对采空塌陷、滑坡、崩塌、泥石流、不稳定斜坡及活动断裂等6类地质灾害危险性进行评估(中航勘察设计研究院有限公司，2014①)。

3.1 现状评估

3.1.1 采空塌陷

(1)煤层分布特征：拟建场地处于门头沟井田内，主要有9槽煤层，其中第1槽—第7槽缓倾斜煤层由南向北依次分布，第8槽不可采，第9槽在东部地块局部分布。各煤层的顶底板主要为细砂岩、粉砂岩及粗砂岩。

(2)采空区分布特征：拟建场地地下的浅部煤层主要为小窑开采，开采深度在11.0～78.8 m，各层开采厚度在1.0～3.0 m；深部煤层为国矿大范围开采，煤层间距为50～120 m，开采深度约在70～230 m，开采厚度在2.0～5.0 m。据探空钻探资料显示，在实施的49个钻孔(最深91 m)中，见空见煤钻孔有18个，其中3个见未开采煤岩，15个见空洞或采后虚填物。

(3)产生地面塌陷的危险性分析：据探空钻探资料，在拟建场地中南部局部区域，小煤窑开采浅(最浅11 m)，采深、采厚比为7.3～22.0(<30)，易发生地面塌陷，但现场尚未发现地面塌陷坑；深部缓倾斜煤层为大面积开采，开采深度较大，采深、采厚比为33.3～127.8(>30)，说明深部煤层的开采引发地面塌陷的可能性小，但会在地面产生一定的沉降量。目前煤矿已停采，矿区正处于残余变形阶段。

图3 拟建场地西南侧边坡现状图

(4)地表变形特征及分布规律：地下煤层的开采会引起一定的地面沉降，其大致范围为河滩三角地—圈门、黑山小学—废品收购站—原门头沟矿林场—西辛房中学。据岩移监测点资料，1988—1994年间累计下沉750 mm，年均下沉119 mm，再到1997年的3年间下沉仅增加了101 mm。结果表明，地面沉降速率已趋缓，同时不均衡沉降角较小，说明地面处于均衡下沉之中。

(5)建筑物使用情况：通过对建筑物的变形情况调查发现，大部分建筑物已拆迁，东南侧多栋多层建筑未出现明显变形迹象，仅南侧的挡土墙出现开裂现象。

综上，可以确定拟建场地采空塌陷的发育程度为“中”，灾情分级为“轻”，采空塌陷地质灾害的现状“危险性小”。

3.1.2 滑坡

拟建场地西南侧临山，边坡坡高约30～40 m，坡度约20°～25°。边坡基岩为侏罗系窑坡组(J1y)砂岩，岩体较完整，岩层倾向南或东南，倾角30°～60°；残坡积层厚约0.3～0.5 m，边坡坡脚局部可达1～3 m(图3)。调查时未发现边坡出现“溜滑”、“底鼓”等变形迹象，边坡稳定。确定拟建场地滑坡的发育程度为“弱”，灾情分级为“轻”，滑坡地质灾害的现状“危险性小”。

3.1.3 崩塌

根据对西南侧边坡的坡高、坡度、基岩和残坡积层等的调查情况，边坡基本为残坡积层所覆盖，基岩仅局部出露，调查时也未发现有危岩体分布(图3)，确定拟建场地崩塌的灾情分级为“轻”，崩塌地质灾害的现状“危险性小”。

3.1.4 泥石流

拟建场地北侧有一条EW向的区域性冲沟，长约2 km，总体流向为90°。冲沟上游的基岩为九龙山组碎屑砂岩，中上游为龙门组砾岩，中下游为窑坡组砂岩及煤系地层，中上游边坡残坡积厚度一般为0～0.3 m，中下游冲沟两侧分布有0.5～2 m厚的冲洪积物，局部堆填有5～6 m的杂填土(以煤矸石、碎石及建筑垃圾为主)。冲沟中下游沟床坡度约8.9°，汇水面积约1.6 km2，地形相对高差约300 m，沟口较开阔。该冲沟已被村民改造成专门的排水沟，植被覆盖率80%，中下游经整治局部沟段见有少量蓄水。调查时也未发现冲沟中有泥石流堆积物(图4)。该冲沟泥石流易发因素取值为55.03(<70)，等级评定为“低易发”。确定拟建场地泥石流的灾情分级为“轻”，泥石流地质灾害的现状“危险性小”。

3.1.5 不稳定斜坡

拟建场地位于山前缓坡地带，除西南临山外，其他附近地区存在多处斜坡。通过调查4处NW向、NE向岩质或岩土混合的高陡斜坡，未发现存在明显的变形迹象，斜坡稳定(图5)。确定拟建场地不稳定斜坡的发育程度为“弱”，灾情分级为“轻”，不稳定斜坡地质灾害的现状“危险性小”。

3.1.6 活动断裂

拟建场地的主要断裂为通过东侧的NW向永定河隐伏正断裂的北西段，沿永定河河谷延伸，与拟建场地相距约1.1 km。据电子自旋共振法(ESR)年龄测试为(59.1±17.7)万年，相当于中更新世早中期(资料来源于国家地震局分析预报中心)。根据分析确定拟建场地活动断裂地质灾害的现状“危险性小”。

3.2 预测评估

3.2.1 工程建设引发或加剧地质灾害危险性

(1)采空塌陷：要评估拟建工程引发或加剧采空塌陷的危险性，需要确定建筑物基底压力对采空区稳定性的影响。根据工程的设计条件，通过拟建建筑中心点下的附加应力公式计算：

(1)

图4 冲沟及沟谷现状图

图5 拟建场地斜坡现状图

经计算得出附加应力随深度变化的情况，在附加应力的影响深度范围内，如遇采空区或采空引起的冒落带及裂隙带，则会引起应力集中，从而引发采空塌陷或加剧采空变形。对于拟建工程来说，当煤层采深接近或小于拟建建筑附加应力的影响深度，或者煤层采深、采厚比<30时，则有可能引发、加剧采空塌陷地质灾害，反之则可能性小。总体分析认为，拟建场地中南部局部区域存在浅部小窑采空区，引发或加剧采空塌陷的可能性“大”，危害程度“中等”，预测该区域引发采空塌陷地质灾害的“危险性大”；其它区域采空塌陷发生的可能性“中等”，危害程度“中等”，预测这些区域引发采空塌陷地质灾害的“危险性中等”。

(2)滑坡：拟建场地西南侧边坡稳定，且为逆向边坡，拟建工程虽有一定量的切坡，可能会引起边坡的局部坍塌(诱发不稳定斜坡)，但不至于引起山体的整体滑动。预测拟建工程引发或加剧滑坡地质灾害的可能性“小”。

(3)崩塌：切坡主要在坡脚进行，开挖中可能会出现局部危岩体，但开挖高度不大，也易于处理。预测拟建工程引发或加剧崩塌地质灾害的可能性“小”。

(4)泥石流：拟建工程位于冲沟的南部，虽需开挖一定量的土石方，但大都外运，对冲沟影响很小。预测拟建工程引发或加剧泥石流地质灾害的可能性“小”。

(5)不稳定斜坡：拟建场地地形起伏较大，需要平整场地，这样会新形成较多的人工斜坡，如不采取有效措施及时支护，有可能引起边坡的坍塌，危及拟建工程的安全。预测拟建工程引发或加剧不稳定斜坡地质灾害的可能性“中等”。

(6)活动断裂：拟建工程基本在地表进行，相对于地壳应力来说，该工程的荷载几乎可以忽略不计，因此不会影响或加剧永定河断裂的活动性。

3.2.2 工程建设可能遭受地质灾害危险性

(1)采空塌陷：根据前述分析，拟建场地中南部局部区域既有浅部小窑采空区(采深采厚比<30)，又有深部煤层采空区，预测该区域采空塌陷发生的可能性“大”，危害程度“中等”，遭受采空塌陷地质灾害的“危险性大”；其它区域存在深部煤层采空区，仅局部存在小窑采空区(采深、采厚比>30)，这些区域采空塌陷发生的可能性“中等”，危害程度“中等”，遭受采空塌陷地质灾害的“危险性中等”。

(2)滑坡：拟建场地周边边坡稳定，没有发现滑坡体，滑坡发生的可能性“小”，危害程度“轻”，预测拟建工程遭受滑坡地质灾害的“危险性小”。

春播开始了，熬过漫长冬季的土地变得松软。渐次地，上面有了踢踢橐橐的脚步声，车轱辘滚动的声音，外带人喊、马嘶、老牛打哞的动静，还有农人凌空甩响的鞭子，吆牛的号子声，共同构成苏北早春天空下多声部合唱。这声音粗砺、乍猛，惶急里透着熟稔，带着一冬铆足的劲头，在每个日升日落的时辰演奏着。嘈嘈切切，将端木村人久已沉眠的各种欲望又唤醒了。[1]5

(3)崩塌：拟建场地西南侧边坡未发现危岩体存在，崩塌发生的可能性“小”，崩塌的危害程度为“轻”，预测拟建工程遭受崩塌地质灾害的“危险性小”。

(4)泥石流：拟建场地北侧冲沟泥石流易发等级为“低易发”，距离较远，且高出冲沟沟床约20～30 m，不受冲沟行洪影响，泥石流的危害程度为“轻”，预测拟建工程遭受泥石流地质灾害的“危险性小”。

(5)不稳定斜坡：根据前述分析，新形成的人工斜坡可能会引起边坡的坍塌，为保障边坡的稳定和拟建建筑的安全，需采取必要的措施进行防治。不稳定斜坡发生的可能性“中等”，危害程度为“中”，预测拟建工程遭受不稳定斜坡地质灾害的“危险性中等”。

(6)活动断裂：永定河断裂为中更新世早中期的活动断裂，且距离拟建场地较远，预测拟建工程遭受活动断裂地质灾害的“危险性小”。

3.3 综合评估

地质灾害形成条件非常复杂，在分析地质灾害危险性时，所涉及的内容也非常广泛，因此，开展地质灾害危险性综合评估，首先要确定评估的原则和量化指标。本文按照“分主次、分层次、共性个性兼顾”的原则，对调查评估区内的采空塌陷、滑坡、崩塌、泥石流、不稳定斜坡、活动断裂等6类主要地质灾害，从发育程度、发生的可能性等方面，分别确定其量化指标，在此就不一一赘述了。

3.3.1 综合分区与适宜性评价

根据现状评估、预测评估结果，以及地质灾害危险性综合评估的原则，对拟建场地的地质灾害危险性进行综合分区评估，按“小级”、“中级”和“大级”等级划分区段，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。根据综合评估结果，地质灾害危险性等级为“大级”的区段1个(即Ⅲ区)，面积约8643 m2，占拟建场地总面积的10.9%；地质灾害危险性等级为“中级”的区段1个(即Ⅱ区)，面积70632 m2，占拟建场地总面积的89.1%(表1)。

表1 地质灾害危险性综合分区评估表

拟建工程需要防治的主要地质灾害为：采空塌陷(中南部局部区域)、不稳定斜坡。其中，局部区域的小窑采空区可通过注浆来防治，深部采空区可通过加强建筑物刚度、设置变形缝等来实现，防治难度属中等；不稳定斜坡可通过挡墙、锚杆格构等进行防治，防治难度适中。根据综合评估结果，结合地质灾害防治难度，确定拟建场地的适宜性分区(李学良等，2022)(表2)。地质灾害危险性综合评估及适宜性评价分区如图6所示。

表2 拟建场地适宜性分区评价表

图6 地质灾害危险性综合评估及适宜性评价分区图

3.3.2 地质灾害防治措施

根据上述分析，拟建工程可能遭受的主要地质灾害为采空塌陷和不稳定斜坡。

(1)采空塌陷的防治措施主要有：①对采空地段采用注浆、碾压夯实地基处理；②增加建筑物的刚度，如采用筏基，以增强建筑抵抗变形的能力；设置变形缝，使建筑物具有一定的适应变形的能力。

(2)不稳定斜坡的防治措施主要有：锚喷、挡墙、锚杆格构、加筋土挡墙等。

4 结论

地质灾害危险性评估是工程建设中的一项基础工作，对防灾减灾有着重要的作用。本文通过资料分析、现场调查，基本查明了门头沟校区拟建场地及其周边的地质环境条件，以及地质灾害类型、规模、分布、稳定状态等情况；开展了地质灾害危险性的现状评估、预测评估，分析了地质灾害对场地和建筑物的影响，以及地质灾害发生的可能性、危害的范围和程度，在此基础上，通过综合分区评估，确定了拟建场地的适宜性，并提出了相应的地质灾害防治措施，为保障场地和工程建设的安全提供了决策依据。取得的研究成果与认识如下：

(1)该新建工程属“较重要建设项目”，调查区评估区的地质环境复杂程度属于“复杂”，地质灾害危险性评估的级别属于“一级”。

(2)拟建工程可能遭受或需要防治的主要地质灾害为采空塌陷、不稳定斜坡。

(3)经综合评估，按危险性等级将拟建场地划分为2个区段，其中，地质灾害危险性等级为“大级”和“中级”的区段各1个。

(4)经适宜性评价，“大级”危险性区段的适宜性级别为“适宜性差”，“中级”危险性区段的适宜性级别为“基本适宜”。

(5)对后续工作的建议：

①根据适宜性分区结果，进行合理规划。在详细勘察阶段，需要查明浅部小窑采空区的范围及其分布特征，或者开展专项探空勘察。

②对于采空区，可采用注浆、增强基础刚度等防治措施；对于拟建场地形成的人工边坡(不稳定斜坡)，可采用锚喷、挡墙、锚杆格构等支护措施。

③同步设计拟建场地及周边的截、排水工作。

④对采空区的残余变形进行长期的观测监测。

注 释

① 中航勘察设计研究院有限公司. 2014. 新建景山学校门头沟校区工程地质灾害危险性评估报告[R].