武汉市泛后湖地区地面沉降风险评价

熊 峰，谢 羿，庞 设 典，官 善 友，彭 飞

(1.武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430022； 2.武汉市江汉区振环建筑工程公司，湖北 武汉 430022)

0 引 言

随着城市功能的不断提升，重大工程的相继建设与投入使用，对其赖以支撑的地质环境带来日益沉重的负担，因工程建设而引起的地面沉降、建筑物开裂已成为城市重要地质灾害之一。武汉市泛后湖地区原为大面积湖区，广泛发育有深厚软土层，是武汉市地面沉降最为严重的区域[1-2]。诸多研究表明，新近堆填的欠固结土固结压缩是产生地面沉降的根本原因，建筑荷载、地下水位变化会加速土体固结是地面沉降的主要诱因[3-5]。也有研究表明在不同土地利用转为建设用地对地面沉降的影响中，原水域用地沉降最明显[4-6]。研究地面沉降成因及影响因素，开展风险评价，可为区域城市规划和防灾减灾提供科学依据，提升区域地面沉降防控能力。

一般认为，地面沉降的危险性包括地面沉降发生的可能性和造成的危害性[7]，前者用“危险性”或“易发性”表示(本文称之为“危险性”)，后者称之为“易损性”。危险性主要从沉降量、沉降速率、软土厚度、地下水开采等方面进行评价，而对于易损性评价指标往往包括地面高程、人口密度、单位面积GDP等[8-12]。但都忽视了一个重要条件——城市规划，城市规划是城市建设和管理的依据。因此，充分结合城市规划进行地质灾害风险评价有利于提高评价结果的科学性、准确性和实效性。

本文在前人研究的基础上，以武汉市泛后湖地区为例，在分析近年沉降趋势的基础上，结合地质环境、城市规划等条件，开展地面沉降风险评价，研究成果可为本地区的城市规划建设和防灾减灾提供依据。

1 研究区地质环境概况

泛后湖地区位于武汉市江岸、江汉区，多为长江一级阶地，地形十分平坦，略低洼，标高20 m左右，原为湖区，现大部分已被人工填平。第四系覆盖层地层结构从上到下一般为厚度不大的松散人工填土、可塑状一般黏性土、软塑-流塑状淤泥或淤泥质土、稍密-密实的砂土。砂土底部一般混夹有砾卵石，砂土及砾卵石中赋存孔隙承压水，其中淤泥、淤泥质土厚度最大可达15 m以上。基岩以志留系泥岩，白垩-古近系泥岩、砂岩为主，埋深一般在40～50 m之间。

近年来，武汉泛后湖地区城市发展十分迅猛，工程建设强度大，相继建成的地铁3号线、6号线、8号线从中穿过，除此之外还有在建的地铁12号线，新修的高层、超高层建筑、市政道路、深大基坑、综合管廊等更是不胜枚举。人类工程活动对地面沉降的影响强烈，自2013年以来，后湖地区多个小区、单位相继发生了地面不均匀沉降现象，造成建筑物附属设施及市政道路不同程度开裂、下沉，管道接口脱节等，给居民生活带来了严重的影响。

2 研究区地面沉降现状

武汉市从2016年开始对泛后湖地区开展地面沉降水准测量和孔隙承压水自动化监测，其中水准监测至2021年已开展了5期。水准观测点及孔隙承压水监测井的位置如图1所示。

图1 水准观测点与孔隙承压水监测井位置示意

将水准观测数据在MapGIS中生成沉降等值线图，绘制近年来水准监测累计沉降等值线图，如图2所示。水准观测结果显示，后湖地区地面沉降呈“漏斗式”分布，比较大的沉降漏斗主要有包括汉口城市广场-同鑫花园(JC080、JC081、JC105)、地铁百步亭花园路-新荣客运站两侧(JC077、JC113)、汉口花园-中一花园(JC008、JC014、JC023)，近5 a累计沉降量均超过100 mm，其中尤以汉口城市广场-同鑫花园沉降漏斗的沉降现象最为显著，最大累计沉降量达193 mm，平均沉降速率42.9 mm/a。除此之外，还有温馨苑-怡康苑、黄埔科技园沉降也较为显著。

图2 2016～2020累计沉降量分布

根据图3可知，2016年以来，上述3个沉降漏斗区的沉降主要发生在2016年12月至2017年6月，最大沉降沉降速率达178 mm/a。2017年6月至2020年12月，沉降逐渐放缓，沉降速率不超过35 mm/a。

图3 典型沉降漏斗区累计沉降量变化曲线

自然状态下土体固结沉降是一个漫长、缓慢而又逐渐变缓的过程，在相对较短的一个时期，若无外因影响，沉降是一个相对匀速的过程，然而水准监测数据显示近年来的沉降速率总体上呈明显的“先增后减再增”过程，表明地面沉降过程除受自身地质条件影响外，受外界因素影响较大。

3 研究区地面沉降风险评价

3.1 地面沉降影响因素分析

从致灾层面看，自然因素和人为因素共同导致了近年来后湖地区日益显著的地面沉降现象，它们都是危险性的评价指标。自然因素是由于早期的填湖造地，武汉泛后湖地区下埋有深厚的淤泥、淤泥质黏土等第四系欠固结软土，软土含水量高、压缩性高、孔隙率大，在重力等作用下，容易发生固结沉降现象。人为因素是由于近年来片区建设加快，地铁、深基坑、综合管廊等工程遍地开花，大量进行工程降水或地下水开采，造成附近地下水位急剧降低，加速上述欠固结软土固结沉降过程，加之建筑荷载对地基的附加应力作用，也导致了软土固结沉降加剧，从而造成地面沉降灾害。

从承灾层面看，不同承灾体对地面沉降的承受能力和遭受灾害的损失程度不同，前者主要包括建(构)筑物结构、数量和分布情况等，后者包括人口密度、建(构)筑物价值和密度、经济密度等，它们都是易损性的反映。对于区(县)级及以下的评价单元，获取小范围内人口、经济等具体数据十分困难，基于城市规划单元(地块)的区域易损性评价效果较好，通过地块的容积率、用地类型等可以综合反映经济、社会、环境价值。城市规划是城市建设和管理的依据，不仅决定城市的目前，而且约束城市的长远，是城市建设的规范和蓝图。因此，在承灾层面重点考虑城市规划因素，既是对当前的现状评价，更是对未来一段时间的预测性评价，具有一定的前瞻性。

3.2 指标体系

风险是在特定区域和特定时间段内，由某一地质灾害而造成的生命财产及经济活动可能的损失，联合国人道主义事务部提出了“风险度(risk) = 危险度(hazard) × 易损度(vulnerability) ”的表达式[13]。

地面沉降是一个非常复杂的非线性系统，只有在分析和预测模型中选取与沉降发生具有显著作用的诱发因子，才会获得较好的预测结果[14]。通过对泛后湖地区地质环境条件、沉降现状以及沉降影响因素的分析，对诸多相关指标进行筛选，最终确定本次地面沉降危险性指标体系的两个层面4个主要指标：① 沉降现状，主要以(近5 a)累计地面沉降量和当前的沉降速率作为评价指标，受人类工程活动的影响，后者表现出一定的随机性，而前者更能反映片区的平均水平；② 孕灾环境，主要从软土层厚度和地下水位两方面予以考虑，由于泛后湖地区欠固结软土与富含孔隙承压水的砂土层直接接触，砂土层是欠固结软土中孔隙水排泄、补给的主要通道，加之泛后湖地区十分平坦，因此选用承压水水头高程作为本次地下水因素的评价指标，承压水水头高程数据可在地下水监测井监测数据的基础上，通过MapGIS软件生成的水位高程等值线图确定。

易损性评价指标主要包括用地类型、建设强度、人口密度、建筑物年代4个次级指标(见图4)。通过调查发现，老旧小区设施陈旧，尤其是市政排水管网堵塞，地面沉降引起城市内涝问题加剧，加之受早年技术水平限制、建筑物老化等因素，建筑结构因地面沉降而出现开裂的现象十分普遍，对于地面沉降的承受能力较低。医院、学校、商场等区域人口流动大，重要性等级高，一旦发生地面沉降灾害，造成的损失和社会影响较大，而公园绿地、防护绿地等，发生地面沉降遭受的损失则小得多。建设强度是容积率、建筑密度、交通区位、用地规模等因素的综合反映，强度等级越高，发生损失的程度也越大。

图4 风险评价指标体系

3.3 指标量化与权重计算

指标量化是在分析危险性(易损性)指标对地面沉降危险性(易损性)的贡献大小的基础上，对各指标进行分级打分，本次共分为4级，分值分别为1，2，3，4分。危险性及易损性指标权重的计算采用层次分析法，其原理是通过构建两两重要程度的判别矩阵，通过求取最大特征根对应的特征向量来确定各指标的权重。计算结果如表1～2所列。

表1 危险性指标权重及量化

表2 易损性指标权重及分级量化

3.4 风险评价与区划

利用MapGIS的空间分析功能，采用综合指数法进行危险性及易损性评价[15]。其原理如下：

(1)

式中：y表示综合指数值(危险性、易损性值)；ωi表示指标i的权重；xi表示指标i的量化值；n表示评价指标个数。

根据公式(1)将危险性(易损性)指标叠加计算，得到危险性(易损性)综合指数y，然后按照等间距法对y值进行分级，得到危险性和易损性分区图，如图5～6所示。

图5 危险性分区

地面沉降高、较高危险区主要位于汉口花园小区-中一花园、城市广场-同鑫花园、地铁百步亭花园路-新荣客运站，这些地方软土厚度较大、地下水位埋深较浅，同时也是近几年沉降较快的地方。地面沉降高、较高易损性的地方主要集中在研究区南部老城区，建筑设施老旧、人口密集，且规划有大量的商业、科教、医疗等设施，发生地面沉降更容易造成损失。

图6 易损性分区

风险评价与区划在危险性与易损性评价的基础上进行，通过将危险性和易损性“相乘”进行叠加运算，将地面沉降风险级别划分为高风险区、较高风险区、较低风险区和低风险区4个等级(详见图7和表3)。

表3 地面沉降风险分区

图7 风险性分区

3.5 风险评价结果验证

通过对研究区开展地面沉降调查，提取其中差异性沉降差超过10 cm的调查点，结果显示66个调查点中有31个点位于高风险区，27个位于较高风险区，如图7所示，位于高、较高风险区沉降点的比例达87.88%，表明风险评价结果可信度较高。

4 地面沉降防控对策

针对研究区地面沉降特点、现状，结合地面沉降风险分区结果，提出武汉泛后湖地区地面沉降防控建议，如下：

(1) 科学规划，合理设计。根据地面沉降风险评价结果，优化调整规划方案。例如在高风险区多规划绿地、公园等，减少商业金融、科教行政等用地面积，降低容积率、减小建设强度，从而在规划层面事先规避或减小地面沉降危害。当规划无法变更时，可采取工程措施减小地面沉降危害，如提高建筑结构整体性，控制结构沉降差等，工程施工过程中要采取措施减小因施工而产生的地面沉降对周边环境的影响，如加强地基处理，限制地下水开采等。

(2) 监测预警，加强管控。一方面要持续性开展水准监测、InSAR监测、分层标监测、地下水监测等区域性地下水和地面沉降监测，完善地面沉降监测网络[16]；另一方面高、较高风险区地面、地下及地上建筑物、市政基础设施等均应进行施工期及使用期长期沉降监测。地方政府要限制地下水开采、加强地面沉降管控，在用地规划、水评和环评等审批环节[17]，严格控制地下水开采量大的建设项目，制定并严格落实地面沉降防控的各项规章制度。

(3) 工程治理，消除影响。严格管理地下水资源，控制地下水开发利用，必要时可采取回灌地下水、人工回填土等措施，以缓解区域地面沉降趋势。对于遭受地面沉降影响危害较大的设施应及时修复，避免造成二次危害。调查表明，老旧小区往往更容易遭受地面沉降危害，在进行老旧小区改造、城市更新等活动中，应重点考虑地面沉降因素。

5 结 论

(1) 泛后湖地区位于武汉市中心地段，未来可能继续发生大量的工程建设活动，预测未来泛后湖地区地面沉降现象将持续存在，尤其是该地区还存在大量的老旧建筑，片区地面沉降风险程度整体偏高。因此，需加强地面沉降管控，既要开展区域性的沉降监测，也要从规划设计到施工控制各环节，有针对性地制定全生命周期的防控对策，提高泛后湖片区地面沉降的抗风险能力。

(2) 在现状调查与监测分析的基础上，结合现有区域地质环境条件、城市规划、人口及(建筑)建成年代等评价指标，展开风险评价。将泛后湖地区划分为4个风险等级，其中高风险区面积占比12.82%，主要分布在汉口花园、汉口城市广场、新荣客运站周边；较高风险区面积占比31.61%，主要分布于发展大道及后湖大道沿线。评价结果可为泛后湖地区防灾减灾、城市规划建设和可持续发展提供决策依据。