北京市地面沉降分布及典型災害類型初探

趙 龍，武增寬，李玉梅，羅 勇,2，沙 特，劉 賀，田苗壯，孔祥如

（1.北京市地質環境監測總站,北京 100195; 2.中科院地質與地球物理研究所，北京100029；3.吉林大學地球科學學院，吉林長春 130061）

0 前言

地面沉降是松散沉積物固結壓縮并導致一定區域范圍內地面高程降低的地質現象，常由于自然因素或人類工程活動誘發產生，屬于一種緩變性地質災害(Tricart，1999)。地面沉降自1891年墨西哥城最早發現以來，目前已分布在世界上50多個國家超過150個城市，逐漸成為一種全球性的、對人類生存環境產生重大影響的環境地質問題(甘德福，1992)。

北京是我國地面沉降發育較為嚴重的地區之一。地面沉降災害主要發生在朝陽、海淀、順義、通州、昌平、大興等多個區，影響面積超過平原區面積的三分之二，近年來仍處于快速發展時期(雷坤超等，2016)。地面沉降影響建筑物結構，降低其抗震能力；損失地面高程，降低防洪排澇能力；影響軌道交通安全；加劇地裂縫災害。地面沉降災害已成為影響北京城市規劃建設及區域經濟可持續發展的因素之一，然而當前尚無系統梳理地面沉降災害類型，增大了后期致災模式分析難度。基于此筆者通過長期監測、實地調查，分析了北京地面沉降發育趨勢，闡述了地面沉降災害類型，為后續致災模式分析提供重要基礎資料。

1 地面沉降發育地質背景

1.1 區域地質背景

北京平原區位于整個北京市的東南部，由5大水系聯合作用形成的洪沖積扇群構成。大致以溫榆河為界，東部為潮白河沖積扇，西部為永定河沖積扇(北京市地質礦產局，1991)。全新世以來構造運動的影響，永定河由北向南的遷移，表現出沖積扇的移動疊加。地勢為西北高、東南低，由山前向南、東南傾斜，山前海拔標高60～80m，平原20～60m。平原大部分地區海拔20～60m。山前地帶地勢較高，坡度也較大，達1%～5%。平原東南部地區，地勢平坦，坡度小于0.5‰(北京市地質礦產勘查開發局等，2008)。

在地層沉積上，北京地表大部分被第四紀松散沉積物所覆蓋，厚度由山前到平原從數十米變化到近千米。新構造運動引起地塊的抬升和下沉，導致古地貌的分異形成了新生代不同時期的北京斷陷盆地、延慶—懷來盆地、馬池口凹陷、順義凹陷及平谷盆地，制約了第四紀沉積物的分布和厚度變化。第四紀氣候的演變則決定了降雨量、溫度，致使地表植被演化和風化強度的變化，不同的氣候環境，影響著河流搬運能力，造成河道的變遷，形成了多期沖洪積扇和古河道。以上兩種因素共同作用共同建造了復雜多變的地層特征(北京市地質礦產局，1991)。

1.2 主要壓縮層分布特征

北京地面沉降區基本與地下水多層結構區的分布相吻合。將粉質粘土、粘土或粉土為主的間夾薄層粉砂或（和）粉細砂的地層概化為壓縮層，兩個或兩個以上的壓縮層組合稱為壓縮層組。根據第四紀地層形成時代、沉積環境及工程地質鉆孔資料等，結合地面沉降的特點，將北京地面沉降區劃為3個壓縮層組，即第一壓縮層組（Q4+Q3）、第二壓縮層組（Q2）和第三壓縮層組（Q1），后者又可分為兩個亞層(田芳等, 2012)（圖1）。

第一壓縮層組（淺部土體）廣泛分布于北京平原區各沖洪積扇的中下部，巖性以全新統和上更新統沖積相、沖湖積相粉土、粘性土為主，為正常固結土或微超固結土，含水量較高，以可塑為主，壓縮性中等。第一壓縮層組中可壓縮層厚度大部分超過40m，局部地區最厚達70m。

圖1 可壓縮層總厚度分區圖Fig. 1 Map of compressible layer thickness

第二壓縮層組（中深部土體）廣泛分布于北京沖洪積平原中下部地區，巖性為中更新統沖洪積、沖湖積的粉土、粉質粘土、粘性土。正常固結土，可塑為主，壓縮性中等-低。第二壓縮層組大部分的可壓縮層厚度都超過50m，局部地區可達70～100m。

第三壓縮層組（深部土體）主要分布在幾個第四系沉積中心，巖性為下更新統河湖相沉積的灰褐色、灰色粉質粘土、粘土層，以260～300m為界，其上為正常固結土-超固結土，可塑-硬塑，壓縮性低，其下固結程度增大，結構致密，大部分呈堅硬狀態，密實度高，壓縮性很低。第三壓縮層組上段的可壓縮層厚度普遍大于40m，局部地區超過100m。

1.3 水文地質背景

圖2 北京平原區含水層組分布圖Fig. 2 Distribution map of aquifer group in plain area of Beijing

北京平原區的地下水主要賦存在第四系松散孔隙介質中。北京平原是在永定河、潮白河、拒馬河、大石河、北運河、薊運河等河流的沖、洪積作用下形成的，沉積環境比較復雜(北京市地質礦產勘查開發局等，2008)。含水層巖性分帶比較復雜，總體的變化規律是：由山前至平原，第四系厚度逐漸增大，含水層顆粒由粗變細，地下水位埋深由深變淺，含水層結構由單一的含水層逐漸過渡為多層。平原區的多層含水層結構區主要分布于各沖洪積扇的中下部地區(北京市地質礦產勘查開發局 2008)。根據地層年代、巖性、埋藏條件及地下水補徑排條件，以及地下水的開發利用等因素，將平原區第四系中的含水層和弱透水層組合在一起，對研究區的含水層進行概化，在垂向上將監控層位劃分成4個主要含水層組（圖2）。

北京位于北溫帶，是半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋相對較短，降水季節分配很不均勻，夏季 6、7、8三個月降水較多，約占全年80%(劉方翠等，2016)。1970年以前，北京市地下水開采量較小，地下水的補給量和排泄量基本平衡；隨后10年間，隨著社會和經濟發展以及人口的增加，城近郊區的地下水開采量大幅增加，并且出現了干旱少雨天氣，地下水補給量減少，從而導致地下水水位大幅度下降，局部地區甚至出現了地下水降落漏斗；1990年以后，城近郊區的地下水開采量基本得到控制，地下水位有所回升；1999年至2010年，出現了連續的干旱少雨天氣，地下水補給量減少，地下水位整體上呈下降的趨勢。2011年至今，隨著降雨量的回升，以及2014年年底南水進京，地下水開采量得到了一定的控制，并且水務部門采取了一系列地下水優化開采措施，地下水位整體上表現出較為平穩的變化趨勢。

2 地面沉降分布及典型災害類型

2.1 地面沉降分布

如圖3所示，北京平原區地面沉降主要分布在通州、大興、順義等地區，分為南、北、東三大集中區域。具體劃分如下：

平原區東部仍然是北京市地面沉降最為嚴重的地區。發育于潮白河沖積扇及永定河沖洪扇交界處，分析認為，河流擺動導致兩沖積扇疊加，使得交界處沉積環境復雜，砂層與粘性土層互層，層次多，粘性土層厚度大，為地面沉降發生發展提供有利的地質條件。整體上，以年沉降量80mm為分界形成上下兩大沉降區域，上部區域位于朝陽金盞—東壩—朝陽農場一帶，北至朝陽金盞，南到樓梓莊，西起東壩，東至朝陽農場。下部區域位于朝陽王四營—三間房—管莊—黑莊戶—通州城區—張家灣—臺湖—次渠一帶，兩大沉降區域又以40mm沉降等值線連成一片，形成以宋莊、張家灣、臺湖、馬駒橋、王四營、東壩、金盞為邊界的東部主要沉降區。

圖3 北京平原區地面沉降（2014年）與沖積扇疊加圖Fig. 3 Overlay map of land subsidence（2014）and alluvial fan in plain area of Beijing

平原區北部發育于多套河湖相沉積地層，區域上昌平、海淀區內存在四個沉降漏斗區，分別位于海淀西小營、昌平八仙莊，海淀上莊和燕丹。海淀西小營—上莊—昌平沙河—七里渠—燕丹一帶，以年沉降量40mm等值線連成一片。順義地區沉降漏斗區較為分散，包括高麗營、張鎮、南法信、李橋、楊鎮等小的沉降漏斗區，其中高麗營—南法信—張鎮以40mm沉降等值線連成一片，李橋、楊鎮呈零散分布。

平原區南部分沉降發育于永定河沖積扇，漏斗零散分布，主要有禮賢—小馬坊、榆垡兩大沉降漏斗區。其中，禮賢—小馬坊為南部主要沉降漏斗區，并且與河北交界。

2.2 災害類型

為全面系統了解地面沉降災害類型及特征，對地面沉降發育嚴重地區的建筑物、橋梁、地面和路面進行詳細調查，依據調查結果將地面沉降災害初步分為以下兩類，依據各類災害致災數量及破壞程度，選擇典型災害類型進行描述（圖4）。

（1）區域性沉降形成的點狀破壞

過量抽采地下水導致北京平原區發生嚴重的區域性地面沉降，山前平原、沖積平原等大部分地區均發育著地面沉降。調查顯示，區域性地面沉降多造成點狀及面狀破壞。其中點狀破壞以井管抬升為代表。區域性地面沉降造成井管脫離原有地面使井管相對與原有地面呈現的抬升現象。力學上表現為應力集中-應力釋放過程，在井管周圍地面隨井管上升過程中，向上的應力轉化為兩側分量拉伸周圍地面向上運動，當超過地面材料最大抗拉強度后，地面材料發生破裂，應力釋放，失去拉伸作用的地面受重力作用，形成塌陷。在井管抬升災害發生于井管周圍，該現象導致井管向上凸起，周圍地面出現以井管為中心向四周散射狀的裂縫。依據地面材料不同破壞程度有所差異，地面材料質地較硬易出現抬升破壞，抬升部分總體裂縫延伸范圍較短。

圖4 井管抬升災害現象Fig. 4 Hazard of well pipes uplift

（2）局部差異沉降形成線狀破壞

在差異抽水影響下形成的局部差異性地面沉降，多展現處線狀破壞，該類破壞多集中于建（構）筑物，造成建（構）筑物受力破壞，失去穩定性。具體表現為：墻體開裂，北京地區該類災害多地質構造相聯系，與斷裂帶相伴而生，具有明顯的地域性特征(劉方翠等. 2016)。該類災害呈現線狀沿固定方向展布，依據建筑物結構不同表現為上寬下窄，先從墻體頂部發生破壞的直立、單斜裂縫（圖5a、b），具有一定寬度剪裂帶的單斜拉剪帶裂縫（圖5c）及下寬上窄單斜階梯型裂縫（圖5d）。

圖5 墻體開裂災害（a直立裂縫；b單斜裂縫；c單斜拉剪帶裂縫；d單斜階梯型裂縫）Fig. 5 Hazard of cracks in wall （a. vertical crack; diagonal crack; c shear crack; d echelon crack）

地面開裂：調查顯示，與斷裂帶伴生的地面開裂具有一定方向性，而斷裂走向較為一致。在沉積厚度差異的松散沉積物上，地層發生不均勻沉降，豎直方向彎曲變形形成的垂向錯動變形，超過路面材料最大抗拉/抗剪強度，錯斷路面薄弱部分，形成開裂，路面錯斷部分結合能力減弱，長期在自然及人為影響下，發生剝落，逐漸擴大裂縫寬度。未發育在斷裂帶上的地面開裂無方向性，受豎直方向彎曲變形形成的垂向錯動變形影響在路基薄弱處呈現多方向小股裂隙（圖6）。

圖6 地面開裂災害Fig. 6 Hazard of land cracks

橋梁開裂：在地面沉降等值線變化密集地區調查中發現橋梁開裂，該類災害發生在橋梁及橋墩處，在橋梁底部的橫梁處出現多處裂縫，受裂縫影響橫梁出現受力彎曲、錯動變形現象，橋墩部分出現單斜/直立裂縫，裂縫貫穿橋墩，造成上部橋面發生明顯開裂，嚴重地段出現錯動（圖7）。

3 結論及建議

文中依據長序列監測數據及野外調查結果，闡述了北京平原區地面沉降分布特征，北京地面沉降災害類型，得出結論如下：

圖7 橋梁開裂災害Fig. 7 Hazard of bridge

（1）北京平原區地面沉降分為南、北東3大集中區，北部與東部連接多沿潮白河與永定河沖積扇交際處發育，南部以河北界為中心向北發育。東部地區以年沉降量80mm為分界形成朝陽金盞—東壩—樓梓莊—朝陽農場及朝陽王四營—三間房—管莊—黑莊戶—通州城區—張家灣—臺湖—次渠兩大沉降區，平原區北部除海淀西小營、昌平八仙莊兩個沉降中心外存在多數小沉降區。

（2）區域性地面沉降形成的以井管抬升為代表的點狀破壞現象，該類災害以點為中心呈輻射狀分布，影響范圍較小。局部差異沉降形成包括墻體開裂、地表開裂及橋梁開裂等具有線狀破壞形式的災害，該類災害多呈線性沿固定方向延伸，影響范圍較大。

（3）開展北京平原區高精度地面沉降調查工作，重點關注地面沉降對線性工程、重大工程影響；實現自備井置換的沉降重點區域；建議各區政府按照劃定的地下水超采區及禁限采區，嚴格地下水資源管理，大幅度減少地面沉降發育強區內的地下水開采，合理利用南水北調水開展中、深層承壓水人工回補。