北京平原区地面沉降的控制与影响因素

北京平原区地面沉降的控制与影响因素姜媛;杨艳;王海刚;田芳【摘要】Aswithmostlong-termgeologicalhazards,theformationanddevelopmentoflandsubsidenceisinlfuencedbyregionaltectonics,stratumstructure,thethicknessofthecompressedlayer,groundwaterexploitation,andurbanconstruction.Theinlfuenceofthesevariousfactorsisdiscussedinthispaper,whichprovidesatheoreticalbasisforthepreventionandcontroloflandsubsidenceontheBeijingplain.%地面沉降作为北京平原区最主要的缓变地质灾害，其形成和发展受到区域构造、地层结构、压缩层厚度、地下水开采及城市建设等影响。本文分别探讨了以上因素对地面沉降的控制或影响作用，为今后北京平原地面沉降防控工作提供理论依据。【期刊名称】《上海国土资源》【年(卷)，期】2014(000)004【总页数】4页(P130-133)【关键词】地质灾害;地面沉降;控制因素;影响效应【作者】姜媛;杨艳;王海刚;田芳【作者单位】北京市水文地质工程地质大队，北京100195;北京市水文地质工程地质大队，北京100195;中国地质环境监测院，北京100081;北京市水文地质工程地质大队，北京100195【正文语种】中文【中图分类】P642.26地面沉降是北京平原区主要地质灾害之一，据记载早在1935年北京西单至东单一带就已发生地面沉降。新中国成立以来，随着北京城市建设和工业发展，地面沉降的范围也在逐步扩大和发展。按不同时期地面沉降区的变化范围、面积、沉降量及沉降速率等特征，将北京市地面沉降的发展过程划分为四个阶段，即形成阶段(1955~1973)、发展阶段(1974~1983)、扩展阶段(1984~1998)和快速发展阶段(1999年至今)。截至2011年底，北京地面沉降区分布呈南北两个大区。北区主要包括昌平沙河一八仙庄沉降区、朝阳来广营沉降区和朝阳东八里庄一大郊亭沉降区，南区主要包括大兴榆垡一礼贤沉降区，各个沉降区内最大累计沉降量均超过1000mm［1］。北京市地面沉降成因分为自然因素和人为因素，自然因素主要包括地质构造、地层岩性等，人为因素包括过量开采地下水、城市建设影响等［2］。长期超量开采地下水，造成水位大幅下降，导致含水层上覆土层孔隙水压力降低，使土层固结失水，土层压缩，同时使含水层颗粒排列更加紧密，形成地面沉降。地面沉降监测成果表明，平原区地面沉降严重发育区域与地下水降落漏斗分布情况基本吻合。平原区地下水动态变化与地面沉降变化趋势基本一致，沉降区域及发展强度随着地下水位的变化而变化，地下水位下降是引起地面沉降的主要原因［3］。从1971年北京市出现地下水降落漏斗至今，漏斗面积不断扩展，从局部的小漏斗发展至如今面积超过1000km2［4］。对比北京平原主要开采层2010年地下水漏斗和1955-2009累计地面沉降量(图1)可以发现，地面沉降快速发展的昌平八仙庄、朝阳金盏、朝阳三间房、朝阳黑庄户以及通州城区几大沉降中心都位于地下水降落漏斗之内。平谷地区出现新的地下水降落漏斗，这也与近几年平谷地区地面沉降快速发展相一致。总体来说，北京平原区地面沉降发育严重区域与平原区地下水降落漏斗分布情况基本吻合［5］。此外，平原区南部的大兴榆垡一礼贤沉降区的快速发展也与河北廊坊等相邻地区的地下水开采有密切关系。2.1主要断裂展布及活动性控制区内主要构造的断裂有：北东（北北东）向的南口山前断裂、八宝山断裂、黄庄一高丽营断裂、良乡一前门一顺义断裂、南苑一通县断裂、礼贤一牛堡屯断裂及夏垫一马坊断裂等；北西向的南口一孙河断裂、二十里长山断裂、永定河断裂。控制或影响第四系沉积的主要断裂有南口一孙河断裂、黄高断裂、夏垫一马坊断裂等（图2）。活动断裂活动强度在时间上不均衡，强烈活动在新近纪。同一条断裂在不同区域活动强度也不均衡。北京凹陷边界断裂活动性从西南向北东扩展，沉积物不断向北东向超覆。第四纪形成北西向为主、北北西向继续活动的两个沉降中心，说明第四纪构造活动不但具有继承性，而且具有新生性［6］。根据北京平原区大地水准测量资料分析，在不同的地质构造单元，地面水准标高有升有降。在1983年《北京地区地震地质的评估及新构造运动》报告中指出：南口一孙河断裂上盘1969~1977年持续下降6mm，并有继续增加的趋势；良乡一前门断裂上盘1954~1978年持续下降7mm;八宝山断裂上盘1950~1978年持续上升12mm；黄庄一高丽营断裂上盘1966~1978年持续下降。因此，主要断裂的地质构造运动对地面沉降的影响是不可忽视的。2.2第四系沉积厚度分布特征北京地区区域地质构造运动表现为山区相对上升、平原区缓慢下降，沉积了较厚的第四纪松散堆积物。由西北向东南，从山前至平原，第四系沉积厚度逐渐增大，层次增多，沉积物颗粒变细。在冲洪积扇的中下部、冲积平原地区，形成多个沉积中心（图3、表1）。地层岩性及其结构特征是产生地面沉降的重要地质背景。北京地区冲洪积扇顶部地区的土体类型主要为黏质砂土、砂、砾石等多层土体，由于土体以单一结构的砂卵砾石为主，含水层颗粒粗，厚度大，抗压强度高，可压缩性低，不易产生压缩变形，仅局部地区分布有颗粒较细的黏性土透镜体，对于含水层水位下降而产生的黏性土层压缩变形极其微小［7］。如北京永定河、潮白河冲洪积扇中上部地区，1970~2003年潜水位下降了15~30m，但在上述地区没有产生明显的地面沉降［8］。北京地区冲洪积扇中下部土体为多层砂、砾石及黏性土，并以多层结构的黏性土为主。多层土体结构既有颗粒较粗、富水性好的砂砾石层，也有颗粒较细、压缩性高的黏性土层。伴随着含水层水位下降，含水层两侧黏性土层孔隙水压力降低，土体有效应力增加而产生压缩变形，进而引发大范围的地面沉降。从地面沉降空间展布情况分析，北京地面沉降区基本上发育在河流冲洪积扇中下部多层土体结构地区，尤其是温榆河冲洪积扇、潮白河冲洪积扇及永定河冲洪积扇的中下部位，该地区砂层与黏性土层互层，层次多，黏性土层厚度大，占到地层总厚度的60%~80%,具备了地面沉降发生发展的有利的地质因素，已经成为地面沉降范围最大、沉降量最大、发展最为迅速的主要沉降区之一。北京地面沉降主要发生在北京各冲洪积扇中下部地区。第四系的沉积时代、成因类型、岩性、结构、厚度、物理力学性质等，决定着地面沉降的发生和发展［9］。如前所述，北京平原区第四纪沉积环境复杂，砂层与黏性土层互层，层次多，结构复杂。因此，在考虑了这一实际的地质条件和分析了已有监测资料的基础上，将粉质黏土、黏土或粉土为主的间夹薄层粉砂或粉细砂的地层概化为压缩层，将砂砾石、中粗砂或细砂为主的间夹薄层粉土或黏性土的地层概化为含水层。从第四系黏性土可压缩层厚度图（图4）可见，以昌平沙河一八仙庄一东小口、顺义李遂一平各庄、朝阳金盏一楼梓庄一管庄、通州张家湾一永乐店、大兴礼贤一安定一带可压缩层总厚度最大一般大于150m，而这些地区正是地面沉降最为发育的地区，可见可压缩层厚度对地面沉降形成和发展的控制。随着城市建设的发展，城市功能的扩充，城市各类建筑设施对地面沉降的影响越来越明显，如城市地铁、给排水管线、城市道路、高层建筑等。这些工程施工时，多以明挖或者暗挖的方式开挖各种基坑，使得地面产生将为明显的沉降效应，地铁修建时大规模开挖隧道产生的沉降影响更为明显[10]。城市建设造成的地面沉降一般是局部的，往往集中于浅部工程活动相对频繁和密集的地层中，与开采地下水引起的区域性及深部地层的沉降有很大差别，但由城市建设引发的局部沉降对总体地面沉降的作用是不应忽视的。但目前，有城市建筑群体造成的局部区域性地面沉降量值及其在整个地面沉降量中贡献大小尚不清楚。地层岩性及结构特征是产生地面沉降的重要地质背景，北京地面沉降区基本上发育在河流冲洪积扇中下部压缩层厚度较大地区，尤其是温榆河冲洪积扇、潮白河冲洪积扇及永定河冲洪积扇的中下部位；地下水开采是地面沉降产生的直接诱因，平原区地面沉降发育严重区域与地下水降落漏斗分布情况基本吻合。同时，地面沉降的发展受到区域构造和城市建设的影响。北京市地面沉降现状与《全国地面沉降防治规划》目标要求相差甚远，实现地面沉降控制目标形势十分严峻。北京市地面沉降防治工作在多年积累下成效显著，但面临的形势依然严峻，如地下水亏损历史欠账巨大，短期内难以恢复；实施地下水控采措施难度很大，实现地下水采补平衡及水位恢复不容乐观；城市工程建设持续发展不可避免等。今后应加强地面沉降调查工作，强化地面沉降监测，严格地下水资源管理，实施地面沉降治理工程，全面稳步落实各项地面沉降防治工作。【相关文献】杨艳,贾三满，王海刚.北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析[J].上海地质,2010,31(4):23-28.YangY,JiaSM,WangHG.ThestatusanddevelopmentoflandsubsidenceinBeijingplain[J].ShanghaiGeology,2010,31(4):23-28.杨艳,贾三满，罗勇，等.北京地面沉降工作分析及展望[J].城市地质,2012,7(2):9-13.YangY,JiaSM,LuoY,etal.AnalysisandoutlookofthelandsubsidenceinBeijing[J].UrbanGeology,2012,7(2):9-13.王丽亚，刘久荣，周涛，等.北京平原地下水可持续开采方案分析[J].水文地质工程地质,2010,37(1):9-11.WangLY,LiuJR,ZhouT,etal.AnalysisofsustainablegroundwaterresourcesdevelopmentscenariosintheBeijingplain[J].Hydrogeology&EngineeringGeology,2010,37(1):9-11.北京市地质矿产勘查开发局.北京地下水[M].北京:中国大地出版社,2008.Beijingbureauofgeologyandmineralresourcesexplorationanddevelopment.Beijinggroundwater[M].Beijing:ChinaLandPress,2008.杨艳.北京地面沉降InSAR监测效果分析[J].上海国土资源,2013,34(4):21-24.YangY.EffectivenessofInSARmonitoringoflandsubsidenceinBeijing[J].ShanghaiLand&Resources,2013,34(4):21-24.北京市地质矿产勘查开发局.北京地质灾害[M].北京:中国大地出版社,2008.Beijingbureauofgeologyandmineralresourcesexplorationanddevelopment.Beijinggeologicaldisasters[M].Beijing:ChinaLandPress,2008.贾三满，王海刚,赵守生，等.北京地面沉降机理研究初探[J].城市地质,2007,2(1):20-27.JiaSM,WangHG,ZhaoSS,etal.AtentativestudyofthemechanismoflandsubsidenceinBeijing[J].UrbanGeology,2007,2(1):20-27.贾三满，王海刚，罗勇，等.北京市地面沉降发展及对城市建设的影响[J].城市地质,2007,2(4):19-23.JiaSM,WangHG,LuoY,etal.TheimpactsofgroundsubsidenceonurbanconstructioninBe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