北京大興規(guī)劃新城地面沉降研究

郭 萌，陳 剛，黃 驍,3，王文霞，鄭小燕

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195; 2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100037; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

北京大興規(guī)劃新城地面沉降研究

郭 萌1，陳 剛2，黃 驍2,3，王文霞2，鄭小燕2

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195; 2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100037; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

本文分析研究了大興規(guī)劃新城地面沉降發(fā)育特點(diǎn)、成因機(jī)理及影響因素，建立模型預(yù)測(cè)了地面沉降發(fā)展趨勢(shì)，為未來(lái)新城建設(shè)規(guī)劃以及地質(zhì)災(zāi)害防治，提供了科學(xué)依據(jù)。

地面沉降；含水層；壓縮層；沉降模型

北京市的地面沉降主要發(fā)生在平原地區(qū)，目前仍處于快速發(fā)展階段，沉降速率和范圍比較大[1]，已經(jīng)形成了多個(gè)沉降區(qū)[2]。地面沉降對(duì)北京城市建設(shè)的影響在一些地區(qū)已有顯現(xiàn)，對(duì)北京城市建設(shè)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃存在著潛在影響，是地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素之一[1]。

北京大興規(guī)劃新城位于榆垡 禮賢沉降區(qū)的西北部，目前的沉降量大于50mm的地區(qū)占到規(guī)劃區(qū)的65%以上，最大累計(jì)沉降量達(dá)400mm[3]，地面沉降已經(jīng)成為影響大興新城規(guī)劃與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。本次研究以規(guī)劃的大興新城（面積約163.03 km2）為中心向四周擴(kuò)展，研究區(qū)面積達(dá)445km2。對(duì)研究區(qū)地面沉降發(fā)育特點(diǎn)、成因機(jī)理及影響因素進(jìn)行了分析，預(yù)測(cè)了地面沉降發(fā)展趨勢(shì)，為未來(lái)新城規(guī)劃建設(shè)以及地質(zhì)災(zāi)害防治具有實(shí)際意義。

1 地面沉降現(xiàn)狀分析

（1）地面沉降狀況

大興規(guī)劃新城位于榆垡 禮賢沉降中心西北部。本次研究區(qū)南部龐各莊距該沉降中心約2.3km，截止2009年，研究區(qū)累計(jì)地面沉降量為40～560mm（見圖1）。其中西北部狼垡、蘆城一帶沉降量較小，為40～50 mm；向南沉降量逐步增大，在北臧村、龐各莊一帶沉降量達(dá)400～550 mm。研究區(qū)往南靠近大興禮賢 榆垡沉降中心，地面沉降量較大，北部地面沉降量較小。榆垡 禮賢沉降中心對(duì)研究區(qū)南部區(qū)域的影響是明顯的。

（2）地面沉降發(fā)展趨勢(shì)

大興榆垡 禮賢沉降中心形成于上世紀(jì)70年代后期；1987～1999年，榆垡 禮賢沉降區(qū)面積迅速擴(kuò)大，以20～35mm/a的沉降速率快速發(fā)展。1999～2005年為地面沉降快速發(fā)展階段，以37mm/a的沉降速率快速發(fā)展[1]。研究區(qū)近幾年地面沉降以每年10～20mm的速率往東北擴(kuò)展（見圖2），地面沉降速率大致呈逐漸減緩的態(tài)勢(shì)（見圖3）。

圖2 研究區(qū)近4年地面沉降量等值線圖

圖3 研究區(qū)部分地段地面沉降速率曲線圖

2 地面沉降成因分析

地面沉降產(chǎn)生的原因是多方面的，一般情況下可分為自然因素和人為因素。自然因素包括地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和土的次固結(jié)沉降等；人為因素包括超量開采地下水、工程建設(shè)等。研究區(qū)地面沉降主要與開采地下水和巖土體結(jié)構(gòu)特征有關(guān)[2]、[4]、[5]。

（1）過(guò)量開采地下水和連續(xù)多年降水偏少導(dǎo)致地面沉降

據(jù)水務(wù)部門資料，大興區(qū)多年平均地下水可開采量26230.8萬(wàn)m3；豐水年可開采量32323.1萬(wàn)m3；平水年可開采量25221.9萬(wàn)m3；枯水年可開采量20325.5萬(wàn)m3；特枯水年可開采量15370.7萬(wàn)m3。按多年平均（29144.2 萬(wàn)m3）的開采水平，大興區(qū)地下水超采量平均年近3000萬(wàn)m3，要使地下水達(dá)到平衡的降水量為591.2 mm；在豐水年份地下水略有富余，而平水年份超采地下水3500萬(wàn)m3，枯水年份超采近8500萬(wàn)m3，特枯水年份超采超過(guò)13500萬(wàn)m3，使得地下水水位不斷下降。

北京地區(qū)枯水年份已經(jīng)連續(xù)了12年。為了滿足大興區(qū)不斷增加的供水需求，在地下水富水性較好的中北部地區(qū)建立了兩座水廠，每年大量開采地下水，供水能力7.7萬(wàn)m3/d，供水人口18萬(wàn)人。從20 世紀(jì)80 年代起，隨著降水量的逐年減少，地下水開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致地下水位逐年下降，在黃村、龐各莊、榆垡、禮賢等地形成地下水 降落漏斗 。根據(jù)1980～2008年地下水年平均埋深值（見圖4），研究區(qū)地下水位總體呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，地下水埋藏深度從3.07m下降到16.78m。從1984年以來(lái)，該區(qū)潛水水位下降了約17m，承壓水水位下降了約10.0～15.0m左右。其中1991～2000年全區(qū)地下水開采量由24900萬(wàn)m3/a增加到35800萬(wàn)m3/a，地下水位下降了3m，呈區(qū)域性下降。

圖4 研究區(qū)地下水多年埋深變化過(guò)程線

大興區(qū)長(zhǎng)期超量開采地下水，造成地下水位的大幅下降導(dǎo)致含水層上覆土層孔隙水壓力降低，使土層固結(jié)失水，土層壓縮，形成地面沉降。

地面沉降速率和沉降的大小受地下水位下降速率和下降的幅度控制。由地下水位標(biāo)高與沉降量關(guān)系曲線圖（圖5及圖6）可以看出，地面沉降與地下水位變化密切相關(guān)。當(dāng)?shù)叵滤幌陆邓俾蕼p小時(shí)，沉降速率減緩；當(dāng)?shù)叵滤幌陆邓俾首兇髸r(shí)，沉降速率增大。因此，研究區(qū)地面沉降隨地下水開采強(qiáng)度而變化，地面沉降量與地下水位下降量呈正相關(guān)關(guān)系，超量開采和連續(xù)多年的降雨量偏少導(dǎo)致地下水位下降是引起大興新城工作區(qū)地面沉降的主要原因。

圖5 黃村水位標(biāo)高與沉降量變化曲線圖

圖6 龐各莊水位標(biāo)高與沉降量變化曲線圖

（2）地層特性導(dǎo)致南北地面沉降差異

研究區(qū)地面沉降南北差異主要是受其地層巖性空間分布特征影響。工作區(qū)北部土體以單一結(jié)構(gòu)的砂卵石層為主，夾少量粘性土層，含水層顆粒粗，抗壓強(qiáng)度高，可壓縮性低，不易產(chǎn)生壓縮變形，隨著地下水位的升降，其主要表現(xiàn)為彈性變形特征。盡管北部地區(qū)超采地下水引起地下水位大幅下降，但砂卵石層釋水壓縮量很小，且可壓縮的第四系松散層厚度相對(duì)較薄（50～70m）（見圖7），因此地面沉降表現(xiàn)不明顯，其1955～2009年地面累計(jì)沉降量小于50mm。中部至南部地區(qū)土層逐漸過(guò)渡為多層中細(xì)砂、薄層砂卵石層與多層粘性土，并以壓縮性較高的粘性土為主的多層土體結(jié)構(gòu)類型。隨著土層粘土含量和厚度的增加，地下水開采引起的土層釋水壓縮量也逐漸增大，且可壓縮的第四系松散層厚度相對(duì)較厚（可達(dá)250～300m）（見圖7），沉降量逐漸增大。故研究區(qū)地面沉降在空間分布上呈現(xiàn)出南部大于北部的明顯態(tài)勢(shì)。

研究區(qū)由北向南整體上土層的壓縮模量逐漸減小，而沉降量逐漸增大（見圖8）。土層壓縮模量越小，表明土層的固結(jié)程度低，在荷載作用下更易于壓縮變形。因此當(dāng)超采地下水引起地下水位大幅下降，土層的孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增大，南部土層的壓縮變形較大，地面沉降也大。此外研究區(qū)由北向南第四系松散層厚度逐漸增大，可供壓縮的土層厚度增加，沉降量隨之逐漸增大（見圖9）。

總之，地層巖性及結(jié)構(gòu)特征是大興新城區(qū)產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)基礎(chǔ)條件，地下水開采和連續(xù)的枯水年是地面沉降產(chǎn)生的直接誘因。研究區(qū)地面沉降發(fā)生發(fā)展規(guī)律與超量抽取地下水、地層巖性及其結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。

圖7 研究區(qū)第四系厚度等值線圖

圖8 研究區(qū)土層壓縮模量與累積沉降量變化曲線圖

圖9 研究區(qū)第四系松散層厚度與累積沉降量變化曲線圖

3 地面沉降預(yù)測(cè)

許多學(xué)者致力于地面沉降的研究，提出許多計(jì)算模型[6-10]，目前對(duì)地面沉降的研究主要集中在以地下水開采為主要原因的地面沉降模擬和預(yù)測(cè)[11]。本次依據(jù)地下水動(dòng)力場(chǎng) 土應(yīng)力場(chǎng)耦合機(jī)理，在充分考慮地層特性、水文地質(zhì)條件和沉降特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用Modfow軟件，建立起一個(gè)概化為三層結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)各向異性、準(zhǔn)三維非穩(wěn)定流地下水系統(tǒng)和地面沉降模型，模擬研究區(qū)2014年地面沉降變化趨勢(shì)。

（1）地層概化

由于第四系地層巖性、成因類型、埋藏條件、地下水開采層位等與地面沉降密切相關(guān)，而且地下水開采是形成地面沉降的主要原因，因此必須對(duì)研究區(qū)的含水層組和壓縮層進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分[12]。本次將研究區(qū)第四系含水層在垂向上劃分為3層，各層特征見表1。

表1 研究區(qū)概化含水層特征表

經(jīng)概化后，模型中的第二含水層、第三含水層分別為研究區(qū)的第一、第二壓縮層。各壓縮層特征見表2。

表2 研究區(qū)概化壓縮層特征表

（2）沉降模型擬合與預(yù)測(cè)

本次研究利用地下水流數(shù)值模擬軟件MODFLOW和IBS軟件包進(jìn)行模擬求解。根據(jù)模型范圍、含水層結(jié)構(gòu)特征、地下水流動(dòng)特征以及沉降區(qū)特征，將研究區(qū)剖分為100 119個(gè)單元間距為200m的矩形網(wǎng)格（見圖10）。

圖10 模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格剖分示意圖

模型的擬合主要包括水流模型和沉降模型的擬合。水流模型中考慮區(qū)域流場(chǎng)以及單點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的擬合，沉降模型中主要考慮區(qū)域沉降擬合。單點(diǎn)動(dòng)態(tài)曲線擬合結(jié)果表明，各孔水位計(jì)算值與觀測(cè)值的變化趨勢(shì)一致，淺井的擬合效果略好于深井的擬合效果。區(qū)域沉降使用1955～2009年累計(jì)沉降曲線進(jìn)行擬合，能夠反映沉降趨勢(shì)，體現(xiàn)出沉降由南向北逐漸變小的趨勢(shì)。

通過(guò)該模型計(jì)算了未來(lái)5年的地面沉降（見圖11），在未來(lái)5年內(nèi)，研究區(qū)地面沉降呈平緩發(fā)展的態(tài)勢(shì)，沉降速率大概在8～16mm/a。累計(jì)沉降量大的地區(qū)主要位于南部的北高各莊、龐各莊一帶，累積沉降量將大于500mm，成為地面沉降危害較嚴(yán)重區(qū)；在規(guī)劃新城范圍內(nèi)，南部的羅奇營(yíng)、北臧村、大臧村一帶，累積沉降為300～500mm，為地面沉降危害一般區(qū)；其他區(qū)域處于輕微區(qū)。

圖11 研究區(qū)2014年預(yù)測(cè)累計(jì)沉降量及危險(xiǎn)性分區(qū)圖

4 結(jié)論

（1）大興規(guī)劃新城區(qū)位于榆垡 禮賢沉降中心西北部。地面沉降將影響新城的規(guī)劃和建設(shè)。

（2）研究區(qū)近幾年地面沉降以每年10～20mm的速率往東北擴(kuò)展，地面沉降速率呈逐漸減緩的態(tài)勢(shì)。

（3）地層巖性及結(jié)構(gòu)特征是研究區(qū)產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)背景，地下水開采是地面沉降產(chǎn)生的直接誘因。研究區(qū)地面沉降發(fā)生發(fā)展規(guī)律與超量抽取地下水及地層巖性及其結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。

（4）通過(guò)地面沉降模型對(duì)地下水動(dòng)態(tài)以及區(qū)域地面沉降測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合；預(yù)測(cè)得出至2014年，研究區(qū)地面沉降將進(jìn)一步增大，大興規(guī)劃新城遭受地面沉降的威脅將愈發(fā)嚴(yán)重。

[1] 賈三滿等.北京市地面沉降發(fā)展及對(duì)城市建設(shè)的影響[J].城市地質(zhì), 2007.

[2]賈三滿等.北京地面沉降機(jī)理研究初探[J].城市地質(zhì), 2007.

[3]王翊虹等.北京大興規(guī)劃新城前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查報(bào)告.北京市地質(zhì)工程勘察院,2010.

[4]陳正松.上海地區(qū)地面沉降原因分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué), 2009.

[5]董得茂等.北京地面沉降形成現(xiàn)狀機(jī)理與控制對(duì)策.全國(guó)地面沉降學(xué)術(shù)研究討會(huì)論文集,2002.

[6] 董國(guó)鳳．地面沉降預(yù)測(cè)模型及其應(yīng)用研究[D],天津大學(xué), 2006.

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[12] 劉予.北京市平原地面沉降區(qū)含水巖組和可壓縮層劃分[J],城市地質(zhì), 2007.

Study on the Surface Subsidence in Beijing Metro Planning Daxing

GUO Meng1, CHEN Gang2, HUANG Xiao2,3, WANG Wenxia2, ZHENG Xiaoyan2
(1.Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Beijing Institute of Geological Engineering, Beijing 100037; 3. China University of Geosciences, Beijing 100083)

This paper studies the growth characteristic, the Mechanism and the infuence factor of the surface subsidence in Beijing Metro Planning Daxing， and has established the subsidence model and forecasted the developing trend of the surface subsidence. This study can provide actual guiding signifcance to the construction and the disaster prevention.

Land subsidence；Aquifer; Compression layer；Subsidence model

X43

A

1007-1903(2011)01-0017-05

郭 萌（1958- ），男，北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地環(huán)處處長(zhǎng)，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作。電子信箱：dkjdhc@163.com