北京地區(qū)地面沉降與地裂縫關(guān)系研究

姜 媛，王 榮，田 芳，劉明坤

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195)

0 引言

北京是世界上發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害較多、較嚴(yán)重的大城市之一，地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)面積分別達(dá)到1870km2和3665km2。北京山區(qū)存在崩塌、滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，而在平原區(qū)主要是地面沉降和地裂縫兩大類(lèi)緩變型地質(zhì)災(zāi)害。由于在平原區(qū)人類(lèi)活動(dòng)引發(fā)和加劇了災(zāi)害的發(fā)展。同時(shí)，人類(lèi)大量的工程建設(shè)對(duì)地質(zhì)環(huán)境又提出了更高的要求，地質(zhì)災(zāi)害對(duì)其影響更加顯著。隨著勘察和研究工作的深入，發(fā)現(xiàn)地面沉降與地裂縫在活動(dòng)時(shí)間、活動(dòng)方式等方面存在一定關(guān)聯(lián)。同時(shí)，超采地下水導(dǎo)致的差異沉降在地裂縫垂向形變中也占有一定比例。本文旨在研究總結(jié)地面沉降與地裂縫時(shí)空發(fā)展演化之間的關(guān)系及相互作用，以期為二者的聯(lián)合防治提供理論依據(jù)。

1 地裂縫、地面沉降的發(fā)展與分布特征

北京地區(qū)地裂縫古已有之，并且常在地震時(shí)，與砂土液化伴生出現(xiàn)。近來(lái)出現(xiàn)的地裂縫，主要是1965年邢臺(tái)地震后，在平原地區(qū)出現(xiàn)的與主要構(gòu)造方向相一致的地裂縫以及近幾十年來(lái)西山采煤區(qū)因采空引起的地裂縫。1976年唐山發(fā)生7.8級(jí)大地震，直接或間接地導(dǎo)致了北京的許多地區(qū)，如昌平南新村、通州西集鄉(xiāng)、順義俸伯鎮(zhèn)以及房山小次洛村等都出現(xiàn)了地裂縫，其中昌平南新村所受的災(zāi)害尤為嚴(yán)重，所建的17幢樓房，因地震時(shí)地面開(kāi)裂而導(dǎo)致了13幢裂毀。從1957年至今，北京地區(qū)發(fā)生了多處、多起地裂縫災(zāi)害，其分布狀況大體呈現(xiàn)出以下幾點(diǎn)主要特征：①絕大多數(shù)出現(xiàn)在平原區(qū)和山間盆地中的第四系松散沉積物中；②地裂縫的規(guī)模和分布面積與誘發(fā)地震的強(qiáng)烈程度有關(guān)；③構(gòu)造地裂縫多分布在發(fā)震構(gòu)造和孕震構(gòu)造沿線；④目前較為發(fā)育和典型的地裂縫多分布在平原地面沉降區(qū)[1]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，北京平原區(qū)地面沉降仍處于快速發(fā)展階段，截至2009年底，最大年沉降量達(dá)到137.51mm，最大累計(jì)沉降量達(dá)到了1163mm。依據(jù)歷年累計(jì)沉降量和近幾年年度沉降情況，將北京平原區(qū)地面沉降區(qū)域劃分為北部沉降區(qū)和南部沉降區(qū)。北部沉降區(qū)，包括昌平沙河—八仙莊、朝陽(yáng)來(lái)廣營(yíng)、東郊八里莊—大郊亭（三間房、通州城區(qū)、黑莊戶—臺(tái)湖）沉降區(qū)，以及順義平各莊沉降區(qū)。南部沉降區(qū)，主要分布在大興榆垡－禮賢地區(qū)[2]。

2 地面沉降與地裂縫活動(dòng)的一致性

2.1 地面沉降、地裂縫加劇活動(dòng)時(shí)間具有同步性

北京地面沉降按照其發(fā)展過(guò)程可以分為4個(gè)階段：形成階段、發(fā)展階段、擴(kuò)展階段和快速發(fā)展階段[3]。1955～1973年為地面沉降形成階段，在北京東郊八里莊及酒仙橋一帶隨著地下水開(kāi)采量增加開(kāi)始出現(xiàn)地面沉降，年均沉降速率為16～28.2mm。1973～1983年為地面沉降發(fā)展階段，北京市地下水長(zhǎng)期超采，水位急速大幅下降，東郊地面沉降隨之快速發(fā)展擴(kuò)大。1987～1999年為地面沉降擴(kuò)展階段，隨著北京第八水廠自來(lái)水引入北京市區(qū)，并采取了節(jié)約用水和加強(qiáng)地下水開(kāi)發(fā)管理等措施，使北京東郊地區(qū)地下水開(kāi)采量減少，地下水位下降速率明顯減緩，老沉降區(qū)沉降速率減緩，但沉降面積在迅速擴(kuò)大，不斷出現(xiàn)新的沉降區(qū)。1999年以來(lái)北京遭遇連續(xù)干旱，水資源供需矛盾突出，為保障供水，不得不超采地下水，地面沉降快速發(fā)展。近年來(lái)，北京地面沉降中心最大年沉降速率連創(chuàng)歷史新高，沉降區(qū)域面積不斷擴(kuò)大，累積沉降量連年攀升。

北京平原區(qū)從1965年發(fā)生多起地裂縫災(zāi)害，并呈現(xiàn)明顯的增多趨勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1965年至1975年期間，北京地區(qū)發(fā)生不到10條地裂縫破壞，從1975年起數(shù)量明顯增加，到1985年期間，地裂縫破壞處已多達(dá)數(shù)十條。進(jìn)入20世紀(jì)80年代末期，地裂縫發(fā)展迅速，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)百處地裂縫。地裂縫在數(shù)量和規(guī)模上都隨著時(shí)間遞增而繼續(xù)發(fā)展。總體上來(lái)看，地裂縫的高峰時(shí)期也是北京平原區(qū)地下水開(kāi)采量開(kāi)始大幅度增加，地面沉降逐漸開(kāi)始發(fā)展的時(shí)期。通過(guò)地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前北京平原區(qū)地裂縫仍在活動(dòng)中，且其活動(dòng)速率逐年加快。野外調(diào)查中對(duì)房屋破壞變形速率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表1）。由表1可以看出，房屋修建的日期越長(zhǎng)，其活動(dòng)速率相對(duì)越小，尤其是進(jìn)入2000年后，其活動(dòng)速率明顯增加，表明地裂縫進(jìn)入活躍期。西王路地裂縫監(jiān)測(cè)站2009年的監(jiān)測(cè)資料顯示，該地裂縫上下盤(pán)地表位錯(cuò)量達(dá)18mm[4]，而黃莊－高麗營(yíng)斷裂平均滑動(dòng)速率只有0.1～0.2mm/a[5]，兩者活動(dòng)量相差甚遠(yuǎn)，可見(jiàn)近年來(lái)地裂縫進(jìn)入超?；顒?dòng)階段（表2）。

2.2 地面沉降、地裂縫活動(dòng)特征的相似性

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，地裂縫活動(dòng)具有年周期變化規(guī)律，垂直方向上每年4～6月為其活躍期，變化量很大，而7月至次年3月則屬相對(duì)靜止期，變化量很?。ㄒ?jiàn)圖1）[4]。根據(jù)地裂縫三維監(jiān)測(cè)資料和地下水位監(jiān)測(cè)資料對(duì)比，地裂縫垂向變化與承壓水動(dòng)態(tài)季節(jié)變化有較好的相關(guān)性，水位下降，變形速率增大，水位回升，變形速率減緩，甚至有少量回彈。地面沉降速率具有相似的變化規(guī)律，即二、三季度沉降速率較大，一、四季度沉降速率較小（見(jiàn)圖2）。兩者活動(dòng)特征都與地下水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)（見(jiàn)圖3、4）。

表1 地裂縫活動(dòng)速率統(tǒng)計(jì)表

表2 北京地區(qū)地裂縫發(fā)展階段對(duì)比表

圖1 自動(dòng)化遙測(cè)監(jiān)測(cè)地裂縫三維活動(dòng)（2009年8月1日—2012年12月14日）

圖2 天竺站F3-5沉降速率變化圖

圖3 地裂縫垂向變形量與水頭變化對(duì)比圖

圖4 分層標(biāo)F3-4月沉降速率與D3-4水位變化速率對(duì)比圖

3 地面沉降與地裂縫活動(dòng)的不一致性

從上述地面沉降和地裂縫活動(dòng)的一致性分析可知，抽取地下水導(dǎo)致的地面沉降加劇了地裂縫的活動(dòng)，但二者又存在著某些不一致性。北京地面沉降的產(chǎn)生主要是由過(guò)量開(kāi)采地下水引發(fā)的，而地裂縫形成的基礎(chǔ)是地質(zhì)構(gòu)造作用，盡管二者在急劇變形的時(shí)間上是同步的，但是地裂縫早在地下水位降落漏斗形成之前就存在，可見(jiàn)北京地區(qū)地裂縫的早期活動(dòng)與開(kāi)采地下水引發(fā)的地面沉降無(wú)關(guān)，所以二者在起點(diǎn)上是不同的。

目前較為發(fā)育和典型的地裂縫多分布在平原地面沉降區(qū)，其走向與平原隱伏斷裂構(gòu)造線方向具有明顯的一致性（見(jiàn)圖5）。在北京平原區(qū)地下水超采地區(qū)，如通州、順義等地區(qū)，由于地下水超采，使承壓水位下降，當(dāng)?shù)叵滤貌坏郊皶r(shí)補(bǔ)給時(shí)，就會(huì)造成含水層骨架壓縮，引起土層壓縮固結(jié)，產(chǎn)生地面沉降。由于受到起伏不平的基底形態(tài)和斷裂構(gòu)造的控制，不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致地裂縫的產(chǎn)生。這種地裂縫多分布在沉降區(qū)的邊緣地帶，發(fā)育延展方向與該地區(qū)斷裂構(gòu)造一致，對(duì)地表建筑物破壞較為嚴(yán)重。例如，順義地裂縫發(fā)育在因地下水超采形成的平各莊地面沉降區(qū)，并受北東向的良鄉(xiāng)－順義斷裂控制。發(fā)育影響寬度約為200m。同樣，高麗營(yíng)地裂縫也位于這一地區(qū)，受控于黃莊－高麗營(yíng)斷裂。但是在平原區(qū)地面沉降最為嚴(yán)重的地區(qū)，如金盞、三間房、黑莊戶和管莊，地裂縫發(fā)育程度低，地表很難找到其破裂痕跡。可見(jiàn)，抽取地下水導(dǎo)致的地面沉降對(duì)地裂縫活動(dòng)的影響不能絕對(duì)化，需要進(jìn)一步研究其影響程度和形成的物理力學(xué)機(jī)制等。

圖5 北京平原區(qū)地裂縫分布圖

4 地面沉降和地裂縫的相互作用

引起地裂縫兩側(cè)地層蠕滑變形主要有兩個(gè)因素，一是斷裂的早期活動(dòng)，形成了構(gòu)造破裂面，深部基巖斷裂的蠕滑引起第四系的蠕動(dòng)變形而沿原有構(gòu)造破裂面產(chǎn)生地裂縫；另一是由于地面差異沉降造成的[6]。以高麗營(yíng)地裂縫為例，據(jù)分別位于其兩側(cè)的湯熱61、湯熱54號(hào)地?zé)峥踪Y料顯示，下盤(pán)于孔深491m處穿過(guò)松散堆積見(jiàn)安山巖，而上盤(pán)深1115m才見(jiàn)火山角礫巖，兩盤(pán)松散堆積厚度相差余620m。而且通過(guò)鉆探揭露地層淺部（0～30m）特征發(fā)現(xiàn)，粘性土厚度在地裂縫兩側(cè)地層中占比不同，在下盤(pán)約占44%，在上盤(pán)約占62.4%（見(jiàn)圖6）。由于地裂縫兩側(cè)粘性土層厚度差異，導(dǎo)致場(chǎng)地深部地層的不均勻性，使地裂縫兩側(cè)釋水壓密變形沉降程度不同，產(chǎn)生差異沉降，進(jìn)而加劇了地裂縫的垂向活動(dòng)。

此外，利用八仙莊地面沉降監(jiān)測(cè)站分層監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算得到該地區(qū)的主要沉降層的比單位變形量，結(jié)合場(chǎng)區(qū)內(nèi)C206地下水監(jiān)測(cè)孔的年水位變幅和勘察孔揭露的地層情況，計(jì)算場(chǎng)區(qū)內(nèi)2009年地裂縫兩側(cè)的差異沉降量，計(jì)算公式如下：

圖6 地裂縫兩側(cè)巖土體厚度柱狀圖

式中：S——地層變形量即地面沉降量

Ⅰ＇——地層的比單位變形量

H——計(jì)算土層厚度

h——水位下降值

通過(guò)計(jì)算得到，場(chǎng)區(qū)內(nèi)在主要地下水開(kāi)采層范圍內(nèi)，上盤(pán)2009年沉降量為6.73mm，下盤(pán)2009年沉降量為1.17mm，2009年沉降差為5.56mm，占地裂縫垂向位錯(cuò)量的30%。見(jiàn)表3。

表3 場(chǎng)區(qū)內(nèi)差異沉降統(tǒng)計(jì)計(jì)算表

5 結(jié)論

（1）過(guò)量開(kāi)采地下水是北京平原區(qū)產(chǎn)生地面沉降的主要因素，也是地裂縫活動(dòng)的誘發(fā)和激化因素。開(kāi)采地下水導(dǎo)致的不均勻沉降，加劇了北京地裂縫的垂向活動(dòng)。

（2）地面沉降、地裂縫與加劇活動(dòng)時(shí)間具有同步性。自1999年以來(lái)，地面沉降和地裂縫分別進(jìn)入快速發(fā)展及活躍階段；地面沉降、地裂縫在活動(dòng)特征上具有相似性，且兩者活動(dòng)特征都與地下水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)。

（3）北京地區(qū)地裂縫的早期活動(dòng)與開(kāi)采地下水引發(fā)的地面沉降無(wú)關(guān)，所以與地面沉降在起點(diǎn)上是不同的；此外，二者在分布范圍上也存在不一致性。在平原區(qū)地面沉降最為嚴(yán)重的地區(qū)，如金盞、三間房、黑莊戶和管莊，地裂縫發(fā)育程度低。不均勻沉降導(dǎo)致的地裂縫多分布在沉降區(qū)的邊緣地帶。

（4）通過(guò)八仙莊地面沉降監(jiān)測(cè)站分層監(jiān)測(cè)結(jié)果、地下水監(jiān)測(cè)孔的年水位變幅和勘察孔揭露的地層情況，計(jì)算出地裂縫兩側(cè)土層不均勻沉降差占地裂縫垂向位錯(cuò)量的30%。

（5）要控制復(fù)合型地裂縫的快速發(fā)展，首先要限制地下水開(kāi)采，特別是深層承壓水的開(kāi)采，控制承壓水頭的下降速率，使地面沉降趨于穩(wěn)定，緩解地裂縫強(qiáng)烈活動(dòng)的趨勢(shì)，減輕其對(duì)城市建設(shè)的危害。

[1]北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局,北京市地質(zhì)研究所.北京地質(zhì)災(zāi)害[M].北京:中國(guó)大地出版社,2008:195～220.

[2]楊 艷，賈三滿，王海剛.北京平原區(qū)地面沉降現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].上海地質(zhì)，2010, 31(4).

[3]楊 艷，賈三滿，羅 勇等.北京地面沉降工作分析及展望[J].上海地質(zhì)，2012, 7(2).

[4]王海剛，楊 艷，劉明坤等.基于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的北京高麗營(yíng)地裂縫活動(dòng)性分析[J].上海地質(zhì)，2013,34(2).

[5]徐錫偉,吳衛(wèi)民,張先康等.首都圈地區(qū)地殼最新構(gòu)造變動(dòng)與地震[M].北京:科學(xué)出版社.

[6]郭 萌、王 榮、王海剛等，北京土溝—高麗營(yíng)地裂縫成因分析[J].城市地質(zhì)，2013,8(2).