北京宋莊地裂縫分布特征及成因分析

趙 龍，劉久榮，王 榮，沙 特，邢一飛，羅 勇,2田苗壯，孔祥如，齊鳴歡，王新惠，李玉梅

（1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；3. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林·長(zhǎng)春 130061）

北京宋莊地裂縫分布特征及成因分析

趙 龍1，劉久榮1，王 榮1，沙 特1，邢一飛1，羅 勇1,2田苗壯1，孔祥如1，齊鳴歡1，王新惠1，李玉梅3

（1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；3. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林·長(zhǎng)春 130061）

宋莊地裂縫是北京地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的一條地裂縫，近年來(lái)宋莊地裂縫快速發(fā)育，已經(jīng)造成了沿線多個(gè)村莊的房屋及路面破損，造成重大財(cái)產(chǎn)損失。因此，需要調(diào)查了解地裂縫展布特征和分布情況，分析形成原因，進(jìn)而才能提出減緩地裂縫災(zāi)害的合理措施，保證地裂縫沿線村民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文采用地下水分層監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)結(jié)合地球物理探測(cè)、鉆探技術(shù)，對(duì)宋莊地裂縫展開(kāi)詳細(xì)調(diào)查，并結(jié)合調(diào)查結(jié)果分析其形成原因。結(jié)果表明，宋莊地裂縫展布北東方向，長(zhǎng)度約8.7km。宋莊地裂縫發(fā)育受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、第四系沉積層厚度控制，長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采地下水是引起地裂縫災(zāi)害形成的主要因素。

地裂縫；分布特征；成因分析；差異沉降；地下水

地裂縫是一種十分常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，是指在內(nèi)外力因素共同作用下，巖石和土層連續(xù)性遭到破壞，發(fā)生變形，最終導(dǎo)致巖土體結(jié)構(gòu)失衡發(fā)生破裂，在地表及建（構(gòu)）筑物表面形成的裂隙或裂縫[1,2]。相關(guān)研究表明地裂縫多形成于地質(zhì)構(gòu)造活躍及人為活動(dòng)明顯的平原及盆地地貌單元中[3]。地裂縫作為一種特殊的地質(zhì)災(zāi)害，具有隨機(jī)性、突發(fā)性、隱蔽性和緩變性等特點(diǎn)，可直接或間接地降低環(huán)境質(zhì)量、危害人類和生物圈的發(fā)展[4]。

北京由于其處于特殊的地質(zhì)構(gòu)造背景加之近年來(lái)人類活動(dòng)加劇，發(fā)生了多起地裂縫災(zāi)害[5]。主要包括：順義地裂縫、高麗營(yíng)地裂、羊房地裂縫和北小營(yíng)地裂縫，這些地裂縫多發(fā)現(xiàn)于北部地區(qū)。2016年，在開(kāi)展地質(zhì)調(diào)查工作過(guò)程中在北京東部地區(qū)通州發(fā)現(xiàn)宋莊地裂縫。由于通州城市副中心建設(shè)作為北京重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，人類活動(dòng)影響將日益加劇，這可能會(huì)很大程度上加劇了地裂縫災(zāi)害的發(fā)展，同時(shí)地裂縫具有突發(fā)性、隱蔽性特點(diǎn)，由其所造成的危害和隱患會(huì)更加嚴(yán)重[5]。筆者在1:2.5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地下水動(dòng)態(tài)變化特征，概述了北京通州區(qū)宋莊地裂縫的分布特征并對(duì)成因進(jìn)行了淺析。

1 環(huán)境地質(zhì)概況

通州區(qū)位于北京市東南部，京杭大運(yùn)河北端。區(qū)域地理坐標(biāo)北緯3936～4002，東經(jīng)11632～11656（圖1）。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫11.4℃，多年平均降雨量610.0mm[6]。研究區(qū)位于通州區(qū)東北部宋莊鎮(zhèn)，位于北京迭斷凹與大興迭隆起交界處，下伏早、中更新世有活動(dòng)跡象的南苑-通縣斷裂。受地質(zhì)構(gòu)造及南苑-通縣斷裂影響，研究區(qū)兩側(cè)地層松散層沉積厚度差異顯著[9]。

第四系沖洪積扇地層為多層韻律的黏性土與砂卵石相間分布由潛水層、承壓水層組成，層次多、顆粒細(xì)，厚度比較穩(wěn)定，具體劃分為三層承壓水及一層潛水。水位降深5m時(shí)，單井出水量1000～1500m3/d，淺層水開(kāi)采深度小于100m，水位埋深15.20m，深層水開(kāi)采深度為100～300m，含水層富水性較差。研究區(qū)地下水開(kāi)采主要用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水，截止到2014年研究區(qū)自備井?dāng)?shù)量為44座，2014年供水量約為48.693萬(wàn)m3。

2 地裂縫基本特征

宋莊地裂縫展布北東方向，南起小中河向東北延伸，經(jīng)雙埠頭村、溝渠村、大龐村至平家疃村，長(zhǎng)度約8.7km。地裂縫影響帶最寬處達(dá)到450m。宋莊地裂縫近3年形成且快速發(fā)育。雙埠頭村南側(cè)林地中沿地裂縫走向上發(fā)育有18處地表塌陷點(diǎn)，雙埠頭村村民房屋墻體及路面共開(kāi)裂72處，溝渠村村民房屋墻體及路面共開(kāi)裂31處，大龐村村民房屋墻體及路面共開(kāi)裂58處，少部分墻體垂向錯(cuò)動(dòng)明顯，平家疃村村民房屋墻體及路面共開(kāi)裂6處[7]（圖2）。

依據(jù)調(diào)查結(jié)果，總體上看宋莊地裂縫具有如下特征：（1）在調(diào)查區(qū)內(nèi)由宋莊地裂縫形成的災(zāi)害點(diǎn)展布方向具有一致性，均由西南向北東方向延伸；（2）災(zāi)害點(diǎn)分布不是沿著一條直線規(guī)則性分布，而是呈面狀向北東方向延伸。雙埠頭村災(zāi)害點(diǎn)分布面積較大，向北東方向延伸，災(zāi)害點(diǎn)散開(kāi)面積逐漸變??；（3）宋莊地裂縫造成的災(zāi)害點(diǎn)地表和房屋破壞形式具有分段性，雙埠頭村地表和房屋破壞形式主要以水平拉張為主，局部房屋受扭動(dòng)破壞影響，而且北側(cè)大龐村以垂直錯(cuò)動(dòng)為主。

圖1 宋莊地裂縫展布及影響帶范圍Fig.1 The extension and affected scope of Song zhuang ground fissures

圖2 宋莊地裂縫災(zāi)害點(diǎn)Fig.2 disaster points of Song zhuang ground fissures

3 地裂縫成因淺析

3.1 第四系沉積厚度差異構(gòu)成地質(zhì)背景

宋莊地裂縫位于北東向南苑-通縣斷裂上盤，南苑-通縣斷裂在垂向400m處形成錯(cuò)段，錯(cuò)斷距離約300m，使得兩側(cè)地層沉積厚度有較大差異[8]。鉆孔資料顯示宋莊地裂縫北西側(cè)第四系沉積厚度約為500m，而地裂縫南東側(cè)第四系沉積厚度為290m。第四系沉積厚度較大差異造成宋莊地裂縫兩側(cè)地層厚度不均[9,10]（圖3）。

圖3 宋莊地裂縫兩側(cè)典型鉆孔第四系沉積厚度對(duì)比Fig.3 The comparison chart of thickness of Quaternary deposited in typical borehole at both sides of the Songzhuang ground fissures

相關(guān)研究表明，相同的水位降深，可壓縮性黏性土厚度越大，沉降量越大，持續(xù)的沉降時(shí)間越長(zhǎng)[12]。通過(guò)平原區(qū)可壓縮性土厚度等值線與地面沉降發(fā)育關(guān)系同樣得出：可壓縮黏性土厚度較大且地下水位下降較快的西小營(yíng)、八仙莊、金盞、通州城區(qū)、黑莊戶以及南部的小馬坊等地區(qū)與南北兩大沉降區(qū)和七個(gè)沉降中心高度吻合，因此在北京地區(qū)可壓縮層厚度制約著地面沉降發(fā)育程度[12]。圖4為宋莊地裂縫兩側(cè)地層中可壓縮層厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出ZK1鉆孔中可壓縮層厚度為231.04m，鉆孔ZK2可壓縮層厚度為146.28m，ZK1明顯大于ZK2。在地質(zhì)應(yīng)力或人為活動(dòng)影響下，可壓縮層發(fā)生自然固結(jié)或釋水壓縮，可能影響宋莊地裂縫兩側(cè)下沉速率及累計(jì)下沉厚度，長(zhǎng)期的作用下，導(dǎo)致兩側(cè)地層受力不均，形成差異形變。因此可壓縮層厚度差異為宋莊地裂縫的形成提供了地質(zhì)背景。

3.2 地下水位持續(xù)下降引起地面沉降

宋莊地裂縫位于通州東北部宋莊地區(qū)，沿線穿過(guò)雙埠頭、溝渠村、大龐村和平家疃等村落。近年來(lái)，村莊人口聚集、房屋和道路等建筑物增多、較大規(guī)模的工廠區(qū)逐步建成、周邊以地下水為水廠和水源地逐具規(guī)模。為支撐經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，宋莊地裂縫沿線開(kāi)采/超采地下水發(fā)展成為該區(qū)域主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。

圖4 宋莊地裂縫兩側(cè)典型鉆孔可壓縮層厚度Fig.4 The thickness of compressible stratum based on typical borehole at both sides of the Song zhuang ground fissures

宋莊帶裂縫沿線經(jīng)過(guò)潮白-薊運(yùn)-溫榆河地下水子系統(tǒng)，沖洪積扇子區(qū)，有四個(gè)主要賦水含水層，如圖5為宋莊地裂縫沿線某分層地下水監(jiān)測(cè)井2010～2015年間，4層主要含水層水位變化情況。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明2010～2015年潛水含水層、第一承壓含水層水位變化較為平緩，總體水位基本保持穩(wěn)定。年內(nèi)含水層水位波動(dòng)變化，雨季（6～8月）期間水位上升，非雨季水位下降，降雨對(duì)地下水補(bǔ)給貢獻(xiàn)較大。二三承壓含水層總體上處于波動(dòng)下降階段，推測(cè)第二、三含水層為該區(qū)域主要開(kāi)采目標(biāo)層，受長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采影響水位下降幅度逐漸增大，截止到2015年第二承壓含水層水位降深達(dá)11m，第三含水層水位降深達(dá)10m。

圖5 含水層水位變化曲線Fig.5 Curves of ground water level in aquifers along ground fissure

近年來(lái)的地面沉降水準(zhǔn)測(cè)量成果與平原區(qū)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果、地面沉降監(jiān)測(cè)站內(nèi)分層標(biāo)監(jiān)測(cè)與地下水分層監(jiān)測(cè)成果等對(duì)比分析同樣表明，在地下水位明顯下降的地區(qū)，地面沉降發(fā)展速率明顯加快[12]?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，受水位持續(xù)下降影響，宋莊地裂縫沿線地面沉降災(zāi)害逐漸加劇。如圖6為宋莊地裂縫沿線徐辛莊地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明2010～2015年相鄰年間沉降差值逐漸增大，表明地面沉降處于持續(xù)發(fā)育。其中2010～2012年沉降差值變化明顯，2012～2015年沉降差值仍然不斷增大，但增大幅度較小。

3.3 差異沉降引發(fā)地裂縫

圖6 徐辛莊地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)2010～2015年相鄰年間沉降量差值變化曲線Fig.6 The curve related to difference of adjacent subsidence from 2010 to 2015 at point of subsidence monitoring in Xuxinzhuang

受到前期構(gòu)造影響，宋莊地裂縫北西側(cè)地層第四系厚度大于南東側(cè)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示宋莊地裂縫北西側(cè)可壓縮層厚度也遠(yuǎn)大于南東側(cè)。地層多為正常固結(jié)或超固結(jié)土，自然固結(jié)壓縮作用較為緩慢，宋莊地裂縫沿線區(qū)域范圍內(nèi)近期未發(fā)生重大地質(zhì)構(gòu)造，且宋莊地裂縫近期形成，并快速發(fā)展。因此綜合以上初步分析認(rèn)為，人類活動(dòng)尤其地下水超采對(duì)地面沉降貢獻(xiàn)程度較大。在地下水長(zhǎng)期處于超采的背景下，地下水位持續(xù)下降，在有效應(yīng)力的作用下，兩側(cè)壓縮量產(chǎn)生明顯差異，形成差異沉降[11]。隨著差異沉降增加，應(yīng)力集中在軟弱地區(qū)并釋放，導(dǎo)致軟弱區(qū)土體破裂形成地裂縫（圖7）。

圖7 地層差異產(chǎn)生不均勻沉降誘發(fā)地裂縫示意Fig.7 Schematic diagram of ground fissure caused by stratigraphic differences

4 結(jié)論及建議

（1）宋莊地裂縫南起小中河北向東北延伸至平家疃村潮白河以西，長(zhǎng)度約8.7km，最大地裂縫影響帶450m，宋莊地裂縫近3年形成且快速發(fā)育。宋莊地裂縫災(zāi)害點(diǎn)展布方由西南向北東方向延伸；分布面積向北東方向延伸逐漸減??；災(zāi)害點(diǎn)地表和房屋破壞形式具有分段性。

（2）宋莊地裂縫地質(zhì)災(zāi)害受兩種因素控制，沉積物厚度差異是宋莊地裂縫形成的地質(zhì)背景；長(zhǎng)期地下水過(guò)量開(kāi)采引起地下水位持續(xù)下降引發(fā)差異沉降是宋莊地裂縫形成主要原因，因此，宋莊地裂縫的防治應(yīng)從控制地下水開(kāi)采為主要出發(fā)點(diǎn)。

（3）宋莊地裂縫的形成對(duì)通州副中心形成不利的地質(zhì)環(huán)境，建議有關(guān)部門對(duì)地裂縫影響明顯的大龐村、溝渠莊村、雙埠頭村等區(qū)域制定防災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，建立地裂縫預(yù)警預(yù)報(bào)體系，完善地裂縫監(jiān)測(cè)設(shè)施；在地裂縫發(fā)育范圍內(nèi)及周邊加快市政供水管網(wǎng)覆蓋，限制居民和工業(yè)使用地下水，減少地下水開(kāi)采，減緩地裂縫發(fā)展趨勢(shì)。

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Distribution characteristics and cause analysis of Songzhuang ground fissures in Beijing

ZHAO Long1, LIU Jiu-Rong1, WANG Rong1, SHA Te1, XING Yi-Fei1, LUO Yong1,2, TIAN Miao-Zhuang1, KONG Xiang-Ru1, QI Ming-Huan1, WANG Xin-Hui1, LI Yu-Mei3
(1. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China; 2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China; 3. College of Earth Science, Jilin University, Jilin Changchun 130061, China)

The Songzhuang ground fissures were recently found in the Beijing area. Ground fissures, which have rapidly developed in recent years, pose a great destructive risk to many houses and roads along the fissures. To reduce the risk caused by these fissures, an investigation into the distribution characteristics of ground fissures and an analysis of the factors causing ground fissures and their mechanisms must be conducted. An integrated investigation program was designed, including the multilayer monitoring of groundwater, leveling, geophysical exploration, and boreholes, with the aim to delineate the distribution of disasters and to identify the main causes of ground fissures. The results indicate that the ground fissures were extended in the NE direction, with a length of 8.7 km. Ground fissures were caused by differential subsidence, and the development of the ground fissures were mainly controlled by the thickness of the regional geological structure and the distribution of Quaternary deposits. The super-pumping of groundwater is the main factor that gives rise to disasters caused by ground fissures.

ground fissure; distribution characteristics; cause analysis; differential settlement; groundwater

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0035-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.009

2017-03-06

修回日期: 2017-06-03

趙龍(1990-),男,碩士,助理工程師,主要從事地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè).

電子郵箱: zszhaolong0123@yeah.net

聯(lián)系電話: 010-51560334

北京市科技計(jì)劃課題56130(Z131100 0022);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8162043);北京市地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)項(xiàng)目(PXM2015-158305-000011;PXM2016-158305-000004);基于北斗衛(wèi)星的地面沉降監(jiān)測(cè)(121211220184);通州城市副中心地區(qū)重大地質(zhì)問(wèn)題調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目地面沉降專題(PXM2016-158203-000008)