農(nóng)村給排水格局改變引起的住房安全問題研究
——以北京市延慶區(qū)為例

王樹芳，郭彬彬，劉元章，劉久榮，劉 凱，楊 勇

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，100195，北京；2.中國地質(zhì)科學(xué)院，100037，北京；3.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，100048,北京）

隨著人口增加，人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響越來越強(qiáng)烈，在局部地區(qū)甚至改變了當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，使地下水的補(bǔ)徑排條件失調(diào)，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。一些大城市由于大量開采地下水，形成降落漏斗，誘發(fā)地面沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。與此同時(shí)，由于地下水水位上升所引起的地質(zhì)災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生。從災(zāi)害表現(xiàn)上看，受災(zāi)地區(qū)地下水水位持續(xù)上升，房屋墻體開裂，地下硐室滲水，地下管線坑道積水，耕地被淹，土壤沼澤化，災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)還出現(xiàn)了房屋倒塌等情況，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生了極大威脅。尤其是在以平房為主的農(nóng)村地區(qū)，這種災(zāi)害更加明顯，危害更大。由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，農(nóng)村地區(qū)對(duì)這種地質(zhì)災(zāi)害認(rèn)識(shí)不足，治理措施不力，致使災(zāi)害影響范圍逐步擴(kuò)大，受災(zāi)人數(shù)逐年上升。

北京市延慶區(qū)康莊鎮(zhèn)北部的許家營、馬營、太平莊和張老營4個(gè)村近10年來發(fā)生房屋和墻體開裂、傾斜現(xiàn)象，村內(nèi)路面開裂，災(zāi)害嚴(yán)重區(qū)發(fā)生房屋倒塌，1 700多人受災(zāi)。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，災(zāi)害發(fā)生原因一直未能查明，治理無從下手，致使災(zāi)情日趨嚴(yán)重。本項(xiàng)目在大量調(diào)查和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，查明了致災(zāi)原因，為當(dāng)?shù)卣峁┝藶?zāi)害治理方案，為盡快解除地質(zhì)災(zāi)害，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供了重要的技術(shù)支撐。研究區(qū)（4個(gè)村）位置見圖1。

圖1 研究區(qū)位置圖

一、研究區(qū)概況

研究區(qū)位于延慶縣康莊鎮(zhèn)北部，在延懷盆地東部的山前洪積平原，平均海拔482 m左右，多年平均氣溫8.4℃，凍土層厚度為1.20 m左右，多年平均年降水量為454 mm。區(qū)內(nèi)的馬營河現(xiàn)已成為季節(jié)性河流，西北部的官廳水庫建成于1954年，總蓄水能力22億m3。西側(cè)為野鴨湖濕地，湖面面積約為40 km2。研究區(qū)范圍內(nèi)出露的地層主要是第四系全新統(tǒng)（Q4）沖洪積及湖積物。張老營一帶為全新統(tǒng)下部沖積層（Q41），大營村南分布有全新統(tǒng)中部湖積層（Q42），現(xiàn)今河道沉積多為全新統(tǒng)上部（Q43）。

二、水文地質(zhì)條件

鉆探和土工試驗(yàn)查明了研究區(qū)地表下5～12 m深度范圍內(nèi)的地層。按成因年代分為人工堆積層和第四紀(jì)沖洪積層兩個(gè)大層。而第四紀(jì)地層依據(jù)土體顏色和密實(shí)度等差別又可以分為兩個(gè)大層，每個(gè)大層又可以分為黏質(zhì)粉土層、砂質(zhì)粉土層和粉質(zhì)黏土層3個(gè)小層。各層水文地質(zhì)特征自上至下分述見表1。

表1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征一覽

三、給排水格局的變化

1.給水格局的改變

研究區(qū)20世紀(jì)80年代以前均使用壓水井供水，壓水井一般深6～7 m，主要抽取地表以下3～7 m左右的淺層地下水。80年代以后，為了提高用水質(zhì)量，保證居民用水安全，改用自來水井，主要抽取70～120 m的深層地下水。自來水接通后壓水井即廢棄不用，淺層地下水隨之停采。

2.排水格局的改變

（1）雨水的排泄

由于自然原因和人為取土，原來4個(gè)村莊共有5個(gè)坑塘，總面積約為2.7萬m2，這些坑塘起到了排泄和蓄積雨水的作用，同時(shí)在很大程度上也起到排泄地下水和控制地下水水位的作用。自2003年以來，由于村莊建設(shè)所有坑塘均被填埋。坑塘填埋后，雨水無處排泄，只能滯留在村內(nèi)，入滲率甚至可以達(dá)到50%～70%，通過入滲增加了地下水的補(bǔ)給量，逐年抬高了地下水水位。很多研究者曾對(duì)北京地區(qū)和河北滄州地區(qū)農(nóng)村坑塘利用與雨洪災(zāi)害治理進(jìn)行過論述，認(rèn)為坑塘的合理利用可以有效地避免農(nóng)村內(nèi)澇。

（2）生活污水的排泄

自來水接通初期，生活用水量較少，主要用于飲水、做飯、洗衣服等，所以生活污水排放量也較少，排放方式主要是直接傾倒在院內(nèi)，通過自然蒸發(fā)排泄。隨著人們生活水平的提高，近10年來4個(gè)村的絕大部分住戶都安裝了太陽能熱水器，購買了洗衣機(jī)，生活用水量急劇增加。大多數(shù)農(nóng)戶在自家院子里開辟了小型菜園，每天利用自來水進(jìn)行灌溉。為了排放生活污水，幾乎每戶都挖有一個(gè)2 m深的滲水井，污水排放到滲水井中，直接補(bǔ)給了淺層地下水。

（3）淺層地下水的排泄

坑塘蒸發(fā)是淺層地下水排泄的重要途徑之一。在農(nóng)村坑塘未填埋之前，淺層地下水向坑塘排泄，又通過坑塘水面蒸發(fā)進(jìn)行排泄?？犹撂盥裰?，淺層地下水通過蒸發(fā)排泄的途徑大大受阻，導(dǎo)致淺層地下水水位升高。

另一方面，研究區(qū)水庫建成后在村前和村后修建了截排水溝，用于截排地下水，有效防止了地下水水位上升產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害。近10年來，4個(gè)村北部的截排水溝由于村莊建設(shè)和耕地?cái)U(kuò)展已經(jīng)部分填埋；南部的截排水溝已經(jīng)用磚石襯砌，部分地段發(fā)生坍塌，嚴(yán)重阻礙了地下水的排泄，致使淺層地下水在村內(nèi)蓄積，逐步抬高了地下水水位。

四、地下水水位上升對(duì)建筑物的影響

研究區(qū)內(nèi)許家營、馬營、太平莊和張老營4個(gè)村目前57%以上房屋墻體發(fā)生開裂和傾斜，村內(nèi)路面開裂，嚴(yán)重區(qū)出現(xiàn)房屋倒塌。4個(gè)村共有住戶近1 140戶，總?cè)丝诩s3 000人，其中656戶受災(zāi)。

1.建筑物破壞類型

（1）院墻向外傾斜

研究區(qū)內(nèi)的院墻與正房的山墻之間用混凝土和砂漿連接。院墻地基比較淺，一般不超過20 cm。院墻受破壞形式以向院外傾斜為主。本次對(duì)受災(zāi)最嚴(yán)重的兩條巷子的墻體傾斜情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，14面傾斜墻體中，只有1面傾向里側(cè)，其他13面都向院外方向傾斜（圖2）。

（2）房屋山墻開裂

研究區(qū)內(nèi)的部分房屋山墻出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。開裂的房屋有土墻也有磚墻，反映出災(zāi)害的破壞力非常強(qiáng)（圖3）。土墻的裂縫一般是貫穿性的，從墻底部一直到頂部。一旦墻體開裂，雨水就會(huì)從側(cè)面和頂部進(jìn)入裂縫，造成土墻裂縫繼續(xù)快速發(fā)展、磚墻穩(wěn)定性被極大削弱。

（3）室內(nèi)外地面開裂

研究區(qū)內(nèi)的街道路面和室內(nèi)地面都出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。街道路面一般由2～5 cm厚的水泥鋪成，強(qiáng)度較高，但是仍然受到嚴(yán)重破壞。水泥路面在冬季會(huì)向上拱起約2～5 cm，春季冰雪融化時(shí)又會(huì)逐漸恢復(fù)，以致路面就出現(xiàn)凹凸不平的裂縫（圖4）。部分室內(nèi)水磨石地面也出現(xiàn)了裂縫。

圖2 院墻向外傾斜

圖3 房屋山墻開裂

圖4 地面開裂

圖5 房屋倒塌

（4）房屋倒塌

災(zāi)區(qū)部分房屋出現(xiàn)倒塌（圖5），居民被迫搬離。通過調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，倒塌房屋以建成時(shí)間比較久的為主，房屋結(jié)構(gòu)以土體和磚土結(jié)合結(jié)構(gòu)為主。房屋倒塌是房屋受破壞之后的最終表現(xiàn)形式,墻體開裂和地面開裂是房屋倒塌的前兆，當(dāng)墻體和地面開裂程度逐漸嚴(yán)重時(shí)，出現(xiàn)房屋陸續(xù)倒塌現(xiàn)象。

2.建筑物破壞原因

研究區(qū)存在季節(jié)性凍土，凍土層厚度為1.2 m左右。該區(qū)房屋地基深度為0.8～1.0 m，未穿過凍土層。季節(jié)性凍土的兩個(gè)重要性質(zhì)就是凍脹和融陷，這與土的顆粒成分和含水量有關(guān)。根據(jù)工程地質(zhì)勘探結(jié)果和土的凍脹性分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)主要土體為黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土，屬于極凍脹土。深度4 m以內(nèi)的土平均天然含水率為25%，塑限平均值為17%，含水率大于塑限8個(gè)百分點(diǎn)。在這種情況下，當(dāng)凍脹期間地下水水位低于或者等于凍深2 m時(shí)，則屬于強(qiáng)凍脹土。本區(qū)凍深為1.2 m左右，地下水水位埋深為0～2 m，全部位于凍深以下2 m以內(nèi)，屬于強(qiáng)凍脹土。

季節(jié)性凍土經(jīng)過反復(fù)凍脹后，土體發(fā)生了塑性流動(dòng)，結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，在建筑物基礎(chǔ)下部受壓的土體已經(jīng)部分變?yōu)榱肆魃常休d力急劇下降。通過實(shí)地調(diào)查和當(dāng)?shù)厝罕姷姆从?，該地區(qū)房屋地基及其周圍路面存在季節(jié)性凍脹和融陷現(xiàn)象。據(jù)此分析，季節(jié)性凍土的凍脹和融陷作用是造成該地區(qū)建筑物破壞的直接原因。

五、地質(zhì)災(zāi)害治理方案與成效

為了治理由于地下水水位上升引起的災(zāi)害，根據(jù)調(diào)查與試驗(yàn)結(jié)果，提出治理方案。治理方案的核心是，先減少新增的地下水補(bǔ)給量，再排泄已經(jīng)儲(chǔ)存在含水層里的地下水，最終使地下水水位下降到安全水平以下。

1.治理方案

（1）減少地下水的補(bǔ)給量

為每個(gè)院落修建雨水和生活廢水排放管道，減少雨水的原地入滲量，避免生活廢水直接排放。在村中的主干街道建設(shè)雨水和生活廢水排放主干管線，從每個(gè)院落排出的雨水和生活廢水可以通過主干管線排到污廢水處理站。生活廢水管道敷設(shè)后，填埋所有滲坑，以減少地下水補(bǔ)給，減少生活廢水污染地下水。

（2）抽排地下水

在村內(nèi)和村外條件適合的地方建設(shè)地下水抽水井，通過人工強(qiáng)制抽排地下水，降低地下水水位。另外，在村內(nèi)的主干街道建設(shè)排水溝，溝內(nèi)填充大塊卵礫石，排水溝與村外河道相連。地下水通過排水溝可以自然排泄，從而降低地下水水位。

（3）嚴(yán)格控制院落菜地澆灌

嚴(yán)格控制院落菜地的灌溉，避免由于灌溉回滲引起地下水水位持續(xù)上升，從而造成抽排地下水工作失效。

（4）適當(dāng)恢復(fù)農(nóng)村坑塘

農(nóng)村坑塘在一定程度上起到了排泄雨水與調(diào)節(jié)地下水水位的作用。因此，在村內(nèi)較低洼的部位，或條件適合的地方，適當(dāng)恢復(fù)坑塘。為使坑塘起到排泄地下水的作用，坑塘周邊和底部一般不應(yīng)做襯砌。

2.治理成效

當(dāng)?shù)卣呀?jīng)根據(jù)治理建議開展了治理工作，為村莊修建了雨水與生活污水排放管道，停用了滲水井；在村外建設(shè)了抽水井，對(duì)地下水進(jìn)行了強(qiáng)行抽排。這些措施應(yīng)用后已經(jīng)顯示出較好的治理效果，地下水水位上升勢頭得到了一定程度的控制。但是，由于村內(nèi)場地條件有限，排水溝修建與坑塘恢復(fù)可能還要涉及部分房屋的搬遷問題，需要統(tǒng)籌考慮才能更好地解決當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害問題。

六、結(jié)論

通過對(duì)延慶區(qū)康莊鎮(zhèn)北部4個(gè)村住房安全問題的詳細(xì)調(diào)查、分析與研究，得出以下主要結(jié)論：

①近10年來研究區(qū)排水溝渠和坑塘的填埋極大地減少了地下水的排泄量，而且迫使降雨就地入滲補(bǔ)給地下水。滲水井作為生活污水的排放途徑也極大地增加了地下水的補(bǔ)給量。淺層地下水排泄量大幅度減少與補(bǔ)給量大幅度增加使本區(qū)地下水長期處于正均衡狀態(tài)，地下水水位持續(xù)上升。

②地下水水位上升使建筑物地基內(nèi)的土體處于飽水狀態(tài)。飽水的黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土屬于強(qiáng)凍脹土。季節(jié)性凍土所產(chǎn)生的凍脹和融陷作用使地基的承載力嚴(yán)重下降，在上覆載荷的情況下土體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，從而導(dǎo)致墻體開裂，最終造成房屋倒塌。

③研究區(qū)含水層顆粒非常細(xì)，地下水的流動(dòng)性很差，地下水的積累與水位的上升實(shí)際上經(jīng)歷了十幾年甚至更長時(shí)間，只不過是在致災(zāi)前未被人們發(fā)現(xiàn)。從治理方案實(shí)施效果看，在這樣的水文地質(zhì)條件下，地下水排泄和水位下降也需要經(jīng)歷一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，需要按照自然規(guī)律開展相應(yīng)的治理工作。

④隨著南水北調(diào)東線和中線工程相繼完工通水，北方地區(qū)開始大規(guī)模壓減地下水開采量，局部地區(qū)地下水呈上升趨勢，部分地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)地下水水位過淺的現(xiàn)象。尤其是北方季節(jié)性凍土發(fā)育的地區(qū)，反復(fù)的凍脹和融陷作用會(huì)對(duì)建筑物的地基產(chǎn)生非常不利的影響。因此，應(yīng)提前采取有效應(yīng)對(duì)措施，維持地下水補(bǔ)排平衡，避免地下水水位上升引發(fā)建筑物破壞，以保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。