武漢市泛后湖地區(qū)地面沉降風(fēng)險評價

熊 峰，謝 羿，龐 設(shè) 典，官 善 友，彭 飛

(1.武漢市勘察設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.武漢市江漢區(qū)振環(huán)建筑工程公司，湖北 武漢 430022)

0 引 言

隨著城市功能的不斷提升，重大工程的相繼建設(shè)與投入使用，對其賴以支撐的地質(zhì)環(huán)境帶來日益沉重的負擔，因工程建設(shè)而引起的地面沉降、建筑物開裂已成為城市重要地質(zhì)災(zāi)害之一。武漢市泛后湖地區(qū)原為大面積湖區(qū)，廣泛發(fā)育有深厚軟土層，是武漢市地面沉降最為嚴重的區(qū)域[1-2]。諸多研究表明，新近堆填的欠固結(jié)土固結(jié)壓縮是產(chǎn)生地面沉降的根本原因，建筑荷載、地下水位變化會加速土體固結(jié)是地面沉降的主要誘因[3-5]。也有研究表明在不同土地利用轉(zhuǎn)為建設(shè)用地對地面沉降的影響中，原水域用地沉降最明顯[4-6]。研究地面沉降成因及影響因素，開展風(fēng)險評價，可為區(qū)域城市規(guī)劃和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，提升區(qū)域地面沉降防控能力。

一般認為，地面沉降的危險性包括地面沉降發(fā)生的可能性和造成的危害性[7]，前者用“危險性”或“易發(fā)性”表示(本文稱之為“危險性”)，后者稱之為“易損性”。危險性主要從沉降量、沉降速率、軟土厚度、地下水開采等方面進行評價，而對于易損性評價指標往往包括地面高程、人口密度、單位面積GDP等[8-12]。但都忽視了一個重要條件——城市規(guī)劃，城市規(guī)劃是城市建設(shè)和管理的依據(jù)。因此，充分結(jié)合城市規(guī)劃進行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價有利于提高評價結(jié)果的科學(xué)性、準確性和實效性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以武漢市泛后湖地區(qū)為例，在分析近年沉降趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境、城市規(guī)劃等條件，開展地面沉降風(fēng)險評價，研究成果可為本地區(qū)的城市規(guī)劃建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

泛后湖地區(qū)位于武漢市江岸、江漢區(qū)，多為長江一級階地，地形十分平坦，略低洼，標高20 m左右，原為湖區(qū)，現(xiàn)大部分已被人工填平。第四系覆蓋層地層結(jié)構(gòu)從上到下一般為厚度不大的松散人工填土、可塑狀一般黏性土、軟塑-流塑狀淤泥或淤泥質(zhì)土、稍密-密實的砂土。砂土底部一般混夾有礫卵石，砂土及礫卵石中賦存孔隙承壓水，其中淤泥、淤泥質(zhì)土厚度最大可達15 m以上?；鶐r以志留系泥巖，白堊-古近系泥巖、砂巖為主，埋深一般在40～50 m之間。

近年來，武漢泛后湖地區(qū)城市發(fā)展十分迅猛，工程建設(shè)強度大，相繼建成的地鐵3號線、6號線、8號線從中穿過，除此之外還有在建的地鐵12號線，新修的高層、超高層建筑、市政道路、深大基坑、綜合管廊等更是不勝枚舉。人類工程活動對地面沉降的影響強烈，自2013年以來，后湖地區(qū)多個小區(qū)、單位相繼發(fā)生了地面不均勻沉降現(xiàn)象，造成建筑物附屬設(shè)施及市政道路不同程度開裂、下沉，管道接口脫節(jié)等，給居民生活帶來了嚴重的影響。

2 研究區(qū)地面沉降現(xiàn)狀

武漢市從2016年開始對泛后湖地區(qū)開展地面沉降水準測量和孔隙承壓水自動化監(jiān)測，其中水準監(jiān)測至2021年已開展了5期。水準觀測點及孔隙承壓水監(jiān)測井的位置如圖1所示。

圖1 水準觀測點與孔隙承壓水監(jiān)測井位置示意

將水準觀測數(shù)據(jù)在MapGIS中生成沉降等值線圖，繪制近年來水準監(jiān)測累計沉降等值線圖，如圖2所示。水準觀測結(jié)果顯示，后湖地區(qū)地面沉降呈“漏斗式”分布，比較大的沉降漏斗主要有包括漢口城市廣場-同鑫花園(JC080、JC081、JC105)、地鐵百步亭花園路-新榮客運站兩側(cè)(JC077、JC113)、漢口花園-中一花園(JC008、JC014、JC023)，近5 a累計沉降量均超過100 mm，其中尤以漢口城市廣場-同鑫花園沉降漏斗的沉降現(xiàn)象最為顯著，最大累計沉降量達193 mm，平均沉降速率42.9 mm/a。除此之外，還有溫馨苑-怡康苑、黃埔科技園沉降也較為顯著。

圖2 2016～2020累計沉降量分布

根據(jù)圖3可知，2016年以來，上述3個沉降漏斗區(qū)的沉降主要發(fā)生在2016年12月至2017年6月，最大沉降沉降速率達178 mm/a。2017年6月至2020年12月，沉降逐漸放緩，沉降速率不超過35 mm/a。

圖3 典型沉降漏斗區(qū)累計沉降量變化曲線

自然狀態(tài)下土體固結(jié)沉降是一個漫長、緩慢而又逐漸變緩的過程，在相對較短的一個時期，若無外因影響，沉降是一個相對勻速的過程，然而水準監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示近年來的沉降速率總體上呈明顯的“先增后減再增”過程，表明地面沉降過程除受自身地質(zhì)條件影響外，受外界因素影響較大。

3 研究區(qū)地面沉降風(fēng)險評價

3.1 地面沉降影響因素分析

從致災(zāi)層面看，自然因素和人為因素共同導(dǎo)致了近年來后湖地區(qū)日益顯著的地面沉降現(xiàn)象，它們都是危險性的評價指標。自然因素是由于早期的填湖造地，武漢泛后湖地區(qū)下埋有深厚的淤泥、淤泥質(zhì)黏土等第四系欠固結(jié)軟土，軟土含水量高、壓縮性高、孔隙率大，在重力等作用下，容易發(fā)生固結(jié)沉降現(xiàn)象。人為因素是由于近年來片區(qū)建設(shè)加快，地鐵、深基坑、綜合管廊等工程遍地開花，大量進行工程降水或地下水開采，造成附近地下水位急劇降低，加速上述欠固結(jié)軟土固結(jié)沉降過程，加之建筑荷載對地基的附加應(yīng)力作用，也導(dǎo)致了軟土固結(jié)沉降加劇，從而造成地面沉降災(zāi)害。

從承災(zāi)層面看，不同承災(zāi)體對地面沉降的承受能力和遭受災(zāi)害的損失程度不同，前者主要包括建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)、數(shù)量和分布情況等，后者包括人口密度、建(構(gòu))筑物價值和密度、經(jīng)濟密度等，它們都是易損性的反映。對于區(qū)(縣)級及以下的評價單元，獲取小范圍內(nèi)人口、經(jīng)濟等具體數(shù)據(jù)十分困難，基于城市規(guī)劃單元(地塊)的區(qū)域易損性評價效果較好，通過地塊的容積率、用地類型等可以綜合反映經(jīng)濟、社會、環(huán)境價值。城市規(guī)劃是城市建設(shè)和管理的依據(jù)，不僅決定城市的目前，而且約束城市的長遠，是城市建設(shè)的規(guī)范和藍圖。因此，在承災(zāi)層面重點考慮城市規(guī)劃因素，既是對當前的現(xiàn)狀評價，更是對未來一段時間的預(yù)測性評價，具有一定的前瞻性。

3.2 指標體系

風(fēng)險是在特定區(qū)域和特定時間段內(nèi)，由某一地質(zhì)災(zāi)害而造成的生命財產(chǎn)及經(jīng)濟活動可能的損失，聯(lián)合國人道主義事務(wù)部提出了“風(fēng)險度(risk) = 危險度(hazard) × 易損度(vulnerability) ”的表達式[13]。

地面沉降是一個非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，只有在分析和預(yù)測模型中選取與沉降發(fā)生具有顯著作用的誘發(fā)因子，才會獲得較好的預(yù)測結(jié)果[14]。通過對泛后湖地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、沉降現(xiàn)狀以及沉降影響因素的分析，對諸多相關(guān)指標進行篩選，最終確定本次地面沉降危險性指標體系的兩個層面4個主要指標：① 沉降現(xiàn)狀，主要以(近5 a)累計地面沉降量和當前的沉降速率作為評價指標，受人類工程活動的影響，后者表現(xiàn)出一定的隨機性，而前者更能反映片區(qū)的平均水平；② 孕災(zāi)環(huán)境，主要從軟土層厚度和地下水位兩方面予以考慮，由于泛后湖地區(qū)欠固結(jié)軟土與富含孔隙承壓水的砂土層直接接觸，砂土層是欠固結(jié)軟土中孔隙水排泄、補給的主要通道，加之泛后湖地區(qū)十分平坦，因此選用承壓水水頭高程作為本次地下水因素的評價指標，承壓水水頭高程數(shù)據(jù)可在地下水監(jiān)測井監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過MapGIS軟件生成的水位高程等值線圖確定。

易損性評價指標主要包括用地類型、建設(shè)強度、人口密度、建筑物年代4個次級指標(見圖4)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，老舊小區(qū)設(shè)施陳舊，尤其是市政排水管網(wǎng)堵塞，地面沉降引起城市內(nèi)澇問題加劇，加之受早年技術(shù)水平限制、建筑物老化等因素，建筑結(jié)構(gòu)因地面沉降而出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象十分普遍，對于地面沉降的承受能力較低。醫(yī)院、學(xué)校、商場等區(qū)域人口流動大，重要性等級高，一旦發(fā)生地面沉降災(zāi)害，造成的損失和社會影響較大，而公園綠地、防護綠地等，發(fā)生地面沉降遭受的損失則小得多。建設(shè)強度是容積率、建筑密度、交通區(qū)位、用地規(guī)模等因素的綜合反映，強度等級越高，發(fā)生損失的程度也越大。

圖4 風(fēng)險評價指標體系

3.3 指標量化與權(quán)重計算

指標量化是在分析危險性(易損性)指標對地面沉降危險性(易損性)的貢獻大小的基礎(chǔ)上，對各指標進行分級打分，本次共分為4級，分值分別為1，2，3，4分。危險性及易損性指標權(quán)重的計算采用層次分析法，其原理是通過構(gòu)建兩兩重要程度的判別矩陣，通過求取最大特征根對應(yīng)的特征向量來確定各指標的權(quán)重。計算結(jié)果如表1～2所列。

表1 危險性指標權(quán)重及量化

表2 易損性指標權(quán)重及分級量化

3.4 風(fēng)險評價與區(qū)劃

利用MapGIS的空間分析功能，采用綜合指數(shù)法進行危險性及易損性評價[15]。其原理如下：

(1)

式中：y表示綜合指數(shù)值(危險性、易損性值)；ωi表示指標i的權(quán)重；xi表示指標i的量化值；n表示評價指標個數(shù)。

根據(jù)公式(1)將危險性(易損性)指標疊加計算，得到危險性(易損性)綜合指數(shù)y，然后按照等間距法對y值進行分級，得到危險性和易損性分區(qū)圖，如圖5～6所示。

圖5 危險性分區(qū)

地面沉降高、較高危險區(qū)主要位于漢口花園小區(qū)-中一花園、城市廣場-同鑫花園、地鐵百步亭花園路-新榮客運站，這些地方軟土厚度較大、地下水位埋深較淺，同時也是近幾年沉降較快的地方。地面沉降高、較高易損性的地方主要集中在研究區(qū)南部老城區(qū)，建筑設(shè)施老舊、人口密集，且規(guī)劃有大量的商業(yè)、科教、醫(yī)療等設(shè)施，發(fā)生地面沉降更容易造成損失。

圖6 易損性分區(qū)

風(fēng)險評價與區(qū)劃在危險性與易損性評價的基礎(chǔ)上進行，通過將危險性和易損性“相乘”進行疊加運算，將地面沉降風(fēng)險級別劃分為高風(fēng)險區(qū)、較高風(fēng)險區(qū)、較低風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)4個等級(詳見圖7和表3)。

表3 地面沉降風(fēng)險分區(qū)

圖7 風(fēng)險性分區(qū)

3.5 風(fēng)險評價結(jié)果驗證

通過對研究區(qū)開展地面沉降調(diào)查，提取其中差異性沉降差超過10 cm的調(diào)查點，結(jié)果顯示66個調(diào)查點中有31個點位于高風(fēng)險區(qū)，27個位于較高風(fēng)險區(qū)，如圖7所示，位于高、較高風(fēng)險區(qū)沉降點的比例達87.88%，表明風(fēng)險評價結(jié)果可信度較高。

4 地面沉降防控對策

針對研究區(qū)地面沉降特點、現(xiàn)狀，結(jié)合地面沉降風(fēng)險分區(qū)結(jié)果，提出武漢泛后湖地區(qū)地面沉降防控建議，如下：

(1) 科學(xué)規(guī)劃，合理設(shè)計。根據(jù)地面沉降風(fēng)險評價結(jié)果，優(yōu)化調(diào)整規(guī)劃方案。例如在高風(fēng)險區(qū)多規(guī)劃綠地、公園等，減少商業(yè)金融、科教行政等用地面積，降低容積率、減小建設(shè)強度，從而在規(guī)劃層面事先規(guī)避或減小地面沉降危害。當規(guī)劃無法變更時，可采取工程措施減小地面沉降危害，如提高建筑結(jié)構(gòu)整體性，控制結(jié)構(gòu)沉降差等，工程施工過程中要采取措施減小因施工而產(chǎn)生的地面沉降對周邊環(huán)境的影響，如加強地基處理，限制地下水開采等。

(2) 監(jiān)測預(yù)警，加強管控。一方面要持續(xù)性開展水準監(jiān)測、InSAR監(jiān)測、分層標監(jiān)測、地下水監(jiān)測等區(qū)域性地下水和地面沉降監(jiān)測，完善地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[16]；另一方面高、較高風(fēng)險區(qū)地面、地下及地上建筑物、市政基礎(chǔ)設(shè)施等均應(yīng)進行施工期及使用期長期沉降監(jiān)測。地方政府要限制地下水開采、加強地面沉降管控，在用地規(guī)劃、水評和環(huán)評等審批環(huán)節(jié)[17]，嚴格控制地下水開采量大的建設(shè)項目，制定并嚴格落實地面沉降防控的各項規(guī)章制度。

(3) 工程治理，消除影響。嚴格管理地下水資源，控制地下水開發(fā)利用，必要時可采取回灌地下水、人工回填土等措施，以緩解區(qū)域地面沉降趨勢。對于遭受地面沉降影響危害較大的設(shè)施應(yīng)及時修復(fù)，避免造成二次危害。調(diào)查表明，老舊小區(qū)往往更容易遭受地面沉降危害，在進行老舊小區(qū)改造、城市更新等活動中，應(yīng)重點考慮地面沉降因素。

5 結(jié) 論

(1) 泛后湖地區(qū)位于武漢市中心地段，未來可能繼續(xù)發(fā)生大量的工程建設(shè)活動，預(yù)測未來泛后湖地區(qū)地面沉降現(xiàn)象將持續(xù)存在，尤其是該地區(qū)還存在大量的老舊建筑，片區(qū)地面沉降風(fēng)險程度整體偏高。因此，需加強地面沉降管控，既要開展區(qū)域性的沉降監(jiān)測，也要從規(guī)劃設(shè)計到施工控制各環(huán)節(jié)，有針對性地制定全生命周期的防控對策，提高泛后湖片區(qū)地面沉降的抗風(fēng)險能力。

(2) 在現(xiàn)狀調(diào)查與監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件、城市規(guī)劃、人口及(建筑)建成年代等評價指標，展開風(fēng)險評價。將泛后湖地區(qū)劃分為4個風(fēng)險等級，其中高風(fēng)險區(qū)面積占比12.82%，主要分布在漢口花園、漢口城市廣場、新榮客運站周邊；較高風(fēng)險區(qū)面積占比31.61%，主要分布于發(fā)展大道及后湖大道沿線。評價結(jié)果可為泛后湖地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、城市規(guī)劃建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。