北京地区地面沉降与地裂缝关系研究

姜 媛，王 荣，田 芳，刘明坤

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

0 引言

北京是世界上发生地质灾害较多、较严重的大城市之一，地质灾害高易发区和中易发区面积分别达到1870km2和3665km2。北京山区存在崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害，而在平原区主要是地面沉降和地裂缝两大类缓变型地质灾害。由于在平原区人类活动引发和加剧了灾害的发展。同时，人类大量的工程建设对地质环境又提出了更高的要求，地质灾害对其影响更加显著。随着勘察和研究工作的深入，发现地面沉降与地裂缝在活动时间、活动方式等方面存在一定关联。同时，超采地下水导致的差异沉降在地裂缝垂向形变中也占有一定比例。本文旨在研究总结地面沉降与地裂缝时空发展演化之间的关系及相互作用，以期为二者的联合防治提供理论依据。

1 地裂缝、地面沉降的发展与分布特征

北京地区地裂缝古已有之，并且常在地震时，与砂土液化伴生出现。近来出现的地裂缝，主要是1965年邢台地震后，在平原地区出现的与主要构造方向相一致的地裂缝以及近几十年来西山采煤区因采空引起的地裂缝。1976年唐山发生7.8级大地震，直接或间接地导致了北京的许多地区，如昌平南新村、通州西集乡、顺义俸伯镇以及房山小次洛村等都出现了地裂缝，其中昌平南新村所受的灾害尤为严重，所建的17幢楼房，因地震时地面开裂而导致了13幢裂毁。从1957年至今，北京地区发生了多处、多起地裂缝灾害，其分布状况大体呈现出以下几点主要特征：①绝大多数出现在平原区和山间盆地中的第四系松散沉积物中；②地裂缝的规模和分布面积与诱发地震的强烈程度有关；③构造地裂缝多分布在发震构造和孕震构造沿线；④目前较为发育和典型的地裂缝多分布在平原地面沉降区[1]。

进入21世纪以来，北京平原区地面沉降仍处于快速发展阶段，截至2009年底，最大年沉降量达到137.51mm，最大累计沉降量达到了1163mm。依据历年累计沉降量和近几年年度沉降情况，将北京平原区地面沉降区域划分为北部沉降区和南部沉降区。北部沉降区，包括昌平沙河—八仙庄、朝阳来广营、东郊八里庄—大郊亭（三间房、通州城区、黑庄户—台湖）沉降区，以及顺义平各庄沉降区。南部沉降区，主要分布在大兴榆垡－礼贤地区[2]。

2 地面沉降与地裂缝活动的一致性

2.1 地面沉降、地裂缝加剧活动时间具有同步性

北京地面沉降按照其发展过程可以分为4个阶段：形成阶段、发展阶段、扩展阶段和快速发展阶段[3]。1955～1973年为地面沉降形成阶段，在北京东郊八里庄及酒仙桥一带随着地下水开采量增加开始出现地面沉降，年均沉降速率为16～28.2mm。1973～1983年为地面沉降发展阶段，北京市地下水长期超采，水位急速大幅下降，东郊地面沉降随之快速发展扩大。1987～1999年为地面沉降扩展阶段，随着北京第八水厂自来水引入北京市区，并采取了节约用水和加强地下水开发管理等措施，使北京东郊地区地下水开采量减少，地下水位下降速率明显减缓，老沉降区沉降速率减缓，但沉降面积在迅速扩大，不断出现新的沉降区。1999年以来北京遭遇连续干旱，水资源供需矛盾突出，为保障供水，不得不超采地下水，地面沉降快速发展。近年来，北京地面沉降中心最大年沉降速率连创历史新高，沉降区域面积不断扩大，累积沉降量连年攀升。

北京平原区从1965年发生多起地裂缝灾害，并呈现明显的增多趋势。据不完全统计，从1965年至1975年期间，北京地区发生不到10条地裂缝破坏，从1975年起数量明显增加，到1985年期间，地裂缝破坏处已多达数十条。进入20世纪80年代末期，地裂缝发展迅速，已经发现数百处地裂缝。地裂缝在数量和规模上都随着时间递增而继续发展。总体上来看，地裂缝的高峰时期也是北京平原区地下水开采量开始大幅度增加，地面沉降逐渐开始发展的时期。通过地表调查发现目前北京平原区地裂缝仍在活动中，且其活动速率逐年加快。野外调查中对房屋破坏变形速率进行了统计（见表1）。由表1可以看出，房屋修建的日期越长，其活动速率相对越小，尤其是进入2000年后，其活动速率明显增加，表明地裂缝进入活跃期。西王路地裂缝监测站2009年的监测资料显示，该地裂缝上下盘地表位错量达18mm[4]，而黄庄－高丽营断裂平均滑动速率只有0.1～0.2mm/a[5]，两者活动量相差甚远，可见近年来地裂缝进入超常活动阶段（表2）。

2.2 地面沉降、地裂缝活动特征的相似性

通过对监测数据分析可知，地裂缝活动具有年周期变化规律，垂直方向上每年4～6月为其活跃期，变化量很大，而7月至次年3月则属相对静止期，变化量很小（见图1）[4]。根据地裂缝三维监测资料和地下水位监测资料对比，地裂缝垂向变化与承压水动态季节变化有较好的相关性，水位下降，变形速率增大，水位回升，变形速率减缓，甚至有少量回弹。地面沉降速率具有相似的变化规律，即二、三季度沉降速率较大，一、四季度沉降速率较小（见图2）。两者活动特征都与地下水位年内动态变化密切相关（见图3、4）。

表1 地裂缝活动速率统计表

表2 北京地区地裂缝发展阶段对比表

图1 自动化遥测监测地裂缝三维活动（2009年8月1日—2012年12月14日）

图2 天竺站F3-5沉降速率变化图

图3 地裂缝垂向变形量与水头变化对比图

图4 分层标F3-4月沉降速率与D3-4水位变化速率对比图

3 地面沉降与地裂缝活动的不一致性

从上述地面沉降和地裂缝活动的一致性分析可知，抽取地下水导致的地面沉降加剧了地裂缝的活动，但二者又存在着某些不一致性。北京地面沉降的产生主要是由过量开采地下水引发的，而地裂缝形成的基础是地质构造作用，尽管二者在急剧变形的时间上是同步的，但是地裂缝早在地下水位降落漏斗形成之前就存在，可见北京地区地裂缝的早期活动与开采地下水引发的地面沉降无关，所以二者在起点上是不同的。

目前较为发育和典型的地裂缝多分布在平原地面沉降区，其走向与平原隐伏断裂构造线方向具有明显的一致性（见图5）。在北京平原区地下水超采地区，如通州、顺义等地区，由于地下水超采，使承压水位下降，当地下水得不到及时补给时，就会造成含水层骨架压缩，引起土层压缩固结，产生地面沉降。由于受到起伏不平的基底形态和断裂构造的控制，不均匀沉降会导致地裂缝的产生。这种地裂缝多分布在沉降区的边缘地带，发育延展方向与该地区断裂构造一致，对地表建筑物破坏较为严重。例如，顺义地裂缝发育在因地下水超采形成的平各庄地面沉降区，并受北东向的良乡－顺义断裂控制。发育影响宽度约为200m。同样，高丽营地裂缝也位于这一地区，受控于黄庄－高丽营断裂。但是在平原区地面沉降最为严重的地区，如金盏、三间房、黑庄户和管庄，地裂缝发育程度低，地表很难找到其破裂痕迹。可见，抽取地下水导致的地面沉降对地裂缝活动的影响不能绝对化，需要进一步研究其影响程度和形成的物理力学机制等。

图5 北京平原区地裂缝分布图

4 地面沉降和地裂缝的相互作用

引起地裂缝两侧地层蠕滑变形主要有两个因素，一是断裂的早期活动，形成了构造破裂面，深部基岩断裂的蠕滑引起第四系的蠕动变形而沿原有构造破裂面产生地裂缝；另一是由于地面差异沉降造成的[6]。以高丽营地裂缝为例，据分别位于其两侧的汤热61、汤热54号地热孔资料显示，下盘于孔深491m处穿过松散堆积见安山岩，而上盘深1115m才见火山角砾岩，两盘松散堆积厚度相差余620m。而且通过钻探揭露地层浅部（0～30m）特征发现，粘性土厚度在地裂缝两侧地层中占比不同，在下盘约占44%，在上盘约占62.4%（见图6）。由于地裂缝两侧粘性土层厚度差异，导致场地深部地层的不均匀性，使地裂缝两侧释水压密变形沉降程度不同，产生差异沉降，进而加剧了地裂缝的垂向活动。

此外，利用八仙庄地面沉降监测站分层监测结果，计算得到该地区的主要沉降层的比单位变形量，结合场区内C206地下水监测孔的年水位变幅和勘察孔揭露的地层情况，计算场区内2009年地裂缝两侧的差异沉降量，计算公式如下：

图6 地裂缝两侧岩土体厚度柱状图

式中：S——地层变形量即地面沉降量

Ⅰ＇——地层的比单位变形量

H——计算土层厚度

h——水位下降值

通过计算得到，场区内在主要地下水开采层范围内，上盘2009年沉降量为6.73mm，下盘2009年沉降量为1.17mm，2009年沉降差为5.56mm，占地裂缝垂向位错量的30%。见表3。

表3 场区内差异沉降统计计算表

5 结论

（1）过量开采地下水是北京平原区产生地面沉降的主要因素，也是地裂缝活动的诱发和激化因素。开采地下水导致的不均匀沉降，加剧了北京地裂缝的垂向活动。

（2）地面沉降、地裂缝与加剧活动时间具有同步性。自1999年以来，地面沉降和地裂缝分别进入快速发展及活跃阶段；地面沉降、地裂缝在活动特征上具有相似性，且两者活动特征都与地下水位年内动态变化密切相关。

（3）北京地区地裂缝的早期活动与开采地下水引发的地面沉降无关，所以与地面沉降在起点上是不同的；此外，二者在分布范围上也存在不一致性。在平原区地面沉降最为严重的地区，如金盏、三间房、黑庄户和管庄，地裂缝发育程度低。不均匀沉降导致的地裂缝多分布在沉降区的边缘地带。

（4）通过八仙庄地面沉降监测站分层监测结果、地下水监测孔的年水位变幅和勘察孔揭露的地层情况，计算出地裂缝两侧土层不均匀沉降差占地裂缝垂向位错量的30%。

（5）要控制复合型地裂缝的快速发展，首先要限制地下水开采，特别是深层承压水的开采，控制承压水头的下降速率，使地面沉降趋于稳定，缓解地裂缝强烈活动的趋势，减轻其对城市建设的危害。

[1]北京市地质矿产勘查开发局,北京市地质研究所.北京地质灾害[M].北京:中国大地出版社,2008:195～220.

[2]杨 艳，贾三满，王海刚.北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析[J].上海地质，2010, 31(4).

[3]杨 艳，贾三满，罗 勇等.北京地面沉降工作分析及展望[J].上海地质，2012, 7(2).

[4]王海刚，杨 艳，刘明坤等.基于自动化监测的北京高丽营地裂缝活动性分析[J].上海地质，2013,34(2).

[5]徐锡伟,吴卫民,张先康等.首都圈地区地壳最新构造变动与地震[M].北京:科学出版社.

[6]郭 萌、王 荣、王海刚等，北京土沟—高丽营地裂缝成因分析[J].城市地质，2013,8(2).