寧波市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 趙團(tuán)芝 侯艷聲 胡新鋒

寧波市地面沉降管理區(qū)劃及防治對(duì)策研究

寧波市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 趙團(tuán)芝 侯艷聲 胡新鋒

一、引言

地面沉降是緩變型地質(zhì)災(zāi)害，涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域，可造成城市重力排污失效，地區(qū)防洪防汛效能降低，城市建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用劇增，管道、鐵路斷裂，建筑物開裂，威脅城市安全。我國(guó)地面沉降較嚴(yán)重的有上海、天津、蘇州、西安、寧波、常州等50多個(gè)城市，造成的經(jīng)濟(jì)損失僅長(zhǎng)江三角洲地區(qū)高達(dá)4000億元，成為沿海城市主要的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，長(zhǎng)期威脅著城市的建設(shè)和發(fā)展。

寧波地處濱海軟土地區(qū)，屬于典型的豐水型缺水城市。過(guò)去不合理地開采地下水資源，形成了以和豐創(chuàng)意廣場(chǎng)（原和豐紗廠）為中心的地面沉降漏斗區(qū)。2008年底，中心城區(qū)實(shí)施地下水禁采措施后，地面沉降速率得到有效控制。但在城市化快速推進(jìn)中，出現(xiàn)了多個(gè)沉降漏斗區(qū)，并有擴(kuò)大連片的趨勢(shì)，工程建設(shè)的地面沉降效應(yīng)逐漸凸顯。嚴(yán)學(xué)新、唐益群等研究了在地下水開采條件下密集建筑群誘發(fā)地面沉降的規(guī)律和機(jī)理，提出了防治地面沉降的合理化建議與措施。本文主要探討在地下水零開采條件下工程性地面沉降的發(fā)育規(guī)律，參照地面沉降管理危險(xiǎn)性、風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃成果，提出具體的地面沉降管控措施，為保護(hù)地質(zhì)環(huán)境、科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

二、地質(zhì)環(huán)境條件概述

（一）第四系地層結(jié)構(gòu)

第四系發(fā)育一套復(fù)雜的陸相、海陸交互相沉積物，市區(qū)一帶厚度約90米，向?yàn)I海遞增至120米。50米以下為陸相堆積，以沖積砂、砂礫與沖湖積粘性土互層，構(gòu)成了粗細(xì)相間的地層結(jié)構(gòu)；50米以淺地層，是海相與陸相粘性土互層，構(gòu)成軟硬土相間的地層結(jié)構(gòu)。

（二）軟土的工程地質(zhì)性質(zhì)

寧波平原軟土層分布廣，厚度大，埋深淺。淺部軟土層主要是①2層（mQ43）、②2、②3層（mQ42）和③2（mQ41）層，土質(zhì)主要為淤泥、淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，根據(jù)其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，寧波軟土主要呈現(xiàn)高天然含水率、高壓縮性、低抗剪性、低滲透性等特點(diǎn)。因此，寧波平原地質(zhì)環(huán)境條件十分敏感和脆弱。

三、工程性地面沉降特征分析

（一）第一軟土層沉降比

寧波市地面沉降監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示， 2009年、2010年和2013年第一軟土層沉降量占總體沉降量的93.7%、98.4%和90.9%，與該中心鄰近的和豐創(chuàng)意廣場(chǎng)、銀億東岸住宅樓相繼于2009年底、2013年開始基坑工程施工。無(wú)論是從空間上、時(shí)間上，基坑工程建設(shè)周期與第一軟土層沉降比顯著增加有極為密切的關(guān)系。

（二）地面沉降與建筑容積率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在現(xiàn)狀和未來(lái)城市中，高層建筑以及密集建筑群建設(shè)的荷載特征主要反映在建筑容積率上。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在建筑容積率出現(xiàn)峰值部位，累積沉降量、沉降速率均出現(xiàn)峰值，說(shuō)明累積沉降量、沉降速率與建筑容積率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（三）工程性地面沉降發(fā)育規(guī)律

按照不同圍護(hù)形式，選取擬建與在建的典型基坑工程，開展專項(xiàng)地面沉降監(jiān)測(cè)，繪制地面沉降曲線?？拷ёo(hù)結(jié)構(gòu)處的地表沉降量約為0.3-0.6倍He(開挖深度)；從基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)至1-1.5倍He處，沉降量明顯逐漸增大,達(dá)到最大值；在1.5-3倍He處，沉降量急劇減??；在3倍He以外，基坑周邊沉降量減小的趨勢(shì)不變或變緩。大部分基坑的最大沉降量均發(fā)生在1-2倍He范圍內(nèi)，主要集中在1.5倍He左右。根據(jù)沉降曲線趨勢(shì)外推判斷，基坑的地面沉降效應(yīng)主要影響范圍為6.0倍He。

注：橫坐標(biāo)D/He：D表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離，He表示基坑開挖深度；縱坐標(biāo)δv/δvmax：δv為監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量，δvmax表示所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降量。

四、地面沉降控制管理區(qū)劃

（一）現(xiàn)狀城市沉降危險(xiǎn)性區(qū)劃

1.指標(biāo)量化

選取累積沉降量和沉降速率作為地面沉降危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照預(yù)定分級(jí)數(shù)進(jìn)行指標(biāo)分段，分段賦值見表1。

表1 地面沉降危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化取值表

2.危險(xiǎn)性指數(shù)計(jì)算

根據(jù)累積沉降量和沉降速率計(jì)算地面沉降危險(xiǎn)性指數(shù)：

式中：Zp為現(xiàn)狀城市地面沉降危險(xiǎn)性指數(shù)；Zq為累積沉降量因子的量化值；Kq為累積沉降量因子的權(quán)重系數(shù)；Zs沉降速率因子的量化值，Ks為沉降速率因子的權(quán)重系數(shù)。

將沉降危險(xiǎn)性指數(shù)由高到低排序生成曲線，根據(jù)曲線分布規(guī)律評(píng)定地面沉降危險(xiǎn)性等級(jí)，劃標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 地面沉降危險(xiǎn)性區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

按下式計(jì)算各危險(xiǎn)性分區(qū)面密度：

式中： Tijk為i因子j水平在k區(qū)段下的面密度，i=1為累積沉降量，i=2為沉降速率，j=1-5為i因子的5個(gè)水平數(shù)，k為某評(píng)價(jià)區(qū)塊的編號(hào)（由多個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)格組成）；Nijk為i因子j水平在k區(qū)段下發(fā)生地面沉降的網(wǎng)格數(shù)； Mijk為評(píng)價(jià)區(qū)段包含的網(wǎng)格數(shù)。

3.危險(xiǎn)性區(qū)劃分析

根據(jù)寧波地面沉降現(xiàn)狀特征，沉降速率主要反映了地下水停采后工程性地面沉降發(fā)展趨勢(shì)，累積沉降量反映了地下水開采和工程建設(shè)引起的地面沉降歷史，重點(diǎn)考慮Kq=0.3， Ks=0.7的模式作為危險(xiǎn)性區(qū)劃的依據(jù)。將所計(jì)算所得的危險(xiǎn)性指數(shù)與評(píng)價(jià)單元網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)應(yīng)，形成網(wǎng)格圖形的屬性數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，不同分區(qū)賦以不同的顏色，形成危險(xiǎn)性區(qū)劃圖，同時(shí)給出地面沉降危險(xiǎn)性分區(qū)的分布面積及面密度。見圖3及表3。

表3 地面沉降危險(xiǎn)區(qū)面積及面密度統(tǒng)計(jì)

圖3 寧波市區(qū)地面沉降危險(xiǎn)性分區(qū)圖（Kq=0.3， Ks=0.7）

（二）地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃

1.指標(biāo)量化

參照天津、滄州、北京地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及羅元華等編寫的《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法》，選取累積沉降量、沉降速率、第I軟土層厚度作為危險(xiǎn)性因素評(píng)價(jià)因子，建筑容積率作為易損性因素評(píng)價(jià)因子，分段賦值見表4。

表4 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化取值表

1.風(fēng)險(xiǎn)性指數(shù)計(jì)算

采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法，綜合考慮各因子對(duì)總體對(duì)象的影響程度，用風(fēng)險(xiǎn)性指數(shù)集中表示整個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣，其計(jì)算公式為：

式中：K為各評(píng)價(jià)因子總分值；ωi為 第i個(gè)因子權(quán)重；Zi為 第i個(gè)因子分值；n為評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)。

根據(jù)各評(píng)價(jià)因子總分值，將地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性等級(jí)劃分5級(jí)?；诔鞘蟹篮榭紤]，在寧波城區(qū)三江六岸設(shè)置100米緩沖區(qū)，將原有風(fēng)險(xiǎn)性等級(jí)提高一級(jí)。具體見表5。

表5 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

2.風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃分析

采用GIS軟件配準(zhǔn)第I軟土層厚度等值線圖和建筑容積率分區(qū)圖，將矢量化的第I軟土層厚度等值線圖、建筑容積率分區(qū)圖、累積沉降量及沉降速率圖件轉(zhuǎn)換為柵格圖，權(quán)重疊加分析生成分區(qū)柵格圖，最終優(yōu)化為風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃圖。見圖4、表6。

圖4 寧波市區(qū)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃圖

表6 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積及面密度統(tǒng)計(jì)

IV區(qū)主要分布在天童北路、嵩江路交叉口附近及江南路、院士路交叉口東南側(cè)，此區(qū)域累積沉降量、沉降速率、建筑容積率均較大；還有一部分分布在沿江區(qū)域，此區(qū)對(duì)于地面沉降控制要求較高。III區(qū)主要分布在四個(gè)區(qū)塊，第一區(qū)塊位于兩個(gè)江的交匯處，此區(qū)域建筑容積率較大；第二區(qū)塊位于杭甬高速、奉化江、鄞縣大道、世紀(jì)大道包圍區(qū)域，此區(qū)域累積沉降量、沉降速率均較大；第三區(qū)塊位于甬江、中興路、杭甬高速、世紀(jì)大道包圍區(qū)域及世紀(jì)大道以西，此區(qū)域沉降速率、第I軟土層厚度較大；第四區(qū)塊主要分布在部分沿江區(qū)域，此區(qū)對(duì)于地面沉降控制要求較高。其余均為II區(qū)，主要分布在中心城區(qū)的西南側(cè)及東北角。其中西南側(cè)累積沉降量、沉降速率、建筑容積率、第I軟土層厚度均較小，東北角第I軟土層厚度較大，其余均較小。

五、工程性地面沉降防治對(duì)策

地面沉降災(zāi)害涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域，其防治工作是一項(xiàng)專業(yè)性、綜合性和基礎(chǔ)性事業(yè)。要綜合運(yùn)用行政和技術(shù)管理手段，通過(guò)科技帶動(dòng)控沉理念、防治方法、監(jiān)管應(yīng)用等全面進(jìn)步，將工程性地面沉降速率控制在合理的范圍內(nèi)，促進(jìn)城市建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

（一）開展專項(xiàng)沉降監(jiān)測(cè)

按照地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，在重要城市功能區(qū)或重大工程建設(shè)周邊區(qū)域，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，開展專項(xiàng)地面沉降監(jiān)測(cè)工作，提高監(jiān)測(cè)頻率和精度，客觀地反映工程性地面沉降發(fā)育規(guī)律，為工程性地面沉降理論研究及防控措施提出提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（二）加強(qiáng)實(shí)地調(diào)查評(píng)價(jià)

通過(guò)地面沉降調(diào)查，進(jìn)一步查清主要沉降區(qū)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件、地層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)特性，掌握各類工程性地面沉降類型及沉降跡象，查明工程性地面沉降的主要影響因素、分布范圍及發(fā)育趨勢(shì)，分析評(píng)價(jià)工程性地面沉降引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)及對(duì)已有建構(gòu)筑物的影響，開展地面沉降災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估，為進(jìn)一步分析研究寧波市工程性地面沉降提供詳實(shí)的基礎(chǔ)資料。

（三）注重技術(shù)理論研究

重點(diǎn)研究城市密集高層建筑群、深基坑、軌道交通盾構(gòu)法施工、高架道路、越江大橋等工程，分析各類工程建設(shè)引發(fā)地面沉降的影響因素，建立沉降模型，探討沉降機(jī)理和發(fā)育規(guī)律。深入開展淺部軟土層和深部硬土層的變形特征與規(guī)律研究，明確提出工程性地面沉降在區(qū)域性地面沉降中所占比例，為科學(xué)防控工程性地面沉降提供理論依據(jù)。

（四）創(chuàng)新防治技術(shù)措施

根據(jù)地面沉降危險(xiǎn)性、風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果，對(duì)不同分區(qū)采用不同的地面沉降控制指標(biāo)，有針對(duì)性的防控地面沉降。通過(guò)沉降控制指標(biāo)促使施工單位采用科學(xué)的施工方法和措施預(yù)防和減少工程性地面沉降發(fā)生。對(duì)涉及降排地下水的基坑工程，應(yīng)采取加深止水帷幕、坑外設(shè)置回灌井等措施，合理控制地下水位的下降及其影響范圍，控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展。

（五）提升管理信息化水平

搜集和整理與地面沉降相關(guān)的城市地質(zhì)、城市發(fā)展規(guī)劃、城市防災(zāi)減災(zāi)等數(shù)據(jù)資料與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，建立地面沉降數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)地面沉降成果資料進(jìn)行有效管理。研究考慮抽水和建筑荷載雙重作用下地面沉降全耦合模型，建立基于三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的地面沉降預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面沉降動(dòng)態(tài)模擬、分析與評(píng)價(jià)，充分發(fā)揮信息系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，做好地面沉降信息的發(fā)布，為地面沉降防治提供數(shù)據(jù)平臺(tái)。

（六）推進(jìn)管理法制化建設(shè)

盡快制定并頒布實(shí)施寧波市地面沉降管理相關(guān)辦法，從法規(guī)制度層面，進(jìn)一步明確專項(xiàng)規(guī)劃編制、組織機(jī)構(gòu)成立、專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)落實(shí)等，把地面沉降綜合防治工作納入整個(gè)城市防災(zāi)減災(zāi)工作體系中，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資源開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和諧統(tǒng)一。