规划阶段对基础设施的地面沉降灾害风险评估

　　国内外地质灾害的研究历史久远，但有关地质灾害风险的研究仅是近几十年才兴起的一个新的领域，虽然有关理论和方法迅速发展且日益丰富，但迄今尚没有形成完整的体系。地面沉降作为一种地质灾害，其对基础设施影响的机理、沉降控制指标、工程对策、对不同种类基础设施影响的分析与评价方法一直是学术界和工程界最为关注的问题，但由于问题的复杂性，长期以来国内外相关研究成果较少。

　　为指导地质灾害的评估工作，国土资源部及北京、上海、天津、重庆、浙江、江苏等地区出台了地质灾害危险性评价的技术标准。通过对评估工作的分析可知，目前地面沉降灾害的危险性评估方法往往主要考虑地面沉降自身的发育程度，即使是目前考虑因素相对全面的北京地方标准，其灾情（危害程度）往往也是针对区域性的宏观指标，考虑灾害引起的人员的伤亡数量以及对经济的损失，并不考虑具体灾种的致灾机理以及其对具体设施的影响，没有考虑不同基础设施自身对地面沉降的敏感性和其重要性差别，因此对具体工程项目或基础设施的规划与设计指导性不强。

　　本文在分析和比较当前地面沉降灾害危险性评估方法的基础上，分析了现有地面沉降灾害危险性评估方法在分析地面沉降对基础设施影响上的不足，并提出了在规划阶段针对不同基础设施的地面沉降灾害风险评估方法。

　　1 地面沉降风险评估研究概述

　　我国学者对地面沉降风险评估进行了大量的理论与实践探索：论述了地质灾害风险评估的理论基础与评估体系，并提出了地质灾害危险性评估、易损性评估、破坏损失评估和防治效益评估的基本方法[1]；运用模糊综合评判法对沧州市地面沉降进行了风险性评价和风险区划[2,3]；从地面沉降总体风险和地区差异水平出发，提出构建地面沉降风险评价模型及决策支持系统的初步研究思路和方法[4]；以累计地面沉降量及近几年地面沉降速率进行地面沉降灾害危险性分区，以人口密度和单位面积GDP为指标进行易损性分析，以水准测量里程数和地下水压采量考虑防灾减灾能力，采用GIS空间分析方法将危险性分区图、易损性分区图和防灾减灾能力分区图进行叠加分析，对天津市滨海地区地面沉降灾害风险进行了分区[5]；采用改进的模糊层次分析法以MAPGIS为基础平台对上海地面沉降进行风险评价[6]；提出了区域地质灾害评价预警的“四度”递进分析法，采用层次分析法建立区域地质灾害评价预警因子体系，建立地质灾害的发育度、潜势度、危险度、危害度的“四度”概念模型和数学模型，最后基于GIS空间分析方法编制区域地质灾害“四度”区划图[7]；采用易发性、危险性及易损性三大要素进行地面沉降风险评价[8]。

　　2 现有评估技术标准及其对比

　　1999年3月2日国土资源部颁布《建设用地审查报批管理办法》（国土资源部1999年3号令）及《地质灾害防治管理办法》（国土资源部1999年4号令），明确规定建设项目的用地申请应先进行地质灾害危险性评估。同年11月1日发布《关于实行建设用地地质灾害危险性评估的通知》（国土资发[1999]392号文）及《建设用地地质灾害危险性评估技术要求（试行）》，成为全国开展地质灾害评估工作的重要技术准则。2003年11月24日国务院颁布《地质灾害防治条例》（国务院2003年第394号令），对全国地质灾害防治工作提出了明确要求。

　　2004年国土资源部制定并发布了中华人民共和国地质矿产行业标准《建设用地地质灾害危险性评估技术要求》（DZ 0245-2004），是目前进行地质灾害危险性评估的技术标准。该标准目前正在修订，本文参考了2013年6月其修订征求意见稿。

　　在相关政策文件与规范的指导下，部分省市结合本地实际提出了包含地面沉降在内的地质灾害危险性评估的具体工作要求与技术标准。

　　各地相关的技术规程既有共性也有差异：

　　（1）在危险性评估中，考虑的因素包括4类：累计沉降量、沉降速率、沉降区面积、灾害后果，一般采用其中两个或三个指标进行评估。

　　（2）具体指标分级差别很大，例如针对现状发育程度中的沉降速率分级，上海的技术规程中，大于10mm/a即为“大”，而北京则小于30mm/a均为“小”。这说明不同地区均考虑具体实际（包括地质条件、经济水平、地面沉降发展的现状与趋势等），但从一个侧面也说明目前对地面沉降灾害的具体分级尚无统一标准。

　　（3）在进行发育程度分析时，个别标准仅考虑地面沉降速率、累计沉降量二者之一，可能的原因是此指标其实并不完全独立。

　　（4）北京地区的标准是2012年最新编制的，考虑因素比较全面，特别是引入了比较明确的灾情（危害程度）指标，量化考虑地质灾害带来的人员和经济损失。但可能涉及大量的调查和资料的搜集，增大了工作量和难度。

　　3 地面沉降对基础设施影响的风险评估方法

　　上述技术标准没有考虑不同基础设施自身对地面沉降的敏感性和其重要性差别，在城市规划阶段分析地面沉降对基础设施的影响存在一定的局限性。本文基于工程风险管理的基本思路，建立规划阶段地面沉降对基础设施影响的风险评估方法。由于在规划阶段一般尚缺乏具体的工程设计、场区的地质资料等，因此建立的评估方法力求简便，以便于实际应用。

　　3.1 多目标地面沉降风险层次分析法

　　在工程风险的分析和评价方法中，层次分析方法模型简单，计算量小，应用也比较成熟[9]，因此本项目采用层次分析法的基本原理，结合地面沉降和基础设施的具体条件，建立基础设施在地面沉降影响下的风险规划评估方法。

　　当评估对象（如地铁、公路、桥梁等）确定后，该对象的地面沉降风险的评价因子一般需要考虑地下水位变化、工程地质条件（土的可压缩性、渗透性、覆盖层厚度）等等，体系建立如图1。

    根据传统的层次分析法，首先确定各个因子的权重及其具体分值，然后按照公式（1）计算风险评价分值。实际上，当评估对象、评估内容（地面沉降风险）都确定时，可以采用更为明确的指标和更为直接的方法确定风险评价分值。

　　式中：Is为风险分析得分结果，n为参评准则层中元素总数，m为隶属于准则层中第i个元素的参评因子总数，ωi′为准则层中第i个元素的权重，ωij″为隶属于准则层中第i个元素下的第j个因子的权重，Xj为隶属于准则层中第i个元素下的第j个因子的分值。

　　通过研究发现，地面沉降速率与上述各个因子相关，且是上述各个因子具体取值、权重的一个最终的综合体现。压缩层的总沉降为：

　　从式（2）（3）可见，最终计算的某一个年度的地面沉降（即该年度沉降速率）直接与地层的压缩性、地层的渗透性、地层孔隙率、地层的容重、地层的厚度以及地下水位的变化等因素有关，因此沉降速率可以视为风险评价结果的得分Is。

　　3.2 规划阶段各类基础设施风险分级评价标准

　　通对各类基础设施变形控制标准的对比分析，将其对地面沉降的敏感性及其重要性，综合考虑划分为3大类。

　　第一类为对地面沉降变化很敏感的重要基础设施，，在地面沉降影响下容易发生损坏且后果严重，如地铁、高速铁路、输气管线、输油管线等；第二类为对地面沉降变化较为敏感的重要基础设施，一旦损坏后果较为严重，如一般铁路、高速公路、输水管线、供热管线等；第三类为对地面沉降敏感性一般的设施，在地面沉降影响下一般不会丧失功能，如单体建筑、一级以下等级公路、电力管线、通讯管线等。

　　如前所述，地面沉降速率的大小反映了单位时间内地面沉降发育的强烈程度，一般来说地面沉降速率越大，产生的差异沉降往往也越大。基础设施的变形与损坏和差异沉降关系密切，差异沉降越大，基础设施变形损坏的风险也越大。所以，地面沉降对各类基础设施影响的风险大小划分采用《北京市地质灾害危险性评估技术规范》中对地面沉降发育程度的划分标准，采用沉降速率指标将地面沉降的发育程度划分为弱中强三类，当其小于10mm/a时可以忽略地面沉降的影响。

　　基于上述基础设施类型的分类与平均沉降速率的划分两个指标，提出了各类基础风险分级评价标准（表1）。针对不同等级的风险，应采用不同的风险处置原则和控制方案。

　　3.3 规划阶段地面沉降风险评估流程

　　规划阶段地面沉降风险评估内容包括评估区规划方案的搜集整理以及基础设施类型的划分，评估区的地面沉降历史及发育特征，地面沉降的预测，规划方案的风险分析，提出评估结论与风险处置方案。规划阶段地面沉降风险评估流程如图2所示。

　　4 地面沉降对地铁规划建设的影响分析

　　4.1 工程概况

　　本文以北京东部地区某规划地铁线建设为例，分析所在区域内地面沉降对地铁的影响。该区域内分布有北京5大沉降区之一的东八里庄—大郊亭沉降中心，该沉降区形成于上世纪60年代。根据监测结果，该沉降区呈现出地面沉降区范围扩大、沉降速率加快、沉降中心向东向南发展的趋势，可能对区域内的基础设施构成不利影响。

　　4.2 评估结论

　　根据基础设施的分类标准（表1），地铁属于一类设施。根据地面沉降计算结果，得到未来5年内该区域的沉降速率分布情况（图3）。根据基础设施地面沉降影响风险分级评价标准，对地铁线的风险等级进行了划分（图4）。根据评估结果，该地铁线的地面沉降影响风险等级从西向东依次增大，分别为Ⅲ级风险、Ⅱ级风险和Ⅰ级风险。

　　对于II级以上风险的区段，建议在设计阶段结合结构的具体设计条件，进行详细的评估工作，根据具体评估结果，提出相应的工程控制措施。

　　5 结语

　　目前，地面沉降灾害的危险性评估往往主要考虑地面沉降自身的发育程度以及一些区域性的宏观指标，对具体工程项目或基础设施的规划与设计指导性不强。本文根据础设施的重要性及其对地面沉降的敏感性，给出不同沉降速率下的风险等级，以指导城市规划阶段工程项目选址或选线。

　　对于在规划评估阶段风险较高的工程应在其设计阶段进行专门的详细评估，针对不同结构的具体设计条件，分析结构抵抗变形能力，使建设工程受地面沉降影响的风险评估有更加符合实际，从而提出更加具体而有针对性的设计和施工措施。

　　参考文献(References)

　　[1] 罗元华,张梁,张业成. 地质灾害风险评估方法[M]. 北京:地质出版杜, 1998.Luo Y H, Zhang L, Zhang Y C. Risk assessment methods ofgeological disaster[M]. Beijing: Geological Publishing House,1998.

　　[2] 李伟,杨旭东,马学军,等. 模糊评判法在沧州市地面沉降灾害危险性评价中的应用[J]. 勘察科学技术,2006,(6):39-44.Li W, Yang X D, Ma X J, et al. Application of fuzzy evaluationmethod for ground settlement[J]. Site Investigation Science andTechnology, 2006,(6):39-44.