第十章城市环境地质.doc

第十章 城市环境地质概述 第一节 城市的环境地质问题 一、 黄土区城市的环境地质问题 中国有数百座城镇位于黄土区，仅省会级大城市就有西安、兰州、西宁、郑州、太原等。黄土区城市地裂缝、滑坡、地基湿陷、地下水下降、水资源缺乏、水质恶化、地方病等都是常见的城市环境地质问题。 西安是一座有千年历史的大城市，千百年来未发现地裂缝问题。随着城市规模的发展，高大建筑物的增加，地下水过量开采，地表出现裂缝，严重威胁城市发展。在开展了西安城市地裂缝研究后，制定了一系列预防措施，地裂缝破坏基本消除。在下一节将详细论述。 黄土滑坡是黄土区城市特有的灾害。仅山陕北地区就有上百个滑坡威胁人类居住点，延安宝塔山也受到滑坡的威胁。著名的东乡大滑坡将一个少数民族村镇覆盖，百余人伤亡。滑坡是黄土区最重要的环境地质问题。在本章有一节详细讨论。 二、 沿河城市环境地质 由于河岸的地形特征及对河流开发常引起河岸城市受洪水、滑坡、土地盐渍化、水库诱发地震等危害。 1、 洪水威胁 古往今来洪水对沿河城市的威胁是沿河居民最为关心的大事。1999年长江特大洪水给沿江人民带来巨大损失。郑州附近的黄河河床高出两岸地面20余米，成为悬河威胁郑州市及两岸居民。因此，沿河城市的防洪环境地质问题应当对于高度重视。 2、滑坡 滑坡已成为我国长江中上游沿岸城市环境整治的重要问题。如1967年四川雅砻唐古栋崩塌性滑坡将6800万m3的岩块崩入江中形成高达175m的天然坝，堵江九昼夜，严重威胁下游城市。当时因为防患措施得力，溃坝后未造成伤亡；又如1982年7月18日四川云阳发生鸡扒子滑坡，滑坡总土石方量达1500m3，损坏耕地516692.5m2，房屋1730间，滑坡前缘建筑物全部推入长江，造成直接经济损失达560万元 3、 土地盐渍化 河水渗流，使两岸地下水位上升造成土地盐渍化。河套地区、河南兰考黄河流域、山东东营地区都受到盐渍化危害。 4、粘土胀缩 水利枢纽的修建，在河流上游河水区引起地下水位升高，造成影响区内城镇地基土膨胀，使建筑物开裂失稳。例如长江中游丹江口水电站的修建造成湖北省陨县城地基土遇水膨胀，使城内危房逐年增加，1974年严重危房有11万m2，而1982年开裂房屋已达25.9万m2，迫使该县城搬迁，造成经济损失达几千万元。广西、云南等地红粘土分布区的城市也出现这种由粘土胀缩性对建筑性造成不良影响。 5．水库诱发地震 我国目前发现水库诱发地震震例15个。例如广东新丰江水库，1962年诱发震级6.1级，烈度为Ⅷ度的地震；丹江口水库，1967年7月11日产生4.8级诱发地震等。这种人为活动的诱发地震同样会对附近城市的区域稳定性产生不良影响。同样由于城市工厂利用深孔处理废水也可引起诱发地震。 三、 滨海城市的环境地质灾害 随着城市人口增长和生产用水量的增加，许多以地下水为主要供水源的沿海城市，出现地面沉降、海水入侵和土地盐碱化等环境地质灾害。 1．地面沉降 我国东部沿海城市的地面沉降，主要是由超采地下水而引起的。例如，上海市1961年发现地面沉降，至1965年最大沉降值达2.63m；天津市目前市区沉降量已达1.6m；台北市地面沉降量为1.9m；宁波达0.5m，苏州为0.4m等等。 由于城市地面高程的损失，造成城市受海水侵袭，港口码头失效，影响航运，破坏市政建设和地下管道，引起建筑物不均匀沉降，危及市民生活和城市建设发展。 2．海水入侵 城市超采所形成的地下水降落漏斗，改变了地下水的流向，引起淡水或咸水界线内移，使城市地下水咸化，水质变坏，直接影响市民生活和生产用水。目前我国大连市、杭州市、宁波市等都存在这种环境地质问题。 四、 山区城市的环境地质问题 山区建设对山坡的开挖导致崩塌、滑坡、泥石流等大量增加，是山区城市一项重要的环境工程地质问题。例如，西北地区水土流失，泥石流等灾害严重，仅甘肃省泥石流就冲埋过县以上城市10座，其中以兰州、武都、天水较多，较为严重。泥石流可破坏房屋、工厂、道路和市政建设，有时还可直接威胁到生命安全。此外，远离海洋的山城，往往因环境中缺碘造成甲状腺病发病率高。 五、 冻土区城市环境的地质问题 东北冻土区和青藏高原上的城镇中，由于城市人工热流影响引起地基冻土融化造成建筑物不均匀沉降，还可生产热融滑坡，道路翻浆等不良地质现象。 六、 岩溶区城市环境地质问题 碳酸盐石分布区，尤其是我国西南部岩溶区城市地面塌陷问题比较突出。例如，桂林、柳州、贵阳等城市，由于开采地下水和其它经济活动常引起地面塌陷。在浙江省杭州市、江山县等城镇也都出现这种地面塌陷问题。地面塌陷直接危及建筑及的稳定性，破坏城市交通，有时还可诱发陷落地震。 第二节 西安城市地裂缝 地裂缝是西安城市建设的主要地质灾害。其具有的典型性曾引起国内外诸多科研机构和专家学者的关注，并曾先后进行了大量细致的调勘工作。本节将以西安地裂缝为例，介绍地裂缝的特征，成因及城市建设中的对策。 一、 西安地裂缝特征 1、平面分布特征 据近年来取得的勘探结果，目前西安市区附近大致存在的主要裂缝有10条（见图10-1），自北而南依次为辛家庙地裂缝（F1）、八府庄地裂缝（F2）、西郊地裂缝（F3）、西北大学地裂缝（F4）、和平门外地裂缝（F5）、秦川厂地裂缝（F6）、小塞地裂缝（F7）、大雁塔地裂缝（F8）、陕西师大地裂缝（F9）、电视塔地裂缝（F10）。10条地裂缝大致平行排列，总体走向NE70左右，彼此以0.6～1.5km的间距近似平行地展布着，与临潼-长安断裂走向一致，累积长度约75km，影响面积约200km2。 图10-1西安市区主要地裂缝分布 尤其值得注意的是，地裂缝的范围有不断向西南（即高新技术产业开发区）延伸之趋势。如陕西师大地理裂缝已延伸至潘家庄西南，大雁塔地裂缝已延伸至西丈八路、小寨地裂缝已延伸至丈八村，西北大学地裂缝已延伸至辛庄北一带，在开发区规划、建设中应引起高度重视。 2、剖面及空间特征 在垂直于地裂缝的沿垂直剖面内，地裂缝呈现出基本一致的形态。断面南倾（F9，F10有北倾），近直立，裂缝均为张性开裂，张裂隙的宽度为0.5-5cm，向下逐渐闭合。所有的探槽剖面都显示出地裂具有统一的倾滑方向，除F9及F10 西段是南升北降外，都是南降北升（见图10-2）。同时，地裂缝有随深度增加断距变大的特点，即年代越老的地层错距越大。 除此以外，西安地裂缝在剖面上向下与浅部黄土断层相连，又与深部新生界断层勾通，与基底断层下对应；在平面上与骊山南缘纬向断裂相通，与区域性纬向断裂一致。它是区域性基底断层长期蠕动在地表松散土层中的反应。与华北区晋、冀、鲁、皖、豫、苏、陕、甘、宁等九省区出现的地裂缝，在空间分布和发生时间上密切相关，说明它们都是在同一区域应力场作用下的产物。 10-2 地裂缝剖面及空间特征 二、西安地裂缝构造背景 西安处于渭河断陷盆地沉降中心地带，夹持于鄂尔多斯地场面与秦岭山脉之间，鄂尔多斯地块及秦岭的构造活动将直接影响盆地的构造形成及其特征。 新生代以来，鄂尔多斯地块和秦岭山脉不断上升、渭河盆地整体不断下沉，由于多次南北向强烈的挤压作用，主要断裂及山间小盆地清晰地展示出了东西走向的构造形迹。各断裂系断面的性质多为高角度倾角的张性断裂，呈现了先压后张的演变过程。渭河断裂系正处于纬向构造和弧形构造的复合部位，总体走向近东西向，长达300km以上，断距达1000m以上。渭河断裂系自新生代以来活动一直十分强烈，是一典型的活动断裂系。 西安市位于渭河以南15km左右的渭河二、三级阶地上，其北部为渭河断裂系的主干断裂，南临秦岭山前大断裂，东依灞河、产河、西傍皂河、沣河断裂，其东南侧有临潼-长安断裂通过，这是一个垂直形变陡变带及重力梯度密集带。西安地裂缝就是在这样的构造背景下产生的，而起主要作用的应是渭河大断裂系，其走向近东西，倾向南东，由一系列平行断裂组成。其中临潼-长安断裂走向近北东，西安地裂缝就是该断裂蠕滑运动的表现。 西安地裂缝作正断层式的运动，其上盘相对于下盘下滑。除最南边F9，和F10 地裂西段由于其北盘是上盘，呈现出南升北降的运动外，其余地裂都是南盘为上盘，呈现南降北升的运动。地裂缝活动主要表现为垂直差异沉降变形，拉张变形次之，水平扭动极小。最大活动率约56mm/a，一般为10-30mm/a。地裂活动具有年变周期，一般在13月速率较小，7-10月速率较大。大部分时间地裂缝处于相对稳定或蠕动状态，但在短时间内会突然错动产生较大的变形。 三、地面沉降诱导因素 通过对地面沉降及地质条件的深入研究发现，地面沉降与地裂缝有着密切的关系。地裂缝活动于1959年开始被发现，而地面沉降也始于1959年，1976年地面沉降加速，地裂缝也大规模发育，而且地裂缝依地面沉降槽的发展而扩张，活动强烈的地裂缝均分布于沉降区。地裂缝与地面没沉降都具有蠕变特征，都经历了孕育、发生和加强等缓慢的发展过程，二者的步调几乎完全一致，活动性都以每年第三季度速率最大。 在地层介质上，西安地区广泛分布有厚层黄土。黄土为一种特殊土，不仅具有遇水湿陷的特性，而且具垂直裂隙发育的特点。出露地表的黄土层可到明显的垂直裂隙，当受力时不同深度的垂直裂隙易于贯通形成统一的裂缝。地下的黄土层受围压作用，垂直裂隙不发育，但是只要条件成熟，垂直裂隙极易形成并贯通。因此，垂直裂隙发育的黄土层构成了地裂缝活动极好的地层介质基础（李新生等，1999）。 西安市位于渭河盆地西安断陷中心的东南隅，从新生代以来就持续下沉（这在西安及邻区的地面形变场中得到反映），但从其外围咸阳临潼长安所围的三角区看，其年变率只差2-6m；若按此平均沉降率估计，其区域构造沉降运动只能使西安市每年至多下沉5mm左右。然而，1970年以来西安沉降区域地面平均沉降速率已达100mm/a，且新的沉降中心还在形成，沉降速率逐年增加，但下沉区域的边界仍基本囿于西安市内，总面积200km2。这是由于自20世纪70年代以来西安城市建设不断发展，人口增加而大量开采100-300m深的承压水，到1997年底全市累计开采承压水深井超过500眼，导致开采总量大大超过地下水补给量，承压水位大幅下降（年均下降幅度3-6m），形成了区域下降漏斗。加之西安地区湿陷性黄土的特点，地裂缝带在雨季大量出现并加速扩展。过量抽水的人为因素导致地裂缝灾害进一步扩大。 为了预防损失，陕西省建设厅于1988年曾组织制定了西安地裂缝场地勘探与工程设计规范（陕西省标准DBJ24-6-88）。定出了建筑物避开主地裂的安全距离。此后，在勘察设计中较为重视地裂缝因素，地裂缝灾害造成的损失也大大减少。2000年关停了由机关单位钻采的水井，缓解了地下水位下降趋势。这一措施将有利于西安城市地面的稳定。 第三节 海岸城市地面沉降 区域性地面沉降沿海城市遇到的主要环境地质问题之一。目前我国沿海城市天津、上海、宁波、湛江都发生了地面沉降，世界上美、日、意、墨等国随着地下水抽汲量的增大，地面沉降也日趋严重。 地面沉降主要是由人类工程-经济活动等人为因素，引起地下水活动所致。它多发生在滨海厚软土中，是强烈抽汲地下水的结果，属外生型隐性灾害，其空间分布则位于地表以下一定深度。极易遭受风暴潮侵袭和海水倒灌淹没，潜水位抬高，出现土壤盐渍化，咸淡水混合，水质污染等严重次生环境地质问题。 一、 产生地面沉降的主要原因 产生地面沉降原因有以下几个方面 （1）大量开采地下水、地下水溶性气体或石油等活动，是造成大幅度、急剧地面沉降的最主要原因； （2）开采地下固体矿床特别是沉积矿床，如煤矿、铁矿，将形成大面积的地下采空区，导致地面变形（下沉）； （3）建筑物对地基施加的静荷载，使地基土体发生变形； （4）即使是在低荷载的持续作用下，土体的蠕变也可引起地基上的缓慢变形。地面上的动荷载（振动作用）在一定条件下也将引起土体的压密变形。 （5）构造运动引起的地壳下沉。 二、 天津市的地面沉降问题及对策 天津沿海地势低洼平缓，地面标高0.52.5m，塘沽区平均地面标高1.4m，东大沽沿岸0. 51.0m。近30年来，由于工业及生活用水过量集中开采地下水，产生地下水降落漏斗，在塘沽镇、汉沽镇及军粮城已形成三个沉降漏斗中心。1959年至1985年间，塘沽最大累计沉降达2.450mm，汉沽最大沉降量达2173mm。沿海地面沉降趋势比市区严重，塘沽地面沉降率及沉降量占全国首位，沉降漏斗中心深度为-1092mm。滨海地面标高进一步损失，易遭受弱风暴潮的侵袭，海水倒灌淹没，引起潜水位抬高，土壤盐渍化加重，咸淡水混合，水质恶化污染，造成严重的环境工程地质和环境水文地质问题。近年由于采取了有效措施，地面沉降初步有所缓解， （一） 天津沿海地面沉降的原因 1、过度采水 根据多年现场观测及长期观测资料综合分析，主要由于过度开采地下水，引起地面沉降漏斗的形成。人为过量集中开采地下水是引起地面沉降的主要原因。 2、新构造活动下沉作用 天津地区有构造沉降速率约34mm/a；巨厚沉积物的自然压密作用，估算沉 降速率约1.5mm/a左右，以及世界海平面上升，近50年来上升速率约1.41.5mm/a。构造下沉、沉积压密及海平面上升等自然因素，短期内下沉幅度小，但长期累计不容忽视。 （二）、防治沿海地面沉降的主要对策 （1）制定大幅度压缩地下开采的有效措施 根据海岸水文地质条件，研究地下水动态规律；分析历年主要井孔开采量与地面沉降率的相关性，计算合理的控制开采量；调整含水层开采层次，关闭沉降严重的井孔，使地面下沉得以缓解。 （2）进行大面积有效的人工回灌，提高地下水位是控制地面沉降的关键措施。要解决汛期短，地表水集中，而粘土层吸水性慢，回灌困难等问题， （3）有计划地逐步用地表水代替地下水 开发引进外地水资源，是解决天津市淡水短缺的根本措施，也是缓解地面沉降的重要途径。充分利用沿海洼地修建平原水库，拦蓄海河流域下游洪水，是解决沿海经济开发工业和生活用水的主要对策。 第四节 岩溶地面塌陷 岩溶地面塌陷系指覆盖在可溶性岩层（碳酸盐岩系为主）以上的疏松土层所产生的变形破坏（包括土体的下沉、开裂和塌陷）。碳酸盐岩系分布在我国十分广泛，面积约200多万km2，约占我国总面积的1/4。碳酸盐岩地区的塌陷的危害性极大，常常破坏大量农田、水利设施、矿山公路、铁路，引起房屋开裂、倒塌，地表水通过塌陷区大量涌入矿坑，大大恶化矿区水文地质条件。岩溶塌陷是我国岩溶发育分布地区常见而特有的环境地质问题。岩溶塌陷问题应当引起人们普遍的关注。 一、 岩溶地面塌陷主要原因 1、地下岩溶洞抽水 岩溶充水矿床疏干及岩溶地下水供水是引起的塌陷的主要原因，靠近抽水孔近处塌陷密集，规模及强度大，最密处达405个/km2（贵州省六盘水市），较远处稀疏。陷落坑多呈竖井状，底部见到基岩和地下水，直径最大者达16m，最深者达14.2m。 2、 上覆建筑物荷载过度 岩溶区当上覆盖层较薄时，如果上覆建筑物荷载过度容易引起塌陷。 3、覆盖层有关 塌陷与上覆盖层厚度有关，盖层越薄，塌陷点越多，越厚则越少，覆盖层厚度大于18m时很少产生塌陷。 其他，如降雨过多，岩洞上部土层湿陷也是造成塌陷的原因。 二、 岩溶地面塌陷机制 塌陷的发育过程可分为三个阶段 1．塌陷的初期变形阶段 这是由于抽汲地下水使水位下降，土孔隙中水气发生转移，引起土孔隙体积的减少造成土的压密，形成地面下沉。随着地下水位不断下降，土的压缩变形愈显著，在沉降带的边缘，由于土的剪切破坏沿破裂面发育有剪切裂隙，尤其正常固结粘土在剪切过程中要发生收缩，这些剪切裂隙由于土的进一步压缩及地下水的楔入作用而扩展形成地表的环状开裂。 2．隐伏土洞的发育形成阶段 由于地下水流对土体的不断潜蚀、冲蚀及其它破坏作用，引起土体的破坏、流失，被掏空而形成的。这是塌陷的重要阶段，隐伏土洞潜在危害性值得注意，它往往突然给人们带来意想不到的灾难。在黄土区也时常发生此类塌陷。 3．塌陷的形成阶段 由于隐伏土洞底部继续受到地下水流的破坏，土洞进一步扩展，当土洞顶部土体较薄，土体强度不足以抵坑土的自重而引起塌陷；或是由于降雨或农田灌溉时，地表水入渗起软化作用，使土洞顶部土体失稳引起塌陷；或是由于大暴雨或管理不善使岩溶地下水位突然猛烈回升产生气爆，引起塌陷。 塌陷危险区是可以预测的。从形成机制上看，由抽水引起的塌隐属重力-潜蚀型盖层塌陷，其产生的地貌部位往往是地下发育有溶隙、充填落水洞或溶洞的洼地和谷地之中。根据以上的形成机制和条件，在进行调查的基础上就可进行塌陷区的预测和划分，在危险区内应严格禁止过量开采地下水。 第五节 滑坡及防治滑坡的主要工程措施 一、 滑坡 （需要新文献） 二、 防治滑坡的主要工程措施 在我国防治滑坡的工程措施有以下三类 1．消除或减轻水的危害 （1）排除地表水 排除地表水是整治滑坡不可缺少的辅助措施，而且应是首先采取并长期运用的措施。其目的在于拦截、旁引滑坡的地表水，避免地表水流入滑坡区；或将滑坡范围内的雨水及泉水尽快排除，阻止雨水、泉水进入滑坡体内。主要工程措施有设置滑坡体外截水沟；滑坡体上地表排水沟；引泉工程；做好滑坡区的绿化工作等。 （2）排除地下水 对于地下水，可疏而不可堵。其主要工程措施有截水盲沟用于拦截和旁引滑坡外围的地下水；支撑盲沟兼具排水和支撑作用；仰斜孔群用于近水平的钻孔把地下水引出；此外还有盲洞、渗管、渗井、垂直钻孔等排除体内地下水的工程措施。 （3）防止河水、库水对滑坡体坡脚的冲刷 主要工程措施有在滑坡前缘抛石、铺设石笼，修筑钢筋混凝土块排管，以使坡脚的土体免受河水冲刷；在滑坡上游严重冲刷地段修筑促使主流偏向对岸的“J”坝。 2．改变滑坡体外形，设置抗滑建筑物 （1）消坡减重 常用于治理处于“头重脚轻”状态而在前方又没有可靠抗滑地段的滑体，使滑体外形改善，重心降低，从而提高滑体稳定性。 （2）修筑支挡工程 因失去支撑而引起滑动的滑坡，或滑坡床陡、滑动可能较快的滑坡，采用修筑支挡工程的办法，可增加滑坡的重力平衡条件，使滑体迅速恢复稳定。支挡建筑种类有抗滑片石垛、抗滑桩、抗滑挡墙等。 3．改善滑动带土石性质 一般采用焙烧法、爆破灌法等物理化学方法对滑坡进行整治。 由于滑坡成因复杂、影响因素多，因此常常需要上述几种方法同时使用，综合治理，方能达到目的。 第十章 思考题 1. 简述不同地质背静城市的环境地质问题。 2.防治滑坡的主要工程措施。 3. 产生地面沉降的主要原因，防治地面沉降的主要对策 150