城市地质环境因素分析及评价

城镇功能用地的布设同地质环境组成要素之间有着相互作用的关系:一方面,城镇地质环境组成要素的状况影响着城镇建筑物的安全与稳定;另一方面,城镇建筑物的布设施工与使用也不可避免地影响到城镇的地质环境,甚至会导致地质环境问题的出现。城镇地质环境是一个综合性强、相关因素极多的动态系统,在考虑城镇地质环境系统的这种复杂性及其开放性的基础上,基于地质环境条件,系统总结了与城镇所有用地类型存在相互关系的地质环境要素及其因子。

1.气象气候

气象气候条件对城镇规划与建设有多方面的影响,特别在城镇总体布局,城镇功能分区和工业区的总平面布置及为居民创造适宜的生活环境、防止环境污染与噪声干扰等方面,关系十分密切。在进行某一地区的地质环境评价时需要考虑气象因素,相应的评价因子包括光照、气温、降雨量、气候分区、风力、风向、大气质量与干燥度等。

(1)城镇风向位置:风向决定大气污染物的输送方向,风速则决定大气污染物的扩散稀释速度,特别是近地(200m以下)风向、风速的变化直接影响空气污染的聚散及各处的浓度分布。在此引用了“城镇风向位置”这个概念,指城镇各功能用地的布设与城镇的主风向之间的方位关系。城镇规划中应将向大气排放有害物质的工业布置在污染系数最小方位或最大风速的下风方向,居住区则应在污染系数最大方位或最大风速的上风方向。

(2)干燥度(湿润指数):降水量与可能蒸发量之比称为干燥度,可能蒸发量与降水量之比称为湿润指数或湿润度,湿润指数和干燥度互为倒数,这样既考虑到水分收入(降水),又考虑到水分支出(蒸发),能定量说明水分的盈亏,是当前最通行的气候干旱指标。这里的可能蒸发量指长有绿色矮草的地面最大蒸发量(蒸发与蒸腾之和)。

2.地形地貌

地形地貌条件影响城镇建设选址、规划布局、工程设施、道路选线、建筑物和构筑物布置等诸方面。主要评价因子包括:地形坡度、地面标高(相对于最高洪水位)、水平切割密度及垂直切割深度、微地貌单元等。

(1)地形坡度:根据工程经验,地形坡度对于建筑物或构筑物整体的选址布局、结构选择、规模大小、施工的难易程度等有着重要影响。此外,地质环境问题发生的概率也随着地面坡度的增加而增大,对建筑的适宜性就越差。因而,城镇各类建设用地都有各自建设要求的坡地标准。

(2)地面标髙:在某些山地城镇,海拔较高区域的交通、供水等城镇基础设施的供应存在着不便和不适,给城镇构筑物的设计和施工增加了困难和成本,制约着城镇建设的发展。地面高程决定了城镇建设所面对洪水的风险性。地面标高比最高洪水位低得越多,面对洪水的风险性就越大,为降低风险所投入的资金就会越多;而地面标高若高于洪水位,洪水对城镇建设的威胁就小得多;故考虑到洪水的危害,建筑物不应布设在地势较低的区域。另外,地面标高直接表现为水热条件的垂直分布,它也是某些农作物种植的临界指标。

(3)地表切割密度:在不同的地貌区域,城镇建设的工程量会大不一样,如果地表过于破碎,地表切割度过大,势必增加工程建设量和费用。通常可以用水平切割密度(单位面积上侵蚀网的长度)和垂直切割深度作为确定地形复杂性对城镇建设影响的定量指标,其决定城镇用地发展方向和建设用地的布置。根据地面的水平切割密度也可将地貌进行分类,苏联学者根据水分线距侵蚀谷地线的远近,将地貌分成5类:弱切割地貌,中等切割地貌,显著切割地貌,强切割地貌,极强切割地貌。地表的垂直切割深度是指一个地貌单元内最高点与最低点之间的高差,根据地貌的垂直切割深度,可将地貌分为平原,丘陵,山地。

(4)微地貌单元:微地貌单元对城镇用地布局的影响较大,主要类型有:扇形地、平坦台地、阶地、山脊、沟谷、洼地等。如在崩塌斜坡地段不宜布局重工业,山地向阳坡宜布局居住区建筑等。

3.工程地质

场地的工程地质条件一方面直接影响着建筑工程的稳定性,另一方面又影响了人工处理措施及工程成本造价。主要评价因子包括:地质构造、地基承载力、基岩埋深、岩性组合、岩层产状及岩体结构、地基土均匀性、场地土卓越周期、地面峰值加速度、场地平均剪切波速、覆盖层厚度、特殊性土厚度、黏性土厚度等。

(1)地质构造:地质构造是指组成地壳的岩层和岩体在内、外地质动力作用下发生的各种构造变形,包括褶皱、断层、节理、劈理以及其他各种面状和线状构造。活动性断层的存在是城镇建设的一个重要制约因素。无论是断裂的突发性错动还是蠕滑,都会给工程带来破坏,但其危害程度和破坏方式不完全相同,因此在城镇地质调查中需要对活动断层的具体活动方式加以区分,应对断层的活动性进行评价,测定活动断层的可能位移速率,在选址时应尽量避开活动断层。

(2)地基承载力:是指地基受荷后塑性区限制在一定范围内,保证不产生剪切破坏而丧失稳定,且地基变形不超过容许值时的承载能力。地基持力层是各种建筑工程的主要地质载体,地基承载力对建筑物的安全和稳定性非常重要。地基承载力特征值反映的是地基土体和建筑物需求之间的一种协调性,也是土体的物理力学指标,其值的大小影响建设用地质量。因此,地基承载力是建设用地质量评价中不可忽视的因素,如果地基承载力过小,则不适合在其上建造建筑物和构筑物。

(3)基岩埋深:对于工程建设来说,基岩地基比第四系的地基更稳定,是较为理想的建筑物地基。基岩的埋深直接决定建筑物的稳定性和基础工程的资金投入量。基岩埋藏深度不同,对各类建筑物建造方式的影响就不同,若基岩埋深太深,则需采用深基础,将增加工程施工难度和工程造价。

(4)岩性组合:岩体作为建筑物的地基或围岩,其稳定性不仅取决于岩石本身的性质,更重要的是岩体的组合关系。岩性组合是对各岩土体的成因及力学性状的统一刻画,力学强度在一定程度上影响着地基的稳定性,力学性状软弱的地层是建筑工程中的不利因素。

(5)岩体结构:是指岩体内结构面和结构体的排列组合形式。岩体特性主要取决于岩体的内在结构,岩体变形破坏主要受岩体结构的制约,故岩体结构可作为岩体质量评价、岩体力学模型和力学介质类型划分、岩体力学测试方案制定、测试成果分析和力学分析计算的基础。由于岩体结构的力学效应与工程规模密切有关,其关系到在岩体开挖过程中的施工难易,工程成本高低以及工程运营过程中的稳定性,例如岩体结构较复杂时,岩体开挖过程中的施工较困难,稳定性较差,工程成本高。

(6)地基土均匀性:包括地层厚度的均匀性、地层倾角的均匀性和压缩指标的均匀性。对于一般低层民用建筑来说,地基土均匀性影响不大,但对于高层建筑和特殊建筑来说则是一个至关重要的因素。比如,持力层下地层压缩性不一致,可能发生不均匀沉降;持力层倾角过大则可能使建筑物产生侧向滑移或倾斜等。

(7)场地土卓越周期:国内外的地震灾害表明,建(构)筑物的破坏不仅是由地震波的水平加速度所产生的剪切破坏,而且还取决于类共振破坏,后者常常是破坏影响的决定性因素。类共振产生机制在于,当建筑物结构自振周期与场地土卓越周期相近甚至相等时,就出现类共振破坏。为避免地震破坏,减轻地震灾害影响,选择自振周期与场地土卓越周期差异(弥合差值)较大的建(构)筑物,是确定建设用地适宜性的客观基础。

(8)场地平均剪切波速:当场地为多层土时,用场地土层平均剪切波速值来刻画场地的稳定性,平均剪切波速越大,地基土越坚硬,越有利于布置建筑物。建筑场地的选择应根据工程需要,掌握地震活动情况和工程地质的有关资料,做出综合评价;宜选择对建筑抗震有利的地段,避开对建筑抗震不利的地段,不应在建筑抗震危险的地段建造。

(9)覆盖层厚度:我国建筑抗震设计规范采用土层的绝对刚度定义覆盖层厚度,即地下基岩或剪切波速大于500m/s的坚硬土层至地表面的距离,称为“覆盖层厚度”。对于特定场地土层等效剪切波速一定的情况下,场地覆盖层厚度大小决定着场地类别。场地覆盖层厚度越小,其对应的场地类别越有利于城镇建筑的布设。

(10)特殊性土厚度:建筑工程上一般把具有特殊工程性质的土类称为特殊土,主要包括湿陷性黄土、膨胀土、人工填土、软土、红黏土、混合土、冻土、盐渍土、风化岩和残积土、污染土等,建设场地中分布有特殊土将降低建设用地的地质环境质量。由特殊土构成的或含有不良地质现象的地基称为特殊地基,特殊地基也会降低建设用地的地质环境质量。在特殊土地区进行建设时要认真地调査研究,对特殊性土做出必要的判断与评价,加以避让或者采取相应的设计和施工措施进行特殊的地基处理,从而保证建筑物的安全和正常使用,但同时也增加了工程费用。(www.chuimin.cn)

(11)黏性土厚度:黏性土渗透性较弱,黏性土层作为建筑地基且当其处于地下水水位以上时,它作为相对隔水层,具有很好的隔水性。黏性土越厚,其隔水能力越强。地下水水位直接影响建筑场地、地基稳定性与处理的难易程度,那么,作为相对隔水层的黏性土的存在则有利于建筑的设计施工。另一方面,在工业用地和垃圾填埋场用地中,黏性土地层发挥着良好的防渗作用。当黏性土层达到一定厚度时,它就能有效阻隔工业废水、垃圾渗滤液等污染性的水,防止其污染地下水体。

4.水文及水文地质

城镇建设发展离不开水源,在城镇供水工程建设时,必须充分考虑该地区的水文地质条件,预测评价城镇建设和开采地下水对地质环境的影响,由此选择开发水资源的技术方案;同时水文地质条件也直接或间接地影响着建筑施工的难易程度以及安全性。如用地下水的类型及埋深、地下水的水质等指标反映地下水对工程建设用地质量的影响。以河流洪水淹没及河道状况反映地表水的影响效应。相应的评价因子主要包括:地下水埋深、地下水腐蚀性、地下水防污性能、洪水灾害,距地表水体远近、地下水开采程度等。

(1)地表水体污染:水体污染是指排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体中的本底含量和自净能力,即水体的环境容量,从而导致水体的物理特征、化学特征发生不良变化,使水中固有的生态系统、水体的功能及其在人类生活和生产中的作用遭到一定程度的破坏。地表水体的污染,直接威胁着人们的身体健康,也影响着城镇的环境质量和对外形象,特别是对于以地表水作为饮用水源的城镇。因此,在城镇建设过程中不同功能用地的布设应充分考虑其对地表水体可能造成的不良影响,如对周边环境有一定污染的二、三类工业用地不宜布设在地表水体附近或其上游位置。

(2)地下水水位的埋藏深度:与工程建筑物的关系非常密切,因为地下水位埋藏浅,不仅会增加工程地下部分施工的难度,也将增加了排水、防水层等工程费用和投资,还可能引起一些次生灾害如滑坡、地基失效等。另外地下水位过高时的季节性蠕动会破坏建筑物。

(3)地下水腐蚀性:地下水对钢筋混凝土的腐蚀性对建筑物基础的持久承载有很大的影响,如果地下水对钢筋混凝土有较高的腐蚀性,将影响建筑物的安全,降低建筑物的使用寿命。通常用地下水的矿化度、p H值及水中Cl-、的含量多少来进行评价。

(4)地下水防污性能:地下水防污能力大小直接影响到该地区作为某种功能用地的适宜性,如某区域地下水容易受到污染,就不宜在此进行重工业或其他污染性工业的建设。

(5)洪水灾害:对于存在洪水灾害隐患的城镇,必须考虑洪水期可能带来的淹没及雨季积水时对低洼地建筑物的浸泡,这些都会限制土地的建设利用程度。在进行建设用地选址时要调查本场地相对于最高洪水位的地面标高,即考虑洪水或地面积水浸泡造成的破坏和损失。

(6)距离地表水体的距离:地表水体包括河流、湖泊和水库。土地的建设和开发对附近水体的生态环境有很大的影响,建设用地应尽可能远离水域,以免造成对水域生态系统的破坏和对水体的污染。如某些污染性的工业生产对地表水存在潜在污染,应把这样的工业用地布设在地表水流向的下游,且尽量远离水体。

(7)地下水开采程度:地下水常常是城镇用水的重要来源,特别是在远离江、湖的地区,或者是地面水量、水质不能满足要求的地区。而地下水的大量开采会导致地下水位下降,甚至造成水位枯竭和引起地面下沉,所以在城镇规划中,重型高层工程建筑应避开地下水开采区。

5.地质环境问题

在城镇环境地质工作中,需要了解可能存在的地质环境问题及其强烈程度,使城镇工程建筑避开问题集中的地区或地段,并通过工程设计减轻或消除问题造成的损失。并且要求预测城镇地区在人为活动影响下可能产生的新的地质作用的趋势和强度。相应的评价因子主要有:地面变形(地面塌陷、地面沉降、地裂缝)、岩溶塌陷、崩塌、滑坡、泥石流、土壤盐渍化、土壤沙化、水土流失、咸水入侵、港口侵蚀与堆积、砂土液化、黄土湿陷、山体裂缝、边坡失稳、水土污染、滨岸侵蚀等。这里具体介绍崩塌、滑坡、泥石流、砂土液化和海(河、库)岸带侵蚀淤积几类。

(1)崩塌、滑坡、泥石流:在我国除地震灾害外,崩塌、滑坡、泥石流所造成的危害最为严重,它们的发生经常摧毁房屋建筑、覆盖农田庄稼,造成巨大的经济损失和人员伤亡。崩塌、滑坡、泥石流经常相伴发生,其影响范围通常是区域性的。因此,在易发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害及其影响范围的区域不宜进行功能用地建设(除城镇绿地之外)。

(2)砂土液化:砂土液化是指松散饱水的土体在地震、动力荷载或其他物理作用下,受到强烈振动而丧失剪切强度,土颗粒处于悬浮状态,致使地基失效的作用或现象。这种现象多发生在砂土地基中。砂土液化往往是区域性的,可使各类地面工程设施遭受破坏,如地面下沉、地表塌陷、地面流滑以及地基土承载力丧失等宏观灾害现象,它们对各类工程设施皆有危害,因此,砂土液化在建筑物构建中是重点考虑的因素,液化严重的地区不宜进行建筑活动。

(3)海(河、库)岸带侵蚀淤积:对于一些海、河岸带城镇来说,海(河、库)岸带是一个影响其城镇建设的重要影响因素。河流侵蚀淤积这一环境地质问题表现在多个方面:河岸侵蚀,岸线后移,将危及岸边居民建(构)筑物以及交通、能源、农田、水利等公共设施的安全;河床淤积,河道变浅,排洪、泄洪能力下降,将影响航运并造成洪水泛滥;河口淤积,造成港湾功能的严重退化,则会影响港口城镇的可持续发展。

6.地球化学

地球化学环境异常区,例如高硒和缺硒、高碘和缺碘、高氟等地质环境。这些特殊的地质环境往往与地方病有关,缺硒可能引起克山病,高碘和缺碘都可能产生甲状腺肿,高氟可能导致氟中毒等。过去人们普遍认为这种类型的地质环境是不良的地质环境,这是片面的。实际上特殊的地质环境具有特殊的环境功能,如湖北恩施地区土壤中的硒具有特殊的生物化学功能,那里生产的高硒农作物成为补充硒的特殊食品;又如我国一些地区(例如河北平原)的地下水含碘高,是一种补充碘的优质饮料,至今尚未开发;一些优质农产品,如沙田柚、金丝枣等,都与特殊地质环境有关。但是,特殊地质环境可能具有的特殊环境功能还需要进一步研究。

7.地质资源条件

当探明城镇某区域内储藏有矿产、建材、能源、资源、地质遗迹等时,应进一步调查其丰富程度与可利用程度来作为一项重要的负面指标参与该区域建设适宜性评价,一般不宜在此进行城镇建设。若在此地进行城镇建设,可能阻碍开采,同时也会造成城镇建设布局出现畸形状态,随着工程活动的加剧,使城镇地质环境恶化,地质灾害频发,形成一系列的地质环境问题。相应的评价因子为:地下矿藏及建筑材料的储量、分布及其开采难易程度。

8.生态条件

生态系统给人类提供各种效益,包括供给功能、调节功能、文化功能以及支持功能。城镇生态系统服务功能关系到土地开发的适宜性以及开发强度,生态系统较脆弱的区域,开发强度必须予以限制,否则容易导致生态环境恶化,造成生态系统退化。

生态环境的评价因子主要为植被覆盖率一项。植被覆盖率通常是指森林树木、灌木草地等的面积占土地总面积之比,它是反映森林资源和绿化水平的重要指标。若在某区域植被覆盖率较高,则不适宜重新布设城镇建设用地,从而避免破坏生态系统服务功能。