城市化主要环境地质问题

  当今时代,随着各国城市化进程的不断加快,城市化建设导致了越来越多的环境地质问题,例如由于过量开采地下水引起地面沉降和建筑物开裂,深埋地下污染源因迁徙弥散引起地下水水质恶化而直接威胁着城市水资源。大规模基础工程建设导致大面积植被破坏而引起水文地质条件恶化,此外,废物堆放、路基工程、基坑工程、地下洞室及结构工程等还涉及边坡与围岩稳定性问题以及对周围地质环境的影响等。

 

  目前,我国城市化进程中引发的环境地质问题突出表现在地表水环境恶化问题、地下水污染与污染源迁移问题、地下水开采引起地面变形与沉降及其治理问题、地下结构工程施工安全性问题、高层建筑基坑开挖问题、打入式桩和强夯问题、桩基与土体共同作用及深基坑抗震问题等几方面。

 

  1.地表水环境恶化问题

 

  随着城市化不断发展,我国城市地表水环境问题日益突出,主要表现在:一是城市水灾害问题,由于防洪体系不健全,许多城市在遭受暴雨、台风袭击后常常造成巨大的经济损失和灾难;二是水资源短缺问题,我国水资源的特点是大气降水时间上分布不均匀,如降水量年际的差异和一年中各季节的变化大,常常造成旱涝灾害,并且诱发其它的自然灾害或地质灾害。水资源在地域上分布不均匀,且年际、年内的变化大,蓄调能力弱,因此水资源更紧缺,我国干旱、半干旱和沿海地区的水资源短缺问题已成为制约城市发展的因素之一。水环境污染、水质恶化,使部分水资源失去了可利用价值,更加剧了用水矛盾。随着经济的发展,沿海各大中城市都存在着水量不足的情况。例如,深圳市现有人口258.53万人,按人均0.25m3/d计算,深圳年需水量6.6亿m3,但深圳目前供水能力仅为2.3亿m3;且经济的高速发展,一方面造成水资源严重不足,另一方面也造成水资源的污染。据统计,深圳各大水源均受到不同程度的污染,个别水库的有关指标已超过国家规定的标准。

 

  2.地下水污染与污染源迁移问题

 

  根据全国85座重点城市地下水主要开采层水质监测资料综合分析可知,我国北方城市污染严重,开采层水质较差。南方城市污染程度较北方城市轻,存在的主要水质问题是:在原生水质不良的基础上,遭受近期严重的生活污染,同时叠加酸雨的污染。造成我国城市地下水水质污染的主要污染源有城市工业废水和生活污水、工业固体废弃物和城市生活垃圾、农业污染源的农药、化肥以及酸雨等,不良工程造成地下水位下降、改变水动力条件也会引起水质不佳含水层或污染水体的越流补给,造成水质污染。如合肥某厂堆放在弱透水黏土上的铬酐石,随着雨水长期的淋滤,地下水中的六价铬超标659倍,远离400m米的水井中的水仍然超标52.4倍。

 

  3.地下水开采引起地面变形与沉降及其整治问题

 

  本世纪以来,世界各地特别是一些建在第四纪松散堆积平原区的城市发生了不同程度的地面沉降。随着地面沉降范围的扩大和沉降量的增加,它对城市的危害越来越大,给城市建筑物、道路交通、管道系统以及给排水、防洪等带来了诸多困难和危害。城市地面沉降绝大多数与地下水开采紧密相关,如上海、天津等沿海城市和苏锡常地区的地面沉降。 安徽阜阳市也因严重超采深层地下水于上世纪70年代开始出现地面沉降。1980-1990年,地面沉降范围和中心沉降量分别以26km2/a和78.9mm/a的速率高速增长,中心最大沉降量达109mm/a,到1993年已形成地下水降落漏斗面积达1600km2 ,沉降范围大于360km2 ,漏斗中心水位埋深已下降79m。现在,该市已形成以颍河闸为中心的地面沉降区,沉降面积约为410km2,中心沉降量已经达到1418.00mm[4],造成颍河防洪能力降低,颍河闸开裂错位,迫使颍河防洪堤年年加高,同时还出现深井泵井管相对抬升、井台开裂等现象。1999年汛期调查表明,1997年投资修复的颍河闸又出现新的开裂现象,严重威胁大闸的安全运行,地下水的硬度也升高1.7-3.4倍,浅层地下水细菌污染、有毒组分含量 逐年提高。界首市地下水位埋深接近70m,降落漏斗面积达400km2 ,出现了市中心地区房屋开裂、居民院内积水等地面沉降的现象。宿州市、亳州市地下水位也下降至20-30m,地下水区域降落漏斗均在 100km2 以上,地下水位以每年2-3m的速度下降。淮北市的地下水位降至26m,降落漏斗面积在100km2 以上。

 

  淮南煤矿、淮河南岸的田家庵-洛河一带由于过量开采地下水而发生地面沉降。上世纪90年代的实测资料显示,其最大下沉量为139.30mm,最大下沉速率为60.04mm/a,平均下沉速率11.16mm/a,大于10mm的下沉量范围占全区面积的四分之三,沉降量大的地段均发生在地下水集中开采区域。开展地下水开采引起地面变形与沉降的危害性研究及整治,应着眼于地面变形对地下结构物及管网设施的影响,动态地预测在未来水文地质条件下地面变形状况与趋势以及可能的地下工程设施强度问题,并且根据预测结果拟定相应的工程防控措施。因采矿疏干排水和开采岩溶水引起地下水位下降而发生岩溶土洞塌陷、地面变形,是矿区城市采矿疏干、开采岩溶水中常见的地质灾害。其中采矿引起的岩溶土洞塌陷规模较大,如铜陵市小街地区1989年9月大雨后出现29个塌陷坑,受害范围40km2 ,损毁建筑物5.2万m2,曾造成专用铁路、公路中断,经济损失上亿元。

 

  4.地下结构工程施工安全性问题

 

  由于地下结构工程是在特定地质构造环境中,并在具有一定初始地应力条件下进行施工,在加荷形式、材料力学模量的模糊不确定性、主体或围岩体本构行为及岩土体—结构相互作用等的影响下,与地面工程的施工条件相比,地下结构工程要复杂得多。也正是由于这些复杂因素才造成地下结构工程的施工存在风险性大、可预见性差、经验性强等特点,因此,开展地下结构工程设计施工方案的安全性分析、仿真评估与决策等就显得十分必要。

 

  5.高层建筑基础施工问题

 

  目前,在我国城市化进程中,高层建筑集中,基坑开挖越来越深,有的深达20m。由于大部分邻近处都有建筑物,基坑土质边坡稳定极为重要,且多数基础施工需采用井点降水,更加大了对邻近建筑物的影响,因此,基础工程施工对邻近建筑物的影响是又一个较为突出的环境地质问题。特别是因基础施工致使邻近建筑物产生不均匀沉降。近年,高层建筑、深基坑、排水引起了地下水水位降低,合肥市清真寺开裂就是由上述原因造成的。击入桩和强夯对周围环境的影响,主要来自如下三方面:一是施工时所产生的噪音;二是施工时所产生的振动,一般可采取防振措施,减小影响;三是施工使土体产生水平位移及垂直隆起,对邻近建筑物有较大影响,对于击入桩可以用防振沟或预先钻孔再打桩来消除这种影响。由于桩基具有抗震性能好、控制不均匀沉降效果好及承载力大等优点而日益获得广泛应用,但是土体力学行为的强烈非线性、流变性及多相性等特点,致使对群桩—承台—上部结构共同作用的力学机制分析很困难。这种群桩基础的沉降量与极限承载力计算及抗震性分析等,除可以通过大量的工程实践总结经验之外,很重要的一点就是要依赖于对土体—群桩—承台共同作用数值分析的突破,这也是最终降低工程造价的关键。但由于岩土工程的地区差异性较大,所以这也是目前在桩基与土体共同作用及深基础抗震研究上存在的难点和热点问题。