武漢地質條件與城市地質問題概述

楊育文,敖晨霞,熊增強(武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022)

武漢地質條件與城市地質問題概述

楊育文?,敖晨霞,熊增強
(武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022)

摘 要:城市地質數據是城市建設和發展的基礎,是建設文明城市的需要。依據大量第一手數據,本文介紹了武漢地質條件的特點,綜合分析了潛在的城市地質問題,為城市規劃、建設、管理提供參考依據。

關鍵詞:武漢;地質;環境地質

1 前 言

武漢三鎮是一個山水城市,地處華中腹地,位于長江與漢江交匯處,在江漢平原以東,南北扼京廣線之咽喉,東西鎖長江之要塞,素有“九省通衢”之稱。從土地資源承載力來看,武漢市國土面積僅次于北京、天津,是香港的8倍。據2011年湖北省第六次人口普查,武漢市常住人口近千萬,是華中地區特大中心城市,目前正處于大規模基礎設施建設時期。據統計, 2013年武漢建設工地數量達11 012個,部分區域每平方千米高達兩個[1]。位于中心城區的武漢綠地中心基坑開挖深度35 m,土方開挖總量約100萬m3。目前武漢已運營的地鐵線路長78．4 km,未來6年將建10條地鐵,總長度達170 km[2]。2014年12月武漢國土面積為8 569．15 km2,比原公布的面積增加74．74 km2[3]。城市規劃選址以及地鐵隧道大范圍的掘進等基礎建設,要求建設者對武漢市的地質條件有全面的掌握和準確的評估,城市擴建和建設選址必須選擇地質條件較好地段,避開巖溶暗河強發育等不利地段。另外,據2013年武漢市環境統計公報,武漢工業廢氣排放總量5 632．42億m3,廢水排放量8．54億噸,一般工業固體廢物產生量1 381．55萬噸。在高層建筑拔地而起、城市街道變得越來越干凈整潔的同時,城市環境被污染了,一些有害物會隨著雨水慢慢地滲入到地下,污染水源和土壤[4]。地質環境對有害廢棄物有一定的容納能力,但不能超過其容量。遺憾的是,目前武漢市在這一方面的工作開展得不多,這顯然不能適應目前武漢市城市建設和發展的需要。

本文從工程地質、水文地質、環境地質多個角度,特別針對表層土壤污染,綜合分析武漢市地質條件,并根據地質條件的特點,分析潛在的城市地質問題,為城市規劃和建設提供依據。

2 地質條件特點

古人講究天人合一,在修建房屋之前要“相土嘗水”,選擇“風水”較好的地段。隨著西方的科學技術的進入,形成了城市規劃學和地質學。傳統上,地質包括工程地質,即查明工程場址的地質條件、提供地下設施設計參數和工程措施等以及研究地下水的分布和形成規律、地下水資源及其合理利用、地下水對地下工程建設不利影響及其防治的水文地質。另外,還包括了地層學、巖石學、第四紀地質學、構造學、地貌學等等學科。事實上,地球巖土圈、水圈、大氣圈和生態圈,它們的相互作用和人類活動對它們的影響,都與城市規劃、建設、管理密切相關,直接影響著城市生活,都屬于城市地質的研究范疇,這比傳統意義上地質的概念要大很多。工程地質、水文地質研究方法成熟,積累了豐富的信息和大量的數據,而環境地質正逐步受到重視。

武漢商業區大多集中在長江、漢江兩岸,與三個級階地密切相關。下面針對武漢市三個階地,簡要介紹武漢工程地質、水文地質的特點,并以表層土壤污染為例,介紹土壤環境質量評價方法和初步評價成果。

2．1工程地質特點

武漢地處江漢平原東部,地勢為東高西低,南高北低,中間被長江、漢江呈Y字形切割成三塊,謂之武漢三填,地貌形態主要有以下三種類型(如圖1所示)[5]:

(1)剝蝕丘陵區:主要分布在武昌、漢陽地區,丘陵呈線狀或殘丘狀分布,如武昌的磨山、珞珈山、漢陽的扁擔山等,丘頂高為80 m～150 m,其地層為志留系與泥盆系的砂頁巖。

圖1　武漢市地貌分區圖

(2)剝蝕堆積垅崗區:主要分布在武昌、漢陽的平原湖區與殘丘之間,地形波狀起伏,垅崗與坳溝相間分布,高程為28 m～35 m(相當于三級階地),其地層主要為中、上更新統老黏性土。

(3)堆積平原區:分布于整個漢口市區及武昌、漢陽沿江一帶,主要為由長江、漢江沖洪積物構成的一、二級階地。其中以一級階地為主,廣泛分布于長江、漢江兩岸地區,地面標高19 m～21 m。地層由全新統黏性土、砂性土及砂卵石層構成。區內有眾多湖泊、堰塘、殘存的沼澤地及暗溝、暗浜等。二級階地,僅見于青山鎮及東西湖一帶,地面標高為22 m～24 m,地層由上更新統的黏性土與砂性土組成。

漢口至武昌剖面如圖2所示[6]。

圖2　典型地質剖面[6]

從地質構造上來看,武漢坐落于淮陽山字型前弧西翼與新華夏構造體系的復合部位,表現為一系列北西、北西西、北東和近東西的正斷層、逆斷層及逆掩斷層,新斷層僅存在于中更新世地層中。巖性以碎屑沉積巖為主。燕山運動破壞了巖體的完整性,地應力不易大量集中與突然釋放,相對鄰區而言,武漢是一個相對穩定地區[7]。

與工程建設密切相關的三個階地具有如下地質特征:

一級階地地層屬第四紀全新統(Q4),為近1萬年～1．2萬年沖積沉積層,其地層組合呈典型的二元結構特征,即上部為以黏性土為主的一套地層,下部為砂土、礫石、卵石組成的下粗上細的一套地層,其基底多為基巖,有時為全新統以前的老土層。近地表部分常分布有湖沼相軟土層或粉土層。上部黏性土與下部砂層之間,通常都存在厚度不等的黏性土與粉砂互層(過渡層),與下層砂均為連續含水層[6]。如圖3所示,是位于一級階地漢口后湖一鉆孔柱狀圖。

圖3　一級階地典型巖土層分布

分布在長江、漢江一級階地的外側,是沖積平原早期形成的組成部分,地層時代屬第四系晚更新統(Q3),距今2萬年～13萬年之間。與一級階地地層截然不連續,呈陡坎式接觸[6]。二級階地地層也具有典型的二元結構組合特征,即上部為黏性土,下部為砂、卵礫石層,其基底有的為基巖,有的為中更新統Q2老土層。由于古氣候等原因,二級階地的上部黏性土普遍具有黃土狀土特征(大孔隙、直立性及鈣質結核),其下的砂、卵礫石層一般厚度不大,密實度較高。位于二級階地上的漢口東西湖常青花園一鉆孔柱狀圖如圖4所示。

圖4　二級階地典型巖土層分布

分布在一、二級階地之外,是江河沖積平原更古老的組成部分,地層時代屬第四系中更新統Q2,與二級階地或一級階地地層截然不連續,呈陡坎式接觸[6]。三級階地多被長期剝蝕成隆崗或波狀平原。三級階地的地層組合,除早—中更新統Q1至Q2的老古河道具二元結構外,一般多以老黏性土為主,二元結構不明顯,只在底部有碎石夾黏性土層。三級階地上武昌水果湖一古河道鉆孔柱狀圖如圖5所示。

圖5　三級階地古河道地段典型巖土層分布

2．2水文地質

武漢屬于我國亞熱帶東南季風氣候區,具有夏季炎熱、冬季寒冷、降水充沛等主要氣候特點[5],年平均氣溫15．9℃。多年平均降水量1 261．2 mm,降水多集中在6月～8月,占全年的41%。武漢地區的長江最高洪水位為29．73 m(吳淞高程系統),最低枯水位8．87 m,水位升降幅度達20．86 m[5]。

按埋藏條件和含水層性質,武漢市地下水一般分成上層滯水、潛水、承壓水三類,潛水和承壓水包含著按含水介質特性劃分的孔隙水、裂隙水和巖溶水三種,如表1所示。

由于武漢市三個階地地層時代和地層組合類型不同,其中地下水的埋藏類型、含水性及水量和水力性質有很大差別。

一級階地的水文地質條件較為復雜,常有多層地下水埋藏。淺部有上層滯水(分布于人工填土、淤泥和淤泥質土中)或潛水(分布于臨江一帶或支流故道中)。下部砂層及礫卵石層中有承壓水埋藏,由于該含水層緊鄰長江或漢江,含水層中水與江水有直接的水力聯系,因而具有較高的承壓水頭,且承壓水滲流方向有垂直向上滲流的特點,是造成深基坑坑底突涌的根本原因[6]。

地下水分類與地下水特點[6]表1

二級階地的水文地質條件較一級階地簡單,地下水埋藏類型多為潛水,賦存于粉土質土中,但水位較深。局部存在砂、卵礫石層層間水時,具有承壓性,但因密實度高和粘粒含量多,故含水透水性均小于一級階地,尤其因其與河床無直接水力聯系時,因而承壓水頭不會太高[6]。

三級階地的水文地質條件簡單,老黏性土屬不透水非含水層,底部碎石夾黏土中相對富水。由于這類砂、卵石層屬極密實土且砂中含粘粒很多,卵石呈半膠結狀態,屬弱透水層[6]。

2．3環境地質與地質環境

環境地質學,是研究人類活動與地質環境相互作用、相互影響的學科,是以地質環境作為研究對象的科學。到20世紀70年代中期,該學科才逐步發展成為一門較系統的學科。地球巖土圈、水圈、大氣圈完成著生態環境功能,是生物、地球化學循環的儲存庫,是人類賴以生存的資源,地球上的一切生物都依存于這一地質環境。城市原生地質環境,是地理位置制約下的各個要素相互影響、相互制約、共同作用并呈有機統一的產物。城市工程活動和大量有害廢物的排放,不斷地影響和改造著地質環境,使生物圈、巖土圈、水圈原有的物質流和能量流發生著改變,甚至引發新的地質作用。不同地理位置、不同類型、不同功能的城市,其地質作用的重點和強度存在著很大的差異。同一座城市,不同城市功能區的地質作用的差異也很明顯。如基礎建設工業區的地基穩定、深基坑開挖對周邊環境的影響、水土污染等問題表現得較突出,而住宅區則主要是生活垃圾對土壤和水體的污染。

地質環境容量,是地質環境可能承受人類活動的影響與改變的最大合理潛能或閾限值、臨界值,與特定的地質環境、環境目標等多個因素有關?？諝馕廴救萘康拇笮?取決于城市地理位置制約下的自然環境背景,如位于向風海岸、山地迎風坡的城市,大氣易于交流和擴散,其環境容量必然大于位處內陸、峽谷的城市。地質環境質量的優劣、容量的大小及其變化,直接影響著城市發展。良好的地質環境為城市的發展與繁榮提供了必需的物質基礎,而惡劣的地質環境則將制約城市的發展。

下面以土壤污染為例,分析武漢市地質環境問題。

各種污染物質進入土壤,引起土壤的組成、結構和功能發生變化,使土壤質量下降,危害人體健康。農業生產中,施用化肥和農藥、用被污染的水源污灌溉是污染土壤的主要途徑。垃圾、廢渣、污水都以土壤作為處理場所,大氣中的SO2、重金屬,可以經“干降”和“濕降”而進入土壤,使土壤“酸化”,造成重金屬污染。位于染料廠、農藥廠廠址下面的土壤也易于被污染。赫山地塊位于武漢市漢陽區,緊鄰漢江,原屬于武漢農藥廠。2006年3月,該地塊在被收儲時未作環評和勘測,隨后被一家房地產開發商。但隨后這家開發商在進行施工時,卻遭遇工人中毒事件。主要污染物是有機磷、有機氯農藥,即滴滴涕和六六六,平均污染深度在1．8 m左右,局部最深達9 m,赫山地塊70%以上的區域都受到了污染,污染總土方量達到29．68 萬m3。修復時間長達3年(如圖6所示),從2011年5月開始修復到2014年10月通過驗收[8]。

圖6　正在進行土壤修復的赫山毒地

土壤環境質量評價常用污染指數法,國家行業規范中有規定[9]。土壤單項污染指數P=土壤污染物實測值/土壤污染物質量標準。2010年武漢城區土壤重金屬污染統計結果如表2所示。

從表2可以看出,武漢城區土壤中Hg、As、Cd、Pb 和Cu含量均超過湖北省土壤背景值,其中重金屬Hg積累最明顯,其含量為背景值的2．88倍;其次為Pb、Cd、Cu和As,分別超過相應背景值的83．2%,76．6%, 43．5%和14．6%。變異系數最大的重金屬元素是Hg,表明Hg的分布最不均勻,受人為活動的干擾作用比其他5種重金屬強烈得多[10]。

武漢城區土壤重金屬含量(mg/ kg)[10]表2

在實際情況中,常出現多種污染物同時污染某一區域土壤的現象,而單因子污染指數只能反映單個重金屬污染物的污染程度,不能全面、綜合地反映多種污染物的整體污染水平,而內梅羅指數法是當前國內外進行綜合污染指數計算最常用的方法之一,它兼顧了單因子污染指數的平均值和最高值,能較全面地反映環境質量,而且可以突出污染較重的污染物作用,其計算公式為[9]:

式中ˉP、Pmax分別是平均單項污染指數和最大單項污染指數。按內梅羅污染指數劃定的土壤污染評價標準如表3所示[9]。

土壤內梅羅污染指數評價標準 表3

根據實測數據統計分析,采用內梅羅污染指數評價標準,得到2014年武漢市表層土壤環境質量綜合指數分級,如圖7所示[11]。圖7表明,武漢地表土壤污染嚴重區域以點狀分布。

圖7　武漢主城區地表土壤污染指數分區圖[11]

3 城市地質問題

任何一座城市,必須擁有健全的生命支撐系統和安全保障系統。城市地質信息和數據,既是城市規劃、建設和管理的依據之一,也是城市安全的保障之一。武漢曾發生過多起巖溶地面塌陷、地下水誘發的基坑滑塌等事故。充分利用這些數據,可避免或減輕有可能給城市居民帶來威脅的地質問題。武漢地質條件決定了城市地質問題,主要表現在斷裂、巖溶暗河、滑坡、水土污染、軟土及放射性特殊巖土、防洪這些方面,下面分別作詳細的分析。

(1)巖溶地面塌陷和古河道

武漢市屬鄂東南巖溶地面塌陷易發區,近幾十年發生過多起巖溶地面塌陷災害,大部分集中在沿長江一帶[12]。巖溶地面塌陷不僅與下伏碳酸巖巖溶發育程度有關,還與上覆松散覆蓋層的工程性質及巖溶裂隙水、孔隙承壓水、地表水三者循環有關,循環的結果導致上部土體的潛蝕、吸蝕破壞,發展到一定程度就會導致地面塌陷。地下工程施工過程中,不可避免地要進行地下水的降水、排水活動,無疑也是地面塌陷的誘因。武漢三鎮局部存在古河道,埋藏較深,部分處于強發育狀態。城市基礎設施選址,必須避開強發育的巖溶和古河道地段。

(2)邊坡滑坡崩塌

雨水、采礦等會引起山體或防洪堤壩滑塌。據報道,2010年7月中旬,武漢市江夏紙坊街青龍山連續發生山體滑坡,滑坡土體不僅將坡上的樹木“洗涮”成赤裸的黃土,沖下山腳的山石還將水泥路面砸裂。另外,采礦也誘發過多起巖坡滑塌。城市擴建選址,必須避開不穩定滑坡、崩塌區。

(3)特殊土

武漢局部存在軟土、老黏土、填土、放射性巖土等特殊土,對工程建設不利,如軟土易引起建筑物不均勻沉降、基坑滑塌、樁基承載力低等一系列巖土工程問題。以軟土和膨脹土為例分述如下。

軟土。武漢地區一級階地廣泛分布淤泥質土、淤泥等軟土,厚度1．5 m～18．5 m,局部厚達35．0 m左右,二、三級階地坳溝區分布有厚度1．0 m～15．0 m的軟土。軟土具有低強度、高壓縮性、流變性、觸變性等特點,在地下工程建設過程中易引發基坑失穩、基樁偏位過大、斷樁、縮徑等樁等工程事故。如1995年年底,漢口三眼橋18層樓,軟土導致240根樁偏位300 mm以上,個別達1 700 mm,使樁基整體失穩,不得不爆破拆除。另外,以軟土作為持力層的多層建筑、道路等,若地基處理不當,造成建筑物沉降長期不穩定,甚至導致上部結構破壞等。如一長江公路大橋漢陽連接線近4 km的路面,由于軟土處理不當,公路建成僅一年多,路基即發生不均勻沉降,導致路面起伏不平、出現大量裂縫,先后三次治理,每次耗資上千萬元,效果并不明顯,不得不全部改為高架橋。深厚軟土上的建筑物,由于軟土的排水固結等原因,使房屋產生不均勻沉降,甚至出現裂紋。

脹縮性黏土。位于武昌和漢陽的第三階地廣泛分布著第四系上、中更新統(局部地區分布下更新統)Q3老黏性土,具有明顯的脹縮性。除個別地區老黏土的脹縮變形總量大于15 mm外,絕大部分地區小于15 mm。對以老黏土為持力層且荷載輕、排水條件差、淺埋基礎的建(構)筑物,易因老黏土脹縮變形造成變形或開裂。另外,老黏土地區基坑,如地下水處理不當,易造成基坑邊坡失穩。老黏土有遇水軟化的特點,可導致人工挖孔樁承載力降低,也有造成鉆孔樁縮徑的質量問題。

(4)地下水

武漢市曾經發生幾十起基坑管涌、突涌事故,損失慘重。武漢主城區第四系全新統孔隙承壓水水頭較高(高程為15 m～20 m),地下水與長江和漢江水相通,易引發工程事故。一級階地上的基坑工程,視其開挖深度大小,將會遭遇上層滯水、潛水、承壓水的困擾。淺基坑一般只涉及上層滯水或潛水,深基坑及超深基坑則往往遇到承壓水。上層滯水和潛水因埋藏淺、透水性弱且與深層很少聯系,故一般只需側(豎)向隔滲或簡單降水即可通過。深層承壓水則需復雜、細致的地下水控制方法,如較深或超深的側(豎)向帷幕和坑內或坑內外深井降水,且各種降水方法均要考慮對周邊環境的影響[6]。

(5)土壤污染和水體污染

武漢作為全國老工業基地之一,隨著城市化進程的加快,大量的工業企業遷出主城區,但外遷之后留下的毒地問題卻頻頻出現。例如[8],武漢漢陽區赫山地塊原屬于武漢市農藥廠,70%以上的區域都受到了污染,污染總土方量達到29．68萬m3。。

武漢淡水資源豐富,總水域面積達2 217．6 km2,占全市土地面積的26．1%。水域面積占全市國土面積的1/4,居全國大城市之首。武漢人均淡水資源量也高居全國各大城市之首,為北京的71倍、上海的19倍、廣州的5倍。豐富的水資源是城市發展的最大優勢。但是,由于部分污水滲漏或未經處理直接排放等多方面的原因,不少湖泊不同程度地被污染,時有湖中魚類因缺氧大量死亡的報道,也較少看見成群的候鳥在湖中棲息的場景。局部地段的地下水也受到了不同程度的污染。

(6)防洪是武漢城市地質的特色之一

武漢地處長江和漢江交匯處,堤防總長808 km,其中長江、漢江干堤420 km。中心城區和遠城區堤防標準分別31．73 m、31．23 m,分別比1954年洪水位(29．73 m)高2 m和1．5 m。當夏秋季長江水位上漲超過警戒水位,就進入城市防洪期。據1998年統計,武漢市轄區堤防段險情達4 000多起,其中具重大影響的有鼓水8處,管涌75處,堤基沉陷5處,堤面開裂15處。潰口則是洪水對堤防造成的最終災害,共發生重大潰口16次。一般情況下,城市規劃選址必須避開場地標高低于設防洪水位標高大于或等于1．5 m的地段。

(7)暴雨引起的城區漬水

武漢屬于亞熱帶大陸性季風氣候,雨量充沛,夏季易發生強降雨,引起城市內澇。2011年6月9日～24 日,5場降雨相繼降臨武漢,主要城區平均降雨量達到417．7 mm。特別是6月18日的特大暴雨,降水量達192 mm,造成盤龍城、漢陽王家灣、金家墩至漢口火車站、武勝路至航空路、漢街、青年路、徐東居然之家附近、王家灣、汪家墩、臺北路、三角路涵洞、新華路、頭道街中學、東西湖十三支溝、淮海路常碼頭到青年路方向等多區域漬水嚴重,中心城區交通體系幾乎癱瘓。

4 結 論

武漢城市地質具有鮮明的特點:

(1)夏季炎熱、冬季寒冷、降水充沛是武漢的主要氣候特點;

(2)武漢地形地貌包含有剝蝕丘陵區、剝蝕堆積垅崗區和堆積平原區三種類型;

(3)從地質構造上來看,武漢是一個相對穩定地區;

(4)市區巖層以碎屑沉積巖為主,碳酸巖巖溶大部分集中在沿長江一帶;

(5)第四紀沉積層復雜多變;

(6)地下水種類較多,承壓水受長江漢江水位影響,升降幅度大。武漢目前地表土壤污染嚴重區域以點狀分布,大多來源于生活垃圾和工業生產。

武漢地質條件決定了潛在的城市地質問題,主要表現在斷裂、巖溶暗河、滑坡、水土污染、軟土和放射性土等特殊巖土、洪水這些方面,它們影響到城市規劃、建設及管理,也威脅著城市的安全。

參考文獻

[1] 武漢上萬個工地同時開工城市建設“大開挖”[N]．北京晨報,2013-10-20

[2] 武漢未來6年將建10條地鐵總長度170公里[N]．湖北日報,2014-8-29

[3] 湖北省人民政府門戶網站,武漢制訂國土空間頂層規劃超四分之一面積禁止開發[N]．2014-12-9

[4] DB42/ T159-2012．基坑工程技術規程[S]．

[5] 中國土木工程學會土力學及巖土工程分會主編,深基坑支護技術指南[M]．北京:中國建筑工業出版社,2012．

[6] 丁寶田,根據新構造運動及地貌特征試論武漢地區地殼穩定性[J]．武測科技,1985(3)．

[7] 耗資2．8億歷時3年解毒[N]．湖北日報,2014-12-23

[8] HJ/ T166-2004．土壤環境監測技術規范[S]．

[9] 黃敏,楊海舟,余萃等．武漢市土壤重金屬積累特征及其污染評價[J]．水土保持學報,2010,24(4)．

[10] 武漢市測繪研究院,湖北省地質調查院．武漢市地球化學調查分項2014年工作總結[R]．2014

[11] 武漢市勘測設計研究院．武漢市主城區地下空間地質資源專項規劃評估報告[R]．2007．11

Wuhan Geology and Urban Geological Problems

Yang Yuwen,Ao Chenxia,Xiong Zengqiang
(Wuhan Geomatic Institute,Wuhan 430022,China)

Abstract:Urban geology is the basis of urban construction and development and is also to meet the requirement of construction of civilized city．According to a large number of first-hand data,this paper introduces the characteristics of wuhan geology and puts forward to some of potential geological problems for the reference to urban planning,construction and management．

Key words:Wuhan;geology;environmental geology

文章編號:1672-8262(2015)06-147-07中圖分類號:P642．5

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—05—21

作者簡介:楊育文(1963—),男,博士,正高職高級工程師,從事城市地質、深基坑、樁基工程理論研究以及城市地質、巖土工程信息技術開發工作。