曹妃甸工業(yè)區(qū)工程地質環(huán)境質量評價

蔡 冰，左文喆，郭彥雪

（1.河北理工大學 資源與環(huán)境學院，河北 唐山063009；2.菏澤市環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 菏澤274000）

曹妃甸工業(yè)區(qū)內有唐山港曹妃甸港區(qū)及腹地工業(yè)區(qū)，是未來的大港口、大鋼鐵、大化工基地，是唐山市乃至河北省新的經濟、工業(yè)發(fā)展重點區(qū)域之一，由于該區(qū)域地質環(huán)境復雜，對其進行環(huán)境質量的評價就顯得尤為重要了。

1 研究區(qū)的工程地質條件

研究區(qū)總共利用36個鉆孔資料，工程地質勘探線大致按線距6 km、點距3 km布置鉆孔，（如圖1），鉆孔深度多在50 m以內，個別鉆孔深達100 m。

圖1 研究區(qū)及工程地質鉆孔分布圖

根據鉆孔揭露，研究區(qū)場地土層為第四紀全新世、晚更新世沖洪積物、沖積物及沖積海積物。按埋藏條件、巖性特征和物理力學性質指標，將場地劃分為11個工程地質層：（1）粉質粘土、（2）粉質粘土、（3）粉細砂、（4）粉質粘土、（5）粉細砂、（6）粉質粘土、（7）細砂、（8）粉質粘土、（9）細砂、（10）粉質粘土。

各土層特征如下：

（1）粉質粘土：全區(qū)分布，褐—黃褐色，可塑至軟塑，厚0.8～4.0 m，平均厚度2.45 m，層底的深度在0.80～4.00 m之間，層底的標高在-1.2～1.33 m之間。帶入唐山地區(qū)經驗公式R=183.4qc0.5-31中，得到本層承載力特征值fak=100 kPa，壓縮模量Es=4.3 MPa。

（2）淤泥質粉質粘土：黑灰色，軟塑至流塑，厚1.9～16.5 m，平均厚度8.3 m，層底的深度在7.30～11.00 m之間，層底的標高在-8.24～-4.28 m之間。帶入唐山地區(qū)經驗公式R=183.4qc0.5-31中，得到本層承載力特征值fak=80 kPa，壓縮模量Es=3.0 MPa。

（3）粉細砂：灰色至灰黑色，飽和，松散—中密，此層粉土、淤泥含量較高，物理指標較低，厚度在0.6～11.20 m之間，層底的深度在6.80～20.70 m之間，層底的標高在-17.34～-5.3 m之間。帶入唐山地區(qū)經驗公式R=m（19.7qc+65.59）中，折減系數m取1。經計算本層承載力特征值fak=90 kPa，壓縮模量Es=5.84MPa。

（4）粉質粘土：粉質粘土：灰黑—灰黃，軟塑，厚度在1.30～6.30 m之間，層底的深度在16.30～22.00 m之間，層底的標高在-19.87～-13.75 m之間。帶入唐山地區(qū)經驗公式R=183.4qc0.5-31中，經計算本層承載力特征值fak=160 kPa，壓縮模量Es=6.0 MPa。

（5）粉細砂：黃色，飽和，密實，厚度在0.60～2.70 m之間，層底的深度在18.60～34.60 m之間，層底的標高在-32.57～-17.10 m之間，經計算本層承載力特征值fak=245 kPa，壓縮模量Es=18.2 MPa。

（6）粉質粘土：灰黃—灰色，硬塑，厚度在2.60～12.8 m之間，層底的深度在28.60～45.50 m之間，層底的標高在-43.24～-25.97 m之間，經計算本層承載力特征值fak=200 kPa，壓縮模量Es=9.0 MPa。

（7）細砂：灰色—灰黃色，飽和，密實，厚度在1.60～13.4 m之間，層底的深度在31.50～47.60 m之間，層底的標高在-45.69～-35.60 m之間，經計算本層承載力特征值fak=250 kPa，壓縮模量Es=18.5 MPa。

（8）粉質粘土：褐灰色—灰黃色，硬塑局部軟塑，厚度在1.90～8.00m之間，層底的深度在41.00～50.00m之間，層底的標高在-47.37～-38.96 m之間。經計算本層承載力特征值fak=160 kPa，壓縮模量Es=6.0 MPa。

（9）細砂：灰色—灰黃色，飽和，密實厚度在1.60～13.4 m之間，層底的深度在38.40～47.60 m之間，層底的標高在-45.69～-35.60 m之間。經計算本層承載力特征值fak=250 kPa，壓縮模量Es=18.5 MPa。

（10）粉質粘土：灰黑色，可塑，切面光滑，切感硬，高干強度，高韌性，有機質含量較高。經計算本層承載力特征值fak=250 kPa，壓縮模量Es=18.5 MPa。

2 研究區(qū)穩(wěn)定性評價

工程地質環(huán)境中的穩(wěn)定性，主要針對工程建設的安全性。根據杜東菊、譚周地、方鴻琪等人的觀點以及其它沿海地區(qū)地基穩(wěn)定性評價資料，其評價指標一般可包括場地土類別、場地平均剪切波速、卓越周期、承載力、地下水條件、地形地貌等內容，但具體到本區(qū)，場地類別、卓越周期、地形坡度、地下水質類型等條件均相似，因此，在小區(qū)域地基穩(wěn)定性分析中，評價因子的選取需根據具體情況而定?？紤]各工程地質鉆孔勘查分析結果，各孔的軟土厚度、液化指數、持力層的埋深、等效剪切波速值、表層硬殼層厚度存在著一定差異，在本次工程地質環(huán)境穩(wěn)定性的評價中，則主要根據本場地實際情況選取適宜指標進行定量評價。

根據本區(qū)的工程地質環(huán)境分析，確定本工作區(qū)穩(wěn)定性評價的評價因素主要包括液化指數、軟土厚度、地基承載力、等效剪切波速、持力層埋深、地下水位埋深6個方面。

（1）砂土液化程度分級（如圖2）

圖2 砂土液化分值

統(tǒng)計計算在砂土液化分區(qū)圖上進行，分級的分值為8、6、4、2，依次對應于砂土液化程度級別無液化區(qū)域、較輕微液化區(qū)域、中等液化區(qū)域、嚴重液化區(qū)域。等級劃分及其分值如表13。

表13 砂土液化等級劃分表

（2）軟土厚度分級（如圖3）

圖3 軟土厚度分值

該研究區(qū)域普遍的覆蓋著一層軟土，軟土層不能作為地基的持力層，但厚度較小時，對其處理起來比較容易，花費也比較少，所以厚度越小越好，因此根據相關規(guī)范要求把該研究區(qū)域劃分為4個等級，并賦予相應的分值（如表14）。

表14 軟土厚度等級劃分表

（3）地基承載力分級（如圖4）

圖4 承載力分值

不同的建筑對地基的承載力的要求不同，根據大多數資料所劃分的標準，把承載力的特征值劃分為 4個等級，并賦予相應的分值（如表15）。

表15 承載力特征值等級劃分表

（4）等效剪切波速分級（如圖5）

圖5 剪切波速分值

根據相應的技術規(guī)范結合實地的測量結果，把該區(qū)域分為4個等級，并賦予其相對合理的分值（如表16）。

表16 剪切波速等級劃分表

（5）地下水位埋深分級（如圖49）

圖6 穩(wěn)定水位分值圖

地表以下一定深度的地層溫度，隨大氣溫度而變化。當地層溫度降至攝氏零度以下時，土層中孔隙水將凍結而形成凍土。這種隨季節(jié)而變化，冬季凍脹，春夏季節(jié)天暖解凍融陷的土類稱為季節(jié)性凍土。在我國季節(jié)性凍土分布很廣，以東北、華北、西北地區(qū)為主，根據相關的資料可以得知，唐山地區(qū)的凍融土的厚度大約在0.7 m左右，而且，一般建筑物的地基在兩米以上，在地下水埋深超過2 m的區(qū)域，修建一般多層建筑時，基礎埋深一般不超過2 m，因而可以不考慮工程建筑物的抗浮性。而修建高、重建筑時，如果采用箱筏基礎，地下水位埋深小于2 m，而基礎的埋深在2 m以下時，需要考慮工程的建筑的抗浮性。所以根據這兩個條件綜合考慮，再結合地下水位的實際埋深值，把研究區(qū)域分成四個級別，即0.7～1.1 m的區(qū)域，該區(qū)域的工程地質狀況從地下水埋深的角度來說是最差的，既要考慮地下水對建筑物的作用又要考慮凍融土的作用；1.1～2.2 m之間的區(qū)域，該區(qū)域不必考慮凍融土的作用，只需要考慮地下水的建筑物地基的腐蝕性即可，所以狀況要好于上一種；2.2～3.3 m的區(qū)域，比上兩個區(qū)域的地質環(huán)境要更好一點；3.2～4 m的區(qū)域就整個研究區(qū)域來說從地下水埋深的角度來說是最好的。表17為地下水位埋深等級的分值。

表17 地下水位埋深等級劃分表

（6）持力層埋深分級（如圖50）

圖7 持力層埋深分值

考慮到經濟因素，持力層越深雖然承載力越大，地基越穩(wěn)定，但相應的花費也越高，所以參考一些相關的資料文獻，把持力層的深度劃分為4個等級，并賦予相應的分值（如表18）。

表18 持力層埋深等級劃分表

根據層次分析法計算得出地質環(huán)境評價指標對地質環(huán)境質量的重要性權重見表23。

表23 地質環(huán)境評價因子排序表

經一致性檢驗計算得出，總排序具有滿意的一致性。

3 基于GIS的評價分級及結論

綜合上述分析可以得出地質環(huán)境評價指標的權重，把前面已經在ArcView里處理好了的圖件乘以所對應的權重，然后疊加。主要運用的是ArcView里的Analysis――Map Calculator 功能，在Map Calculation的對話框中把每一個因子乘以它們所對應的權重，并把六個乘以權重的評價因子相疊加，形成該研究區(qū)域環(huán)境質量評價的綜合圖件。根據已定研究區(qū)范圍，將液化分區(qū)、軟土厚度、承載力等單因素矢量圖形進柵格化處理，柵格大小定為50m×50m，各柵格繼承各矢量圖形下的分值。由于本研究對象為工程地質環(huán)境質量，所以用ArcView里的Analysis――Reclassify功能，把形成的圖件進行重分類。對各單因素柵格數據圖層進行加權疊加，得到各柵格的綜合分值Q。

式中：Q為每個柵格的總分值，Pi為i種單因素的分值，Wi為i種單因素的權重值。

經聚類分析，將評價區(qū)分為四類，不穩(wěn)定區(qū)，次不穩(wěn)定區(qū)，次較穩(wěn)定區(qū)，穩(wěn)定區(qū)（如圖51）。表25為地基穩(wěn)定性評價的等級劃分。

圖8 地基穩(wěn)定性評價圖

表25 地基穩(wěn)定性評價等級劃分表

研究區(qū)穩(wěn)定性的綜合評價結果表明由北向南由較穩(wěn)定區(qū)域過渡為不穩(wěn)定區(qū)域，其中不穩(wěn)定區(qū)域約占51.3%，較穩(wěn)定區(qū)域約占48.7。砂土液化分布嚴重液化區(qū)面積為21.33 km2，中等液化區(qū)面積為156.29 km2，較輕微液化區(qū)面積為146.03 km2，其余為無液化區(qū)面積為215.93 km2。軟土的分布狀況，軟土層的深度為0.8～16.8 m，厚度在1.9～15.5 m之間。

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