【基于GIS的工程地质环境质量评价】 工程地质
【摘要】城市规划建设是一个多因素、多层次的复杂过程,在城市规划中如何择优利用、适应改造工程地质环境条件,防治可能出现的环境工程地质问题,减少地质灾害的发生,无疑是十分重要的。GIS是一门与人类的发展、进步密切关联的信息科学与技术,愈来愈受到人们的重视。本文以GIS作为工具,从三个方面对工程地质环境质量进行评价。
【关键词】工程地质环境质量 区域稳定性 地基稳定性 地面稳定性
【中图分类号】F416.1 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08-0139-02
1 概述
城市规划时进行工程地质研究不仅是可行的,而且意义深远,因为城市实际上是人类长期对地质环境和地质资源合理开发利用与建设的结晶,城市的产生和发展与工程地质环境有密切的关系[1]。在工程建设的规划选址、建筑物设计和施工的整个过程中,工程地质工作起了很重要的作用[2],因为在城市规划中进行工程地质研究可以更加合理地布置建筑物,提高城市建设的经济效益;可以避免或减少地质灾害的发生,以谋求最大的环境效益;可以合理有效地利用城市土地,提高城市土地利用率,避免城市用地盲目发展。所以,在城市规划时做好工程地质研究有着十分重要的意义[3,4]。
地理信息系统(即GIS)是以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关数据的空间信息系统。近几年,随着GIS相关技术的成熟,利用GIS的可视化管理和强大的空间分析功能,结合专业模型解决地球科学中相关问题的探索越来越多,并取得了丰硕的成果[5,6],但以往的GIS工作多集中在地质环境的评价上,对GIS在工程地质环境评价中的应用还未见到十分系统的研究报告[8]。
本文主要以GIS为工具来解决工程地质环境质量评价问题,具体用到的软件为ArcView3.3。主要应用的是该软件中的空间分析功能――空间叠加分析、缓冲区分析等功能。
2 研究区概况
唐山曹妃甸滨海新城位于渤海之滨,地理坐标北纬108°30′～108°45′,东经39°10′～39°20′,该区暖温带半湿润大陆性季风气候,四季分明,春季干燥少雨多风沙,夏季炎热多雨,秋季天高气爽,冬季寒冷少雪。多年平均气温11℃,最高气温31℃,最低气温-9.3℃,年降水量560～600mm,主要集中在7～9月,占全年降水量的73%,年蒸发量1800～1920mm。全区地势平缓,主要的地貌以冲积海积平原区和海积滩涂区为主,是一个正在开发建设的新城。
3 研究方法
城市工程地质环境质量评价也就是城市工程地质环境稳定性评价,城市工程地质环境稳定性按其决定因素与表现形式大体可分为地壳稳定性、地面稳定性及地基稳定性三个方面。
3.1 区域稳定性
区域稳定性(regional stability)直接影响城市的安全和经济,是城市总体规划阶段应首先论证的问题,是保证城市规划方法案经济合理性和技术可能性的前提。
影响区域稳定性的主要是地震,它的强度和对建筑物的危害常以地震基本烈度来表示。通常来说地壳稳定性实际上就包括两个问题,一个是地震震级和地震烈度预测,另一个是断层的活跃性。前者可以提高建筑物的地震烈度来解决,而或者对发震断裂来说,强震时的地表变形破裂,对跨越其上的建筑物来说是不可抵御的,所以不应把建筑物建在断裂的正上方,应在其周围留出一定的缓冲区域,根据当地的具体情况缓冲区域的范围在100米～300米。而对非发震断裂应该根据断裂带物质的性质,按一般岩土对待即可,不应该提高烈度[7]。
根据资料可知,该区存在一条断裂――柏各庄断裂,由上面的内容和该区域的实际情况把第一级缓冲区域定在200米,为了谨慎起见,建立了第二级缓冲区域,即在第一级的基础上又向四周扩大300米。据以上的分析,按照三个等级划分研究区域(如表1)。
按照表1的标准,在ArcView3.3里形成了第一个图层――断裂的缓冲区图。
3.2 地基稳定性
地基稳定性(foundation stability)始终是个规划阶段的主要问题。主要是指地基岩土的强度和变形。
地基强度(strength)通常以地基承载力来表达,事主地基承受荷载的能力,也称地耐力。岩石和土都可以作为建筑物的地基。工业与民用建筑更多的是用土作为建筑物的地基,只有在山区丘陵地带或重要的建筑物,高层建筑物在用岩石作为地基。设计时要求基础地面压力小于地基承载力。按其大小可把城市用地划分为各种用途的地段,为城市的功能分区提供可靠的依据。
地基形变(deformation)特征包括建筑物的沉降量,沉降差,倾斜和局部倾斜等。它们都不应大于地基的允许变形值,此值是根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求来确定的。对于一般多层建筑,地基土质较均匀且较好时,按地基承载力设计基础,可同时满足地基变形要求,不需要进行地基变形计算(参见我国《建筑地基基础规范》)。
考虑带多层地下室的6层以上多层建筑和高程建筑物,基础的埋深一般应该不超过6m,因而对6m切面深度的地基土进行分析。由钻孔点的抛面图可以看出,在6米切面处,有四个的土层出现,但岩土类型只有两类,承载力值也可以归为三类,对建筑物来说研究区地基等级为中等和较差区,只适宜多层和单层建筑(如表2)。
按照表2的标准,在ArcView3.3里形成了第二个图层――6米切面承载力分布图。
3.3 地面稳定性问题
地面稳定性或称地表稳定性,则指地壳表面在地球内、外动力地质作用和人类工程――经济活动影响下的相对稳定程度。
外力地质作用结果造成人们的生命财产损失的称为地质灾害,主要包括山崩、滑坡、泥石流等。由于人类的活动而引起的地质灾害主要包括地面沉降、海水入侵等。这些都会给城市的发展建设带来一定的影响。笔者认为主要考虑地下水的埋深状况、地表的坡度、地面沉降这三大方面的因素。
地下水是地质环境的重要组成部分,也是外、里地质作用最为活跃的因素。在许多情况下地质环境的变化常常是有地下水的变化引起的。引起地下水变化的因素很多,可归纳为自然因素与人为因素两大类。在北方地区还要考虑地下水的冻融作用(表3)。
斜坡系指地壳表面一切具有测向临空面的地质体。斜坡在各种内、外地质营力作用下,不断的改变着坡高和坡角,使坡体内应力分布发生变化。当组成坡体的岩土体不能适应此应力分布时,就产生了斜坡的变形破坏作用。尤其是大规模的工程建设,是自然斜坡发生急剧的变化,斜坡的稳定程度也变化极大,往往酿成灾害。由于研究区域地势平缓,所以该因素对建筑物的影响可以忽略。
地面沉降是指地面高程的降低,又称地面下沉或地沉,均指地壳表面某一局部范围内的总体下降运动。地面沉降的特点是以缓慢的、难于查觉得向下垂直运动为主,只有少量的或基本没有水平的位移,可能影响的平面范围可大至几千平方公里。由于地面沉降与人类工程活动有着直接的联系,它常常产生于具备了特定地质环境的工业化和城市化地区,给这些地区的社会经济发展、城市建设、环境保护和人类生活带来危害。由已有资料可以看出,该区的地面沉降量大致相同,区分度不是很明显,按照统一的标准处理即可。
按照表3的标准,在ArcView3.3里形成了第三个图层――地下水和砂土液化分布图。
4 结果与分析
综上所述,对城市工程地质环境综合评价指标的制定,只要是根据城市地壳、地基、地面稳定性的具体情况而定。本文给出的是根据研究区域的实际情况而定的评价指标(表4)。
此时在ArcView3.3里,共形成了三个图层,第一个图层是断裂缓冲区图――地壳稳定性,第二个图层是地下水埋深和砂土液化的综合图(地下水埋深图和砂土液化图叠加后产生的图件――把它们的图形与属性同时叠加),第三个图层是6m切面承载力分布图。把每一个图层都分别按照表1、表2、表3所示的指标给该图层上相应的图形辅以属性值,然后在ArcView3.3的Geoprocessing 模块下,View－Geoprocessing Wizard菜单下对以上三个图层进行多边形的叠加处理,形成一个新的图层,同时系统会自动把三个图层的属性进行叠加,由于三个图层都是失量图层,所以其结果可能会出现一些碎屑多边形,对其进行过虑,消除碎屑多边形得出该区域建筑物适宜性评价图(图1)。
由图可知,红色区域为不适宜件建建筑的区域,主要是由于该区域的冻融、砂土液化和断裂引起的,可以在这些区域内建造公园、苗圃、广场等有很少建筑物的场所,单层一般是指6层以下的建筑,该区大部分为单层区,适合发展住宅建筑。少数的多层区可以发展成商业区。
参考文献
[1] 李相然.工程地质环境质量评价理论在城市规划中的应用[J].世界地质,2000,19(3):258～263.
[2] 刘广润.工程地质工作的最大效益机会存在于工程规划选址中[J].水文地质工程地质,1992,(4):1～2.
[3] 胡广韬.关于环境工程地质学的研究对象与其基本内容[J]．水文地质工程地质,1992,19(6):34～36．
[4] 李相然.城市规划地质工作研究的几个基本问题[J].中国地质,1995,(12):20-21.
[5] 巩彩兰,恽才兴.应用地理信息系统研究长江口南港底沙运动规律[J].水利学报,2002,(4):18～22.
[6] 包惠明,胡长顺.GIS支持下岩土工程勘察设计一体化[J].水文地质工程地质,2002,(2):74-76 .
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[8] 姜洪涛.基于GIS的工程地质环境质量评价的系统分析[J].防灾减灾工程学报,2005,25(4)451～456.