曹妃甸工业区工程地质环境质量评价

蔡 冰，左文喆，郭彦雪

（1.河北理工大学 资源与环境学院，河北 唐山063009；2.菏泽市环境监测中心站，山东 菏泽274000）

曹妃甸工业区内有唐山港曹妃甸港区及腹地工业区，是未来的大港口、大钢铁、大化工基地，是唐山市乃至河北省新的经济、工业发展重点区域之一，由于该区域地质环境复杂，对其进行环境质量的评价就显得尤为重要了。

1 研究区的工程地质条件

研究区总共利用36个钻孔资料，工程地质勘探线大致按线距6 km、点距3 km布置钻孔，（如图1），钻孔深度多在50 m以内，个别钻孔深达100 m。

图1 研究区及工程地质钻孔分布图

根据钻孔揭露，研究区场地土层为第四纪全新世、晚更新世冲洪积物、冲积物及冲积海积物。按埋藏条件、岩性特征和物理力学性质指标，将场地划分为11个工程地质层：（1）粉质粘土、（2）粉质粘土、（3）粉细砂、（4）粉质粘土、（5）粉细砂、（6）粉质粘土、（7）细砂、（8）粉质粘土、（9）细砂、（10）粉质粘土。

各土层特征如下：

（1）粉质粘土：全区分布，褐—黄褐色，可塑至软塑，厚0.8～4.0 m，平均厚度2.45 m，层底的深度在0.80～4.00 m之间，层底的标高在-1.2～1.33 m之间。带入唐山地区经验公式R=183.4qc0.5-31中，得到本层承载力特征值fak=100 kPa，压缩模量Es=4.3 MPa。

（2）淤泥质粉质粘土：黑灰色，软塑至流塑，厚1.9～16.5 m，平均厚度8.3 m，层底的深度在7.30～11.00 m之间，层底的标高在-8.24～-4.28 m之间。带入唐山地区经验公式R=183.4qc0.5-31中，得到本层承载力特征值fak=80 kPa，压缩模量Es=3.0 MPa。

（3）粉细砂：灰色至灰黑色，饱和，松散—中密，此层粉土、淤泥含量较高，物理指标较低，厚度在0.6～11.20 m之间，层底的深度在6.80～20.70 m之间，层底的标高在-17.34～-5.3 m之间。带入唐山地区经验公式R=m（19.7qc+65.59）中，折减系数m取1。经计算本层承载力特征值fak=90 kPa，压缩模量Es=5.84MPa。

（4）粉质粘土：粉质粘土：灰黑—灰黄，软塑，厚度在1.30～6.30 m之间，层底的深度在16.30～22.00 m之间，层底的标高在-19.87～-13.75 m之间。带入唐山地区经验公式R=183.4qc0.5-31中，经计算本层承载力特征值fak=160 kPa，压缩模量Es=6.0 MPa。

（5）粉细砂：黄色，饱和，密实，厚度在0.60～2.70 m之间，层底的深度在18.60～34.60 m之间，层底的标高在-32.57～-17.10 m之间，经计算本层承载力特征值fak=245 kPa，压缩模量Es=18.2 MPa。

（6）粉质粘土：灰黄—灰色，硬塑，厚度在2.60～12.8 m之间，层底的深度在28.60～45.50 m之间，层底的标高在-43.24～-25.97 m之间，经计算本层承载力特征值fak=200 kPa，压缩模量Es=9.0 MPa。

（7）细砂：灰色—灰黄色，饱和，密实，厚度在1.60～13.4 m之间，层底的深度在31.50～47.60 m之间，层底的标高在-45.69～-35.60 m之间，经计算本层承载力特征值fak=250 kPa，压缩模量Es=18.5 MPa。

（8）粉质粘土：褐灰色—灰黄色，硬塑局部软塑，厚度在1.90～8.00m之间，层底的深度在41.00～50.00m之间，层底的标高在-47.37～-38.96 m之间。经计算本层承载力特征值fak=160 kPa，压缩模量Es=6.0 MPa。

（9）细砂：灰色—灰黄色，饱和，密实厚度在1.60～13.4 m之间，层底的深度在38.40～47.60 m之间，层底的标高在-45.69～-35.60 m之间。经计算本层承载力特征值fak=250 kPa，压缩模量Es=18.5 MPa。

（10）粉质粘土：灰黑色，可塑，切面光滑，切感硬，高干强度，高韧性，有机质含量较高。经计算本层承载力特征值fak=250 kPa，压缩模量Es=18.5 MPa。

2 研究区稳定性评价

工程地质环境中的稳定性，主要针对工程建设的安全性。根据杜东菊、谭周地、方鸿琪等人的观点以及其它沿海地区地基稳定性评价资料，其评价指标一般可包括场地土类别、场地平均剪切波速、卓越周期、承载力、地下水条件、地形地貌等内容，但具体到本区，场地类别、卓越周期、地形坡度、地下水质类型等条件均相似，因此，在小区域地基稳定性分析中，评价因子的选取需根据具体情况而定。考虑各工程地质钻孔勘查分析结果，各孔的软土厚度、液化指数、持力层的埋深、等效剪切波速值、表层硬壳层厚度存在着一定差异，在本次工程地质环境稳定性的评价中，则主要根据本场地实际情况选取适宜指标进行定量评价。

根据本区的工程地质环境分析，确定本工作区稳定性评价的评价因素主要包括液化指数、软土厚度、地基承载力、等效剪切波速、持力层埋深、地下水位埋深6个方面。

（1）砂土液化程度分级（如图2）

图2 砂土液化分值

统计计算在砂土液化分区图上进行，分级的分值为8、6、4、2，依次对应于砂土液化程度级别无液化区域、较轻微液化区域、中等液化区域、严重液化区域。等级划分及其分值如表13。

表13 砂土液化等级划分表

（2）软土厚度分级（如图3）

图3 软土厚度分值

该研究区域普遍的覆盖着一层软土，软土层不能作为地基的持力层，但厚度较小时，对其处理起来比较容易，花费也比较少，所以厚度越小越好，因此根据相关规范要求把该研究区域划分为4个等级，并赋予相应的分值（如表14）。

表14 软土厚度等级划分表

（3）地基承载力分级（如图4）

图4 承载力分值

不同的建筑对地基的承载力的要求不同，根据大多数资料所划分的标准，把承载力的特征值划分为 4个等级，并赋予相应的分值（如表15）。

表15 承载力特征值等级划分表

（4）等效剪切波速分级（如图5）

图5 剪切波速分值

根据相应的技术规范结合实地的测量结果，把该区域分为4个等级，并赋予其相对合理的分值（如表16）。

表16 剪切波速等级划分表

（5）地下水位埋深分级（如图49）

图6 稳定水位分值图

地表以下一定深度的地层温度，随大气温度而变化。当地层温度降至摄氏零度以下时，土层中孔隙水将冻结而形成冻土。这种随季节而变化，冬季冻胀，春夏季节天暖解冻融陷的土类称为季节性冻土。在我国季节性冻土分布很广，以东北、华北、西北地区为主，根据相关的资料可以得知，唐山地区的冻融土的厚度大约在0.7 m左右，而且，一般建筑物的地基在两米以上，在地下水埋深超过2 m的区域，修建一般多层建筑时，基础埋深一般不超过2 m，因而可以不考虑工程建筑物的抗浮性。而修建高、重建筑时，如果采用箱筏基础，地下水位埋深小于2 m，而基础的埋深在2 m以下时，需要考虑工程的建筑的抗浮性。所以根据这两个条件综合考虑，再结合地下水位的实际埋深值，把研究区域分成四个级别，即0.7～1.1 m的区域，该区域的工程地质状况从地下水埋深的角度来说是最差的，既要考虑地下水对建筑物的作用又要考虑冻融土的作用；1.1～2.2 m之间的区域，该区域不必考虑冻融土的作用，只需要考虑地下水的建筑物地基的腐蚀性即可，所以状况要好于上一种；2.2～3.3 m的区域，比上两个区域的地质环境要更好一点；3.2～4 m的区域就整个研究区域来说从地下水埋深的角度来说是最好的。表17为地下水位埋深等级的分值。

表17 地下水位埋深等级划分表

（6）持力层埋深分级（如图50）

图7 持力层埋深分值

考虑到经济因素，持力层越深虽然承载力越大，地基越稳定，但相应的花费也越高，所以参考一些相关的资料文献，把持力层的深度划分为4个等级，并赋予相应的分值（如表18）。

表18 持力层埋深等级划分表

根据层次分析法计算得出地质环境评价指标对地质环境质量的重要性权重见表23。

表23 地质环境评价因子排序表

经一致性检验计算得出，总排序具有满意的一致性。

3 基于GIS的评价分级及结论

综合上述分析可以得出地质环境评价指标的权重，把前面已经在ArcView里处理好了的图件乘以所对应的权重，然后叠加。主要运用的是ArcView里的Analysis――Map Calculator 功能，在Map Calculation的对话框中把每一个因子乘以它们所对应的权重，并把六个乘以权重的评价因子相叠加，形成该研究区域环境质量评价的综合图件。根据已定研究区范围，将液化分区、软土厚度、承载力等单因素矢量图形进栅格化处理，栅格大小定为50m×50m，各栅格继承各矢量图形下的分值。由于本研究对象为工程地质环境质量，所以用ArcView里的Analysis――Reclassify功能，把形成的图件进行重分类。对各单因素栅格数据图层进行加权叠加，得到各栅格的综合分值Q。

式中：Q为每个栅格的总分值，Pi为i种单因素的分值，Wi为i种单因素的权重值。

经聚类分析，将评价区分为四类，不稳定区，次不稳定区，次较稳定区，稳定区（如图51）。表25为地基稳定性评价的等级划分。

图8 地基稳定性评价图

表25 地基稳定性评价等级划分表

研究区稳定性的综合评价结果表明由北向南由较稳定区域过渡为不稳定区域，其中不稳定区域约占51.3%，较稳定区域约占48.7。砂土液化分布严重液化区面积为21.33 km2，中等液化区面积为156.29 km2，较轻微液化区面积为146.03 km2，其余为无液化区面积为215.93 km2。软土的分布状况，软土层的深度为0.8～16.8 m，厚度在1.9～15.5 m之间。

[1] 贾永刚，刘红军.青岛城市地质环境系统稳定性研究[J].海岸工程，1998，2（3）：28-35.

[2] 贾永刚，方鸿琪.青岛城市地质环境信息系统（QUGIS）的设计与实现[J].中国地质灾害与防治学报，1999，6（2）：46-53.

[3] 戴英，张晓晖.基于GIS的城市地质环境敏感性评价—以兰州市为例[J].地球物理学进展，2003，1（2）：178-181.

[4] 朱光.地理信息系统基本原理及应用[M].北京：测绘出版社，1997：1-158.