武汉地质条件与城市地质问题概述

杨育文,敖晨霞,熊增强(武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022)

武汉地质条件与城市地质问题概述

杨育文∗,敖晨霞,熊增强
(武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022)

摘 要:城市地质数据是城市建设和发展的基础,是建设文明城市的需要。依据大量第一手数据,本文介绍了武汉地质条件的特点,综合分析了潜在的城市地质问题,为城市规划、建设、管理提供参考依据。

关键词:武汉;地质;环境地质

1 前 言

武汉三镇是一个山水城市,地处华中腹地,位于长江与汉江交汇处,在江汉平原以东,南北扼京广线之咽喉,东西锁长江之要塞,素有“九省通衢”之称。从土地资源承载力来看,武汉市国土面积仅次于北京、天津,是香港的8倍。据2011年湖北省第六次人口普查,武汉市常住人口近千万,是华中地区特大中心城市,目前正处于大规模基础设施建设时期。据统计, 2013年武汉建设工地数量达11 012个,部分区域每平方千米高达两个[1]。位于中心城区的武汉绿地中心基坑开挖深度35 m,土方开挖总量约100万m3。目前武汉已运营的地铁线路长78．4 km,未来6年将建10条地铁,总长度达170 km[2]。2014年12月武汉国土面积为8 569．15 km2,比原公布的面积增加74．74 km2[3]。城市规划选址以及地铁隧道大范围的掘进等基础建设,要求建设者对武汉市的地质条件有全面的掌握和准确的评估,城市扩建和建设选址必须选择地质条件较好地段,避开岩溶暗河强发育等不利地段。另外,据2013年武汉市环境统计公报,武汉工业废气排放总量5 632．42亿m3,废水排放量8．54亿吨,一般工业固体废物产生量1 381．55万吨。在高层建筑拔地而起、城市街道变得越来越干净整洁的同时,城市环境被污染了,一些有害物会随着雨水慢慢地渗入到地下,污染水源和土壤[4]。地质环境对有害废弃物有一定的容纳能力,但不能超过其容量。遗憾的是,目前武汉市在这一方面的工作开展得不多,这显然不能适应目前武汉市城市建设和发展的需要。

本文从工程地质、水文地质、环境地质多个角度,特别针对表层土壤污染,综合分析武汉市地质条件,并根据地质条件的特点,分析潜在的城市地质问题,为城市规划和建设提供依据。

2 地质条件特点

古人讲究天人合一,在修建房屋之前要“相土尝水”,选择“风水”较好的地段。随着西方的科学技术的进入,形成了城市规划学和地质学。传统上,地质包括工程地质,即查明工程场址的地质条件、提供地下设施设计参数和工程措施等以及研究地下水的分布和形成规律、地下水资源及其合理利用、地下水对地下工程建设不利影响及其防治的水文地质。另外,还包括了地层学、岩石学、第四纪地质学、构造学、地貌学等等学科。事实上,地球岩土圈、水圈、大气圈和生态圈,它们的相互作用和人类活动对它们的影响,都与城市规划、建设、管理密切相关,直接影响着城市生活,都属于城市地质的研究范畴,这比传统意义上地质的概念要大很多。工程地质、水文地质研究方法成熟,积累了丰富的信息和大量的数据,而环境地质正逐步受到重视。

武汉商业区大多集中在长江、汉江两岸,与三个级阶地密切相关。下面针对武汉市三个阶地,简要介绍武汉工程地质、水文地质的特点,并以表层土壤污染为例,介绍土壤环境质量评价方法和初步评价成果。

2．1工程地质特点

武汉地处江汉平原东部,地势为东高西低,南高北低,中间被长江、汉江呈Y字形切割成三块,谓之武汉三填,地貌形态主要有以下三种类型(如图1所示)[5]:

(1)剥蚀丘陵区:主要分布在武昌、汉阳地区,丘陵呈线状或残丘状分布,如武昌的磨山、珞珈山、汉阳的扁担山等,丘顶高为80 m～150 m,其地层为志留系与泥盆系的砂页岩。

图1　武汉市地貌分区图

(2)剥蚀堆积垅岗区:主要分布在武昌、汉阳的平原湖区与残丘之间,地形波状起伏,垅岗与坳沟相间分布,高程为28 m～35 m(相当于三级阶地),其地层主要为中、上更新统老黏性土。

(3)堆积平原区:分布于整个汉口市区及武昌、汉阳沿江一带,主要为由长江、汉江冲洪积物构成的一、二级阶地。其中以一级阶地为主,广泛分布于长江、汉江两岸地区,地面标高19 m～21 m。地层由全新统黏性土、砂性土及砂卵石层构成。区内有众多湖泊、堰塘、残存的沼泽地及暗沟、暗浜等。二级阶地,仅见于青山镇及东西湖一带,地面标高为22 m～24 m,地层由上更新统的黏性土与砂性土组成。

汉口至武昌剖面如图2所示[6]。

图2　典型地质剖面[6]

从地质构造上来看,武汉坐落于淮阳山字型前弧西翼与新华夏构造体系的复合部位,表现为一系列北西、北西西、北东和近东西的正断层、逆断层及逆掩断层,新断层仅存在于中更新世地层中。岩性以碎屑沉积岩为主。燕山运动破坏了岩体的完整性,地应力不易大量集中与突然释放,相对邻区而言,武汉是一个相对稳定地区[7]。

与工程建设密切相关的三个阶地具有如下地质特征:

一级阶地地层属第四纪全新统(Q4),为近1万年～1．2万年冲积沉积层,其地层组合呈典型的二元结构特征,即上部为以黏性土为主的一套地层,下部为砂土、砾石、卵石组成的下粗上细的一套地层,其基底多为基岩,有时为全新统以前的老土层。近地表部分常分布有湖沼相软土层或粉土层。上部黏性土与下部砂层之间,通常都存在厚度不等的黏性土与粉砂互层(过渡层),与下层砂均为连续含水层[6]。如图3所示,是位于一级阶地汉口后湖一钻孔柱状图。

图3　一级阶地典型岩土层分布

分布在长江、汉江一级阶地的外侧,是冲积平原早期形成的组成部分,地层时代属第四系晚更新统(Q3),距今2万年～13万年之间。与一级阶地地层截然不连续,呈陡坎式接触[6]。二级阶地地层也具有典型的二元结构组合特征,即上部为黏性土,下部为砂、卵砾石层,其基底有的为基岩,有的为中更新统Q2老土层。由于古气候等原因,二级阶地的上部黏性土普遍具有黄土状土特征(大孔隙、直立性及钙质结核),其下的砂、卵砾石层一般厚度不大,密实度较高。位于二级阶地上的汉口东西湖常青花园一钻孔柱状图如图4所示。

图4　二级阶地典型岩土层分布

分布在一、二级阶地之外,是江河冲积平原更古老的组成部分,地层时代属第四系中更新统Q2,与二级阶地或一级阶地地层截然不连续,呈陡坎式接触[6]。三级阶地多被长期剥蚀成隆岗或波状平原。三级阶地的地层组合,除早—中更新统Q1至Q2的老古河道具二元结构外,一般多以老黏性土为主,二元结构不明显,只在底部有碎石夹黏性土层。三级阶地上武昌水果湖一古河道钻孔柱状图如图5所示。

图5　三级阶地古河道地段典型岩土层分布

2．2水文地质

武汉属于我国亚热带东南季风气候区,具有夏季炎热、冬季寒冷、降水充沛等主要气候特点[5],年平均气温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%。武汉地区的长江最高洪水位为29．73 m(吴淞高程系统),最低枯水位8．87 m,水位升降幅度达20．86 m[5]。

按埋藏条件和含水层性质,武汉市地下水一般分成上层滞水、潜水、承压水三类,潜水和承压水包含着按含水介质特性划分的孔隙水、裂隙水和岩溶水三种,如表1所示。

由于武汉市三个阶地地层时代和地层组合类型不同,其中地下水的埋藏类型、含水性及水量和水力性质有很大差别。

一级阶地的水文地质条件较为复杂,常有多层地下水埋藏。浅部有上层滞水(分布于人工填土、淤泥和淤泥质土中)或潜水(分布于临江一带或支流故道中)。下部砂层及砾卵石层中有承压水埋藏,由于该含水层紧邻长江或汉江,含水层中水与江水有直接的水力联系,因而具有较高的承压水头,且承压水渗流方向有垂直向上渗流的特点,是造成深基坑坑底突涌的根本原因[6]。

地下水分类与地下水特点[6]表1

二级阶地的水文地质条件较一级阶地简单,地下水埋藏类型多为潜水,赋存于粉土质土中,但水位较深。局部存在砂、卵砾石层层间水时,具有承压性,但因密实度高和粘粒含量多,故含水透水性均小于一级阶地,尤其因其与河床无直接水力联系时,因而承压水头不会太高[6]。

三级阶地的水文地质条件简单,老黏性土属不透水非含水层,底部碎石夹黏土中相对富水。由于这类砂、卵石层属极密实土且砂中含粘粒很多,卵石呈半胶结状态,属弱透水层[6]。

2．3环境地质与地质环境

环境地质学,是研究人类活动与地质环境相互作用、相互影响的学科,是以地质环境作为研究对象的科学。到20世纪70年代中期,该学科才逐步发展成为一门较系统的学科。地球岩土圈、水圈、大气圈完成着生态环境功能,是生物、地球化学循环的储存库,是人类赖以生存的资源,地球上的一切生物都依存于这一地质环境。城市原生地质环境,是地理位置制约下的各个要素相互影响、相互制约、共同作用并呈有机统一的产物。城市工程活动和大量有害废物的排放,不断地影响和改造着地质环境,使生物圈、岩土圈、水圈原有的物质流和能量流发生着改变,甚至引发新的地质作用。不同地理位置、不同类型、不同功能的城市,其地质作用的重点和强度存在着很大的差异。同一座城市,不同城市功能区的地质作用的差异也很明显。如基础建设工业区的地基稳定、深基坑开挖对周边环境的影响、水土污染等问题表现得较突出,而住宅区则主要是生活垃圾对土壤和水体的污染。

地质环境容量,是地质环境可能承受人类活动的影响与改变的最大合理潜能或阈限值、临界值,与特定的地质环境、环境目标等多个因素有关。空气污染容量的大小,取决于城市地理位置制约下的自然环境背景,如位于向风海岸、山地迎风坡的城市,大气易于交流和扩散,其环境容量必然大于位处内陆、峡谷的城市。地质环境质量的优劣、容量的大小及其变化,直接影响着城市发展。良好的地质环境为城市的发展与繁荣提供了必需的物质基础,而恶劣的地质环境则将制约城市的发展。

下面以土壤污染为例,分析武汉市地质环境问题。

各种污染物质进入土壤,引起土壤的组成、结构和功能发生变化,使土壤质量下降,危害人体健康。农业生产中,施用化肥和农药、用被污染的水源污灌溉是污染土壤的主要途径。垃圾、废渣、污水都以土壤作为处理场所,大气中的SO2、重金属,可以经“干降”和“湿降”而进入土壤,使土壤“酸化”,造成重金属污染。位于染料厂、农药厂厂址下面的土壤也易于被污染。赫山地块位于武汉市汉阳区,紧邻汉江,原属于武汉农药厂。2006年3月,该地块在被收储时未作环评和勘测,随后被一家房地产开发商。但随后这家开发商在进行施工时,却遭遇工人中毒事件。主要污染物是有机磷、有机氯农药,即滴滴涕和六六六,平均污染深度在1．8 m左右,局部最深达9 m,赫山地块70%以上的区域都受到了污染,污染总土方量达到29．68 万m3。修复时间长达3年(如图6所示),从2011年5月开始修复到2014年10月通过验收[8]。

图6　正在进行土壤修复的赫山毒地

土壤环境质量评价常用污染指数法,国家行业规范中有规定[9]。土壤单项污染指数P=土壤污染物实测值/土壤污染物质量标准。2010年武汉城区土壤重金属污染统计结果如表2所示。

从表2可以看出,武汉城区土壤中Hg、As、Cd、Pb 和Cu含量均超过湖北省土壤背景值,其中重金属Hg积累最明显,其含量为背景值的2．88倍;其次为Pb、Cd、Cu和As,分别超过相应背景值的83．2%,76．6%, 43．5%和14．6%。变异系数最大的重金属元素是Hg,表明Hg的分布最不均匀,受人为活动的干扰作用比其他5种重金属强烈得多[10]。

武汉城区土壤重金属含量(mg/ kg)[10]表2

在实际情况中,常出现多种污染物同时污染某一区域土壤的现象,而单因子污染指数只能反映单个重金属污染物的污染程度,不能全面、综合地反映多种污染物的整体污染水平,而内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算最常用的方法之一,它兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值,能较全面地反映环境质量,而且可以突出污染较重的污染物作用,其计算公式为[9]:

式中¯P、Pmax分别是平均单项污染指数和最大单项污染指数。按内梅罗污染指数划定的土壤污染评价标准如表3所示[9]。

土壤内梅罗污染指数评价标准 表3

根据实测数据统计分析,采用内梅罗污染指数评价标准,得到2014年武汉市表层土壤环境质量综合指数分级,如图7所示[11]。图7表明,武汉地表土壤污染严重区域以点状分布。

图7　武汉主城区地表土壤污染指数分区图[11]

3 城市地质问题

任何一座城市,必须拥有健全的生命支撑系统和安全保障系统。城市地质信息和数据,既是城市规划、建设和管理的依据之一,也是城市安全的保障之一。武汉曾发生过多起岩溶地面塌陷、地下水诱发的基坑滑塌等事故。充分利用这些数据,可避免或减轻有可能给城市居民带来威胁的地质问题。武汉地质条件决定了城市地质问题,主要表现在断裂、岩溶暗河、滑坡、水土污染、软土及放射性特殊岩土、防洪这些方面,下面分别作详细的分析。

(1)岩溶地面塌陷和古河道

武汉市属鄂东南岩溶地面塌陷易发区,近几十年发生过多起岩溶地面塌陷灾害,大部分集中在沿长江一带[12]。岩溶地面塌陷不仅与下伏碳酸岩岩溶发育程度有关,还与上覆松散覆盖层的工程性质及岩溶裂隙水、孔隙承压水、地表水三者循环有关,循环的结果导致上部土体的潜蚀、吸蚀破坏,发展到一定程度就会导致地面塌陷。地下工程施工过程中,不可避免地要进行地下水的降水、排水活动,无疑也是地面塌陷的诱因。武汉三镇局部存在古河道,埋藏较深,部分处于强发育状态。城市基础设施选址,必须避开强发育的岩溶和古河道地段。

(2)边坡滑坡崩塌

雨水、采矿等会引起山体或防洪堤坝滑塌。据报道,2010年7月中旬,武汉市江夏纸坊街青龙山连续发生山体滑坡,滑坡土体不仅将坡上的树木“洗涮”成赤裸的黄土,冲下山脚的山石还将水泥路面砸裂。另外,采矿也诱发过多起岩坡滑塌。城市扩建选址,必须避开不稳定滑坡、崩塌区。

(3)特殊土

武汉局部存在软土、老黏土、填土、放射性岩土等特殊土,对工程建设不利,如软土易引起建筑物不均匀沉降、基坑滑塌、桩基承载力低等一系列岩土工程问题。以软土和膨胀土为例分述如下。

软土。武汉地区一级阶地广泛分布淤泥质土、淤泥等软土,厚度1．5 m～18．5 m,局部厚达35．0 m左右,二、三级阶地坳沟区分布有厚度1．0 m～15．0 m的软土。软土具有低强度、高压缩性、流变性、触变性等特点,在地下工程建设过程中易引发基坑失稳、基桩偏位过大、断桩、缩径等桩等工程事故。如1995年年底,汉口三眼桥18层楼,软土导致240根桩偏位300 mm以上,个别达1 700 mm,使桩基整体失稳,不得不爆破拆除。另外,以软土作为持力层的多层建筑、道路等,若地基处理不当,造成建筑物沉降长期不稳定,甚至导致上部结构破坏等。如一长江公路大桥汉阳连接线近4 km的路面,由于软土处理不当,公路建成仅一年多,路基即发生不均匀沉降,导致路面起伏不平、出现大量裂缝,先后三次治理,每次耗资上千万元,效果并不明显,不得不全部改为高架桥。深厚软土上的建筑物,由于软土的排水固结等原因,使房屋产生不均匀沉降,甚至出现裂纹。

胀缩性黏土。位于武昌和汉阳的第三阶地广泛分布着第四系上、中更新统(局部地区分布下更新统)Q3老黏性土,具有明显的胀缩性。除个别地区老黏土的胀缩变形总量大于15 mm外,绝大部分地区小于15 mm。对以老黏土为持力层且荷载轻、排水条件差、浅埋基础的建(构)筑物,易因老黏土胀缩变形造成变形或开裂。另外,老黏土地区基坑,如地下水处理不当,易造成基坑边坡失稳。老黏土有遇水软化的特点,可导致人工挖孔桩承载力降低,也有造成钻孔桩缩径的质量问题。

(4)地下水

武汉市曾经发生几十起基坑管涌、突涌事故,损失惨重。武汉主城区第四系全新统孔隙承压水水头较高(高程为15 m～20 m),地下水与长江和汉江水相通,易引发工程事故。一级阶地上的基坑工程,视其开挖深度大小,将会遭遇上层滞水、潜水、承压水的困扰。浅基坑一般只涉及上层滞水或潜水,深基坑及超深基坑则往往遇到承压水。上层滞水和潜水因埋藏浅、透水性弱且与深层很少联系,故一般只需侧(竖)向隔渗或简单降水即可通过。深层承压水则需复杂、细致的地下水控制方法,如较深或超深的侧(竖)向帷幕和坑内或坑内外深井降水,且各种降水方法均要考虑对周边环境的影响[6]。

(5)土壤污染和水体污染

武汉作为全国老工业基地之一,随着城市化进程的加快,大量的工业企业迁出主城区,但外迁之后留下的毒地问题却频频出现。例如[8],武汉汉阳区赫山地块原属于武汉市农药厂,70%以上的区域都受到了污染,污染总土方量达到29．68万m3。。

武汉淡水资源丰富,总水域面积达2 217．6 km2,占全市土地面积的26．1%。水域面积占全市国土面积的1/4,居全国大城市之首。武汉人均淡水资源量也高居全国各大城市之首,为北京的71倍、上海的19倍、广州的5倍。丰富的水资源是城市发展的最大优势。但是,由于部分污水渗漏或未经处理直接排放等多方面的原因,不少湖泊不同程度地被污染,时有湖中鱼类因缺氧大量死亡的报道,也较少看见成群的候鸟在湖中栖息的场景。局部地段的地下水也受到了不同程度的污染。

(6)防洪是武汉城市地质的特色之一

武汉地处长江和汉江交汇处,堤防总长808 km,其中长江、汉江干堤420 km。中心城区和远城区堤防标准分别31．73 m、31．23 m,分别比1954年洪水位(29．73 m)高2 m和1．5 m。当夏秋季长江水位上涨超过警戒水位,就进入城市防洪期。据1998年统计,武汉市辖区堤防段险情达4 000多起,其中具重大影响的有鼓水8处,管涌75处,堤基沉陷5处,堤面开裂15处。溃口则是洪水对堤防造成的最终灾害,共发生重大溃口16次。一般情况下,城市规划选址必须避开场地标高低于设防洪水位标高大于或等于1．5 m的地段。

(7)暴雨引起的城区渍水

武汉属于亚热带大陆性季风气候,雨量充沛,夏季易发生强降雨,引起城市内涝。2011年6月9日～24 日,5场降雨相继降临武汉,主要城区平均降雨量达到417．7 mm。特别是6月18日的特大暴雨,降水量达192 mm,造成盘龙城、汉阳王家湾、金家墩至汉口火车站、武胜路至航空路、汉街、青年路、徐东居然之家附近、王家湾、汪家墩、台北路、三角路涵洞、新华路、头道街中学、东西湖十三支沟、淮海路常码头到青年路方向等多区域渍水严重,中心城区交通体系几乎瘫痪。

4 结 论

武汉城市地质具有鲜明的特点:

(1)夏季炎热、冬季寒冷、降水充沛是武汉的主要气候特点;

(2)武汉地形地貌包含有剥蚀丘陵区、剥蚀堆积垅岗区和堆积平原区三种类型;

(3)从地质构造上来看,武汉是一个相对稳定地区;

(4)市区岩层以碎屑沉积岩为主,碳酸岩岩溶大部分集中在沿长江一带;

(5)第四纪沉积层复杂多变;

(6)地下水种类较多,承压水受长江汉江水位影响,升降幅度大。武汉目前地表土壤污染严重区域以点状分布,大多来源于生活垃圾和工业生产。

武汉地质条件决定了潜在的城市地质问题,主要表现在断裂、岩溶暗河、滑坡、水土污染、软土和放射性土等特殊岩土、洪水这些方面,它们影响到城市规划、建设及管理,也威胁着城市的安全。

参考文献

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[10] 武汉市测绘研究院,湖北省地质调查院．武汉市地球化学调查分项2014年工作总结[R]．2014

[11] 武汉市勘测设计研究院．武汉市主城区地下空间地质资源专项规划评估报告[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

文章编号:1672-8262(2015)06-147-07中图分类号:P642．5

文献标识码:A

收稿日期:∗2015—05—21

作者简介:杨育文(1963—),男,博士,正高职高级工程师,从事城市地质、深基坑、桩基工程理论研究以及城市地质、岩土工程信息技术开发工作。