唐山城市规划区工程地质环境评价方法研究

2018-07-10刘婷婷费书民于春磊

地质灾害与环境保护 2018年2期

刘婷婷，费书民,于春磊

(1.河北省地矿局第五地质大队，唐山 063000；2. 唐山中冶地岩土工程有限公司，唐山 063000)

工程地质环境质量反映了该地区工程地质条件好差，也是影响工程造价的主要因素，因此，城市规划和建设时要紧密结合工程地质环境评价，依据评价结果对建筑适宜性进行分区，进而提出地基处理类型方案建议，从而获得最大的经济效益和环境效益。因此，建立区域工程地质环境综合评价指标体系，研究适宜的工程地质环境评价方法，对城市规划和建设具有重要的指导意义。国内对工程地质环境质量评价的研究工作开始于 20 世纪 80年代，由工程地质环境评价指标[1]，到评价模型[2-5],[10]，应用GIS进行分析评价[6-9],[11]和建立三维地质体模型[12]，大量的专家和学者均作了不同程度的研究，形成了具有中国特色的城市工程地质环境评价理论。本文结合研究区工程地质环境条件的特点，采用单要素评价和综合评价相结合的方法，总结出具有较强实用性和指导意义的工程地质环境质量评价方法。

1 工程地质环境单要素评价

通过地面调查、工程地质钻探、钻探、测量等手段，查明研究区的工程地质条件、各工程地质层的空间分布规律和基本特征，分析研究区100 m以浅的各工程建设层地基土的沉积环境、物理力学特征、分布规律和地基条件。根据研究区地基土的工程地质特征的判定和分析研究结果，结合工程建设对地基土的利用需求，将地下空间划分3个工程地质层段：①浅部工程地质段。对应的工程地质层，主要用于基础埋深≤3 m的低层、多层建筑物。②中部工程地质段。对应的工程地质层，主要用于基础埋深≤6 m的中高层建筑物。③深部工程地质段。对应的工程地质层，主要用于基础埋深≤15 m的小高层住宅和高层建筑物。

单要素评价对象主要包括：不良工程地质层厚度，浅部、中部和深部工程地质段地基承载力，地基压缩性，地基土均匀性。本方法概化和提取了以下6个单要素参与评价：①浅部工程地质段地基承载力；②中部工程地质段地基承载力；③深部工程地质段地基承载力；④浅-中-深部工程地质段地基压缩性；⑤软弱下卧层厚度；⑥其它不良工程地质层(人工填土)厚度。

确定单要素评价对象后，分别对每个单要素分别建立分级评价标准，进行单要素分区评价，将评价结果分为4个等级，由“好”、“较好”、“一般”至“较差”，即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级。

2 工程地质环境综合评价

工程地质环境具有多样性、复杂性、不确定性等特性，为了对研究区的工程地质环境予以科学地概化，并对其进行评价和预测，需要全面系统分析影响工程地质环境的各类因素，然后利用数学方法将定性的工程地质环境质量定量化，具体思路及步骤见图1。目前，可应用的评价方法主要有多种，包括模糊综合评判法[13]、神经网络法[14]、灰色聚类、逐步判别分析、聚类分析、模糊聚类[15]、多目标加权法、模式识别法、层次分析法、信息量统计法、德尔菲法等。其中模糊综合评价法应用广泛，是一种较成功的方法，通过隶属度函数来实现模糊界限的确定。该方法基于模糊集，不但可以考虑到评判因子的层次性，还可以使评价标准、影响因子的不确定性得以体现，最终做到定性和定量因素相结合，提高了评价精度，使评价结果更客观，更接近实际情况。

图1 工程地质环境综合评价流程

2.1 评价指标体系

根据唐山城市规划区的工程地质环境条件，结合地质环境与城市工程建设相互作用的关系，建立唐山城市规划区工程地质环境综合评价指标体系，从场地稳定性、地基稳定性、地下水影响程度和场地排水条件4个方面因素全面分析，将每个因素分解为按若干二级指标。其中，活动断裂危险性、地质灾害危险性、饱和粉砂土液化决定了场地的稳定性，影响工程建设的安全性；人工填土、地基土承载力、地基土压缩性、软弱下卧层和地基土均匀性几项决定地基稳定性，影响建设难易程度、经济成本和工作周期。地下水埋深、地下水腐蚀性以及地形排水条件属于影响工程建设的不利因素，需考虑相应防范措施(图2)。

从二级评价因子中提取出合理的评价指标，用于之后的综合评价中。

图2 工程地质环境综合评价指标体系

2.2 评价指标权重

评价指标的权值反映各因子对工程地质环境综合评价分级所做的“贡献”，权值是否能合理分配是评价的一个关键步骤。主要应遵循以下原则：

(1) 各评价指标对工程地质环境质量的影响大小。如果活动断裂从研究区穿过、岩溶塌陷、地面塌陷等地质灾害对工程地质环境存在较大影响，则“活动断裂危险性”、“ 地质灾害危险性” 指标的权重也就相应较大。

(2) 各评价指标在研究区范围内的变化大小。例如，研究区的地形地貌和地形坡度相似均一，地形排水条件基本一致，则该项指标的权重也就相应较小。

本次采用层次分析法，通过试算法和经验来确定权值，从典型到一般，从局部到全部，见表1。将确定的指标权重构成权重矩阵，集合A=[A1,A2,A3,，A4]，集合a=[a1,a2，a3，……，a14]。

表1 工程地质环境综合评价分级权重表

2.3 评价单元划分

评价单元是具有相同特性的最小地域单元，同一评价单元在地质环境条件方面具有一致性，而不同的评价单元之间应具有可比性。根据研究区工程地质环境条件的研究精度和范围大小，确定基本评价单元的形状和大小，将整个区域进行单元划分。正方形网格划分法对大区域的评价比较合理，适用于工程地质环境评价。本次评价按照“区内相似，区际相异”的原则对整个研究区进行正方形网格单元划分。以唐山市凤凰新城规划区为例，按评价单元大小为0.25 km×0.25 km，可划分成389个评价单元。

2.4 评价数学模型

本次评价数学模型选用模糊综合评判模型，对所选的评价因子进行模糊综合评价。首先确定评价集和因子集，计算其隶属度，再计算单要素的权重系数，构成合成矩阵，计算每个评价单元的级别，从而对整个区域按评价集进行分区。

2.4.1 确定评价集和因子集

设某评价单元中的评价指标(评价因子)集合为：

U={U1，U2，U3，…，Um}

式中，U1，U2，U3，…，Um为参与评价的m个环境因子的性状数据。

评语(评价标准)集合为：

V={V1，V2，V3，…，Vn}

式中，V1，V2，V3，…，Vn为Ui相应的评价标准的集合。

U代表综合评判所涉及的因素集合，即参与评价所选定的因素；V代表最终评语所组成的集合。

本次工程地质环境综合评价有4个评价等级，组成评价集V：

V={V1,V2,V3,V4}={好,较好,一般,较差}

评价因子集合U，据上述介绍包括14个评价因子，表示为：

U={U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7,U8,U9,U10,U11,U12,U13,U14}={活动断裂危险性，地质灾害危险性，饱和砂土液化，不良工程地质层(人工填土)厚度，浅部工程地质段地基土承载力，中部工程地质段地基土承载力，深部工程地质段地基土承载力，地基土压缩性，软弱下卧层厚度，地基土均匀性，地下水埋深，地下水腐蚀性，地形地貌，地面坡度}

2.4.2 评价因子分级标准的确定

各评价因子的级别划分大都是一个区间值，通过一定方法确定各相邻类别之间的界限值，或称代表值。分级代表值是确定环境因子性状数据的隶属度的基础。有了分级代表值后，可以根据实际环境因子的性状数据来计算其隶属度。

指标的级别划分有时候也采用特征值的办法，每一级预先给定一个数值作为该级标准的代表值，相当于直接给出了评价标准分级代表值。

建立各评价因子的等级划分标准，将标准分为4个等级，即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级。依据评价指标自身特点，即可以是定性标准，也可以是定量标准，例如“活动断裂危险性”可划分为无危险性(Ⅰ级)、危险性小(Ⅱ级)、危险性中等(Ⅲ级)和危险性大(Ⅳ级)；而“浅部工程地质段地基土承载力” 可划分为承载力特征值fak≥200 kPa(Ⅰ级)、承载力特征值150 kPa

2.4.3 隶属函数的确定

隶属函数的建立是模糊综合评价模型的关键。对于采用定性标准进行等级划分的评价指标，本次研究采用面积法求因子所属等级的隶属度，计算公式为：

(1)

式(1)中，μm(x)为隶属度；x为评价因子数据；Sm为评价单元中评价因子属于某环境质量级别的面积；Sd为评价单元的面积；m为环境质量级别。

对于采用定量标准进行等级划分的评价指标，隶属函数的确定方法有很多种，如矩形分布隶属函数、r型分布隶属函数、正态型分布隶属函数、柯西分布隶属函数、梯形分布隶属函数、半领型分布隶属函数等。在地质环境评价实际工作中，梯形分布的隶属函数应用最为广泛，且获得了较好的效果，本次研究中选择梯形分布的隶属函数来构建模糊矩阵。假定某个环境因子的实测性状数据为x，那么，这个因子对各个环境质量级别的隶属度可以这样计算：

(2)

式(2)中，μ1(x)，μ2(x)，…，μm(x)，μm+1(x) 为隶属度；x为某评价因子数据；e(1)，e(2)，…，e(m),e(m+1)为环境质量级别的评价标准；m为环境质量级别。

2.4.4 确定权系数

系数ai表示单因素ui在所有因素中所起的作用大小的度量，即可以视ai为第i种评价因子在环境质量评价诸因子中的权重系数。计算权重就是计算各参评因子对总体质量影响强度的贡献，可以从前述的确定方法中选用。

2.4.5 矩阵合成

取U上的模糊子集B，通过模糊关系矩阵R，则有如下模糊变换：

A·R=B

式中，A为U中诸多因素Ui按其对事物影响的程度，分别赋予不同权重所组成的模糊子集A=(a1，a2，…，ai)；R为总的单因子判别矩阵。模糊向量B=(B1，B2，…，Bm)即为最终综合加的结果。

2.5 评价结果等级划分与分析

工程地质环境综合质量等级主要体现为对工程建设的适宜程度、建设难易程度、经济成本，依据计算结果bj，将质量等级分为4级，即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，工程地质环境综合质量等级由“好”、“较好”、“一般”至“较差”，见表2。

表2 工程地质环境综合评价等级划分

下面以唐山市凤凰新城规划区为例，对工程地质环境综合评价的结果进行分析，并提出地基与基础措施，见表3。由表中可看出，该规划区的工程地质环境质量优越，大部分区域为质量好区，少部分区域为质量较好区，无质量一般区和质量较差区，大部分区域的天然地基可满足中高层以下建筑的需要，是优良的城市建设发展区。

表3 工程地质环境综合评价分区说明表

3 结语

本文采用单要素评价和综合评价相结合的方法，针对研究区工程地质环境条件的特点，全面系统地总结了一套由“局部”到“整体”的工程地质环境质量评价方法，应用该方法便于在GIS支持下，建立城市工程地质环境质量评价因子数据库，利用GIS空间栅格叠加分析功能完成综合评价。

在工程地质环境单要素评价中，根据研究区地基土的工程地质特征的判定和分析研究结果，结合工程建设对地基土的利用需求，概化和提取了6个单要素进行工程地质环境单要素评价。在工程地质环境综合评价中，建立唐山城市规划区工程地质环境综合评价指标体系，从二级指标体系中选出了14个因子作为综合评价的评价因子，采用层次分析法确定了指标权重构成权重矩阵，选用模糊综合评判模型，对所选的评价因子进行模糊综合评价。针对定性分级的评价指标和定量分级的评价指标，采用了不同的隶属函数，来计算因子所属等级的隶属度，完成了定性向定量评价的转化。

本方法中单要素评价是综合评价的基础，二者相结合对综合评价分区结果进行分析，提出地基与基础措施，提高了工作成果的实用性，对城市规划和建设具有较好的指导意义。

[1] 谭周地.城市工程地质环境质量评价与区划[J].长春地质学院学报,1987,17(3):311-318.

[2] 杨闽中,方鸿琪.城市工程地质环境预测模型[J].工程勘察,1989,(1):1-5.

[3] 孙广忠.工程活动与地质环境[J].第四纪研究,1996,(2):97-103.

[4] 蔡鹤生,唐朝晖,周爱国.地质环境质量综合评价中的敏感因子模型[J].地质科技情报,1998,17(2):71-75.

[5] 贾永刚,方鸿琪.青岛城市地质环境工程适宜性系统分析[J].地球科学-中国地质大学学报,1999,24(6):648-652.

[6] 戴福初,张晓晖.地理信息系统GIS支持下的城市地质环境评价[J].工程地质学报,2000.8(4):426-432.

[7] 方鸿琪,杨闽中.工程场地的特征与工程地质分区[J].工程地质学报,2002,10(3):244-247.

[8] 姜洪涛,王宝军.基于GIS的工程地质环境评价系统分析[J].防灾减灾工程学报,2005,25(4):451-457.

[9] 苏惠敏,张学宝,薛亮.基于GIS的西安市工程地质环境评价研究[J].干旱区资源与环境,2006,20(5):43-47.

[10] 彭有宝.模糊综合评判法在城市规划工程地质勘察评价中的应用——2010年全国工程地质学术年会暨“工程地质与海西建设”学术大会论文集[C].福州:工程地质学报,2010:301-305.

[11] 蔡冰,左文喆,郭彦雪.曹妃甸工业区工程地质环境质量评价[J].河北理工大学学报(自然科学版),2011,33(1):123-129.