鲁南地区区域工程地质环境评价

张 敏

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东济宁 272100)

0 引言

随着国家重大区域战略的实施，以及山东省各类支撑条件、发展现状和趋势，已经形成主体功能突出、产业布局特色明显、内部联系紧密的省会经济圈、胶东经济圈和鲁南经济圈三大圈层。其中，鲁南经济圈已通过高铁、高速公路、铁路骨干交通网络联系，基本形成了“一小时”生活圈和工作圈，联系相对密切，一体化发展趋势明显。经济布局适应不同时期发展需要，进行了多次演变和优化，逐步从区域自发转向主体功能定位，为山东省经济继续走在全国前列奠定了良好的基础。

城市圈或城市群是承载人口的主要区域，山东必须加强内部互联互通建设，搞好差异化定位，优化体制机制，实现一体化发展，突出抓好鲁南城市群建设。鲁南经济圈打造食品及优质农产品生产加工基地、能源及煤化工基地、精品钢铁基地、优质建材基地、机械制造基地、商贸物流基地。在“规划”实施中，鲁南经济圈将以港、航、路和输油管道等基础设施建设为先导，以提高工业化和城市化水平为核心，以打造“六大产业基地”为重点，加快构建现代产业体系，大力发展循环经济和文化旅游商贸业，努力成为鲁苏豫皖边界区域新的经济隆起带、山东经济发展的重要增长极。

本文结合鲁南经济圈发展规划，进行地质条件、地质资源，特别是区域工程地质环境综合评价，为区域经济总体规划、国土资源开发整治以及城市规划、工程建设与经济社会可持续发展提供地学依据。

1 概况

1.1 位置与交通

课题涉及山东省南部，范围包括菏泽、济宁、枣庄、临沂和日照五市，西靠河南省，南邻江苏、安徽两省，东临黄海。地理坐标东经114°47′30″～119°45′00″，北纬34°22′54″～36°00′00″，面积约5.5万km2。

1.2 地形地貌

根据其形态及成因特点，可分为三个大区，即鲁中南中低山丘陵区、鲁东低山丘陵区和鲁西北平原区。

1.3 气象水文

研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，具有降水集中、雨热同季，春秋短暂、冬夏较长的特点。同时本区东部受海洋气候影响，潮湿凉爽；西部受大陆季风影响，冬冷夏热。

区内水系较为发达，境内河湖交错，水网密布，分属于黄河流域大汶河水系、淮河流域湖西水系、淮河流域湖东水系、淮河流域沂沭河水系和沿海诸河流域半岛小河水系区。

1.4 地质环境概况

本区在大地构造上隶属中朝准地台，经历了多次构造运动，地质构造较为复杂，全区可划分为鲁西隆起区、鲁东南隆起区二个II级构造单元和沂沭断裂带三部分。

图1 区域地层综合区划图

1.5 土壤类型、成因及分布特征

土壤是多种因素影响下变化的客体，在特定的成土因素综合作用下形成，是人类耕作活动的产物。本区分布的土壤类型主要有潮土、棕壤、褐土、砂姜黑土和盐土，见图2。

图2 区域土壤类型

1.6 含水岩组类型及其富水性特征

根据含水介质岩性组合及地下水的赋存特征，将区内含水岩组划分为以下五种主要类型。

(1)松散岩类孔隙含水岩组。广泛分布于鲁西平原的黄河冲积平原、山前冲洪积平原和鲁中南中低山丘陵区的山间盆地以及鲁东低山丘陵区的滨海河谷地区。

(2)碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组。广泛分布于鲁中南中低山丘陵区及其外围近山前地带，组成岩性主要为灰岩、白云岩及泥灰岩等，地下水赋存于灰岩、白云岩的溶蚀裂隙和溶洞中。岩石裂隙、岩溶的发育及富水性显著受岩性、地形地貌及构造条件的控制；大部分地区裂隙、岩溶发育深度<400 m。石灰岩山区含水层一般发育较差，富水性较弱，单井涌水量多小于500 m3/d，在有利的地貌、构造部位单井涌水量500～1000 m3/d，局部地段可达1000～3000 m3/d；山前隐伏地区，灰岩裂隙岩溶发育程度较高，含水层富水性强，单井涌水量一般1000～5000 m3/d，部分强富水地段单井涌水量>5000 m3/d，最大可达10 000 m3/d以上。地下水位埋深自山区到隐伏区逐渐变浅，山区一般埋深20～50 m，最大埋深>100 m；隐伏区水位埋深一般在5～10 m之间。

(3)碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组。主要分布于鲁西平原的构造断陷盆地、鲁中南山区的断陷盆地、单斜前缘和鲁东丘陵等地区。除在鲁中南中低山丘陵区和鲁东低山丘陵区有部分出露，其他地区均隐伏于松散岩层之下。组成岩性为砂岩、页岩及砾岩或砂岩、页岩夹煤层、灰岩等。含水层裂隙、孔隙发育差、富水性弱，单井涌水量一般<100 m3/d，局部地段>500 m3/d，水位埋深多在10 m以浅。

(4)岩浆岩类孔隙及裂隙含水岩组。主要分布于鲁东低山丘陵区和沂沭断裂带，鲁中南山区有部分分布。组成岩性为花岗岩、闪长岩、玄武岩、安山岩等侵入岩或喷出岩，地下水赋存于岩石的风化、构造裂隙及风化壳中，含水层发育厚度小、储存空间差、富水性弱，单井涌水量大部分地区<100 m3/d，局部地段>100 m3/d。水位埋深一般<5 m。

(5)变质岩类裂隙及岩溶裂隙含水岩组。大面积出露于鲁中南山区及鲁东丘陵地区，组成岩性主要为片麻岩、片岩、板岩夹大理岩、灰岩等。含水层总体发育状况差，富水性弱，单井涌水量多<100 m3/d；部分大理岩分布地段岩溶、裂隙较发育，富水性相对好一些，单井涌水量100～500 m3/d，局部补给、蓄存条件较好的地段单井涌水量可达1000～3000 m3/d。水位埋深一般<10 m。

1.7 土体工程地质类型及特征

第四系松散岩类在鲁西地区广泛分布，鲁中南和鲁东地区分布于山间谷地，盆地、准平原、山前平原和滨海平原一带。土体工程地质分类，根据土层的粒度成分和工程地质性质可划分为：砂性土、黏性土、特殊土。土体结构类型按土体岩性组合状态分为：单层结构、双层结构、多层结构三种类型。

(1)黏性土单层结构类型。主要分布于鲁西平原以及鲁中南苍山一带。该土体类型多处于黄泛冲积平原之缓平坡地、洼地和山前平原。土层结构单一，由粉土、粉质黏土、黏土组成。粉质黏土呈黄褐色，可塑～软塑，中密；黏土呈黄褐色，可塑，中密。

(2)黏性土和砂性土双层结构类型。主要分布于鲁西冲平原，鲁中南及鲁东山间谷地亦有分布，上层为黏土、粉土、粉质黏土，其下部为粉砂、细砂层。

(3)砂性土和黏性土双层结构。分布不广，仅在东明县东明集、日照一带冲洪积平原有小面积分布。上部为粉土，其下为粉质黏土，粉质黏土夹黏土，下部为淤泥质土。

(4)黏性土和砂性土互层的多层结构类型。广泛分布于鲁西冲积平原、鲁西山前冲洪积平原地区。鲁西冲积平原以粉土、粉质黏土为主。黏性土为粉土、粉质黏土、粉细砂；砂性土为粉砂、细砂为主，其为中砂。粘性土一般为棕黄、褐黄色，可塑～硬塑，湿～稍湿，稍密～中密、密；砂性土一般为褐黄、黄褐色，可塑～软塑，湿～很湿，稍密～中密。

2 区域工程地质环境评价

对工作区工程地质环境质量进行评价，可按区域地壳稳定性、地面稳定性和地基稳定性三方面进行评价。本次评价将工作区划分成80 mm×80 mm的方厘网，单元面积为400 km2，共划分成139个评价单元，然后对每个单元进行质量评价时先从上述三个方面的单项分析入手，划分出不同等级，然后进行综合评价，全面衡量各区的工程地质环境质量。

2.1 地壳稳定性评价

地壳稳定性评价指现今构造运动、地震、火山活动等，现今地壳及其表层的相对稳定程度，可以以地震震级、基本烈度为主要指标。评价标准是根据李兴唐给出的稳定性分级结合工作区实际情况来确定(表1)，在评价过程中有界限值的采用界限值，区间值的采用中值。

表1 地壳稳定性评价标准

评价方法采用系统聚类法中的距离系数法，在聚类分析时首先对取得的原始数值进行正规化处理。以距离系数作为表征样品或变差间相似程度的统计量，以作为相似性的度量。把每个变量看作m维空间的一个点，称Ci，Cj两点的距离为相应的两个变量的距离系数：

(1)

式中：Djk为i，j两变量间的距离系数；n为样品数；Cik、Cij分别为第k个样品第i个指标的实际值和j级别的标准值。

在变量正规化条件下，0≤Djk≤1，距离系数D值愈小，两变量间的样品间相似性越大。选取地震震级和地震动峰值加速度(g)作为评价因子，对每个评价单元进行地壳稳定性评价。

2.2 地面稳定性评价

地面稳定性评价指地壳表面在内、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。包括地面塌陷、地面沉降、砂土液化、地裂缝、岸带崩塌和淤积、边坡失稳等。地面稳定性评价以定性与定量相结合，以地面坡度、砂土液化(概率)、地面塌陷(概率)、地面沉降量等作为评价因子，评价标准见表2、表3。评价方法仍采用系统聚类中的距离系数法，根据式(1)计算，经过聚类分析得到地面稳定性评价结果见表6。

表2 地面稳定性评价标准

表3 地面稳定性评价因子

2.3 地基稳定性评价

地基稳定性评价指工程建筑物影响范围内岩土体的稳定性。主要研究岩土体的物理力学性质、软弱结构面(层)允许承载力及变形量、地下水作用等。选取地基承载力、场地动反应谱特征周期、地下水位埋深等三项指标作为评价因子评价标准参照《1：5万区域水文地质工程地质环境地质综合勘查规范》(GB/T 14158—93)，并结合区内实际情况而定(表4)。场地特征周期采用国标《中国地震动反应谱特征周期区划图》所给定的资料。仍以图幅中每个方厘网(400 km2)作为基本评价单元，评价方法采用模糊综合评判法。

表4 地基稳定性评价指标

根据模糊集理论，每个点实测值对于各稳定性级别的隶属程度用隶属度μ(x)来刻划(0≤μ(x)≤1)，隶属度愈大隶属资格愈高。隶属度以隶属函数表示和计算，一般多采用线性隶属函数。确定单项因子(参数)对各级稳定性质量标准(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)隶属度的计算公式为：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：μi1、μi2、μi3、μi4为各单项因子分别属于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级质量标准的隶属度；xi为某因子的实测值；ai1、ai2、ai3、ai4分别为某因子Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级的标准值。有界限值的采用界限值，区间值的采用中值。将计算结果构造隶属度矩阵R。

(6)

由于各因子对地基稳定性的影响程度不同，在评价中必须确定各指标的权重。采用下式计算各因子的权重：

(7)

式中：Wi为某因子的权重；xi为某因子的实测值；Coi为某因子各级标准的平均值，即Coi=(ai1+ai2+ai3+ai4)∕4。式(7)表明，指数愈大对环境质量影响愈严重，权重也愈大。

用上式计算的权重可能会出现大于1的情况，但模糊数学运算只允许在[0，1]区间内取值，故对上述权重还须进行归一化处理(即使各指标的权重之和等于1)，计算公式为：

(8)

计算各因子的权重，便得到一个权重模糊向量矩阵A(或称模糊行矩阵)。模糊综合评判是通过模糊关系矩阵R和权重矩阵A的复合运算进行评价。实际上是对各单项指标评价进行加权和合成。用数学式表示为B=A·R，式中B是以隶属度表示的稳定级别模糊评判向量(行矩阵)。模糊矩阵A和R的复合运算，类似普通矩阵的乘法，即M(·，+)法。

根据以最大隶属度确定级别的原则(即某级标准的隶属度最大，该因子就定为某级)，即可得出地基稳定性模糊综合评判结果。

2.4 工程地质环境稳定性评价

分别在对工作区地壳、地面和地基稳定性评价的基础上，用工程地质环境稳定性指标来综合反映质量的优劣程度，将三种因素综合起来进行总的评价。综合评价指标为Se，Se=Sc+Ss+Sf，式中：Se为工程地质环境稳定性综合评价指标，Sc为地壳稳定性指标，Ss为地面稳定性指标，Sf为地基稳定性指标。利用各单项指标稳定性分值，采用上式运算得出一个综合参数，再按照表5分区标准进行工程地质环境稳定性分区评判，评判结果见表6。

表5 工程地质环境稳定性分区标准

根据工程地质环境稳定性评价结果，将工作区划分为工程地质环境稳定区(I)、基本稳定区(II)和较不稳定区(III)。

(1)稳定区(I)

分布于邹城—兖州—汶上—宁阳—泗水—曲阜、金乡南侧、单县东南等地，该区地震动峰值加速度<0.10g，地壳稳定性好(Sc=1)；地面坡度<0.5‰或0.5‰～1‰之间，地下水位埋深多在4～6 m，在菏泽黄河冲积平原区则多为2～4 m。接近或大于液化土特征深度(15 m)，基本不会产生地震液化等不良工程地质问题，地表稳定性好(Ss=1)或较好(Ss=2)；土体类型15 m以内以黏性土为主，土体结构以多层结构为主，地基承载力标准值130～160 kPa，场地特征周期0.40～0.45 s，地基稳定性为好或较好(Sf=1～4)。综合工程地质环境质量好(Se=3～4)。

(2)基本稳定区(II)

大范围分布于菏泽—定陶、鱼台—嘉祥—济宁、梁山—东平—新泰—日照—临沂—枣庄—带，该区地面坡度<2‰，地震动峰值加速度<0.05～0.15g，地壳稳定—较稳定(Sc=1～4)；区内地下水水位埋深局部小于4 m，产生地震液化的概率为0.2～0.4，地表基本稳定～较稳定(Ss=1～4)；地基承载力140 kPa以上，地基稳定～基本稳定(Sf=1～4)。综合工程地质环境质量较好(Se=5～8)。济宁市虽然存在地面沉降现象，对地面建筑物未构成破坏，地形坡度<0.5‰，地表稳定性好(Ss=1)，对工程地质环境质量仍未产生较大影响。

(3)较不稳定区(III)

分布于临沭—莒县、沂水县西北侧、滕州—薛城、东明—鄄城—成武—单县等地，黄河冲积平原区地面坡度平缓，土体类型以粉土为主，与砂土、粉质黏土构成多层结构，水位埋深<4 m，易产生地震砂土液化不良工程地质问题。临沂东侧地面坡度较大，地震动峰值加速度0.15～0.20g。全区地壳较不稳定～不稳定，地面稳定～基本稳定，地基基本稳定。综合工程地质环境质量较差(Se=9～12)。

表6 区域工程地质环境评价结果表

表6(续)

表6(续)

续表6

3 重点城市工程地质环境评价

在全区工程地质环境评价的基础上，对鲁南经济圈内的五个重点城市工程地质环境进行评价，评价方法和指标与区域评价一致，按地壳稳定性、地面稳定性、地基稳定性三个方面分别进行评价，然后得出工程地质环境评价结果，评价级别的划分标准参照区域工程地质环境评价中的相关标准。五个重点城市工程地质环境评价结果见表7。

(1)菏泽市工程地质环境评价。菏泽市地震动峰值加速度0.15g，地震烈度为VII级，地壳基本稳定(Sc=2)；地面坡度<0.5‰，土壤液化概率0.2～0.3，地面沉降量<0.03 m，地表稳定～基本稳定(Ss=1～2)；地基承载力110 kPa，区内地下水水位埋深4～8 m，局部<4 m，地基基本稳定～较不稳定(Sf=2～4)。综合工程地质环境质量较好(Se=5～8)。

表7 重点城市工程地质环境评价结果表

(2)济宁市工程地质环境评价。地震动峰值加速度0.05g，地震烈度为V级，地壳基本稳定(Sc=1)；地面坡度<0.5‰，地面沉降量大于0.15 m，地表稳定～基本稳定(Ss=1～2)；地基承载力170 kPa，区内地下水水位埋深>10 m，地基基本稳定(Sf=2)。综合工程地质环境质量较好(Se=5)。

(3)枣庄市工程地质环境评价。地震动峰值加速度0.10g，地震烈度为VI级，地壳基本稳定(Sc=2)；地面坡度0.5‰～1.0‰，地面塌陷率0.2～0.5，地表稳定～基本稳定(Ss=2)；地基承载力240 kPa，区内地下水水位埋深一般>6 m；地基基本稳定(Sf=2)。综合工程地质环境质量较好(Se=6)。

(4)临沂市工程地质环境评价。地震动峰值加速度0.15～0.20g，地震烈度为VII～VIII级，地壳基本稳定(Sc=2)；地面坡度0.5‰～1.0‰，地面塌陷率0.2～0.5，地表稳定～基本稳定(Ss=2)；地基承载力230 kPa，区内地下水水位埋深>6 m；地基基本稳定(Sf=2)。综合工程地质环境质量较好(Se=6)。

(5)日照市工程地质环境评价。地震动峰值加速度0.10g，地震烈度为V级，地壳基本稳定(Sc=2)；地面坡度0.5‰～1.0‰，地面塌陷率0.2～0.5，地表稳定～基本稳定(Ss=2)；地基承载力200 kPa，区内地下水水位埋深一般>6 m；地基基本稳定(Sf=2)。综合工程地质环境质量较好(Se=6)。

4 结论

稳定区分布于邹城—兖州—汶上—宁阳—泗水—曲阜、金乡南侧、单县东南等地；基本稳定区大范围分布于菏泽—定陶、鱼台—嘉祥—济宁、梁山—东平—新泰—日照—临沂—枣庄—带；较不稳定区分布于临沭—莒县、沂水县西北侧、滕州—薛城、东明—鄄城—成武—单县等地。

稳定区或基本稳定区不会或基本不会产生严重地震液化等不良工程地质问题，地表稳定性好或较好，工程建设和其他生产活动几乎不受地质条件影响；不稳定区受构造断裂带或其他不良地质作用影响，易产生地震砂土液化不良工程地质问题，工程建设或规划要受到一定影响，生产活动会受到一定限制。

鲁南地区日照、临沂、枣庄、济宁、菏泽等主要城市的综合工程地质环境质量较好，但随着城市规模不断扩大，有些逐渐触及矿区附近，塌陷、地面裂缝等不良地质作用成为新的困扰，城市规划需要顾及这些情况。

受课题研究详细程度所限，在具体工程建设和规划的时候需要对工作区做更加详细的工程地质勘察，具体问题具体研究。对于不稳定区域，涉及人民群众生命财产安全的项目要采取物理避让或工程设计时要加强刚度，确保安全。