當今時代,隨著各國城市化進程的不斷加快,城市化建設導致了越來越多的環境地質問題,例如由于過量開采地下水引起地面沉降和建筑物開裂,深埋地下污染源因遷徙彌散引起地下水水質惡化而直接威脅著城市水資源。大規模基礎工程建設導致大面積植被破壞而引起水文地質條件惡化,此外,廢物堆放、路基工程、基坑工程、地下洞室及結構工程等還涉及邊坡與圍巖穩定性問題以及對周圍地質環境的影響等。

 

  目前,我國城市化進程中引發的環境地質問題突出表現在地表水環境惡化問題、地下水污染與污染源遷移問題、地下水開采引起地面變形與沉降及其治理問題、地下結構工程施工安全性問題、高層建筑基坑開挖問題、打入式樁和強夯問題、樁基與土體共同作用及深基坑抗震問題等幾方面。

 

  1.地表水環境惡化問題

 

  隨著城市化不斷發展,我國城市地表水環境問題日益突出,主要表現在:一是城市水災害問題,由于防洪體系不健全,許多城市在遭受暴雨、臺風襲擊后常常造成巨大的經濟損失和災難;二是水資源短缺問題,我國水資源的特點是大氣降水時間上分布不均勻,如降水量年際的差異和一年中各季節的變化大,常常造成旱澇災害,并且誘發其它的自然災害或地質災害。水資源在地域上分布不均勻,且年際、年內的變化大,蓄調能力弱,因此水資源更緊缺,我國干旱、半干旱和沿海地區的水資源短缺問題已成為制約城市發展的因素之一。水環境污染、水質惡化,使部分水資源失去了可利用價值,更加劇了用水矛盾。隨著經濟的發展,沿海各大中城市都存在著水量不足的情況。例如,深圳市現有人口258.53萬人,按人均0.25m3/d計算,深圳年需水量6.6億m3,但深圳目前供水能力僅為2.3億m3;且經濟的高速發展,一方面造成水資源嚴重不足,另一方面也造成水資源的污染。據統計,深圳各大水源均受到不同程度的污染,個別水庫的有關指標已超過國家規定的標準。

 

  2.地下水污染與污染源遷移問題

 

  根據全國85座重點城市地下水主要開采層水質監測資料綜合分析可知,我國北方城市污染嚴重,開采層水質較差。南方城市污染程度較北方城市輕,存在的主要水質問題是:在原生水質不良的基礎上,遭受近期嚴重的生活污染,同時疊加酸雨的污染。造成我國城市地下水水質污染的主要污染源有城市工業廢水和生活污水、工業固體廢棄物和城市生活垃圾、農業污染源的農藥、化肥以及酸雨等,不良工程造成地下水位下降、改變水動力條件也會引起水質不佳含水層或污染水體的越流補給,造成水質污染。如合肥某廠堆放在弱透水黏土上的鉻酐石,隨著雨水長期的淋濾,地下水中的六價鉻超標659倍,遠離400m米的水井中的水仍然超標52.4倍。

 

  3.地下水開采引起地面變形與沉降及其整治問題

 

  本世紀以來,世界各地特別是一些建在第四紀松散堆積平原區的城市發生了不同程度的地面沉降。隨著地面沉降范圍的擴大和沉降量的增加,它對城市的危害越來越大,給城市建筑物、道路交通、管道系統以及給排水、防洪等帶來了諸多困難和危害。城市地面沉降絕大多數與地下水開采緊密相關,如上海、天津等沿海城市和蘇錫常地區的地面沉降。 安徽阜陽市也因嚴重超采深層地下水于上世紀70年代開始出現地面沉降。1980-1990年,地面沉降范圍和中心沉降量分別以26km2/a和78.9mm/a的速率高速增長,中心最大沉降量達109mm/a,到1993年已形成地下水降落漏斗面積達1600km2 ,沉降范圍大于360km2 ,漏斗中心水位埋深已下降79m。現在,該市已形成以潁河閘為中心的地面沉降區,沉降面積約為410km2,中心沉降量已經達到1418.00mm[4],造成潁河防洪能力降低,潁河閘開裂錯位,迫使潁河防洪堤年年加高,同時還出現深井泵井管相對抬升、井臺開裂等現象。1999年汛期調查表明,1997年投資修復的潁河閘又出現新的開裂現象,嚴重威脅大閘的安全運行,地下水的硬度也升高1.7-3.4倍,淺層地下水細菌污染、有毒組分含量 逐年提高。界首市地下水位埋深接近70m,降落漏斗面積達400km2 ,出現了市中心地區房屋開裂、居民院內積水等地面沉降的現象。宿州市、亳州市地下水位也下降至20-30m,地下水區域降落漏斗均在 100km2 以上,地下水位以每年2-3m的速度下降。淮北市的地下水位降至26m,降落漏斗面積在100km2 以上。

 

  淮南煤礦、淮河南岸的田家庵-洛河一帶由于過量開采地下水而發生地面沉降。上世紀90年代的實測資料顯示,其最大下沉量為139.30mm,最大下沉速率為60.04mm/a,平均下沉速率11.16mm/a,大于10mm的下沉量范圍占全區面積的四分之三,沉降量大的地段均發生在地下水集中開采區域。開展地下水開采引起地面變形與沉降的危害性研究及整治,應著眼于地面變形對地下結構物及管網設施的影響,動態地預測在未來水文地質條件下地面變形狀況與趨勢以及可能的地下工程設施強度問題,并且根據預測結果擬定相應的工程防控措施。因采礦疏干排水和開采巖溶水引起地下水位下降而發生巖溶土洞塌陷、地面變形,是礦區城市采礦疏干、開采巖溶水中常見的地質災害。其中采礦引起的巖溶土洞塌陷規模較大,如銅陵市小街地區1989年9月大雨后出現29個塌陷坑,受害范圍40km2 ,損毀建筑物5.2萬m2,曾造成專用鐵路、公路中斷,經濟損失上億元。

 

  4.地下結構工程施工安全性問題

 

  由于地下結構工程是在特定地質構造環境中,并在具有一定初始地應力條件下進行施工,在加荷形式、材料力學模量的模糊不確定性、主體或圍巖體本構行為及巖土體—結構相互作用等的影響下,與地面工程的施工條件相比,地下結構工程要復雜得多。也正是由于這些復雜因素才造成地下結構工程的施工存在風險性大、可預見性差、經驗性強等特點,因此,開展地下結構工程設計施工方案的安全性分析、仿真評估與決策等就顯得十分必要。

 

  5.高層建筑基礎施工問題

 

  目前,在我國城市化進程中,高層建筑集中,基坑開挖越來越深,有的深達20m。由于大部分鄰近處都有建筑物,基坑土質邊坡穩定極為重要,且多數基礎施工需采用井點降水,更加大了對鄰近建筑物的影響,因此,基礎工程施工對鄰近建筑物的影響是又一個較為突出的環境地質問題。特別是因基礎施工致使鄰近建筑物產生不均勻沉降。近年,高層建筑、深基坑、排水引起了地下水水位降低,合肥市清真寺開裂就是由上述原因造成的。擊入樁和強夯對周圍環境的影響,主要來自如下三方面:一是施工時所產生的噪音;二是施工時所產生的振動,一般可采取防振措施,減小影響;三是施工使土體產生水平位移及垂直隆起,對鄰近建筑物有較大影響,對于擊入樁可以用防振溝或預先鉆孔再打樁來消除這種影響。由于樁基具有抗震性能好、控制不均勻沉降效果好及承載力大等優點而日益獲得廣泛應用,但是土體力學行為的強烈非線性、流變性及多相性等特點,致使對群樁—承臺—上部結構共同作用的力學機制分析很困難。這種群樁基礎的沉降量與極限承載力計算及抗震性分析等,除可以通過大量的工程實踐總結經驗之外,很重要的一點就是要依賴于對土體—群樁—承臺共同作用數值分析的突破,這也是最終降低工程造價的關鍵。但由于巖土工程的地區差異性較大,所以這也是目前在樁基與土體共同作用及深基礎抗震研究上存在的難點和熱點問題。