魯南地區區域工程地質環境評價

張 敏

(山東省魯南地質工程勘察院，山東濟寧 272100)

0 引言

隨著國家重大區域戰略的實施，以及山東省各類支撐條件、發展現狀和趨勢，已經形成主體功能突出、產業布局特色明顯、內部聯系緊密的省會經濟圈、膠東經濟圈和魯南經濟圈三大圈層。其中，魯南經濟圈已通過高鐵、高速公路、鐵路骨干交通網絡聯系，基本形成了“一小時”生活圈和工作圈，聯系相對密切，一體化發展趨勢明顯。經濟布局適應不同時期發展需要，進行了多次演變和優化，逐步從區域自發轉向主體功能定位，為山東省經濟繼續走在全國前列奠定了良好的基礎。

城市圈或城市群是承載人口的主要區域，山東必須加強內部互聯互通建設，搞好差異化定位，優化體制機制，實現一體化發展，突出抓好魯南城市群建設。魯南經濟圈打造食品及優質農產品生產加工基地、能源及煤化工基地、精品鋼鐵基地、優質建材基地、機械制造基地、商貿物流基地。在“規劃”實施中，魯南經濟圈將以港、航、路和輸油管道等基礎設施建設為先導，以提高工業化和城市化水平為核心，以打造“六大產業基地”為重點，加快構建現代產業體系，大力發展循環經濟和文化旅游商貿業，努力成為魯蘇豫皖邊界區域新的經濟隆起帶、山東經濟發展的重要增長極。

本文結合魯南經濟圈發展規劃，進行地質條件、地質資源，特別是區域工程地質環境綜合評價，為區域經濟總體規劃、國土資源開發整治以及城市規劃、工程建設與經濟社會可持續發展提供地學依據。

1 概況

1.1 位置與交通

課題涉及山東省南部，范圍包括菏澤、濟寧、棗莊、臨沂和日照五市，西靠河南省，南鄰江蘇、安徽兩省，東臨黃海。地理坐標東經114°47′30″～119°45′00″，北緯34°22′54″～36°00′00″，面積約5.5萬km2。

1.2 地形地貌

根據其形態及成因特點，可分為三個大區，即魯中南中低山丘陵區、魯東低山丘陵區和魯西北平原區。

1.3 氣象水文

研究區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，具有降水集中、雨熱同季，春秋短暫、冬夏較長的特點。同時本區東部受海洋氣候影響，潮濕涼爽；西部受大陸季風影響，冬冷夏熱。

區內水系較為發達，境內河湖交錯，水網密布，分屬于黃河流域大汶河水系、淮河流域湖西水系、淮河流域湖東水系、淮河流域沂沭河水系和沿海諸河流域半島小河水系區。

1.4 地質環境概況

本區在大地構造上隸屬中朝準地臺，經歷了多次構造運動，地質構造較為復雜，全區可劃分為魯西隆起區、魯東南隆起區二個II級構造單元和沂沭斷裂帶三部分。

圖1 區域地層綜合區劃圖

1.5 土壤類型、成因及分布特征

土壤是多種因素影響下變化的客體，在特定的成土因素綜合作用下形成，是人類耕作活動的產物。本區分布的土壤類型主要有潮土、棕壤、褐土、砂姜黑土和鹽土，見圖2。

圖2 區域土壤類型

1.6 含水巖組類型及其富水性特征

根據含水介質巖性組合及地下水的賦存特征，將區內含水巖組劃分為以下五種主要類型。

(1)松散巖類孔隙含水巖組。廣泛分布于魯西平原的黃河沖積平原、山前沖洪積平原和魯中南中低山丘陵區的山間盆地以及魯東低山丘陵區的濱海河谷地區。

(2)碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。廣泛分布于魯中南中低山丘陵區及其外圍近山前地帶，組成巖性主要為灰巖、白云巖及泥灰巖等，地下水賦存于灰巖、白云巖的溶蝕裂隙和溶洞中。巖石裂隙、巖溶的發育及富水性顯著受巖性、地形地貌及構造條件的控制；大部分地區裂隙、巖溶發育深度<400 m。石灰巖山區含水層一般發育較差，富水性較弱，單井涌水量多小于500 m3/d，在有利的地貌、構造部位單井涌水量500～1000 m3/d，局部地段可達1000～3000 m3/d；山前隱伏地區，灰巖裂隙巖溶發育程度較高，含水層富水性強，單井涌水量一般1000～5000 m3/d，部分強富水地段單井涌水量>5000 m3/d，最大可達10 000 m3/d以上。地下水位埋深自山區到隱伏區逐漸變淺，山區一般埋深20～50 m，最大埋深>100 m；隱伏區水位埋深一般在5～10 m之間。

(3)碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組。主要分布于魯西平原的構造斷陷盆地、魯中南山區的斷陷盆地、單斜前緣和魯東丘陵等地區。除在魯中南中低山丘陵區和魯東低山丘陵區有部分出露，其他地區均隱伏于松散巖層之下。組成巖性為砂巖、頁巖及礫巖或砂巖、頁巖夾煤層、灰巖等。含水層裂隙、孔隙發育差、富水性弱，單井涌水量一般<100 m3/d，局部地段>500 m3/d，水位埋深多在10 m以淺。

(4)巖漿巖類孔隙及裂隙含水巖組。主要分布于魯東低山丘陵區和沂沭斷裂帶，魯中南山區有部分分布。組成巖性為花崗巖、閃長巖、玄武巖、安山巖等侵入巖或噴出巖，地下水賦存于巖石的風化、構造裂隙及風化殼中，含水層發育厚度小、儲存空間差、富水性弱，單井涌水量大部分地區<100 m3/d，局部地段>100 m3/d。水位埋深一般<5 m。

(5)變質巖類裂隙及巖溶裂隙含水巖組。大面積出露于魯中南山區及魯東丘陵地區，組成巖性主要為片麻巖、片巖、板巖夾大理巖、灰巖等。含水層總體發育狀況差，富水性弱，單井涌水量多<100 m3/d；部分大理巖分布地段巖溶、裂隙較發育，富水性相對好一些，單井涌水量100～500 m3/d，局部補給、蓄存條件較好的地段單井涌水量可達1000～3000 m3/d。水位埋深一般<10 m。

1.7 土體工程地質類型及特征

第四系松散巖類在魯西地區廣泛分布，魯中南和魯東地區分布于山間谷地，盆地、準平原、山前平原和濱海平原一帶。土體工程地質分類，根據土層的粒度成分和工程地質性質可劃分為：砂性土、黏性土、特殊土。土體結構類型按土體巖性組合狀態分為：單層結構、雙層結構、多層結構三種類型。

(1)黏性土單層結構類型。主要分布于魯西平原以及魯中南蒼山一帶。該土體類型多處于黃泛沖積平原之緩平坡地、洼地和山前平原。土層結構單一，由粉土、粉質黏土、黏土組成。粉質黏土呈黃褐色，可塑～軟塑，中密；黏土呈黃褐色，可塑，中密。

(2)黏性土和砂性土雙層結構類型。主要分布于魯西沖平原，魯中南及魯東山間谷地亦有分布，上層為黏土、粉土、粉質黏土，其下部為粉砂、細砂層。

(3)砂性土和黏性土雙層結構。分布不廣，僅在東明縣東明集、日照一帶沖洪積平原有小面積分布。上部為粉土，其下為粉質黏土，粉質黏土夾黏土，下部為淤泥質土。

(4)黏性土和砂性土互層的多層結構類型。廣泛分布于魯西沖積平原、魯西山前沖洪積平原地區。魯西沖積平原以粉土、粉質黏土為主。黏性土為粉土、粉質黏土、粉細砂；砂性土為粉砂、細砂為主，其為中砂。粘性土一般為棕黃、褐黃色，可塑～硬塑，濕～稍濕，稍密～中密、密；砂性土一般為褐黃、黃褐色，可塑～軟塑，濕～很濕，稍密～中密。

2 區域工程地質環境評價

對工作區工程地質環境質量進行評價，可按區域地殼穩定性、地面穩定性和地基穩定性三方面進行評價。本次評價將工作區劃分成80 mm×80 mm的方厘網，單元面積為400 km2，共劃分成139個評價單元，然后對每個單元進行質量評價時先從上述三個方面的單項分析入手，劃分出不同等級，然后進行綜合評價，全面衡量各區的工程地質環境質量。

2.1 地殼穩定性評價

地殼穩定性評價指現今構造運動、地震、火山活動等，現今地殼及其表層的相對穩定程度，可以以地震震級、基本烈度為主要指標。評價標準是根據李興唐給出的穩定性分級結合工作區實際情況來確定(表1)，在評價過程中有界限值的采用界限值，區間值的采用中值。

表1 地殼穩定性評價標準

評價方法采用系統聚類法中的距離系數法，在聚類分析時首先對取得的原始數值進行正規化處理。以距離系數作為表征樣品或變差間相似程度的統計量，以作為相似性的度量。把每個變量看作m維空間的一個點，稱Ci，Cj兩點的距離為相應的兩個變量的距離系數：

(1)

式中：Djk為i，j兩變量間的距離系數；n為樣品數；Cik、Cij分別為第k個樣品第i個指標的實際值和j級別的標準值。

在變量正規化條件下，0≤Djk≤1，距離系數D值愈小，兩變量間的樣品間相似性越大。選取地震震級和地震動峰值加速度(g)作為評價因子，對每個評價單元進行地殼穩定性評價。

2.2 地面穩定性評價

地面穩定性評價指地殼表面在內、外動力地質作用和人類工程經濟活動影響下的相對穩定程度。包括地面塌陷、地面沉降、砂土液化、地裂縫、岸帶崩塌和淤積、邊坡失穩等。地面穩定性評價以定性與定量相結合，以地面坡度、砂土液化(概率)、地面塌陷(概率)、地面沉降量等作為評價因子，評價標準見表2、表3。評價方法仍采用系統聚類中的距離系數法，根據式(1)計算，經過聚類分析得到地面穩定性評價結果見表6。

表2 地面穩定性評價標準

表3 地面穩定性評價因子

2.3 地基穩定性評價

地基穩定性評價指工程建筑物影響范圍內巖土體的穩定性。主要研究巖土體的物理力學性質、軟弱結構面(層)允許承載力及變形量、地下水作用等。選取地基承載力、場地動反應譜特征周期、地下水位埋深等三項指標作為評價因子評價標準參照《1：5萬區域水文地質工程地質環境地質綜合勘查規范》(GB/T 14158—93)，并結合區內實際情況而定(表4)。場地特征周期采用國標《中國地震動反應譜特征周期區劃圖》所給定的資料。仍以圖幅中每個方厘網(400 km2)作為基本評價單元，評價方法采用模糊綜合評判法。

表4 地基穩定性評價指標

根據模糊集理論，每個點實測值對于各穩定性級別的隸屬程度用隸屬度μ(x)來刻劃(0≤μ(x)≤1)，隸屬度愈大隸屬資格愈高。隸屬度以隸屬函數表示和計算，一般多采用線性隸屬函數。確定單項因子(參數)對各級穩定性質量標準(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)隸屬度的計算公式為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：μi1、μi2、μi3、μi4為各單項因子分別屬于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級質量標準的隸屬度；xi為某因子的實測值；ai1、ai2、ai3、ai4分別為某因子Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級的標準值。有界限值的采用界限值，區間值的采用中值。將計算結果構造隸屬度矩陣R。

(6)

由于各因子對地基穩定性的影響程度不同，在評價中必須確定各指標的權重。采用下式計算各因子的權重：

(7)

式中：Wi為某因子的權重；xi為某因子的實測值；Coi為某因子各級標準的平均值，即Coi=(ai1+ai2+ai3+ai4)∕4。式(7)表明，指數愈大對環境質量影響愈嚴重，權重也愈大。

用上式計算的權重可能會出現大于1的情況，但模糊數學運算只允許在[0，1]區間內取值，故對上述權重還須進行歸一化處理(即使各指標的權重之和等于1)，計算公式為：

(8)

計算各因子的權重，便得到一個權重模糊向量矩陣A(或稱模糊行矩陣)。模糊綜合評判是通過模糊關系矩陣R和權重矩陣A的復合運算進行評價。實際上是對各單項指標評價進行加權和合成。用數學式表示為B=A·R，式中B是以隸屬度表示的穩定級別模糊評判向量(行矩陣)。模糊矩陣A和R的復合運算，類似普通矩陣的乘法，即M(·，+)法。

根據以最大隸屬度確定級別的原則(即某級標準的隸屬度最大，該因子就定為某級)，即可得出地基穩定性模糊綜合評判結果。

2.4 工程地質環境穩定性評價

分別在對工作區地殼、地面和地基穩定性評價的基礎上，用工程地質環境穩定性指標來綜合反映質量的優劣程度，將三種因素綜合起來進行總的評價。綜合評價指標為Se，Se=Sc+Ss+Sf，式中：Se為工程地質環境穩定性綜合評價指標，Sc為地殼穩定性指標，Ss為地面穩定性指標，Sf為地基穩定性指標。利用各單項指標穩定性分值，采用上式運算得出一個綜合參數，再按照表5分區標準進行工程地質環境穩定性分區評判，評判結果見表6。

表5 工程地質環境穩定性分區標準

根據工程地質環境穩定性評價結果，將工作區劃分為工程地質環境穩定區(I)、基本穩定區(II)和較不穩定區(III)。

(1)穩定區(I)

分布于鄒城—兗州—汶上—寧陽—泗水—曲阜、金鄉南側、單縣東南等地，該區地震動峰值加速度<0.10g，地殼穩定性好(Sc=1)；地面坡度<0.5‰或0.5‰～1‰之間，地下水位埋深多在4～6 m，在菏澤黃河沖積平原區則多為2～4 m。接近或大于液化土特征深度(15 m)，基本不會產生地震液化等不良工程地質問題，地表穩定性好(Ss=1)或較好(Ss=2)；土體類型15 m以內以黏性土為主，土體結構以多層結構為主，地基承載力標準值130～160 kPa，場地特征周期0.40～0.45 s，地基穩定性為好或較好(Sf=1～4)。綜合工程地質環境質量好(Se=3～4)。

(2)基本穩定區(II)

大范圍分布于菏澤—定陶、魚臺—嘉祥—濟寧、梁山—東平—新泰—日照—臨沂—棗莊—帶，該區地面坡度<2‰，地震動峰值加速度<0.05～0.15g，地殼穩定—較穩定(Sc=1～4)；區內地下水水位埋深局部小于4 m，產生地震液化的概率為0.2～0.4，地表基本穩定～較穩定(Ss=1～4)；地基承載力140 kPa以上，地基穩定～基本穩定(Sf=1～4)。綜合工程地質環境質量較好(Se=5～8)。濟寧市雖然存在地面沉降現象，對地面建筑物未構成破壞，地形坡度<0.5‰，地表穩定性好(Ss=1)，對工程地質環境質量仍未產生較大影響。

(3)較不穩定區(III)

分布于臨沭—莒縣、沂水縣西北側、滕州—薛城、東明—鄄城—成武—單縣等地，黃河沖積平原區地面坡度平緩，土體類型以粉土為主，與砂土、粉質黏土構成多層結構，水位埋深<4 m，易產生地震砂土液化不良工程地質問題。臨沂東側地面坡度較大，地震動峰值加速度0.15～0.20g。全區地殼較不穩定～不穩定，地面穩定～基本穩定，地基基本穩定。綜合工程地質環境質量較差(Se=9～12)。

表6 區域工程地質環境評價結果表

表6(續)

表6(續)

續表6

3 重點城市工程地質環境評價

在全區工程地質環境評價的基礎上，對魯南經濟圈內的五個重點城市工程地質環境進行評價，評價方法和指標與區域評價一致，按地殼穩定性、地面穩定性、地基穩定性三個方面分別進行評價，然后得出工程地質環境評價結果，評價級別的劃分標準參照區域工程地質環境評價中的相關標準。五個重點城市工程地質環境評價結果見表7。

(1)菏澤市工程地質環境評價。菏澤市地震動峰值加速度0.15g，地震烈度為VII級，地殼基本穩定(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，地表穩定～基本穩定(Ss=1～2)；地基承載力110 kPa，區內地下水水位埋深4～8 m，局部<4 m，地基基本穩定～較不穩定(Sf=2～4)。綜合工程地質環境質量較好(Se=5～8)。

表7 重點城市工程地質環境評價結果表

(2)濟寧市工程地質環境評價。地震動峰值加速度0.05g，地震烈度為V級，地殼基本穩定(Sc=1)；地面坡度<0.5‰，地面沉降量大于0.15 m，地表穩定～基本穩定(Ss=1～2)；地基承載力170 kPa，區內地下水水位埋深>10 m，地基基本穩定(Sf=2)。綜合工程地質環境質量較好(Se=5)。

(3)棗莊市工程地質環境評價。地震動峰值加速度0.10g，地震烈度為VI級，地殼基本穩定(Sc=2)；地面坡度0.5‰～1.0‰，地面塌陷率0.2～0.5，地表穩定～基本穩定(Ss=2)；地基承載力240 kPa，區內地下水水位埋深一般>6 m；地基基本穩定(Sf=2)。綜合工程地質環境質量較好(Se=6)。

(4)臨沂市工程地質環境評價。地震動峰值加速度0.15～0.20g，地震烈度為VII～VIII級，地殼基本穩定(Sc=2)；地面坡度0.5‰～1.0‰，地面塌陷率0.2～0.5，地表穩定～基本穩定(Ss=2)；地基承載力230 kPa，區內地下水水位埋深>6 m；地基基本穩定(Sf=2)。綜合工程地質環境質量較好(Se=6)。

(5)日照市工程地質環境評價。地震動峰值加速度0.10g，地震烈度為V級，地殼基本穩定(Sc=2)；地面坡度0.5‰～1.0‰，地面塌陷率0.2～0.5，地表穩定～基本穩定(Ss=2)；地基承載力200 kPa，區內地下水水位埋深一般>6 m；地基基本穩定(Sf=2)。綜合工程地質環境質量較好(Se=6)。

4 結論

穩定區分布于鄒城—兗州—汶上—寧陽—泗水—曲阜、金鄉南側、單縣東南等地；基本穩定區大范圍分布于菏澤—定陶、魚臺—嘉祥—濟寧、梁山—東平—新泰—日照—臨沂—棗莊—帶；較不穩定區分布于臨沭—莒縣、沂水縣西北側、滕州—薛城、東明—鄄城—成武—單縣等地。

穩定區或基本穩定區不會或基本不會產生嚴重地震液化等不良工程地質問題，地表穩定性好或較好，工程建設和其他生產活動幾乎不受地質條件影響；不穩定區受構造斷裂帶或其他不良地質作用影響，易產生地震砂土液化不良工程地質問題，工程建設或規劃要受到一定影響，生產活動會受到一定限制。

魯南地區日照、臨沂、棗莊、濟寧、菏澤等主要城市的綜合工程地質環境質量較好，但隨著城市規模不斷擴大，有些逐漸觸及礦區附近，塌陷、地面裂縫等不良地質作用成為新的困擾，城市規劃需要顧及這些情況。

受課題研究詳細程度所限，在具體工程建設和規劃的時候需要對工作區做更加詳細的工程地質勘察，具體問題具體研究。對于不穩定區域，涉及人民群眾生命財產安全的項目要采取物理避讓或工程設計時要加強剛度，確保安全。