當今時代,隨著各國城市化進程的不斷加快,城市化建設(shè)導致了越來越多的環(huán)境地質(zhì)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(zhì)惡化而直接威脅著城市水資源。大規(guī)模基礎(chǔ)工程建設(shè)導致大面積植被破壞而引起水文地質(zhì)條件惡化,此外,廢物堆放、路基工程、基坑工程、地下洞室及結(jié)構(gòu)工程等還涉及邊坡與圍巖穩(wěn)定性問題以及對周圍地質(zhì)環(huán)境的影響等。

 

  目前,我國城市化進程中引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題突出表現(xiàn)在地表水環(huán)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(jié)構(gòu)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(huán)境惡化問題

 

  隨著城市化不斷發(fā)展,我國城市地表水環(huán)境問題日益突出,主要表現(xiàn)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(jīng)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(jié)的變化大,常常造成旱澇災害,并且誘發(fā)其它的自然災害或地質(zhì)災害。水資源在地域上分布不均勻,且年際、年內(nèi)的變化大,蓄調(diào)能力弱,因此水資源更緊缺,我國干旱、半干旱和沿海地區(qū)的水資源短缺問題已成為制約城市發(fā)展的因素之一。水環(huán)境污染、水質(zhì)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(jīng)濟的發(fā)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(xiàn)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(jīng)濟的高速發(fā)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(jù)統(tǒng)計,深圳各大水源均受到不同程度的污染,個別水庫的有關(guān)指標已超過國家規(guī)定的標準。

 

  2.地下水污染與污染源遷移問題

 

  根據(jù)全國85座重點城市地下水主要開采層水質(zhì)監(jiān)測資料綜合分析可知,我國北方城市污染嚴重,開采層水質(zhì)較差。南方城市污染程度較北方城市輕,存在的主要水質(zhì)問題是:在原生水質(zhì)不良的基礎(chǔ)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(zhì)污染的主要污染源有城市工業(yè)廢水和生活污水、工業(yè)固體廢棄物和城市生活垃圾、農(nóng)業(yè)污染源的農(nóng)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(zhì)不佳含水層或污染水體的越流補給,造成水質(zhì)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(qū)的城市發(fā)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(tǒng)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(shù)與地下水開采緊密相關(guān),如上海、天津等沿海城市和蘇錫常地區(qū)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(xiàn)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?，F(xiàn)在,該市已形成以潁河閘為中心的地面沉降區(qū),沉降面積約為410km2,中心沉降量已經(jīng)達到1418.00mm[4],造成潁河防洪能力降低,潁河閘開裂錯位,迫使?jié)}河防洪堤年年加高,同時還出現(xiàn)深井泵井管相對抬升、井臺開裂等現(xiàn)象。1999年汛期調(diào)查表明,1997年投資修復的潁河閘又出現(xiàn)新的開裂現(xiàn)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(xiàn)了市中心地區(qū)房屋開裂、居民院內(nèi)積水等地面沉降的現(xiàn)象。宿州市、亳州市地下水位也下降至20-30m,地下水區(qū)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(fā)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(qū)面積的四分之三,沉降量大的地段均發(fā)生在地下水集中開采區(qū)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(jié)構(gòu)物及管網(wǎng)設(shè)施的影響,動態(tài)地預測在未來水文地質(zhì)條件下地面變形狀況與趨勢以及可能的地下工程設(shè)施強度問題,并且根據(jù)預測結(jié)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(fā)生巖溶土洞塌陷、地面變形,是礦區(qū)城市采礦疏干、開采巖溶水中常見的地質(zhì)災害。其中采礦引起的巖溶土洞塌陷規(guī)模較大,如銅陵市小街地區(qū)1989年9月大雨后出現(xiàn)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(jīng)濟損失上億元。

 

  4.地下結(jié)構(gòu)工程施工安全性問題

 

  由于地下結(jié)構(gòu)工程是在特定地質(zhì)構(gòu)造環(huán)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(gòu)行為及巖土體—結(jié)構(gòu)相互作用等的影響下,與地面工程的施工條件相比,地下結(jié)構(gòu)工程要復雜得多。也正是由于這些復雜因素才造成地下結(jié)構(gòu)工程的施工存在風險性大、可預見性差、經(jīng)驗性強等特點,因此,開展地下結(jié)構(gòu)工程設(shè)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(chǔ)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(zhì)邊坡穩(wěn)定極為重要,且多數(shù)基礎(chǔ)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(chǔ)工程施工對鄰近建筑物的影響是又一個較為突出的環(huán)境地質(zhì)問題。特別是因基礎(chǔ)施工致使鄰近建筑物產(chǎn)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(huán)境的影響,主要來自如下三方面:一是施工時所產(chǎn)生的噪音;二是施工時所產(chǎn)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(chǎn)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(yōu)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(jié)構(gòu)共同作用的力學機制分析很困難。這種群樁基礎(chǔ)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(jié)經(jīng)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(shù)值分析的突破,這也是最終降低工程造價的關(guān)鍵。但由于巖土工程的地區(qū)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(chǔ)抗震研究上存在的難點和熱點問題。