城市地质灾害防治与土地工程利用控制研究

1、城市地质灾害防治与土地工程利用控制研究建设部防灾研究中心中国建筑科学研究院12 城市地质灾害是城市环境突出的不稳定的现象，这种不稳定包括环境本身的及外域破坏力袭击下的不稳定。由于城市环境质量是一个系统整体的概念，有时很难简单区分这种不稳定类型。例如，强震影响、洪泛、泥石流属于外域破坏力的影响。场地特殊岩土的不稳定性状引起的地基危害则为环境本身的不稳定。对于滑坡，当研究山坡本身时需考虑环境自身的稳定问题，当研究坡脚用地时，需考虑外域破坏力袭击问题。这一特征说明，应将城市地质灾害作为城市环境问题对待，并在此问题基础上作出地质灾害作用下的环境质量优劣的结论。 近年来，中国大力推进城市化，掀起了大规模

2、的工程建设，这些无时不在扰动着城市的地质环境。如改变城市的地貌景观，扰动地下水的物理及化学场，重塑城市表部岩土特征，不断对岩土体施加各种荷载等。这些作用的结果使城市所在的地质环境发生改变，严重者形成或诱发地质灾害。 环境整治是针对经济上担负得起的一般性不稳定地区实施使地质环境与城市发展保持相对稳定的整治，藉此提高土地的工程能力与建筑物的安全度，排除直接威胁城市安全的重大灾害隐患。例如设立防洪堤坝，全城市建筑物的结构强度抗震措施。土地利用控制则主要针对土地的合理利用与控制，如放弃灾害严重地区的土地开发计划，限制易于诱发次生灾害地区的土地开发强度，保证无灾害隐患地区土地资源的不浪费。 环境整治和土

3、地利用控制对提高城市的环境效益和防灾有重大实用意义。土地能力与地质环境要素 地质环境要素包括：与动力地质相关的环境要素、与岩土类型相关的环境要素、与水文地质条件相关的环境要素、与人类活动相关的环境要素等，其分级体系见图1。 在土地开发利用的规划问题上，土地能力的评价不应只将直接承载的场地作为唯一的工程地质条件，而应将土地开发利用纳入地质环境的大系统中。图1.地质环境要素组成图2.影响土地能力的主要环境地质要素多级梯阶结构地质灾害的预报 地质灾害预报过程应突出的四个基本观点：系统的观点；联系的观点；变化的观点；运动的观点。 地质灾害预报的基本方法见表1。表1 .地质灾害预报的基本方法地质灾害的综

4、合评估 地质灾害评估是全面反映灾情、确定减灾目标、优化防御措施、评价减灾效益、进行减灾决策的重要依据，也是制定国土规划和社会经济发展计划的重要资料。地质灾害评估是一项系统工程，其成果主要由数据库集中反映出来，如图3所示。图3.地质灾害综合评估程序框图地质灾害评估指标系统 地质灾害评估指标系统是由反映灾害所造成的人口伤亡、经济损失和其他社会影响及减灾投资效益等一系列描述灾害程度的量度指标所组合而成的，见表2。城市地质灾害技术经济分析路线设计 下图4展示了从诱发灾害的城市地质环境主题特征分解到建立城市防灾系统规划的一套技术思路以及研究成果的应用方向。全过程分为灾害技术经济分析研究与防灾规划决策两个

5、部分，也即灾害技术经济评价结果将通过城市规划土地利用中对规划方案的优化达到为防灾规划决策提供定量依据的目的，以便在规划中做出相应的环境整治、采取抗灾应急对策，以及实现必要的土地利用控制。v实例 唐山市南湖区城市地质环境与土地工程能力 定量评价问题的提出问题的提出一一研究内容与技术路线研究内容与技术路线二二三三工程地质与三维模型工程地质与三维模型工程地质评价工程地质评价四四五五土地工程能力评价土地工程能力评价六六结论与展望结论与展望减少因环境条件而引起的制约发挥土地赋存环境的资源能力最大限度利用土地资源城市地质环境评价土地工程能力评价一、问题的提出一、问题的提出1研究内容2技术路线二、研究内容与

6、技术路线二、研究内容与技术路线2.12.1 研究内容研究内容确定工程地质特征确定工程地质特征分析地质要素分析地质要素建立三维地质模型建立三维地质模型地质灾害易发区分布地质灾害易发区分布地基承载力区划地基承载力区划计算土地工程开发费用计算土地工程开发费用确定损失费用比确定损失费用比2.22.2 技术路线技术路线唐山市地质环境概况主题特征研究土地工程能力图系编制土地利用控制 工程地质分析 地质灾害易发性分区地基承载力综合经济分析场地基本费用、灾害风险费用评价信息有关法规与地区性经验技术标准三、工程地质与三维模型三、工程地质与三维模型1地质背景2三维模型建立3工程地质特征3.13.1 地质背景地质背

7、景唐山市地处交通要塞，位于京唐山市地处交通要塞，位于京津和京秦之间，地理位置十分津和京秦之间，地理位置十分重要重要3.13.1 地质背景地质背景 研究区域面积研究区域面积约为约为80.63 km2 ，湖区面积约为湖区面积约为19.36 km2 ，研究研究区内存在两条主区内存在两条主要断层，陡河断要断层，陡河断层与唐山断裂层与唐山断裂N3.13.1 地质背景地质背景 唐山市地唐山市地处华北平原处华北平原与燕山南坡与燕山南坡的交接处，的交接处，研究区基本研究区基本处于冲洪积处于冲洪积倾斜平原区倾斜平原区比例尺1:300000地貌单元分界线河 流丘陵区冲洪积倾斜平原区2222111122冲积海积平原

8、区12现代河谷区11111榛子镇图例冲洪积扇2残丘坡岗区丰 南唐山市任各庄河陡河沙河乡还丰 润冲积海积平原区构造侵蚀山地区堆积平原区11研究区3.23.2 工程地质特征工程地质特征 唐山市南湖区内与建筑有关的唐山市南湖区内与建筑有关的地层岩性主要为地层岩性主要为粉质粘土粉质粘土、粉土粉土、细砂细砂、粉砂粉砂、卵石卵石等。层位分等。层位分布稳定，工程性质变化不大。布稳定，工程性质变化不大。3.23.2 工程地质特征工程地质特征剖面线位置剖面线位置3.23.2 工程地质特征工程地质特征1-11-1剖面图剖面图3.33.3 三维模型建立三维模型建立 根据已有根据已有工程地质剖工程地质剖面图选取南面图

9、选取南北走向最长北走向最长9-9剖面剖面，建立三维模建立三维模型型3.33.3 三维模型建立三维模型建立填土粉细砂粉土细砂粉土细砂粉土粉质粘土粉土细砂9-9 剖面图3.33.3 三维模型建立三维模型建立地 表粉 土细粉砂细 砂粉质粘土第一层细粉砂层成份以长石、石英为主，砂质纯净，层底深度在19m以内，一般厚度在5-10m，一般可作为建筑物的持力层第三层细砂层成份以长石、石英为主，层底深度一般在32m以内，厚度约在5-15m范围内，一般可作为高层和超高层建筑物桩基础的桩端持力层。四、工程地质评价四、工程地质评价12承载力分区3工程地质问题评价思路4.14.1 评价思路评价思路地基承载力区划工程地

10、质工程地质评价评价根据地基承载力根据地基承载力特征值，采用加特征值，采用加权平均法，计算权平均法，计算承载力承载力地质灾害易发区划分根据地层分布根据地层分布情况绘制潜在情况绘制潜在灾害分布图灾害分布图4.24.2 工程地质问题工程地质问题采空塌陷采空塌陷岩溶塌陷岩溶塌陷砂土液化砂土液化黑色流塑黑色流塑性粘土性粘土4.24.2 工程地质问题工程地质问题- -砂土液化砂土液化N4.24.2 工程地质问题工程地质问题- -软土软土N4.34.3 承载力分区承载力分区 在工程活动中地基承载在工程活动中地基承载力是评价场地稳定性以及力是评价场地稳定性以及适宜性的一个重要指标，适宜性的一个重要指标，可为岩

11、土承载体费用计算可为岩土承载体费用计算能提供计算依据。能提供计算依据。4.34.3 承载力分区承载力分区3m3m断裂研究范围湖区区区区区区村庄N承载力级别承载力级别承载力大小承载力大小(kPa)级2004.34.3 承载力分区承载力分区6m6m断裂研究范围湖区区区区区区村庄N承载力出现下承载力出现下降主要原因在降主要原因在于该处于该处3m3m上部上部为细砂为细砂, ,3m-6m3m-6m之间出现部分之间出现部分粉土，导致承粉土，导致承载力下降载力下降4.34.3 承载力分区承载力分区9m9m断裂研究范围湖区区区区区区村庄N与与6m6m承载力区承载力区划图比对其承划图比对其承载力出现下降载力出现

12、下降主要原因主要原因6m-6m-9m9m之间粘粉土之间粘粉土范围扩大导致范围扩大导致承载力下降承载力下降五、土地工程能力评价五、土地工程能力评价12土地工程开发费用计算3土地工程能力评价思路4土地工程能力图编制5.1 5.1 土地工程能力土地工程能力 土地工程能力土地工程能力是土地在工程建设中是土地在工程建设中所具有的开发利用能力。在本文中土所具有的开发利用能力。在本文中土地工程能力高低的衡量标准为：对同地工程能力高低的衡量标准为：对同一建筑物类型，土地工程开发费用越一建筑物类型，土地工程开发费用越高，土地工程利用能力越低，反之亦高，土地工程利用能力越低，反之亦然。然。 5.2 5.2 评价思

13、路评价思路风险费用风险费用基本费用基本费用 5.3.1 5.3.1 土地工程开发费用土地工程开发费用组成组成 1、计算每个土地单元的上述两类费计算每个土地单元的上述两类费用；用； 2、将各种土地利用类型产生的将各种土地利用类型产生的2 2种种费用进行叠加即可得到各种土地利用类费用进行叠加即可得到各种土地利用类型的型的工程开发费用工程开发费用。 5.3.2 5.3.2 土地工程开发费用计算土地工程开发费用计算步骤步骤 岩土承载体费用岩土承载体费用的差异主要是由于上部建筑物不的差异主要是由于上部建筑物不同，作用在基础上的单位面积荷载不同，从而持力层同，作用在基础上的单位面积荷载不同，从而持力层不同

14、对应不同桩长不同对应不同桩长( (为了方便计算地基均采用桩基为了方便计算地基均采用桩基) )。各类型建筑物作用在基础上的单位面积荷载如下表：各类型建筑物作用在基础上的单位面积荷载如下表： 5.3.3 5.3.3 土地工程开发费用土地工程开发费用基本费用基本费用 如左图不同的持力层对应的桩长不同所对应的处理费用亦不同。杂填土细砂粉土细砂粉土持力层1持力层2桩1桩25.3.3 5.3.3 土地工程开发费用土地工程开发费用基本费用基本费用 地基处理地基处理费用费用（万元（万元/公公顷）顷）土地利用类型土地利用类型中低层住中低层住宅用地宅用地高层住宅高层住宅用地用地工业用工业用地地仓储用仓储用地地商业

15、用商业用地地教育、卫教育、卫生用地生用地一类场地一类场地 ()62114423831885.8二类场地二类场地()64119453932587.5三类场地三类场地()66123474134189.7四类场地四类场地()951395956.3386111.6五类场地五类场地()1141627067450128.75.3.3 5.3.3 土地工程开发费用土地工程开发费用基本费用基本费用 费用损失指标分析法：假定所有随机的事件都决定费用，：假定所有随机的事件都决定费用，服从泊松概率分布，而其中的每一事件都假定与其它事件服从泊松概率分布，而其中的每一事件都假定与其它事件相对独立，并且发生概率在任何时间

16、都是一个相对独立，并且发生概率在任何时间都是一个常数常数，那么，那么这几个事件在给定的这几个事件在给定的时间服从时间服从泊松分布泊松分布，通过计算可，通过计算可得到所有事件的风险费用为：得到所有事件的风险费用为： V V：每件事件的费用：每件事件的费用 P PE E：事件重发概率：事件重发概率 D D：折价比：折价比VDPFE 5.3.3 5.3.3 土地工程开发费用土地工程开发费用风险费用风险费用 地质易损性评价法：它是在地质灾害发生：它是在地质灾害发生时对地面建筑物影响强弱进行分级时所采用时对地面建筑物影响强弱进行分级时所采用的方法。的方法。 5.3.3 5.3.3 土地工程开发费用土地工

17、程开发费用风险费用风险费用 南湖区震害损失费用计算考虑的地质南湖区震害损失费用计算考虑的地质因素主要：地基土、第四系厚度、地下因素主要：地基土、第四系厚度、地下水埋深、砂土液化、断层。水埋深、砂土液化、断层。 1、地震损失费用 地基土地震易损性指数：地基土地震易损性指数： 1、地震损失费用地基土类型地基土类型土层厚度土层厚度填土填土粉砂层粉砂层粉细砂层粉细砂层砂层砂层05443.52.05108761.51020101081.020101290.5 地下水易损性指数：地下水易损性指数： 地下水的不同埋深对地震易损性指数的影响以地下水的不同埋深对地震易损性指数的影响以潜水潜水的影响最的影响最以为

18、显著，主要表现为对地基土起着加剧或缓冲作用，震害以为显著，主要表现为对地基土起着加剧或缓冲作用，震害经验表明：经验表明： 3 3 水位埋深水位埋深02m02m 2 2 水位埋深水位埋深25m25m 1 1 水位埋深水位埋深510m510m 0 0 水位埋深水位埋深10m10m1、地震损失费用 液化易损性指数：液化易损性指数：1、地震损失费用地下水埋深（地下水埋深（m）022445砂层埋深（砂层埋深（m）033668砂层厚度（砂层厚度（m）52512砂层密度砂层密度松散松散中密中密密室密室易损性分类（指数）易损性分类（指数）严重（严重（3）中等（中等（2）轻微（轻微（1） 断层易损性指数：断层易

19、损性指数： 断层易损性指数由断层的断层易损性指数由断层的活动性活动性和断层两侧物质的和断层两侧物质的差异性决定。规定差异性决定。规定发震断层发震断层的易损性指数为的易损性指数为3 3，与之，与之有关的断层为有关的断层为2 2，其与断层为，其与断层为0 0。1、地震损失费用 现将各研究区域内各地质因素易损性指数的累加现将各研究区域内各地质因素易损性指数的累加可求出地震易损性指数可求出地震易损性指数M M，根据各单元易损性指数分，根据各单元易损性指数分布规律，可分为如下布规律，可分为如下3 3个区：个区： 23M23M26 A 26 A 区，即地面反映极强区；区，即地面反映极强区； 21M21M2

20、3 B 23 B 区，即地面反映较强区；区，即地面反映较强区； 19M19M21 C 21 C 区，即地面反映较弱区；区，即地面反映较弱区； 1、地震损失费用 根据专家评估和同类资料整理可得到南湖区不同用地类型的建筑物损根据专家评估和同类资料整理可得到南湖区不同用地类型的建筑物损失率失率BlBl与室内财产损失率与室内财产损失率ClCl 1、地震损失费用费用指标（%）场区号土地利用类型中低层住宅用地高层住宅用地工业用地仓储用地商业用地教育、卫生用地建筑物损失率BlA19.255.358.58.0126.4B15.14.27.06.29.85.1C10.03.03.22.85.72.2室内财产损失

21、率ClA13.81.74.95.06.03.0B10.01.152.83.55.21.5C6.00.81.11.62.00.45 由公式由公式 可计算地震损失费用，其中可计算地震损失费用，其中 地震发震概率，按地震发震概率，按5050年超越概率为年超越概率为5%5%计算计算 第第i i类用地建筑物本身价值类用地建筑物本身价值 第第i i类用地室内财产价值类用地室内财产价值 第第i i类用地建筑物损失率类用地建筑物损失率 第第i i类用地室内财产损失率类用地室内财产损失率 D D 为折价比取为折价比取0.1 0.1 DClVcBlVbPFviiiiEi/1、地震损失费用biVciVEPiBliC

22、l 自然特征自然特征南湖区土地利用特征及费用南湖区土地利用特征及费用中低层住宅中低层住宅用地用地高层住宅用高层住宅用地地工业用地工业用地仓储用地仓储用地商业用地商业用地 教育、教育、卫生用地卫生用地建筑密度（建筑密度（%）402530194520建筑容积率（建筑容积率（m2公顷公顷)6500200003000120070006000建筑物结构建筑物结构砖混砖混框架框剪框架框剪排架砖混排架砖混砖混砖混框剪框剪框架框剪框架框剪建筑物高度（建筑物高度（m）302020不限不限不限不限单位面积造价（元单位面积造价（元/）200040003000200040003500建筑物价值建筑物价值Vb（万元（万

23、元/公顷）公顷）25001600018001000100009000建筑物室内财产建筑物室内财产Vc（万（万元元/公顷）公顷）130040005000400030003150 最终可得到不同场区地震损失费用最终可得到不同场区地震损失费用 1、地震损失费用场场区区号号土地利用类型土地利用类型中低层中低层住宅用住宅用地地高层高层住宅住宅用地用地工业工业用地用地仓储仓储用地用地商业商业用地用地 教育、教育、卫生卫生用地用地地震损失地震损失费用费用(万元万元/公顷公顷)A330.3462199244690335.3B253.8359133181.6568253.1C16425656.382.43151

24、06.1l 采空塌陷主要由地下煤矿开采，上覆岩土层在重力作用下采空塌陷主要由地下煤矿开采，上覆岩土层在重力作用下产生移动变形而形成地表塌陷平衡破坏。产生移动变形而形成地表塌陷平衡破坏。l 影响塌陷的主要因素：影响塌陷的主要因素：岩石力学性质岩石力学性质、岩组类型、矿体倾、岩组类型、矿体倾角、岩体结构类型、角、岩体结构类型、采深与采厚采深与采厚、采空区大小、地质构造等。、采空区大小、地质构造等。l 根据易损性指数分布规律，可将采空区易损性根据易损性指数分布规律，可将采空区易损性I I分为分为2 2个区：个区： I3 A I3 A区，不稳定区区，不稳定区 2I 2I3 B3 B区，较不稳定区区，较

25、不稳定区 2、采空塌陷损失费用 采空塌陷损失费用：根据专家评估和对所采空塌陷损失费用：根据专家评估和对所收集的资料进行整理，可得采空塌陷对各种用收集的资料进行整理，可得采空塌陷对各种用地类型建筑物及室内财产损失率地类型建筑物及室内财产损失率qbqb、qcqc。由公。由公式式 可算出采空塌陷的期望费用。可算出采空塌陷的期望费用。 DqcVcqbVbPFriiiiEi/2、采空塌陷损失费用 通过对收集的资料整理后得到各种用地类型的建筑物损通过对收集的资料整理后得到各种用地类型的建筑物损失率失率qbqb及室内财产损失率及室内财产损失率qcqc 2、采空塌陷损失费用费用指标费用指标（%）场区号场区号土

26、地利用类型土地利用类型中低层中低层住宅用住宅用地地高层住高层住宅用地宅用地工业工业用地用地仓储仓储用地用地商业商业用地用地 教育、教育、卫生卫生用地用地建筑物损建筑物损失率失率qbA17138.09.0109.5B116.55.04.55.44.0室内财产室内财产损失率损失率qcA107.04.03.55.53.0B4.01.80.450.51.30.5 最终可得到不同场区采空塌陷损失费用：最终可得到不同场区采空塌陷损失费用：2、采空塌陷损失费用场区号场区号土地利用类型土地利用类型中低层住中低层住宅用地宅用地高层住高层住宅用地宅用地工业工业用地用地仓储仓储用地用地商业商业用地用地教育、教育、卫

27、生用卫生用地地塌陷损失费用塌陷损失费用（万元（万元/公顷）公顷）A55523603444641165949.4B3271112112.5182579375.8 活动断裂带损失费用活动断裂带损失费用计算时考虑的计算时考虑的是设防烈度下的活动断裂，将它两旁垂是设防烈度下的活动断裂，将它两旁垂直距离直距离100m100m范围内的区域作为地表破坏范围内的区域作为地表破坏影响带。影响带。 3、活动断裂带损失费用 实际计算时按如下公式进行计算：实际计算时按如下公式进行计算： 第第i i类用地类型，第类用地类型，第j j 号场地的地表破裂损失费用号场地的地表破裂损失费用 地表破坏损失费用地表破坏损失费用 地

28、表破裂面积比地表破裂面积比 地震发震概率，按地震发震概率，按5050年超越概率为年超越概率为5%5%计算计算 第第i i类用地建筑密度类用地建筑密度 第第i i类用地每公顷建筑物数量类用地每公顷建筑物数量 3、活动断裂带损失费用DkNSVcVbPFsiiiiEi/jiijrFsFsijFsiFsjrEPiSiN 受影响建筑物破坏率设为受影响建筑物破坏率设为0.30.3k 南湖区建筑密度南湖区建筑密度SiSi与单位公顷建筑物数量与单位公顷建筑物数量NiNi 南湖区地表破裂损失费用南湖区地表破裂损失费用3、活动断裂带损失费用费用指标费用指标（%）土地利用类型土地利用类型中低层住中低层住宅用地宅用地

29、高层住宅高层住宅用地用地工业用地工业用地仓储用地仓储用地商业用地商业用地 教育、教育、卫生用地卫生用地Si402438192220Ni30620.5106.05.8土地利用类型土地利用类型中低层中低层住宅住宅用地用地高层高层住宅住宅用地用地工业工业用地用地仓储仓储用地用地商业商业用地用地 教育、教育、卫生卫生用地用地活动断裂活动断裂损失费用损失费用（万元（万元/公顷）公顷）65860001389103037343384.2 5.4 5.4 土地工程能力图编制土地工程能力图编制 最终的土地工程能力是由损失费用比来确定的。最终的土地工程能力是由损失费用比来确定的。 基本费用+风险费用损失费用比损失

30、费用比 = =建筑物价值建筑物价值+ +资产价值资产价值损失费用比分区相对损失费用比(%)绝对损失费用(万元)A2024780900B24349001290C345112902000 5.4 5.4 土地工程能力图编制土地工程能力图编制中低层住宅中低层住宅N损失费用比分区相对损失费用比(%)绝对损失费用(万元)A171834503600B182536005000C254150008200 5.4 5.4 土地工程能力图编制土地工程能力图编制高层住宅高层住宅N损失费用比分区相对损失费用比(%)绝对损失费用(万元)A78470500B810500680C10206801320 5.4 5.4 土地

31、工程能力图编制土地工程能力图编制工业用地工业用地N损失费用比分区相对损失费用比(%)绝对损失费用 (万元)A910460500B1013500650C132865001400 5.4 5.4 土地工程能力图编制土地工程能力图编制仓储用地仓储用地N损失费用比分区相对损失费用比(%)绝对损失费用 (万元)A262834003600B283136004100C314841006200N 5.4 5.4 土地工程能力图编制土地工程能力图编制商业用地商业用地损失费用比分区相对损失费用比(%)绝对损失费用 (万元)A7990100B911100130C1124130300N5.4 5.4 土地工程能力图编制土地工程能力图编制教育、卫教育、卫生用地生用地损失费用损失费用土地利用类型土地利用类型中低层住中低层住宅用地宅用地高层住宅用高层住