劉婷婷，費書民,于春磊

(1.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊，唐山 063000；2. 唐山中冶地巖土工程有限公司，唐山 063000)

工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量反映了該地區(qū)工程地質(zhì)條件好差，也是影響工程造價的主要因素，因此，城市規(guī)劃和建設(shè)時要緊密結(jié)合工程地質(zhì)環(huán)境評價，依據(jù)評價結(jié)果對建筑適宜性進行分區(qū)，進而提出地基處理類型方案建議，從而獲得最大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。因此，建立區(qū)域工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價指標體系，研究適宜的工程地質(zhì)環(huán)境評價方法，對城市規(guī)劃和建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。國內(nèi)對工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價的研究工作開始于 20 世紀 80年代，由工程地質(zhì)環(huán)境評價指標[1]，到評價模型[2-5],[10]，應(yīng)用GIS進行分析評價[6-9],[11]和建立三維地質(zhì)體模型[12]，大量的專家和學(xué)者均作了不同程度的研究，形成了具有中國特色的城市工程地質(zhì)環(huán)境評價理論。本文結(jié)合研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境條件的特點，采用單要素評價和綜合評價相結(jié)合的方法，總結(jié)出具有較強實用性和指導(dǎo)意義的工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價方法。

1 工程地質(zhì)環(huán)境單要素評價

通過地面調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探、鉆探、測量等手段，查明研究區(qū)的工程地質(zhì)條件、各工程地質(zhì)層的空間分布規(guī)律和基本特征，分析研究區(qū)100 m以淺的各工程建設(shè)層地基土的沉積環(huán)境、物理力學(xué)特征、分布規(guī)律和地基條件。根據(jù)研究區(qū)地基土的工程地質(zhì)特征的判定和分析研究結(jié)果，結(jié)合工程建設(shè)對地基土的利用需求，將地下空間劃分3個工程地質(zhì)層段：①淺部工程地質(zhì)段。對應(yīng)的工程地質(zhì)層，主要用于基礎(chǔ)埋深≤3 m的低層、多層建筑物。②中部工程地質(zhì)段。對應(yīng)的工程地質(zhì)層，主要用于基礎(chǔ)埋深≤6 m的中高層建筑物。③深部工程地質(zhì)段。對應(yīng)的工程地質(zhì)層，主要用于基礎(chǔ)埋深≤15 m的小高層住宅和高層建筑物。

單要素評價對象主要包括：不良工程地質(zhì)層厚度，淺部、中部和深部工程地質(zhì)段地基承載力，地基壓縮性，地基土均勻性。本方法概化和提取了以下6個單要素參與評價：①淺部工程地質(zhì)段地基承載力；②中部工程地質(zhì)段地基承載力；③深部工程地質(zhì)段地基承載力；④淺-中-深部工程地質(zhì)段地基壓縮性；⑤軟弱下臥層厚度；⑥其它不良工程地質(zhì)層(人工填土)厚度。

確定單要素評價對象后，分別對每個單要素分別建立分級評價標準，進行單要素分區(qū)評價，將評價結(jié)果分為4個等級，由“好”、“較好”、“一般”至“較差”，即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級。

2 工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價

工程地質(zhì)環(huán)境具有多樣性、復(fù)雜性、不確定性等特性，為了對研究區(qū)的工程地質(zhì)環(huán)境予以科學(xué)地概化，并對其進行評價和預(yù)測，需要全面系統(tǒng)分析影響工程地質(zhì)環(huán)境的各類因素，然后利用數(shù)學(xué)方法將定性的工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量定量化，具體思路及步驟見圖1。目前，可應(yīng)用的評價方法主要有多種，包括模糊綜合評判法[13]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[14]、灰色聚類、逐步判別分析、聚類分析、模糊聚類[15]、多目標加權(quán)法、模式識別法、層次分析法、信息量統(tǒng)計法、德爾菲法等。其中模糊綜合評價法應(yīng)用廣泛，是一種較成功的方法，通過隸屬度函數(shù)來實現(xiàn)模糊界限的確定。該方法基于模糊集，不但可以考慮到評判因子的層次性，還可以使評價標準、影響因子的不確定性得以體現(xiàn)，最終做到定性和定量因素相結(jié)合，提高了評價精度，使評價結(jié)果更客觀，更接近實際情況。

圖1 工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價流程

2.1 評價指標體系

根據(jù)唐山城市規(guī)劃區(qū)的工程地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境與城市工程建設(shè)相互作用的關(guān)系，建立唐山城市規(guī)劃區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價指標體系，從場地穩(wěn)定性、地基穩(wěn)定性、地下水影響程度和場地排水條件4個方面因素全面分析，將每個因素分解為按若干二級指標。其中，活動斷裂危險性、地質(zhì)災(zāi)害危險性、飽和粉砂土液化決定了場地的穩(wěn)定性，影響工程建設(shè)的安全性；人工填土、地基土承載力、地基土壓縮性、軟弱下臥層和地基土均勻性幾項決定地基穩(wěn)定性，影響建設(shè)難易程度、經(jīng)濟成本和工作周期。地下水埋深、地下水腐蝕性以及地形排水條件屬于影響工程建設(shè)的不利因素，需考慮相應(yīng)防范措施(圖2)。

從二級評價因子中提取出合理的評價指標，用于之后的綜合評價中。

圖2 工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價指標體系

2.2 評價指標權(quán)重

評價指標的權(quán)值反映各因子對工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價分級所做的“貢獻”，權(quán)值是否能合理分配是評價的一個關(guān)鍵步驟。主要應(yīng)遵循以下原則：

(1) 各評價指標對工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的影響大小。 如果活動斷裂從研究區(qū)穿過、巖溶塌陷、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害對工程地質(zhì)環(huán)境存在較大影響，則“活動斷裂危險性”、“ 地質(zhì)災(zāi)害危險性” 指標的權(quán)重也就相應(yīng)較大。

(2) 各評價指標在研究區(qū)范圍內(nèi)的變化大小。例如，研究區(qū)的地形地貌和地形坡度相似均一，地形排水條件基本一致，則該項指標的權(quán)重也就相應(yīng)較小。

本次采用層次分析法，通過試算法和經(jīng)驗來確定權(quán)值，從典型到一般，從局部到全部，見表1。將確定的指標權(quán)重構(gòu)成權(quán)重矩陣，集合A=[A1,A2,A3,，A4]，集合a=[a1,a2，a3，……，a14]。

表1 工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價分級權(quán)重表

2.3 評價單元劃分

評價單元是具有相同特性的最小地域單元，同一評價單元在地質(zhì)環(huán)境條件方面具有一致性，而不同的評價單元之間應(yīng)具有可比性。根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境條件的研究精度和范圍大小，確定基本評價單元的形狀和大小，將整個區(qū)域進行單元劃分。正方形網(wǎng)格劃分法對大區(qū)域的評價比較合理，適用于工程地質(zhì)環(huán)境評價。本次評價按照“區(qū)內(nèi)相似，區(qū)際相異”的原則對整個研究區(qū)進行正方形網(wǎng)格單元劃分。以唐山市鳳凰新城規(guī)劃區(qū)為例，按評價單元大小為0.25 km×0.25 km，可劃分成389個評價單元。

2.4 評價數(shù)學(xué)模型

本次評價數(shù)學(xué)模型選用模糊綜合評判模型，對所選的評價因子進行模糊綜合評價。首先確定評價集和因子集，計算其隸屬度，再計算單要素的權(quán)重系數(shù)，構(gòu)成合成矩陣，計算每個評價單元的級別，從而對整個區(qū)域按評價集進行分區(qū)。

2.4.1 確定評價集和因子集

設(shè)某評價單元中的評價指標(評價因子)集合為：

U={U1，U2，U3，…，Um}

式中，U1，U2，U3，…，Um為參與評價的m個環(huán)境因子的性狀數(shù)據(jù)。

評語(評價標準)集合為：

V={V1，V2，V3，…，Vn}

式中，V1，V2，V3，…，Vn為Ui相應(yīng)的評價標準的集合。

U代表綜合評判所涉及的因素集合，即參與評價所選定的因素；V代表最終評語所組成的集合。

本次工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價有4個評價等級，組成評價集V：

V={V1,V2,V3,V4}={好,較好,一般,較差}

評價因子集合U，據(jù)上述介紹包括14個評價因子，表示為：

U={U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7,U8,U9,U10,U11,U12,U13,U14}={活動斷裂危險性，地質(zhì)災(zāi)害危險性，飽和砂土液化，不良工程地質(zhì)層(人工填土)厚度，淺部工程地質(zhì)段地基土承載力，中部工程地質(zhì)段地基土承載力，深部工程地質(zhì)段地基土承載力，地基土壓縮性，軟弱下臥層厚度，地基土均勻性，地下水埋深，地下水腐蝕性，地形地貌，地面坡度}

2.4.2 評價因子分級標準的確定

各評價因子的級別劃分大都是一個區(qū)間值，通過一定方法確定各相鄰類別之間的界限值，或稱代表值。分級代表值是確定環(huán)境因子性狀數(shù)據(jù)的隸屬度的基礎(chǔ)。有了分級代表值后，可以根據(jù)實際環(huán)境因子的性狀數(shù)據(jù)來計算其隸屬度。

指標的級別劃分有時候也采用特征值的辦法，每一級預(yù)先給定一個數(shù)值作為該級標準的代表值，相當(dāng)于直接給出了評價標準分級代表值。

建立各評價因子的等級劃分標準，將標準分為4個等級，即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級。依據(jù)評價指標自身特點，即可以是定性標準，也可以是定量標準，例如“活動斷裂危險性”可劃分為無危險性(Ⅰ級)、危險性小(Ⅱ級)、危險性中等(Ⅲ級)和危險性大(Ⅳ級)；而“淺部工程地質(zhì)段地基土承載力” 可劃分為承載力特征值fak≥200 kPa(Ⅰ級)、承載力特征值150 kPa

2.4.3 隸屬函數(shù)的確定

隸屬函數(shù)的建立是模糊綜合評價模型的關(guān)鍵。對于采用定性標準進行等級劃分的評價指標，本次研究采用面積法求因子所屬等級的隸屬度，計算公式為：

(1)

式(1)中，μm(x)為隸屬度；x為評價因子數(shù)據(jù)；Sm為評價單元中評價因子屬于某環(huán)境質(zhì)量級別的面積；Sd為評價單元的面積；m為環(huán)境質(zhì)量級別。

對于采用定量標準進行等級劃分的評價指標，隸屬函數(shù)的確定方法有很多種，如矩形分布隸屬函數(shù)、r型分布隸屬函數(shù)、正態(tài)型分布隸屬函數(shù)、柯西分布隸屬函數(shù)、梯形分布隸屬函數(shù)、半領(lǐng)型分布隸屬函數(shù)等。在地質(zhì)環(huán)境評價實際工作中，梯形分布的隸屬函數(shù)應(yīng)用最為廣泛，且獲得了較好的效果，本次研究中選擇梯形分布的隸屬函數(shù)來構(gòu)建模糊矩陣。假定某個環(huán)境因子的實測性狀數(shù)據(jù)為x，那么，這個因子對各個環(huán)境質(zhì)量級別的隸屬度可以這樣計算：

(2)

式(2)中，μ1(x)，μ2(x)，…，μm(x)，μm+1(x) 為隸屬度；x為某評價因子數(shù)據(jù)；e(1)，e(2)，…，e(m),e(m+1)為環(huán)境質(zhì)量級別的評價標準；m為環(huán)境質(zhì)量級別。

2.4.4 確定權(quán)系數(shù)

系數(shù)ai表示單因素ui在所有因素中所起的作用大小的度量，即可以視ai為第i種評價因子在環(huán)境質(zhì)量評價諸因子中的權(quán)重系數(shù)。計算權(quán)重就是計算各參評因子對總體質(zhì)量影響強度的貢獻，可以從前述的確定方法中選用。

2.4.5 矩陣合成

取U上的模糊子集B，通過模糊關(guān)系矩陣R，則有如下模糊變換：

A·R=B

式中，A為U中諸多因素Ui按其對事物影響的程度，分別賦予不同權(quán)重所組成的模糊子集A=(a1，a2，…，ai)；R為總的單因子判別矩陣。模糊向量B=(B1，B2，…，Bm)即為最終綜合加的結(jié)果。

2.5 評價結(jié)果等級劃分與分析

工程地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量等級主要體現(xiàn)為對工程建設(shè)的適宜程度、建設(shè)難易程度、經(jīng)濟成本，依據(jù)計算結(jié)果bj，將質(zhì)量等級分為4級，即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，工程地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量等級由“好”、“較好”、“一般”至“較差”，見表2。

表2 工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價等級劃分

下面以唐山市鳳凰新城規(guī)劃區(qū)為例，對工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價的結(jié)果進行分析，并提出地基與基礎(chǔ)措施，見表3。由表中可看出，該規(guī)劃區(qū)的工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)越，大部分區(qū)域為質(zhì)量好區(qū)，少部分區(qū)域為質(zhì)量較好區(qū)，無質(zhì)量一般區(qū)和質(zhì)量較差區(qū)，大部分區(qū)域的天然地基可滿足中高層以下建筑的需要，是優(yōu)良的城市建設(shè)發(fā)展區(qū)。

表3 工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價分區(qū)說明表

3 結(jié)語

本文采用單要素評價和綜合評價相結(jié)合的方法，針對研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境條件的特點，全面系統(tǒng)地總結(jié)了一套由“局部”到“整體”的工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價方法，應(yīng)用該方法便于在GIS支持下，建立城市工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價因子數(shù)據(jù)庫，利用GIS空間柵格疊加分析功能完成綜合評價。

在工程地質(zhì)環(huán)境單要素評價中，根據(jù)研究區(qū)地基土的工程地質(zhì)特征的判定和分析研究結(jié)果，結(jié)合工程建設(shè)對地基土的利用需求，概化和提取了6個單要素進行工程地質(zhì)環(huán)境單要素評價。在工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價中，建立唐山城市規(guī)劃區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境綜合評價指標體系，從二級指標體系中選出了14個因子作為綜合評價的評價因子，采用層次分析法確定了指標權(quán)重構(gòu)成權(quán)重矩陣，選用模糊綜合評判模型，對所選的評價因子進行模糊綜合評價。針對定性分級的評價指標和定量分級的評價指標，采用了不同的隸屬函數(shù)，來計算因子所屬等級的隸屬度，完成了定性向定量評價的轉(zhuǎn)化。

本方法中單要素評價是綜合評價的基礎(chǔ)，二者相結(jié)合對綜合評價分區(qū)結(jié)果進行分析，提出地基與基礎(chǔ)措施，提高了工作成果的實用性，對城市規(guī)劃和建設(shè)具有較好的指導(dǎo)意義。

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