（地质工程专业论文）基于gis的唐山市区道路塌陷研究.pdf

摘要 摘要 在收集大量唐山市区地质资料的基础上，探讨了道路塌陷的时空分布规律。时 间上，主要分布在6 月l o 月的雨季期间；空间上主要受地下水波动影响较大路段 和道路载荷较大路段。论文首先在总结分析国内外道路塌陷的基础上，并结合g i s 技术应用于道路塌陷现状的研究，针对唐山市区道路塌陷研究的现状，选用g i s 组 件( m a p o b j e e t s ) 结合可视化编程工具v b 研发了道路塌陷数据管理平台。数据管 理平台实现的功能包括：图层管理、地图浏览、属性信息查询、图形信息查询、空 间分析、数据库的更新维护等。其次，利用a c c e s s 和a r c g i s3 2 建立了唐山市区道 路塌陷数据库，利用所建立的数据管理平台，实现了数据资料的自动化管理，为查 询唐山市区道路塌陷信息提供了直观便捷的手段。最后，在所建立的塌陷数据管理 平台上，利用模糊数学评价方法，选择地层岩性、地质构造( 断层) 、第四系厚 度、地下水降落漏斗、塌陷和道路荷载作为评价因子，建立唐山市区道路模糊综合 评价模型，编程实现了唐山市区道路塌陷评价分区，为城市规划和道路工程建设提 供了决策支持。 通过对唐山市区道路塌陷的评价，表明塌陷严重的地区主要分布在采煤塌陷地 区和市区车辆交多的地方，约占研究区的1 6 ；较严重的地区约占1 4 ；较好的地区 占1 6 ，剩余的大部分均为好的地区。 图2 6 表1 0 参5 4 关键词：唐山市；数据管理；道路塌陷评价；模糊数学；m a p o 巧e c t s 分类号 p 6 4 2 2 6 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc o l l e c t i o nm a s s i v et a n g s h a nu r b a nd i s t r i c tg e o l o g i c a ld a t af o u n d a t i o n , h a s d i s c u s s e dt h ep a t hc o l l a p s es p a c ea n dt i m ed i s t r i b u t e dr u l e i nt h et i m e ，m a i n l yd i s t r i b u t e s i nj u n e o c t o b e r r a i n ys e a s o np e r i o d ；i ns p a c em a i n l y g r o u n dw a t c ru n d u l a t i o ni n f l u e n c e o nt h eb a s eo f t h e a n a l y s i so f r o a dc o l l a p s eb o t hi nc h i n aa n do v e r s e a s ，a n do f t h ep r e s e n t s t u d yo ft h eg i sa p p l i c a t i o no nr o a dc o l l a p s e ，t h et h e s i sd e v e l o p e dam a n a g e m e n ts y s t e m o f r o a dc o l l a p s ed a t af o rt a n g s h a nc i t yb yg i sc o m p o n e n t s ( m a p o b j e c t s ) a n dp r o g r a m i n g t o o l s ( 、僵) i t sf u n c t i o n si n c l u e sa l io f t h e ：s h o w i n ga n dm a n a g i n gl a y e r s ，m o v i n ga r o u n da m a p ，i d e n t i f y i n gf e a t u r e s ，s e l e c t i n gf e a t u r e s ，s p a c ea n a l y s i s ，u p d a t i n gd a t a b a s e ，a n ds oo n f u r t h e r m o r e , r o a dc o l l a p s ed a t a b a s eo ft a n g s h a nw a sc o n s t r u c t e db yt h es o f t w a r eo f a c c e s sa n da r c g i s3 2 ，a n dt h er o a dc o l l a p s ed a t aw a sm a n a g e ds oa u t o m a t i ct h a tt h er o a d i n f o r m a t i o nc o u l db ei n q u i r e dq u i c k l y l a s t t h em o d e lo ft h er o a dc o l l a p s ee v a l u a t i o no f t a n g s h a nu r b a nw a sc o n s t r u c t e db yam e t h o do f f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n f e a t u r e s o fs t r a t u m ，g e o l o g i cs t r u c t u r e s ( f a u l t ) ，t h ed e p t ho fs t r a r u ni nq u a t e r n a r y ，g r o u n d w a t e r f u n n e l ，c o l l a p s ea n dr o a dl o a dw e r ec o n s i d e r e da se v a l u a t i o nf a c t o r s a n dt h e nt h em a po f r o a dc o l l a p s ee n v i r o n m e n te v a l u a t i o no ft a n g s h a nc i t yb yp r o g r a m m i n gw a sf i n i s h e d , w h i c hs u p p o r t st h er o a dc o n s t r u c t i o na n dm u n i c i p a lp l a n t h r o u g ht ot h et a n g s h a nu r b a nr o a dc o l l a p s ea p p r a i s a l ，i n d i c a t e dt h ec o l l a p s es e r i o u s a r e am a i n l yd i s t r i b u t e si nt h em i n i n gc o a lc o l l a p s eg o e st oa n dt h eu r b a nd i s t r i c tv e h i c l e s h a n d so v e rm a n yp l a c e s t h ec o m p o s i t i o nr e s e a r c ha r e a 1 6 ；t h o s e r i o u sa r e a a p p r o x i m a t e l yc o m p o s e s1 4 ；n l eg o o da r e ao c c u p i e s1 6 s u r p l u ss t r i d em i n u t ef o rg o o d a r e a f i g u r e2 6 ；t a b l e l 0 ；r e f e r e n c e5 4 k e y w o r d s t t a n g s h a nc i t y ；g e o l o g i c a ld a t a ；r o a dc o l l a p s ee v a l u a t i o n ；f u z z y m a t h e m a t i c s ；v b ；m a p o b j e c t c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：p 6 4 2 2 6 - - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：约龚丝日期：业丘月鱼日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 鼽尸时 引言 引言 唐山市区地质环境复杂，构造发育，多种地质灾害频繁发生。在构造体系上， 唐山市处于阴山纬向构造带和新华夏构造体系复合部位，又有祁吕系东翼反射弧的 影响，受新华夏构造体系的影响，形成一系列的n n e 向断裂及褶皱带【i l 。区内活动 断层多而且规模大，震惊中外的1 9 7 6 年唐山大地震就是活动断层活动的象征。自 1 9 7 6 年以来，城市中心区发生塌陷2 3 处，影响范围2 0 k m 2 ，使城市建筑物、交通受 到破坏，直接影响了唐山市的建设和发展。其中，市内包括路北和路南两个区，为 唐山市的道路塌陷严重地区，也是本文的研究区。由于唐山市区是著名的开滦煤矿 的所在地，煤矿开采的历史达百余年。开采引起的地面塌陷、瓦斯爆炸、突水事 件、水污染及水浪费，矸石堆积占地、矸石燃烧及爆炸等多种地质灾害也十分严 重。地下水方面，存在于石灰基岩层内的承压一无压水，由于超采，连续多年水位 下降，目前出现以市区为中心面积达3 0 0 多平方公里的降落漏斗( 三大降落漏斗) 。 由于城市的道路环境是影响城市建设的一个重要因素，直接影响到城市规划和道路 工程建设的布局。因此，采用先进的技术方法和手段研究唐山市区的道路环境状 况，进行道路塌陷评价，具有非常重要的现实意义。 道路数据( 即道路信息) 作为反映城市道路环境状况的载体，它具有多来源、 多类别、既有空间数据( 图形数据) 又有属性数据( 非图形数据) 、数据量庞大的 特点。传统的图形管理工具( 如a u t o c a d ) 与属性数据管理技术( 如关系型数据 库) 都是独立工作，或者单一显示图形或者用二维表管理属性数据，不能把二者联 系起来统一管理。地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 作为 当今高科技发展的产物，集空间数据与属性数据的存储、输入、输出、查询、分析 等功能为一体，能有效的管理属性数据和图形数据并能进行复杂的空间分析，是当 前道路环境评价与危险性区划的有力工具。 本研究把组件式g i s 技术应用到城市道路塌陷的研究中，在研究唐山市道路塌 陷数据的基础上，采用组件式g i s 和v b 相结合研发城市道路塌陷数据管理平台， 有效管理道塌陷路数据并对唐山市区进行道路塌陷环境进行分区评价，这不仅为用 户提供方便快捷的查询服务，同时也为唐山市的工程建设选址和整体道路规划提供 了有力的依据。 1 文献综述 1 文献综述 我国存在着大面积的塌陷，其中主要包括岩溶塌陷和采煤塌陷。由于塌陷的影 响因素很多，传统的方法难以对各种影响因素进行量化综合评价。为此，特别是随 着计算机技术的飞速发展，地理信息的处理分析手段日趋先进，g i s 技术日趋成 熟，已广泛地应用于环境、资源、石油、电力、土地、交通、公安、急救、航空、 市政管理、城市规划、经济咨询、灾害损失预测、投资评价、政府管理和军事等与 地理坐标相关的几乎所有领域。因此将g i s 应用于塌陷研究中，具有广泛的适应 性。 1 1 研究背景和意义 随着城市的快速发展，带来了一系列的环境问题和交通问题。不光是环境污 染，更为严重的是城市地质灾害，诸如地表沉降、滑坡、崩塌、泥石流等。这些地 质灾害对环境的影响是持久的、多层次的，而且往往是严重破坏性的。 在震后新唐山建设的期间，由于历史原因和缺乏充分的科学论证，不可避免地 遇到了塌陷或潜在塌陷的威胁。由于唐山地处岩溶高度发育的地区，城市道路的塌 陷也日益严重，每年由于道路塌陷造成很大的经济损失，并且成为唐山市主要的环 境地质工程问题之一。研究道路塌陷为城市道路规划提供了可靠的依据，并对人民 生命和财产安全有着非常重要的意义。有关部门对塌陷问题开展了大量的勘探研究 工作，取得了丰富的第一手资料。如何对这些具有不同来源的空间数据进行有效管 理，不仅对本次研究分析，而且对今后塌陷抢险救灾以及城市规划都有着重要的意 义。 1 2 国内外g i s 应用于道路环境与地质灾害研究现状 1 2 1 国外g i s 应用于道路环境与地质灾害研究现状 国外g i s 应用于道路环境与地质灾害的研究主要包括：多源地质数据的输入、 地质图的自动绘制、地质数据的有效管理、地质灾害危险性分区、道路g i s 辅助决 策、g i s 虚拟现实技术的应用、道路交通事故的分析等。 1 9 6 3 年，加拿大测量学家r f t o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统这一术语， 并建立了世界上第一个实用的地理信息系统加拿大地理信息系统( c g i s ) ，用 - 3 河北理工大学硕士学位论文 于自然资源的管理和规划。1 9 7 2 年加拿大土地调查局建立的加拿大地理信息系统 ( c g i s ) 全面投入使用，成为世界上第一个运行的地理信息系统 2 1 。此时，地理信 息系统的特征是和计算机技术水平联系在一起的，表现在计算机存储能力小，磁带 存取速度慢，机助制图能力较强，地学分析功能比较简单。与此同时，地理信息系 统发展的另一显著标志是许多有关的组织和机构纷纷建立，如1 9 6 6 年美国成立城市 和区域信息系统协会( u r j s a ) ，1 9 6 9 年又建立州信息系统全国协会( n a s i s ) ， 国际地理联合会( i g u ) 于1 9 6 8 年设立了地理数据收集和处理委员会( c g d s p ) 。 印度r o o r k e e 大学地球科学系的r p c r u p t a 和b c j o s h i ( 1 9 9 0 年) 用g i s 方 法对喜马拉雅山麓的r a m g a n g ac a t c h m e n t 地区进行滑坡灾害危险性分带 3 1 。将收集 到的航空像片、磁带数据、图像、假彩色合成图像及各种地质、构造、地形、土地 利用及滑坡分布野外数据及属性数据都存储在g i s 系统中，找出与滑坡灾害评价相 关的因素，利用g i s 的存储、更新、网格化、空间叠加功能，得到一张综合图件， 图上反映的是每个地区的权重总和。根据标准，即可在这张图上绘出滑坡灾害危险 性分区图。 俄国在里海使用遥感数据和g i s 分析管道铺设并建立模型( 1 9 9 4 年) ，结合渠 道长度，地形学，地质学，占地和河川，洼地，路和铁路的交叉说明一个最低的成 本路径，卫星遥感形象化的描述当作展示的一个基地使用结果并且明确陆地覆盖物 【4 】。 美国科罗拉多州立大学m a r i om e j i a - n a v 和e l l e ne w o h l ( 1 9 9 4 年) 在哥伦比亚 的麦德林地区，用g i s 进行地质灾害和风险评估网。利用g i s 对麦德林地区地质灾 害进行了分析和研究，重点考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条件、气候、地 形、地貌单元及其形成作用、土地利用和水文条件等因素，根据各因素的组成成分 和灾害之间的对应关系，借助于g i s 软件g r a s s 的空间信息存储、缓冲区分析、 d e m 模型及叠加分析等功能，对有关滑坡、洪水和河岸侵蚀等灾害倾向地区进行了 灾害分析，并对某具体事件各构成因素的脆弱性进行了评价。 达尼丁地质灾害信息系统，由a l d r i d g e ，g l a s s e y 等开发，在1 9 9 8 年由g l a s s e y m o r r i s o n 改进，主要用于灾害记数，包含现有的灾害数据和灾害成带现象系统，包 含模拟的灾害区域【6 】。另外，还包括原始浅层的数据。1 9 9 5 年，达尼丁市提出生命 线计划，利用g i s 进行灾害的监控，包括地震、水灾、崩塌、海啸和风暴潮，对达 尼丁城市的建设起到了一定的作用。 4 - 1 文献综述 英国( 2 0 0 0 年) 采用地理信息系统和陆地一海洋作用研究监测数据库做图来反 映h u m b e r 流域的地区水质量，最终地图揭示了影响地区水质特征的主要因素 7 1 。 国外将g i s 应用于道路环境主要是应用于道路交通事故的分析，典型的例子如 表1 所示【s l ： 襄1 国外g i s 在道路事故研究中的典型应用 t a b l e1t y p i c a la p p l i c a t i o no f g i sf o rr o a da c c i d e n ti nf o r e i g nc o i m h y 国家研究内容 美国联邦公路局开发了h i g h w a ys a f e t yi n f o r m a t i o ns y s t e m ( h s i s ) ，这是一个基 2 0 0 1 年美国于g i s 的事故信息系统一个集数据库管理，主要目的是分析交通事故，减少 事故的发生率 _ + 加拿大运输部也建立了t r a f f i ca c c i d e n ti n f o r m a t i o nv a t a b a s e ( t r a l v ) ，为加拿 月u f 入 大交通事故提供数据支持统( g l s ) 很好地解决了这个问题。 。 英国的1 1 也s o t t w a t eb u r e a ut t m l s p o t tr e s e a r c hl a b o r a t o w 开发了一套名为 ”4 m a a p ( m i c r o c o m p u t e ra c c i d e n ta n a l y s i sp a c k a g e ) 的软件，该软件主要用于事 故分析，并与g i s ，w o r d , e x c e l , a o p a l s 等有良好接口。 挪威、大利 研究基于g i s 平台的交通事故信息系统，用于交通事故的管理、分析 1 2 2 国内g i s 应用于道路环境与地质灾害研究现状 由于道路信息具有空间特征，g i s 特别适宜于对道路信息的分析处理，是道路 建设管理现代化的重要手段之一。一些发达国家已将g i s 技术成功地应用于道路的 规划、设计和管理等工作中，并取得较好的效益。我国在道路管理方面应用g i s 还 处于起步阶段，灾害研究起步也比较晚，研究程度不高。 1 9 9 2 年5 月，山西省交通厅依托a r c i n f o 软件，开始公路数据库二、三级( 省 地市、地市级) 试点工作，研制成功的t r a n s - g i s 系统，达到国内先进水平。上海 市浦东新区城市道路建设管理局，应用m a p i n f o 开发“城市道路信息管理系统”， 用于档案的应用和维护，具有查询、统计和输出、图形图像和属性维护功能。广深 高速公路养护管理系统，把分散的文档、图纸和有关数据组织分类，建立属性数据 库的地理数据库，提供一系列数据分析处理方法和科学的数据分析结果，以及快速 准确、图文互访的查询功能。上海市综合交通规划研究以a r c i n f o 软件为平台，整 合空间信息、遥感信息和各种交通调查资料进行综合交通规划g r t 系统的研究与开 发，其目的是为上海市综合交通的规划和决策部门提供宏观决策的信息支持，为城 5 河北理工大学硕士学位论文 市综合交通的信息管理和分析，开拓一个新型的“工具”，以提高规划工作的水平 研。 1 9 9 6 年北京市公路局采用a i 屺i n f o 完成了北京市公路设施管理系统数据库的 建立，整个北京市的交通设施管理有了明显改善，也大大坚守了由于交通设施原因 引起的交通拥挤和交通事故【埘。河南省交通厅于1 9 9 7 年针对郑州市的交通事故统计 资料建立了交通事故信息数据库，并利用事故冲突技术对部分道路进行了安全评价 和预测评价，但没有实现道路交通安全信息的可视化分析研究【l l 】。 在中国兰州，基于g i s 评价环境标准规划城市用地，结合地形、地貌和基岩地 质，地下水情况和历史的地质灾害等，城市用地是按照用地类型和工程计划加以分 类的。证明了( 3 i s 方法在地理环境评估中具有较高的可行性【1 2 1 。 曹洁，陈希平等采用了先进的地理信息系统组件开发技术、v b 和数据库编程 技术( s q l ) ，构成了兰州市交通地理信息系统，该系统实现了以下的功能：数据输 入、数据编辑与处理、数据的存储与管理、空间查询与分析、可视化表达与输出 f 】3 】。 石常林将g i s 技术应用于道路交通事故的分析决策中，取得了如下的成果：建 立了道路事故分析，包括多发点排查分析和对事故四项指数的分析；分析结果的图 示化，包括数据查询，与道路相关的信息查询和图形查询，建立了交通事故分析模 型。利用g i s 有效地提高了管理和决策技术水平【1 4 】。 秦利燕，邵春福等利用g i s 技术面向对象的计算机程序设计语言( v 8 、v c ) 编写 程序而建立道路交通安全管理系统，是以道路及交通事故的地理信息空间数据库及 属性数据库为基础，以事故黑点成因分析模型、事故预测模型、区域安全评价模型 为核心，实现交通安全管理信息的采集、存储、分析与应用，为交通安全管理者提 供宏观管理、微观分析及决策提供全面服务，而且还能为工程技术人员提供事故分 析的工具i l 1 。 刘丹萍，胡伍生，沙月( 2 0 0 6 ) ，利用地理信息系统( g i s ) 在道路选线过程中， 以钻孔数据为例考虑地质条件，主要研究了工程地质在6 i s 中的表达方法，并综合 考虑地形因素和地质条件，研究了g i s 在公路地质选线中的应用f 1 6 】。 方守恩，杨轸，陈雨人( 2 0 0 6 ) ，在分析国内外相关研究成果的基础上，根据 道路安全信息系统的特点和要求，建立了基于g i s 的系统总体结构框架，对动态分 段、查询方式和数据分析等关键技术问题进行了分析【1 1 ”，为道路安全管理提供了一 6 1 文献综述 个具备丰富的图文界面的数据管理和分析系统平台，为基于g i s 的各类安全信息和 管理系统的开发提供一个良好的基础。 李富( 2 0 0 6 ) ，将g i s 用在公路管理，他与传统的交通分析和处理技术紧密结合 延伸出公路地理信息系统，该系统对公路规划，建设和养护具有较强的应用价值 【堋。 综合分析国内外的研究现状，利用g i s 进行道路环境评价和地质灾害预测的研究 可归纳为两个方面：一方面，基于桌面g i s 软件平台，存储、查询、管理地质信息数 据，并利用其叠加分析、缓冲分析、空间搜索分析等分析功能，做出灾害区划图； 另一方面，专门针对于道路环境二次开发适合于道路特点的分析模型，如用数量化 理论方法、信息论方法、模糊数学方法、神经网络方法、人工智能与专家系统建立 的道路分析模型，扩展了g i s 的分析功能。 总体来看，国外将g i s 技术应用在道路与灾害预测起步早、技术成熟；我国也 开展了大量的研究工作，但是真正成熟实用的道路环境评价与预测的g i s 系统较 少，而g i s 技术应用于城市地质环境和地质灾害的研究更是处于起步阶段，全国只 在重庆、青岛、兰州等几个城市开展了这方面的研究工作。目前国内把g i s 技术应 用在道路环境评价与灾害预测中，主要存在如下的一些问题； 1 道路环境评价具有多因素、多层次、不确定性强等众多特点，目前在利用 g i s 众多的评价预测模型中，不管是多灾种还是单灾种评价，人们都在努力寻求一 种普遍适合的模型来解决道路环境的评价。虽然普遍适合的评价模型在宏观决策中 有重要的意义，适合建立面向大众和政府的决羡支持系统，但在中小尺度范围的评 价时往往不尽人意。在解决中小尺度相对精度较高的评价中，光靠在某种模型中对 某些因素的加权来调整恐怕是不够的。考虑到不同地区地质条件不同，控制因素不 一样，各个地区的道路环境有自己特殊的规律，因此寻求特定地区特定的道路环境 评价模型是有必要的。目前国内大部分的评价只是基于交通事故分析和交通安全管 理系统的研究，对于道路的其他方面涉及到较少。 2 不同单位从不同商业角度也开发了许多基于g i s 的道路交通事故分析系统， 但由于系统是由许多不熟悉地质交通领域或非地质交通背景的电脑从业人员开发 的，所以在实际应用中会出现很多问题甚至毫无意义，这种情况在当前无论国内还 是国外都有一定程度的存在。 - 河北理工大学硕士学位论文 1 3 唐山市道路塌陷与灾害的研究现状 鲁连胜( 1 9 9 7 年) 对唐山市才采煤塌陷进行了研究，介绍了唐山市采煤塌陷地 现状及其复垦方式，提出了合理开发利用采煤塌陷地的对策【1 9 l 。 雷明堂等( 1 9 9 7 年) 应用g i s 技术研制出了岩溶塌陷预测评价系统，并应用于 唐山市的岩溶塌陷评价中，这是在唐山市灾害研究中首次应用g i s 技术删。 王景明、王文秋、苏幼波( 1 9 9 8 年) 对唐山市区的断裂与地质灾害进行了研 究，并对由断裂带引发地震、构成灾害的可能性进行了分析，较详细的研究了地震 地质灾害的效应【1 1 。 赵宗壮等( 1 9 9 8 年) 对唐山市岩溶塌陷进行了系统的研究，分析唐山市区岩溶 地面塌陷分布规律、形成条件及影响因素的基础上，总结出岩溶地面塌陷的形成模 式，提出了综合防治措施【2 1 1 。 王景明等( 1 9 9 8 年) 对唐山市地质灾害进行分区评价，根据唐山市区曾发生过 的地质灾害及其相关的活动构造、第四纪沉积物厚度和地貌条件，从城市建设和安 全的角度进行唐山市地质灾害分区评价阱】。 由此可见，前人对唐山市地质灾害的发生规律进行了深入的研究，并提出了防 治措施，并将g i s 技术应用岩溶塌陷这一种地质灾害的的预测评价中，但是将g i s 应用到道路领域的还是很少，对道路塌陷环境的研究也不深入。本文在塌陷研究的 基础上进行道路塌陷的研究。 1 4 本课题研究的主要内容和技术路线 1 4 1 研究的主要内容 利用唐山市道路及地质资料来研究道路塌陷，建立道路塌陷的系统分析，更具 体的来说明基于m o 的g i s 的建立。 1 分析唐山市道路塌陷机理、形成原因及塌陷类型、特点。 2 搜集唐山市岩溶塌陷的资料数据，包括各种地质图件如：基础地质图、构造 地质图、第四系等厚线图、地下水位等值线图、钻孔数据、岩溶塌陷和采煤塌陷分 布图、唐山市道路图等，以及其它文字报告。 3 利用v b 和g i s 组件( m a p o b j e e t s ) 建立唐山市道路塌陷数据管理平台，实 现数据有效的管理。如图层管理，地图浏览、属性信息查询、塌陷环境评价等。 一8 1 文献综述 4 分析唐山市道路塌陷的影响因素，并在此基础上利用m o 图层的渲染功能自 动生成道路塌陷环境评价区划图，并在此基础上提出道路塌陷的治理措施。 1 4 2 技术路线 1 收集唐山市岩溶塌陷的资料包括：基础地质图、构造地质图、第四纪等厚线 图和岩溶塌陷点、采空塌陷区分布图，唐山市道路图、地下钻孔资料等以及车流量 增量。 2 利用g i s 组件m o 实现岩溶数据管理，并实现图层管理、地图浏览和属性查 找等功能。 3 结合模糊数学综合评价方法建立评价模型并编程实现矩阵的运算，得出评价 结果。 4 进行图形的可视化，并提出塌陷防治措施。 技术路线图如图1 所示。 - 9 - 河北理工大学硕士学位论文 图i 唐山市区道路塌陷研究示意图 f i g is t r u c t u r ef i g u r eo f r o a dc o l l a p s ei nt a n g s h a nc i t y 1 0 2 唐山市地质环境及道路塌陷 2 唐山市地质环境及道路塌陷 2 1 唐山市区地质环境 唐山市区位于华北平原东部，地处燕山西麓的山前倾斜平原。地势北高南低， 地面标高1 5 m , - , 4 0 m ，坡降4 0 。北部为丘陵区，坡状起伏，冲沟发育，西部地势平 坦。中心区分布有剥蚀残丘，由北向南依次为弯道山、贾家山、大城山、凤凰山， 大城山标高1 2 5 1 m ，向外依次降低，南部平原区标高1 2 m 1 8 m 。陡河由市区大城 山东侧穿过，两岸发育着一、二级阶地，东部、南部广布采煤塌陷坑，呈积水洼 地。 2 1 1 地层岩性 k 蓟县系e 寒武系d 奥陶系 c - - v - - 石炭二迭系q 第四系 圈2 研究区的地层分布 f i g 2s t r a t u md i s a - i b u t ci nr e s e a r c ha r e a 研究区地层从老到新有蓟县系、寒武系、奥陶系、石炭二迭系及第四系松散沉 积物，如上图2 所示。 1 蓟县系( j x ) 分布于市中心的西部，主要岩性为燧石条带白云岩、白云质灰岩及泥质白云 岩。化学成分主要为c a c 0 3 、m g c 0 3 及少量s i 0 2 。岩性稳定，构成了卑子院背斜 的轴部两翼。该类岩石晶间孔隙、溶隙发育较普遍，属于古海潮间带的产物。 河北理工大学硕士学位论文 2 寒武系( ) 主要分布于市区中部开平盆地边缘，出露岩性由下部的豹皮状灰岩、紫红色页 岩，中上部的泥质灰岩和竹叶状灰岩组成。化学成分主要为c a c 0 3 、少量m g c 0 3 及少量s i 0 2 ，溶隙较发育，为浅海相沉积物。 3 奥陶系( o ) 地层为中统、下统，上统缺失。风凰山、大城山、贾家山、弯道山基岩裸露 区，岩性为豹皮状灰岩、白云质灰岩，局部含泥质角砾灰岩。化学成分主要为 c a c 0 3 、m g c 0 3 及少量s i 0 2 ，晶间、粒间孔隙发育，溶隙、溶孔、溶穴、溶洞发 育。 4 石炭二迭系( d p ) 分布于开平向斜的核部，由一套杂色粉砂岩、细砂岩、页岩及煤系地层组成， 并夹有粘土岩、薄层灰岩。其化学成分主要为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 。本区缺失下石 炭统。中石炭统唐山组与下伏中奥陶系地层为平行不整合接触。 5 第四系( q ) 本区缺失中生代和第三系地层。基岩大部分被第四系覆盖，仅在大城山风凰山 一带基岩出露地表。第四系沉积厚度受断裂及新构造活动控制，唐山隆起带覆盖层 厚度5 m - s i n ，陡河断裂以西和唐山断裂以东覆盖层厚度6 0 m 2 5 0 m 。浅埋岩溶区碳 酸盐顶面广布风化残积土层，厚度l m 7 m 。 2 1 2 地质构造 唐山市地处燕山褶皱带东南部与华北平原黄骅凹陷交汇部位，基底构造复杂， 褶皱断裂发育，新构造运动强烈，如图3 所示。 1 褶皱 研究区褶皱构造由西向依次为卑子院背斜、开平向斜。其中开平向斜规模最 大，总体轴向北东4 0 。，自开平向东转成近东西方向，构成一条向北西方向凸出的弧 形弯曲，长5 0 k i n ，宽1 5 k m 2 0 k m ，两翼不对称，西北翼构造复杂，岩层倾角较 大，局部直立或倒转，并发育若干次一级构造；东南翼构造简单，岩层平缓，次级 构造稀疏。 卑子院背斜，位于市区西部，总体轴向北东4 0 。，东南翼陡，西北翼缓。轴向偏 居东南翼，为一不对称的隐伏背斜构造，全长3 0 k i n ，宽1 0 k i n 。中元古代地层组成 其背斜核部，古生代寒武纪、奥陶纪地层构成背斜的两翼。 1 2 - 2 唐山市地质环境及道路塌陷 2 断裂 研究区主要的活动断裂构造有：陡河断裂、唐山断裂、唐山矿断裂带、大城山 北麓断裂。 陡河断裂：走向n e 2 5 。一3 0 。，倾向n w 盘下降，由相距2 0 0 m 一5 0 0 m 的两条正断 层组成断裂带。斜穿市区，在裕华道被n w w 向大城山北坡断层所截分为两段。东 北段称后屯断裂，北起陡河水库东岸长大于1 5 k i n ，东盘上升形成一基岩陡坎，西盘 下落3 0 0 m ，大体沿陡河展布，1 9 7 6 年唐山地震时沿线出现沙土液化和河岸滑移现 象。西南段河北理工大学一带基岩陡坎高差3 0 0 m ，浅层地震勘查表明，断层两侧第 四条厚度相差7 0 m 。其南部胥各庄一带第四纪沉降幅度大于3 0 0 m ，成为唐山断块隆 起的西部边界。唐山7 8 级地震由于该断裂的聚能作用，沿线两侧2 0 0 m - 3 0 0 m 是高 烈度异常带。其西南段震害率高达9 0 以上。余震活动频繁3 5 级1 7 次，其中 1 5 级4 次f l 】。 唐山断裂：位于市区东南边缘，北起古冶赵各庄，南至安机寨，长约3 0 k m ，走 向北东2 5 9 - 3 0 。，倾向南东，为一高角度正断层，是唐山断块隆起的东部边界。 唐山矿断裂带：位于市区东南部，北起唐山发电厂，南至丰南县，长约1 3 k m ， 宽约6 5 k i n ，由五条平行断层组成。其中，f l 、f 4 为正断层，f 2 、f 3 、f 5 为逆断 层，总体走向北东3 0 。，倾角3 0 。弼5 。，并伴随出现一些次级断裂，地层倒转，急倾 斜，发育于开平向斜西北翼的二迭石炭系、奥陶系地层中。 大城山北麓断裂：据遥感解译和钻孔资料，大城山北麓存在一条北西向断裂， 挫断了陡河断裂唐山断裂等北北东向断裂。长度6 0 k m 以上，走向北西3 0 。左右，为 一平移断层，错距数百米。 新构造运动特征：本区经历了喜马拉雅运动的强烈构造分异后，晚第三纪以 来，北部继承性上升，南部继承性下降。市区主要表现为北东向垂直断块差异运 动。全区发育许多新生代断裂，第四纪以来继承性活动明显，在覆盖区大部分为高 角度正断层，如陡河断裂带。本区现代构造运动较为活跃，二千多年的地震记录表 明，本区构造地震频繁，尤其在近4 5 0 年间先后有l o 次破坏性强震的震中分布在唐 山滦县一带。1 9 7 6 年的7 8 级唐山大地震，使唐山断裂带受到了继承性的发展，地 面垂直形变和断层的位移均很显著。 - 1 3 河北理工大学硕士学位论文 2 1 3 水文地质条件 图3 研究区中的断层和褶皱 f i g 3f a u l t sa n dd r a p ei nr e s e a r c ha r e a 1 地下水赋存条件 唐山市中心区主要有第四系孔隙水、石炭一二迭煤系水和奥陶系岩溶水，其次 是寒武系、蓟县系岩溶水。 第四系孔隙水由上而下可分为i 、v 个含水组，形成时间分别相 当于地质年代的q 4 、q 3 、q 2 、q l 。第1 含水组和第含水组上段处于疏干半疏 干状态，下端底板深5 m - 3 0 m ，岩性为含卵砾石砂层、细粒砂层，厚度l o m - 5 0 m ， 单位涌水量1 0 m 3 p a m 一3 0 m 3 h - m 。第含水组分布广泛，地板埋深5 0 m 2 0 0 m ，岩 性为卵砾石，砂砾石层，厚度l o m , - 6 0 m ，单位涌水量2 0 m 3 m m - - 6 0 m 3 h m 。第含 水组底板埋深1 0 0 m , - - 4 0 0 m ，岩性为卵砾石含粘土，富水性不均一。第四系孔隙水的 水化学类型h c o s c a 、m g 型水。 奥陶系岩溶水发育于中统马家沟灰岩溶洞、溶孔、溶隙中，富水性强；下统冶 里组富水性相对较弱，地下水分布不均一，覆盖型富水性强，埋藏型弱；构造破碎 带与地形低洼、河谷地带富水性强，裸露区弱，水化学类型h c 0 3 - - c a 、m g ，部分 地区为h c 0 2 - - s 0 2 - - c a 、m g 型水。 寒武系中上统风山组和下统府君山组灰岩发育，有岩溶裂隙水，具有一定的富 水性，其它组页岩起相对隔水作用。 1 4 - 2 唐山市地质环境及道路塌陷 蓟县系的迷雾山组、高于庄组燧石结核白云岩、矽质条带自云岩溶蚀裂隙发 育，富水性中等，但不均一，水化学类型h c 0 3 - - c a 、m g 型。 2 地下水补给、径流、排泄条件 第四系及基岩裸露区接受大气降雨补给、地表水体下渗补给、灌溉回归补给。 而覆盖区基岩地下水则接受第四系地下水的越流补给。地下水排泄为人工开采和矿 井疏于，因此在市区已形成地下水位下降多层漏斗。各含水岩组地下水在水平方向 上沿层面径流补给漏斗区，在矿井排水影响区垂直方向上和水层问水力交替作用更 加强烈。 3 地下水特征 唐山市区地下水动态特征表现为地下水位变化和地下水位降落漏斗的形成。前 者为地下水位的季节性或年度性变化，造成水位变幅带，作用于第四系土层，由于 侵蚀作用使土层中形成管涌，逐渐扩大成土洞。 由于地下水的过量开采和矿井疏干排水的影响，形成地下水位降落的多层漏 斗，第四系第、含水组水位下降漏斗横跨滦河早、中期两个冲击扇，目前漏斗 位于北郊和钢厂两地，漏斗内水位面外缓内陡。奥陶系灰岩漏斗基本沿灰岩走向n e s w 里不规则形状，漏斗面积约3 2 0 k i n 2 ，漏斗中, t m t 部在北郊水厂，南部在大洪 桥水厂，第四系地下水总体流向为由北向南，由漏斗周边向漏斗中心流动。 2 1 4 地震灾害 唐山市是一个地震多发区，近5 0 0 年以来，唐山地区发生地震1 4 6 次，5 级以 上地震1 4 次，1 5 2 7 年丰南5 5 级地震，震中烈度7 度；1 6 2 4 年和1 9 4 5 年滦县发生 两次6 3 级地震，震中烈度8 度。1 9 7 6 年唐山地震，震中烈度1 1 度，死亡2 4 2 5 万 人，重伤1 6 4 9 万人，震毁民房4 2 5 万间，震后地缝密集成群，喷水冒砂，并伴随 砂土液化，地面不均匀下沉，地基湿陷、路基沉陷，百万人口的重要工矿城市遭到 毁灭性破坏。直接经济损失达5 6 4 4 8 亿元。发生4 级以上余震千次，沿市区内的1 3 条断层发生大于3 5 级的地震5 4 次，大体3 - - 4 年为一次活动高潮伫3 】。 - 1 5 河北理工大学硕士学位论文 2 2 唐山市道路塌陷 2 2 1 唐山市道路塌陷现状 据悉，截至到2 0 0 6 年1 1 月3 0 日，唐山市1 1 个月共计注册新车9 6 7 5 0 辆，其 中汽车4 9 6 2 1 辆，这意味着唐山市每天平均新增加机动车2 9 0 辆。据了解，2 0 0 6 年 前1 1 个月机动车数增与2 0 0 5 年同期相比基本持平，至2 0 0 6 年1 1 月底，全市机动 车饱有量已经达到了9 6 5 0 0 0 多辆( 见附表1 ) 。车流量的增加使道路的承载力不断 加大，道路受到的震动荷载加强，许多岩溶地区的道路面临着塌陷的威胁。图4 为 研究区的主要的道路。 图4 唐山市区的道路图 f i g 4t h er o a dm a po f t a n g s h a ac i t y 从表面地层分布看，唐山市区表层普遍存在几十至上百米的第四系覆盖层，个 别区域基岩出露地表口5 1 。这些第四系覆盖层为粘土和砂土的复合层，砂土液化现象 普遍，工程地质条件较差。在地表基岩层，岩性普遍为奥陶系石灰岩，岩溶发育， 岩溶率普遍达4 0 ，自1 9 8 8 年以来，已发生岩溶塌陷几十处，使城市建筑物、交通 受到破坏 2 0 1 。由于踩空塌陷的影响，津唐高速公路路面开裂，出现两条相距1 7 8 m 的裂缝，汛期由于雨水的作用，塌陷势必影响津唐高速公路，威胁车辆的安全。见 表2 所示的塌陷的特征。 一1 6 - 2 唐山市地质环境及道路塌陷 由表2 可以看出在市区，一年中从时间上看，塌陷多发生在6 月份1 0 月份的 降雨季节，道路塌陷发生前一般无明显征兆，具有明显的突发性。其发展趋势随着 岩溶水的波动而日益严重，尤其在雨季来临时，地下水的起伏波动性大，对上部盖 层的侵蚀也越严重，加上车辆的振动，塌陷的几率非常大。从空间上看，道路塌陷 多发生在车流量较多的建设路，华岩路、南新道、裕华路等车流量较多的交通要道 上。 表2 市区道路主要塌陷特征 t a b l e2m a i nc o l l a p s ec h a r a c t e r so f r o a di nt a n g s h a nc i t y 其中1 9 9 1 年一1 9 9 8 年岩溶塌陷记录有：1 9 9 1 年l 处；1 9 9 4 年l 处；1 9 9 8 年2 处；时间不祥：2 处洲。截止到目前为止共发生塌陷1 2 0 多处。其主要分布在市区 的凤凰山西麓，即现在的1 7 号居民小区以及郊区的赵各庄中学、林西、黑鸦子、大 庄坨、信任屯、小屯、沙河等地。它的塌陷规模大小不一，大的塌陷坑直径达1 0 0 m 以上。其规模较大，造成危害的塌陷共约1 9 处。塌坑多为不规则的圆形，一般直径 5 m 1 0 m ，最大达3 0 m n 5 0 m ；一般深l m 一3 m ，最大5 m - 7 m 。 1 7 - 河北理工大学硕士学位论文 2 2 2 道路塌陷形成原因 道路塌陷形成的主要原因：一是道路建在岩溶塌陷区，由于道路的建立而导 致岩溶平衡被破坏而塌陷闭；如风凰山、大城山、贾山、弯道山一带的道路就处于 溶隙、溶孔、溶穴、溶洞发育区，道路塌陷就是由于地下岩溶的发育。二是唐山市 区基岩是以不同时期的碳酸岩为主，由于大量超开采岩溶水，使之内部产生潜蚀而 导致道路塌陷；如华岩路的塌陷。三是经济的飞速发展，车流量的快速增加，载重 车辆的增多，震动使上部的盖层承受不住而塌陷；四是地