1、武汉市工程地质及水文地质条件武汉市工程地质及水文地质条件概况概况中国地质大学（武汉）工程学院中国地质大学（武汉）工程学院 教教 授授 中国地质大学（武汉）高科集团中国地质大学（武汉）高科集团 总经理总经理武汉丰达地质工程有限公司武汉丰达地质工程有限公司 董事长董事长 冯晓腊冯晓腊 博士博士自然地理地质条件概况自然地理地质条件概况一、自然地理地质条件概况一、自然地理地质条件概况 1、气象水文、气象水文 属于亚热带东南季风气候区，主要气候特点是夏季炎热、冬季寒冷、降水充沛；年平均气温15.9，极端最高气温41.3，极端最低气温-18.1；多年平均降水量1261.2mm，降水多集中在6月8月，占全年
2、的41；最大年降水量2107.1mm，最大日降水量332.6mm。长江最高洪水位为29.73m(吴淞高程系统)，最低枯水位8.87m，水位升降幅度20.86m。长江水与其两岸承压水有密切的水力联系，互补关系明显。市区分布有众多大小不一的湖泊，其水域总面积达191.12平方公里。2、地形地貌、地形地貌 地处江汉平原东部，地势为东高西低，南高北低，中间被长江、汉江呈Y字形切割成三块，谓之“武汉三镇武汉三镇”。城区南部分布有近东西走向的条带状丘陵，四周分布有比较密集的树枝状冲沟，武汉素有“水乡泽国”之称，境内大小近百个湖泊星罗棋布，形成了水系发育、山水交融的复杂地形。最高点高程约150m，最低陆地高
3、程约18m。汉水在武汉市区汇人长江，具有明显的丘陵平原地形特点，按地面高程、切割深度和地形形态将地形划分为平坦状平原平坦状平原、高高岗垅岗波状平原岗垅岗波状平原和丘陵丘陵三种基本类型，相应的地貌可划分为三种成因类型和六个形态成因亚类型如下2：自然地理地质条件概况自然地理地质条件概况 构造剥蚀丘陵构造剥蚀丘陵：主要分布于武昌及汉阳部分地区。岩性主要由志留系砂页岩、泥盆系石英砂岩、二叠系硅质岩等组成。高程多大于100m，相对高差4060m。1剥蚀堆积高岗状平原剥蚀堆积高岗状平原：主要分布于施岗、阳逻一带。由第四系下更新统砂、砂砾石等组成，呈半固结状，基底由白垩下第三系泥质粉砂岩等组成，局部见有零星
4、露头。高程65m左右，相对高差2030 m，呈近南北向的冲沟发育。2剥蚀堆积垅岗状平原剥蚀堆积垅岗状平原：主要分布于长江、汉水以南的汉阳、武昌及滠口、阳逻一带。由第四系中更新统粘土、粉质粘土、粘土夹砾(卵)石组成。高程3545m，相对高差515m，树枝状坳沟发育较好，在低洼部位形成较多的湖泊。自然地理地质条件概况自然地理地质条件概况 l侵蚀堆积波状平原侵蚀堆积波状平原：主要分布于张公堤附近及以北东西湖与：主要分布于张公堤附近及以北东西湖与武湖一带。由第四系上更新统粘土、粉质粘土及砂、砂砾石等武湖一带。由第四系上更新统粘土、粉质粘土及砂、砂砾石等组成，具二元结构。地面高程组成，具二元结构。地面高
5、程2026 m，相对高差小于，相对高差小于10m。属长江二级阶地。属长江二级阶地。2河流堆积平原河流堆积平原：沿长江、汉水及其支流两岸呈条带状或弯月：沿长江、汉水及其支流两岸呈条带状或弯月状不对称地分布，组成一级阶地。由第四系冲积粘性土、粉土、状不对称地分布，组成一级阶地。由第四系冲积粘性土、粉土、砂及砾卵石层组成，二元结构明显。阶面高程砂及砾卵石层组成，二元结构明显。阶面高程1922m，高出长，高出长江正常水位江正常水位25m，阶地上常发育湖、塘及沼泽地。，阶地上常发育湖、塘及沼泽地。3湖泊堆积平原湖泊堆积平原：发育较为广泛，以汉阳、滠口、武湖一带较：发育较为广泛，以汉阳、滠口、武湖一带较为
6、多见。由第四系粉质粘土、淤泥质粉质粘土等组成。地面高为多见。由第四系粉质粘土、淤泥质粉质粘土等组成。地面高程程1820m，高出湖水面，高出湖水面13m。武汉地貌分区武汉地貌分区详见图1。自然地理地质条件概况自然地理地质条件概况图1 武汉市地貌略图自然地理地质条件概况自然地理地质条件概况工程地质性质工程地质性质二、工程地质性质二、工程地质性质 2 1、第四系地层工程地质特征、第四系地层工程地质特征 武汉地区80以上地表覆盖着第四系沉积层，绝大多数的工业与民用建筑坐落于其上。因此，武汉地区的工程地质特征主要表现在第四系地层工程地质特征。武汉地区第四系地层有全新统走马岭组全新统走马岭组，上更新统凤凰
7、山组与青上更新统凤凰山组与青山组山组，中更新统王家湾组中更新统王家湾组和下更新统半边山组下更新统半边山组。这些地层由于其年代不同，成因有别，分布范围不同，所处的地貌单元及所具有的工程地质特征也各不相同。现将其地层结构与工程地质特征分述如下：工程地质性质工程地质性质 （1）一级阶地全新统地层结构与工程地质特征 一级阶地汉口分布较广，武昌其次，汉阳较少一级阶地汉口分布较广，武昌其次，汉阳较少。汉口地区一级阶地分布在张公堤以南地区张公堤以南地区，沿长江向东北延伸至沿长江向东北延伸至滠口滠口，向西至舵落口以西地区向西至舵落口以西地区；武昌地区一级阶地以蛇山为界以蛇山为界，北面分布于汉阳门沙湖青山北面分
8、布于汉阳门沙湖青山镇小洲一线西北侧地区镇小洲一线西北侧地区，蛇山以南分布于大桥紫阳湖张黄村一线蛇山以南分布于大桥紫阳湖张黄村一线以南地区以南地区；汉阳地区一级阶地分布于龟山公公咀四新一分场以南地区龟山公公咀四新一分场以南地区和沿汉江水边窄条形分布沿汉江水边窄条形分布。级阶地地层主要由第四系全新统河流相第四系全新统河流相及部分河湖相冲洪积及部分河湖相冲洪积及冲湖积物冲湖积物构成。上部为粘性土粘性土、淤泥质土淤泥质土，下部为交互层交互层、砂及砂砾砂及砂砾（卵）石层（卵）石层，具典型的二元结构；深度50m左右为基岩基岩；地表层一般分布有填土填土或耕土耕土。级阶地地层组成条件级阶地地层组成条件详见表1
9、所示。表1 武汉市级阶地堆积平原地区的地层构成条件及评价表 工程地质性质工程地质性质工程地质性质工程地质性质 （2）二级阶地上更新统地层结构与工程地质特征 二级阶地由上更新统地层青山组上更新统地层青山组和凤凰山组凤凰山组构成；青山组地层以风积成因为主，分布于武昌沙湖港沙湖青山东湖武昌沙湖港沙湖青山东湖港一线港一线；凤凰山组地层属典型的河流相沉积，分布于汉口张公堤以北的东西汉口张公堤以北的东西湖地区湖地区。现以常青花园地层（代表凤凰山组）常青花园地层（代表凤凰山组）和徐东路小区地层（代表青山徐东路小区地层（代表青山组）组）为例分别将两组地层结构及其特征列于表2和表3，由下二表可知，凤凰山组地层工
10、程地质条件比青山组地层好凤凰山组地层工程地质条件比青山组地层好。表2 常青花园3#地块高层写字楼地层结构特征及评价工程地质性质工程地质性质表3 徐东路小区高层住宅地层结构特征及评价工程地质性质工程地质性质工程地质性质工程地质性质 （3）中、下更新统地层及工程地质特征 下更新统地层半边山组仅分布于施岗施岗、阳逻阳逻等地，面积较小，为冲积沉积，棕红色砂砾石层；中夹黄色粘土、粉细砂层，半固结状，强度较高，可作为多层和一般高层建筑的天然地基持力层，一般形成高岗地貌。中更新统王家湾组地层分布于长江、汉水以南武昌与汉阳的大部地长江、汉水以南武昌与汉阳的大部地区区，和府河以北的滠口、后湖地区府河以北的滠口、
11、后湖地区；武昌地区分布于蛇山两侧向东至关蛇山两侧向东至关山以东一线两侧大部分地区山以东一线两侧大部分地区，和武重、梨园至武钢及东湖武重、梨园至武钢及东湖，严东湖，严严东湖，严西湖等周边地区西湖等周边地区；汉阳地区分布于龟山王家湾米粮山快活岭郭龟山王家湾米粮山快活岭郭徐岭沌口镇地区及墨水湖徐岭沌口镇地区及墨水湖、太子湖等周边地区太子湖等周边地区，构成长江三级阶地。其上部分为黄褐色粘土，含大量铁锰质结核，中部为褐红色网纹状粘土，为冲洪积，呈硬塑坚硬状态，地基承载力较高。下部为粘土含角砾，局部为红泥砾或砾卵石层，为冲积和残坡积，地基承载力亦较高。现以沌口经济开发区神龙汽车有限公司武汉总装配厂地层沌口
12、经济开发区神龙汽车有限公司武汉总装配厂地层为例列于表4。表4 神龙汽车有限公司武汉总装配厂地层结构与评价 工程地质性质工程地质性质工程地质性质工程地质性质 （4）垅岗地区(相当于级阶地)的地层构成及岩土体工程地质特征 位于垅岗地区的地层主要由中、上更新统的粘性土中、上更新统的粘性土(老粘土老粘土)组成，下部局部地段为粘土夹碎石层粘土夹碎石层(坡残积层坡残积层)。一般呈硬塑坚硬状态(部分为可塑状态)，强度较高而变形较小，厚度为数米至二十余米，基岩岩性在武昌、汉阳地区为古生界至中生界古生界至中生界砂岩砂岩、页岩页岩、灰岩灰岩等，在汉口东西湖地区为白垩第三系泥质粉砂岩白垩第三系泥质粉砂岩。在武昌地区
13、的长江古河道长江古河道(分布于紫阳路付家坡水果湖武重一紫阳路付家坡水果湖武重一线线)范围内，第四系土层厚度增大，最厚可达100m以上。地表常存在一定厚度、分布不均的人工填土层(包括杂填土与素填土)，在老城区填土厚度更大。此外，在垅岗间的坳沟中存在有软塑可塑的粘性土层或新近沉积的软土层。工程地质性质工程地质性质 虽然垅岗区土质条件较好，但对基坑工程而言，应特别注意以下三以下三点点：老粘性土是一种超固结土，在天然埋藏条件下承受着很高的前期固结压力。一旦开挖暴露，极易产生卸荷裂隙或干缩裂隙。若保护不当，使水分浸入，土体强度将迅速下降，发生崩塌、边坡失稳或增加对支护结构的压力。此外，塑性指数高的老粘性
14、土还可能具有一定的膨胀性，失水干缩，遇水膨胀，对支护结构会产生一定的膨胀压力。志留系页岩是一种薄层状的泥质岩石，在地质历史上经受过强烈的挤压褶皱作用，节理裂隙发育，开挖暴露后极易风化、软化，导致各种边坡病害。在近东西走向的条带状碳酸盐分布区，由于隐伏岩溶的发育，导致出现地面塌陷，给工程建设带来危害。工程地质性质工程地质性质 2 2、基岩工程地质特征、基岩工程地质特征 武汉地区基岩露头仅零星分布，且都为沉积岩沉积岩，按其工程地质特征分为可溶性碳酸盐岩可溶性碳酸盐岩类和碎屑岩类碎屑岩类，现将其特征简述如下：（1）可溶性碳酸盐岩工程地质岩类 依据岩石强度岩石强度、结构结构、岩溶发育程度岩溶发育程度划
15、分为两个岩组。坚硬中厚层状岩溶较发育碳酸盐岩岩组坚硬中厚层状岩溶较发育碳酸盐岩岩组：为黄龙和栖霞灰岩，除栖霞灰岩底部所夹炭质岩及煤线强度较低外，其余均较致密、坚硬，强度也较高，且具各向异性，地下岩溶较发育，武汉市所发生的多起岩溶地面塌陷均与该岩组岩溶发育有关。坚硬半坚硬中厚层状岩溶弱发育碳酸盐岩岩组坚硬半坚硬中厚层状岩溶弱发育碳酸盐岩岩组：为三叠系大冶组灰岩，岩石属坚硬半坚硬，强度较高，但由于其间存在薄层泥页岩，使岩体强度降低，同时泥页岩遇水及受压后易发生沿层面滑动和破坏，受岩性制约，仅发育溶蚀裂隙和溶孔，赋存裂隙水。（2）碎屑岩工程地质岩类 依据其物质成分物质成分，胶结物性状胶结物性状及强度
16、强度进一步划分为五个工程地质岩组。坚硬中厚层状含砾石英砂岩、砂砾岩岩组坚硬中厚层状含砾石英砂岩、砂砾岩岩组：为泥盆系五通石英砂岩、砂砾岩，坚硬，强度高，抗风化能力强，岩体中北北东和北北工程地质性质工程地质性质 西裂隙发育，致使岩体破碎，强度降低，同时顶部所夹粘土岩遇水后易软化形成软弱面。坚硬厚层状硅质岩层间夹粘土岩岩组坚硬厚层状硅质岩层间夹粘土岩岩组：为二叠系地层，硅质岩坚硬，强度高，抗风化能力强，裂隙发育，其间粘土岩遇水膨胀，软化，易形成软弱面。坚硬半坚硬中厚层状碎屑岩夹碳酸盐岩岩组坚硬半坚硬中厚层状碎屑岩夹碳酸盐岩岩组：为石炭系地层，岩石强度中等，属坚硬半坚硬类岩石，受岩性制约，岩石透水性
17、差。半坚硬中厚层状砾岩、砂砾岩、粉砂岩岩组半坚硬中厚层状砾岩、砂砾岩、粉砂岩岩组：为白垩下第三系地层，由于岩石组成物质各异，粒度大小悬殊及胶结物不同，因此力学性质差异甚大，一般砂砾岩为钙质胶结强度高；泥质粉砂岩、泥岩强度低，易软化，抗风化能力差，在施工和设计中应警惕。半坚硬薄页状相间碎屑岩岩组半坚硬薄页状相间碎屑岩岩组：为志留系坟头组岩层，为泥岩、页岩、粉砂岩，强度不均一，砂岩高，泥页岩低，岩层裂隙发育，抗风化能力差，泥岩遇水易软化，形成软弱面，人工开挖易产生顺层滑动。水文地质条件水文地质条件三、水文地质条件 武汉地区位于长江与汉江的交汇处，湖塘十分发育。在长江与汉江的两岸，大都有宽度几十米到
18、数千米的级阶地，其地质构成是一套第四系全新统河流相冲积层（第四系全新统河流相冲积层（Q4al），厚度为3555m，具二元结构具二元结构。在大部分地区，上部厚度为6.513m的杂填土、淤泥质土、粘土等组成的覆盖层，其渗透性很小，赋存着上层滞水或潜水。在覆盖层以下至基岩的砂层中，赋存承压水。武汉地区的地下水类型按其赋存条件，在在、级阶地主要为上级阶地主要为上层滞水与孔隙承压水，局部地区有潜水，在垅岗地区为层间水或潜水层滞水与孔隙承压水，局部地区有潜水，在垅岗地区为层间水或潜水及岩溶裂隙水。在及岩溶裂隙水。在、级阶地的范围内，以上更新统下蜀系级阶地的范围内，以上更新统下蜀系（Qal+pl）粘土层为主
19、，在原冲沟或湖塘处，一般分布有厚度）粘土层为主，在原冲沟或湖塘处，一般分布有厚度35m的全新统的填土层、淤泥质土或粘性土，其内赋存上层滞水或潜水，的全新统的填土层、淤泥质土或粘性土，其内赋存上层滞水或潜水，在古河道地段，下蜀系粘土之下，埋深约在古河道地段，下蜀系粘土之下，埋深约1225m，埋藏有厚度约，埋藏有厚度约540m的密实状砂层及含泥卵砾石层，其内赋存承压水的密实状砂层及含泥卵砾石层，其内赋存承压水。水文地质条件水文地质条件 1、上层滞水与潜水分布与赋存特征、上层滞水与潜水分布与赋存特征2 主要分布在老城区老城区，范围较小的杂填土层范围较小的杂填土层中。潜水主要分布在级阶地盖层内的粉土级
20、阶地盖层内的粉土、淤泥质土层中淤泥质土层中或厚度较大且厚度较大且有固定补给源的杂填土层有固定补给源的杂填土层中；在、级阶地潜水赋存在原冲沟或湖塘处的全新统淤泥质土层原冲沟或湖塘处的全新统淤泥质土层中、下蜀系老粘土层下蜀系老粘土层中，潜水呈管状流管状流分布。上层滞水赋存与杂填土层的成分杂填土层的成分、结构结构、厚度厚度和补给源补给源有关。杂填土中砖瓦较多时，透水性较好，但由于成分、颗粒大小随意性较大，且密实程度不够一致，因此，上层滞水具有水位差别大水位差别大、含含水层厚度变化大水层厚度变化大、渗透性差异大渗透性差异大的特点。从工程实践可观察到，上层滞水水量大小、出露位置一般均和城市污水管渠和供水
21、管的泄漏有关。因此，对深基坑工程而言，在勘察时，不仅要查明杂填土的特征杂填土的特征，还应查明其含水特性含水特性、上层滞水的水上层滞水的水位位、补给源补给源和排泄条件排泄条件。水文地质条件水文地质条件 在下蜀系粘土层之上的杂填土层中的上层滞水，当其补给充足时，粘土中的微裂隙往往成为上层滞水渗流的不规则通道，有时会构成深基坑地下水水患的隐患。潜水赋存与运动特征，可以分为以下三种类型。（1）全新统（全新统（Q4al-l）的淤泥土中赋存的潜水）的淤泥土中赋存的潜水：土体基本上呈饱和状态，土体的抗剪强度低，由于土体的渗透系数大都小于1.010-8cm/s，且水力坡度很小，故天然状态下，潜水的渗透速度极小
22、，基本上处于停滞状态。（2）杂填土层中赋存的潜水杂填土层中赋存的潜水：譬如在汉阳汉水一桥北侧，原为汉阳炼铁厂钢渣堆填区，填土厚度达38m，该杂填土区西临月湖，该湖常年水位高于填土层顶板，故填土层中的潜水有充足补给源，加之渗透性良好，渗透系数为3200m/昼夜，在正常情况下，随湖水水位的涨落而变化。（3）粉土层中赋存的潜水粉土层中赋存的潜水：在汉口沿江大道一带，杂填土下有24m以上的粉土层，其中潜水丰富且在长江高水位时有侧方补给，水位涨落与江水相呼应。水文地质条件水文地质条件 2、承压水赋存与运动特征、承压水赋存与运动特征2 武汉地区承压水有以下两种类型。（1）上更新统孔隙承压含水层主要分布汉口
23、城区以北二级阶地汉口城区以北二级阶地，含水层厚度不均，一般为6m30m，含水层为黄色、灰绿色、含泥粉细砂、中粗砂及砾石层，含水层顶板为老粘性土，底板为基岩，含水层顶板埋深17m34m，底板埋深为45m左右，主要接受地下水侧向径流补给。（2）全新统砂层中承压水，分布在长江汉江长江汉江、级阶地级阶地，汉汉口、武昌、汉阳三镇均有分布口、武昌、汉阳三镇均有分布，以汉口城区为主以汉口城区为主。其地层为典型的二典型的二元结构元结构，含水地层的渗透性能基本上随深度呈单调增长，承压水水位较高，承压水测压水位标高一般为18.5m20.0m，年变幅为3m4m，并与长江汉江江水有密切水力联系，呈压力传导互补关系。承
24、压水含水层的总厚度约1445m，一般为30m左右，一般可分为三层。水文地质条件水文地质条件 顶层为粉质粘土与粉土、粉砂互层粉质粘土与粉土、粉砂互层；第二层为粉砂粉砂；底层以粉细以粉细砂和细砂为主砂和细砂为主，底部有时有中砂中砂、砾石层砾石层。顶层顶层俗称过渡层过渡层，岩性为粉质粘土与粉土粉质粘土与粉土、粉砂互层粉砂互层，厚度大都为37m，但有的厚度仅1.0m或者缺失，有的厚度达16m。互层单层厚度大都几十厘米，也有超过1.0m，本层具有以下几个特点特点：a.互层一般以可塑状粉质粘土层为主，约占总厚度的55%80%，粉土层居次，约占15%30%，还有少量粉砂层，压缩模量3.54.5Mpa。b.粉
25、土层的渗透系数一般为0.21.0m/昼夜，粉砂层的渗透系数一般为0.53.0m/昼夜，有的可达4.0m/昼夜。c.互层中的承压水与第二层和底层承压水有水力联系，在抽取下层地下水时，其下层水位降与互层的水位降，将产生“滞后”和“位差”的特征，其“滞后”时间值和“位差”水位值大小，取决于两层间地下水的联系程度和互层的渗透厚度及性能。d.互层中承压水的实际水位降值、厚度以及压缩模量值的大小，将和深基坑降水效果与周边环境影响程度直接相关。水文地质条件水文地质条件 第二层粉砂第二层粉砂，其厚度1320m，稍密中密状，其渗透系数为712m/昼夜，以粉砂层为主，也夹有细砂、粉土层，底部常见一层厚度为13m的
26、粉质粘土层。底层底层以细砂层细砂层为主，中密密实状，厚度820m，其渗透系数为1235m/昼夜，常夹有粉砂层，底部为中细砂、中粗砂、砾卵石层，有时也见有薄层粉质粘土层，渗透性能从浅往深，有明显增加的特征。武汉地区全新统孔隙承压含水岩组顶板埋深等值线图全新统孔隙承压含水岩组顶板埋深等值线图及丰水期测丰水期测压水位标高等值线图压水位标高等值线图详见图2、图3。图2 武汉地区全新统孔隙承压含水层顶板埋深等值线图水文地质条件水文地质条件图3 武汉地区全新统孔隙承压水丰水期测压水位标高等值线图 水文地质条件水文地质条件水文地质条件水文地质条件 对于基坑工程，应注意该含水层以下两个特点两个特点：（1）孔隙
27、承压水的富水性随含水层颗粒组成的增大而增大，其渗透性也随着增大，渗透系数从10-5 cm/sec增大到10-1cm/sec；（2）要重视对作为承压含水层“过渡带”的粉土层(或粉砂与粉质粘土交互层)的认识与处理，该层土水平渗透性大于垂直渗透性,水平渗透系数为10-2cm/sec10-3cm/sec，垂直渗透系数为10-5cm/sec，当基坑底板挖至该土层时，孔隙承压水在水压作用下，将直接进入基坑。由于粉土、粉砂层易形成管涌、流土，必须采取有效的处理措施。水文地质条件水文地质条件 3、垅岗地区层间水或潜水及岩溶裂隙水、垅岗地区层间水或潜水及岩溶裂隙水1 位于垅岗地区的坳沟中的粉土及与基岩接触的坡残
28、积层中存在有层间水层间水或潜水潜水。其中坳沟粉土含水层坳沟粉土含水层呈封闭型，含水与透水性均较差，水量不大，接受地表水体的补给。但开挖揭露该层时，应进行防水处理，防止流土。坡残积层中的地下水坡残积层中的地下水水量大小与坡残积层中的粘性土含量粘性土含量和碎石碎石含量含量、结构密实程度结构密实程度和孔隙大小孔隙大小、以及补给来源补给来源的大小有关，如坡残积层中碎石含量高，孔隙大，且位于基岩裂隙水排泄区时，层间水的水量较大，对基坑工程的影响亦较大。岩溶裂隙水岩溶裂隙水主要分布在武昌和汉阳一带的大桥向斜武昌和汉阳一带的大桥向斜、鲁巷向斜鲁巷向斜和狮子山向斜狮子山向斜的核部核部，含水层为石炭一二叠系石炭一二叠系和三叠系灰岩三叠系灰岩，通过两侧裸露基岩接受大气降水渗透补给，水位埋深6m20m。4、降水设计水文地质参数的选取、降水设计水文地质参数的选取1 降水设计的水文地质参数水文地质参数可根据专门水文地质试验结果参照表5选取。表5 降水设计参数经验值水文地质条件水文地质条件THE END
