[引子]随着城市的发展，素来在野外纵横驰辟的地质学在城市建设中也日益变得重要起来。本文勾勒了城市建设工作与地质学的关系。

一门地学新分支的产生

世界上的城市人口正在与日俱增。在1800年十万或十万以上居民的城市仅只五十个，但是现在，百万或百万以上居民的城市已达到一百多个。这反映了一个双重趋势——人口总数在上升和人口从农村稳定流入城市的情况几乎到处都在发生。结果是，城市规划工作构成了许多国家的一项必不可少的公用事业，要求去注意土地的最佳利用——要能够达到这种最佳利用，就需要对地面条件和地下条件的性质了如指掌。由于地球科学囊括了地球外壳的各个方面，所以由其得到的资料构成了城市实际规划工作的主体，这种地学资料也许可描述为城市地质学。

疏忽这种资料会带来有害的后果，而在许多场合下利用这种资料就能够防止隐患。例如，可以预知地面沉降，使它的影响减小到最低限度。地面沉降这种现象往往跟抽取石油和地下水有关。石油和地下水的抽出会减小地下储油层或蓄水层中的流体压力，使系统中的粒间压力增加，产生压实作用。这种压力由两个分力组成，即重力压力（由上覆负荷的重量引起）和动力渗漏压力（由在颗粒表面作垂向运动的孔隙流体的粘滞拖曳产生）。这两种力累积起来促使土壤或岩石沉积物的力学性质发生改变，空隙率减小。

石油方面，加利福尼亚威尔明顿和英格尔伍德油田的开采造成洛杉矶地区的较大幅度沉降。在威尔明顿油田，实际沉降区呈椭圆状，其轴成北西——南东向展布，跟该油田的长形构造穹窿轴线一致。1928至1971年间，最大垂地沉降量达9.3米，不过沉降率随开采率的变化而变化。英格尔伍德油田可能是世界上沉降幅度最大的油田。沉降区展布同前者相似，最大沉降见于鲍德温高地储油层以西仅6.8公里处，为2.9米。这个开采区在1963年12月14日被洪水所毁，有5人死亡，造成了需要耗资一千五百万美元才能修复的损害。据认为下沉作用是由鲍德温高地下面的沉积物引起，以致在地表，特别是在下沉凹陷边缘附近产生拉力。最终发生地震，使得地面沿储油层下的二条断层线开裂，因此，预防油层崩溃的种种昂贵的措施都变得无济于事。对洛杉矶地区油田沉降问题已采取了三个相应的措施，它们是改进海岸防护，维修保养油田构造及人工增加油田的流体压力。

地下水的抽取已造成得克萨斯休斯顿——加尔维斯顿地区严重下沉，下沉量已超过1.5米，1959到1964年间，每年的下沉率接近7.6厘米。这种情形在维尼斯同样存在，到大约5年前，当局禁止抽取地下水为止，那里的年沉降率约为1至2厘米。对受到多年沉降危害的许多建筑物的灌浆工作不得不受到影响。泰国曼谷报道了一则非常严重的消息，在那里供居民、商业以及工业使用的水井急剧增加，已导致这个首都一些地区下沉到了海平面之下，在雨季建筑物纷纷倒塌，洪水则泛滥成灾。人们已被迫建起临时性防水堤坝，如果不严格控制抽取地下水以减小该市东部已达到每年14厘米的沉降率，那么筑堤这项工程就得持续下去。

在城市设计中合理地利用了地质学的地方，人们已被成功地送到了像加拿大北极城市Inuvik那样的貌似很不适宜的环境中去居住。阿克拉维克城（是赫德森斯贝公司1912年在麦肯齐河三角洲上建筑起来的）的扩建已证明是行不通的，新的地点选择在48公里之外的另一个永久冻土地区。这样就达到了最初的规划要求，因为新的地点位于麦肯齐河附近的地面上，因此便于通航，却不会受到洪灾。这里的永久冻土达90米厚，进行城市建设必需使对地面条件的干扰达到最小。决定让天然的苔鲜层保持原样，以便保存它的隔热性质；同时为了使所有永久性建筑安全地建立在冻土上便打下了许多桩子。另外，还不许切割道路和开渠挖沟，以防止冻土软化；所有排水道都设置在砂砾充填物中，以防止表土流失。再有，所有交通线都建立在盖有自然植被的砂砾层之上。这项工作需要使用二万多根路桩，虽然给工地带去了一些钢筋混凝土路桩，但所用路桩大多数是由当地的杉云木做成，通过蒸汽消溶冻土把路桩打进地基，通常达到4.5米的深度。为了使地面免受新建筑物的影响，采取了一些额外措施，例如，在所有主要建筑物的底下都至少留有1米厚的空间。这一切的结果是相当成功的，事实上，当1961年6月麦肯齐河发生冰阻导致老城洪水泛滥时，就证明在Inuvik扩建阿达拉维克城是完全正确的。

城市规划中的地质学

显然，设计任何一个新的城镇或都市都应当考虑到它的环境，必须同所在位置的地形条件联系起来，而这些地形条件本身却是地下地质学的直接产物。

必须研究的地质特点多种多样，其中包括洪积平原，紧挨河床的开阔谷底。两者常被视为建设工作的理想地形。由于它们往往是市级政府的所在地，因此进一步作些讨论是合适的。

这些地区的表层是最新时期沉积的冲积物，虽然洪水并不 ~ 定年年发生，但在洪水期这些地区有财被淹没。为了确定这种洪水是否可能发生，以及一旦发生，可能性又有多大，就必须进行适当的调查研究。洪积平原的外形和宽度两者都受到河流坡度和区域地形的控制。

河流的年流量，全年中的流量变化以及所搬运的沉积物数量是影响洪积平原外形和宽度的附加因素。尽管洪积平原看起来适合于城市发展，但是洪水却是危及它们利用的隐患。

另一种危害起因于建筑在洪积平原上的建筑物的地基必需要有极为良好的密封度，这项要求原本是经济的。由于必须克服眼下这种高地下水位的影响，所以要达到这一点就要破费大量钱财。洪积平原的土壤沉积往往比较松散，因此地基层的情况变化无常，而且由于它们湿度高，致使它们的承压能力很低。高地下水位会招致种种不利的环境因素，例如高的湿度和地面薄雾，而这些对农业发展的需要倒挺适宜。

在历史上，中欧地区对洪积平原上建造城市讳莫如测。历史较长城市的古代部分往往建在较高处，有时建在正好居于潜在洪水水位之上的河流阶地上。也许可把布拉格城引以为证。在这里，上一世纪末叶的建筑全都位于伏尔塔瓦河的河岸上，并且还筑起高高的河堤保护建筑物，这工程的轻率性是足以证明的，因为许多房屋造得过分接近该河，以至妨碍了交通，同时为破坏最初的、美丽的河岸风光帮了忙。了解一些地质学就会反对在这里还有可能发生滑坡的悬崖峭壁附近大兴土木。事实上，滑坡已在布拉格发生，那里许多陡坡是由奥陶纪的板岩组成，它们的稳定性视板岩走向和滑距跟斜坡斜度的关系而变化，那里的街道平行板岩走向，故倾斜的向下坡是不稳定的，在这种地方搞建筑就可能破坏整个山丘的平衡。在布拉格的东北部，为筑路而进行的深掘以跟地层相同的方向切进山里，这实际上不仅使得保留下来的石壁发生破裂，而且还引起了严重的岩石滑动。因此，倘若想要获得满意的结果，必须在适当地调查了地质构造之后，对河流阶地和河岸进行仔细评价，尔后再开始建筑工作。

不但洪积平原、河岸以及河流阶地，而且许多其它类型的地质地形也必须先考察后建筑，必须进行恰当的技术探讨。基本要求之一是要有一些能用来进行野外研究的高质量地形图。各种各样的地貌图对建筑工作也大有裨益，它们包括：（1）地貌形态图。图上标出了各种地形以及相应的名字；（2）地貌成因图。图中用一定的图例术语描述各种地形的形成和发展；（3）地形测量图。图上提供了跟地形空间状态有关的资料，山坡的斜度，山坡的形态，地势起伏的幅度，河流阶地这种地貌特征的高度以及山谷分布密度等方面的细节均包括在内；（4）地貌年代图，在这种图中，各种地形根据它们形成年代进行划分，图上标明了它们之间的清晰界限。这种图是完全必要的，因为较早时候保留下来的地形特点跟新近的不一样，它们可能跟过去在不同气候条件下发生的作用相关联。

虽然必定有人会怀疑这些图件的价值，但是应该使得土地规划人员或者建筑勘测人员都备有这些图件。

土地分区图的用途或许更大些，它们划分出各种各样的地区，在这些地区内部，很可能存在一些地表类型及伴生土壤和植被的某些可以预言的组合。地表的地势起伏是区分陆地系统的基础，而对土壤，地质学以及侵蚀沉积作用的解释借助地形分析就能够轻而易举地获得。澳大利亚的联邦科学和工业研究组织（CSIRO）把土地分区图的测制发展成为一种快速勘察那些不适于测制地图地区或者完全空白地区的手段。目的是建立一个适合于农业需要的土地分类。这项技术后来被大不列颠国外联邦海外发展局土地资源处采用，推广到了尼日利亚、玥桑尼亚、博茨瓦纳等许多国家。它涉及到利用航空照片分析地势起伏，这种航空照片拼接起来可以看到各种具有独特性质以及主要跟地面或植被起伏性质有关的不同图像地区间的界线。

除了用单色底片之外，还能够使用假色照片，这不仅可以区别出陆地与水系，而且还能得到有关植被、土地使用及基岩裸露等方面的资料。另外，红外线扫描能够检测热差，这对于鉴别各种排水情况和不同湿度的土壤也许是有用的。

土壤学资料在城市地质学中极为重要，尤其是当把实验结果结合起来，以便建设一个按照地质工艺性质行得通的完整的形象时。利用土壤学资料的一个实例是，位于澳大利亚悉尼北面约9.6公里处—个开阔地区的Ku-Ring-Gai城。在这里，各种困难的出现是由于住宅建筑地基下的土壤层存在差异运动，从而引起住宅墙壁开裂。这些土层是三迭系页岩和砂岩风化作用和红土化作用的产物，风化作用的深度在这些地方延伸达9.1米。联邦实验建筑公司同联邦科学和工业研究组织下属的土壤物理学研究组采集了自浅层到2.1米深度处的土壤样品。作为所采取的修补措施的开端，把这里的土壤分成了四种类型。

世界上许多著名的建筑物都受到类似的地陷问题的影响，包括印度的泰吉 · 玛哈尔陵和意大利的比萨斜塔。

显而易见，地基设计是十分重要的，任何建筑地点的地基设计都应当考虑地质条件。这些地质条件不是千篇一律，它们可以以任何一种方式跟固体基岩发生联系：（1）固体基岩直接裸露于地表，以至只需使挖掘量达到最低限度，或者根本不需要挖掘，显然这对建筑者来说是最理想的情形，例如位于曼哈顿岛南端的纽约城；（2）虽然基岩位于地表以下，但它距地表很近，以至用桩子或沉箱等适当的装置就可使载荷转移到基岩上，如美国大湖附近的几个城市，包括芝加哥和底特律；（3）基岩很深，无法使载荷转移（这或是因为太深，或是因为要打到基岩代价太大），例如伦敦，加拿大大草原和美国大平原上的那些城市（在加拿大萨斯喀彻温的萨斯卡通，基岩位于地表之下1000米的深处）。对于建筑工程说来，基岩若在地表10米以下的深度便算是深了。

由于在使最终合同证书上的设计具体化之前，工程师必须考虑怎样去打好地基、因此使得地基设计更加复杂了，而建筑方法偶尔可能限制地基类型的实际选择（尤其是在有大量地下水存在的情况下）。建筑者是建筑方法的最终选定人，当然要取得设计工程师的同意。工程师对可能使用的建筑方法的预先考虑意味着必需考虑准确的地下资料。在正常情况下，这种资料的获取是通过研究地质记录，详细调查建筑地点以及往往要进行钻孔测试。

地下水倘若存在，那么这是十分重要的，这就必须注意地下水位的高度以及它的年变化量。另外，还应该测定地下水的性质，以便能够研究任何不合乎要求的特征（例如，硫酸盐的有无），避免将来的危害。如果加拿大西部的建筑工程做到了这一点，那么就会用上防硫酸盐水泥而避免掉对混凝土地基的许多危害了。

地质学，城市发展和咨询机构

大多数现代城市是在一般的咨询机构未意识到地质学的意义之下建立起来的，但是如今，几乎所有大的土木工程在设计中都涉及到了企图对地下情况了解的详细调查。

城市建设要利用当地的地质资料，特别是该地区的地质图以及可以找到的任何形式的工程地质图。从地表向下到尽可能深的部位的地质剖面图显示了建筑中要遇到的各种土层和岩层，当然应当弄清土层的湿度和地下水的情况。在许多情况下，地下水是近地表的，如果水位未曾受到限制，它就会随季节变化，而且往往对应于每年的气候变化，在选定的建筑场地要打一打检试钻孔，以提供必不可少的资料。这些资料也许还可通过获得地下公用设施的记录得到补充，这通常是易于做到的，因为在大多数拥有卫星城市的现代大都市中，都建立有很好的协调所有地下公用设施，把它们的准确性质和位置细节储存起来的管理系统。

例如在费城，地下公共事业的记录由“检查局”负责，这是一个在“城市工程规划委员会”领导下的工作机构，由“城市工程处”和“联邦建房局”的代表组成。这个工作机构每月召开两次会议，检查所有的分项计划和所有影响到街道和公路的提案。当计划得到通过时，所有公用事业还必须得到“市公路监督局”的许可方能安装地下工程a在半月一次的会议上，检查局把按一英寸比二十英尺比例尺绘制的规划图保存起来，这些图展示了所有地下公共设施的位置和大小，另外还包括人工洞穴。

在伦敦同样可以得到大量的资料。这部分原因是因为伦敦是地质科学研究所（前身是英国地质调查所）的所在地。资料包括一万多个标绘在四十二张比例尺为六英寸比一英里地图上的水井和钻孔记录，每幅图的大小为45×30厘米，按一比一万的比例尺所包括的总面积接近6300公顷。图上标出了每一个钻孔的位置，对于每一个钻孔，都标出了相对于军用（Ordnance）基准面的由伦敦粘土层和白垩组成的层面的位置，砂和砂砾这类上覆物质的深度以及所形成的地面。这种资料大大地加快了大伦敦地区的开凿工程。在图上，用蓝线近似地表示城市溪流和“古河”流径，这些河道往往因上面搞了建筑而被埋藏起来。为了避免危害地基，参考参考这种资料是极有好处的。

在苏黎世（实际上瑞士的所有城市均是如此），有一个中心资料机构储存有关地下情况的资料，事实上是苏黎世最先开始汇编这种资料。资料卡片索引的开创性工作是A. von Moos博士于三十年代末期做的。这种卡片把检试钻孔等资料编为条目，保存在瑞士联邦研究院下属的土木工程研究所中，这个研究所包括一个水力学研究所和一个地质实验室。比例尺为一比五千的城市图显示了上述记录中所涉及的位置。现在这个咨询机构把钻孔记录存放在Baugrud Daten办公室，此外还有专门部门搜集地质部告。

类似的组织在许多其它大城市，包括渥太华，布拉格，莫斯科及东京等都可见到。

[Science Progress，1982年春季刊]