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地質調查新趨向:揭開城市底細

105/08/04 瀏覽次數 1888
台灣地狹人稠,地形上又具有山地多平原少的特性,隨著人口不斷增加,為了因應生活及就業需求,人口逐漸往都市集中,都會區不斷擴張,都市的各項建設及開發也隨之興起,舉凡交通、地下維生系統、高樓建築、汙水下水道等都對都市環境造成衝擊。人們生活於都市地區,為了使都市能永續發展,勢必得對腳下的土地有深入的了解。探討都市地質的目的就在於了解都市及其周遭地區地下地質的特性,預防可能面臨的工程地質議題和地質災害。

可能的地質災害

台灣的平原區僅占全部面積的30%,卻聚集了大量的人口。都會區主要集中在西部平原,地下堆積著厚度不等的疏鬆沉積物,包含礫石、砂或泥,可能會出現土壤液化、地層下陷,以及軟弱地層造成的工程地質災害。

土壤液化顧名思義是土壤的特性液體化,這現象需要由強烈的震動觸發,屬於地震災害之一。1964年日本新潟地震以及同年美國阿拉斯加的地震引發大規模土壤液化災害,都引起研究人員的重視。2011年日本311大地震引發的土壤液化是近年比較著名的例子。

台灣的地震史上也有數次土壤液化的記載,1999年的921集集大地震是台灣文獻紀錄上規模最大的土壤液化事件,範圍涵蓋台中縣、南投縣、彰化縣、雲林縣及嘉義縣,造成房屋傾斜、地表沉陷或開裂,農田被噴砂所覆蓋、河流渠道淤塞、橋梁陷落錯位,路基開裂側移,地下管溝破裂上浮,河道護岸設施傾毀,碼頭沿岸沉陷等重大影響。

地層下陷通常指在未固結沉積物或已固結的岩層,人為大量抽取地層中的流體(如地下水、石油、天然氣、地熱等)、地面載重大量增加、基礎開挖側向解壓或大規模採礦所造成的地表變形或沉降。

由於構成平原的主要地質材料是疏鬆的泥砂或礫質沉積物,顆粒間的孔隙較岩層中的大,地層中也常有含水層,蘊藏豐富的地下水資源。然而,近幾十年來由於工商業發達與養殖漁業高耗水,地面水供應不足,而以大量抽取地下水補足所需,導致地層下陷。

地層下陷在都市地區所產生的問題非常嚴重,地層的差異沉陷或變形會使建築物或維生管線損壞,大範圍的區域地層下陷則會提高洪患淹水的機率,輕則增加維修成本,重則影響民生安全,甚至使區域荒廢。而沿海地區的地層下陷危害,除了造成國土流失,增加海水倒灌、暴潮危機外,更可能出現土壤鹽化、海水入侵地層、水質惡化等問題。

世界各地都有地層下陷的現象,絕大多數都是因為過度開發地下水資源而產生的。許多大都市如墨西哥、上海、威尼斯、東京、大阪、曼谷、休斯頓等,過度依賴地下水資源,導致地層下陷的現象相當普遍。例如,墨西哥市在1938~1970年最大的累積下陷量曾達到9公尺、東京及大阪在1920~1970年間的累積地層下陷量達到3~4公尺。早期台北盆地也曾因抽水導致地層下陷,在翡翠水庫完成、法規限制抽水以後,幾乎已不再下陷,但西南部平原濱海地區,因仍超抽地下水,持續發生地層下陷。

軟弱地層由軟弱土壤組成,材料強度低,且易於壓縮變形。軟弱地層本身並非一種地質災害,而是對地質材料強度的描述。地層是否軟弱並不是絕對的,而是相對於建構在其上的結構物規模或荷重大小。軟弱地層在特定荷重作用下會造成剪力破壞、滑動破壞或沉陷等現象,若建築物或工程建設的基礎位於軟弱地層,則可能因此造成破壞或毀損。

城市地底面貌

都市所在的平原地區不像坡地常有岩層出露,要了解地下的狀況最直接的方式就是開挖。然而,在沒有實際的工程建設時,於寸土寸金的都市要開挖槽溝可說難如登天。於是鑽探取得地下地層的岩芯,就成了最可行也最直接的方式。其他比較間接的地球物理調查方法,則可做為剖面或3D架構的輔助資料。

藉由完整取樣的岩芯,可以觀察到沉積物的粒徑變化、沉積構造、岩段顏色、生物活動的痕跡、是否有特殊的礦物等。這些資訊有助於了解沉積物當時沉積的環境條件,如陸域或海域、冷暖或乾溼,以重建古沉積環境。

另一方面,為能了解沉積物的工程地質特性,並取得地質災害潛勢分析所需要的參數,有一些探井在鑽探時並不保留完整岩芯,而是在鑽探過程中進行標準貫入試驗,得到地層強度的參數如SPT-N值,並採樣進行物理性質的實驗。

我國的都市地質研究已發展了二十餘年,探井遍布全台各都會區,對於各個都會區的地質特性已有初步的了解,並可以分析各都會區可能面臨的地質災害及其風險較大的區域。因此各都會區在開發規劃時,便可先避開風險較大的地區,或先行規劃因應對策。

地質災害的發生與評估

地質災害容易發生的地點與其材料的組成和古沉積環境息息相關,但地質災害的發生不光只由沉積物的先天條件決定,還要有外在的影響。

以土壤液化為例,疏鬆的砂性土層包括現生河道、古河道、海岸或河岸的沖積砂土、新生地及河谷盆地等都可能形成這種環境,若這些沉積物的孔隙中充滿水時,就有較高的液化潛勢。

詳細的土壤液化潛勢評估,需依據土壤特性、含水層特性及可能觸發土壤液化的地震特性加以探討。其中,土壤特性包括顆粒大小、形狀、組成等。一般而言,淘選良好、顆粒分布較均勻的細砂或含粉土質的細砂最易液化。含水層特性則包括地下水位、土層排水與壓密情況等。原則上,地下水位面以下的土層才具有液化潛勢,而較深層的土層(20公尺以下)因覆土較厚,有效應力較大,不易產生土壤液化。外在觸發土壤液化的因子最常見的是地震,規模越大、延時越長的地震越容易造成土壤液化。

土壤在液化後已失去原有的承載力,而呈現如流體般的狀態,可能產生地表噴水冒砂、沉陷等現象。若地形上有高低差時,會使地層如流體般側向擴展,向較低處移動。上述情況都會造成其上或鄰近的結構物產生沉陷、傾斜、基礎承載力不足等現象,進而影響結構安全。

地層下陷主要是地質條件加上區域性人為干擾所造成,在台灣早期最常見的原因是由於養殖業發展,長期大量超抽地下水。當政府開始管制地下水的抽取後,地層的下陷量在各地都有逐漸減緩的趨勢。由於地層下陷多是人為抽水所致,對於地層下陷的評估較著重於歷年地表高程的變化,對於地質材料特性的研究則比較單純。

軟弱地層描述的也是沉積物的特性,為了避免工程建設施工造成的災害,對於軟弱地層的調查著重於軟弱地層的分布,包括分布面積、深度與各層次的厚度,以及軟弱地層的組成與工程性質。通常組成軟弱地層的材料以泥質沉積物為主,過去是曲流河灘、氾濫平原、泥質潮灘、潟湖、河口灣等沉積環境容易堆積厚層泥成為軟弱地層。

軟弱地層的評估方法有許多種,包括土層所在深度、強度、厚度等。由於大部分的工程基礎深度都小於30公尺,因此建築的技術規範僅評估深度30公尺以內的土層強度。若有大型工程或深基礎時,再進行較詳細的評估。

都市防災地質圖

為了反映地下地質特性及避免地質災害,都市防災地質資訊分別以「工程環境地質圖」及「地質災害潛勢圖」兩種圖資來呈現。都會區工程環境地質圖的繪製目的是做為工程規劃的參考,忠實反映地下地層的地質組成及工程特性。首先考量各地的地形及地表水文特徵,並綜合分析沉積物粒徑、顆粒組成、沉積環境後,進行各都會區的土層三維地層簡化分層及對比,以勾勒都會區沖積層地層的延展。

在分層架構確立後,把室內或現地試驗所得的土壤工程特性、土壤強度資料(SPT-N值)分布狀況、地下水位等因子納入,考慮側向及垂直向各土層強度差異及其排列層序,劃分為不同的地工分區。在工程環境地質圖的圖面上展現地表岩性及地工分區的結果,同時標註各區30公尺內土層的垂直分布狀況,包括土層厚度與岩性分布。

地質災害潛勢圖則是呈現各都會區地質災害潛勢評估的結果,包括前述的土壤液化潛勢、軟弱地層分布,並把水利署地層下陷觀測結果納入地質災害潛勢圖中。潛在的地質災害與組成的土壤材料和沉積環境息息相關,而這些資訊顯示在工程環境地質圖中,因此兩種圖資可互相參照搭配使用。

例如,土壤液化主要發生於地表下20公尺深度的土層中,且以砂質沉積物為主要的液化材料。由工程環境地質圖可清楚判讀各地工分區的砂土層厚度,初步研判土壤液化的可能範圍,再利用地質災害潛勢圖詳細了解該區域的土壤液化潛能,做為防災規劃的參考。

由於都市地下地質的調查是由點狀分布的鑽井取得資訊,井與井之間則是藉由地層比對來解釋,以模擬地下的土層分布情況,惟仍有一定的不確定因素。圖幅展示資料會因時空及分析條件的不同而有所差異,目前的都市防災地質圖圖幅比例尺是1/25,000,個別工程或開發仍應針對不同目的的工程規劃設計的應用,依相關法規選擇適當的比例尺及精度,從事進階的工程地質或環境地質調查,以符合工程設計所需的精度及工址地質調查需求。

不論在都會區或山坡地,不同地點有不同的潛在環境問題。都會區通常地狹人稠,想要找到一個完全沒有任何環境問題的土地幾乎不可能。先天條件雖難以改變,但在面對潛在的地質災害時,只要先對環境的地質特性有一定的了解,評估採用適宜的工程方法,多數可以有效預防災害的發生。因此,地質調查和研究也是各項工程建設過程中非常重要的一環,應加以重視。

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