工程環(huán)境的巖土勘察與地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)方法

朱 剛

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局七總隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550000）

滑坡、崩塌以及泥石流是威脅礦區(qū)公路和礦區(qū)安全運(yùn)營(yíng)的重要因素。隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源快速發(fā)展。礦區(qū)開(kāi)挖爆破以及其他大型人類(lèi)工程活動(dòng)可能會(huì)加速不良地質(zhì)災(zāi)害的形成和發(fā)生，因此，開(kāi)展礦區(qū)巖土工程勘察與地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估是非常必要的。

本文依托某礦區(qū)公路沿線開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害的層次分析研究，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行分級(jí)。研究可為相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與預(yù)警提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地理位置

研究區(qū)地勢(shì)總體呈現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn)。研究區(qū)為典型中低山剝蝕地貌（圖1），地表沖溝，陡坎非常發(fā)育，地形地貌復(fù)雜[1-3]。中南邊緣溝谷底部為最低點(diǎn)，海波1163m；勘探區(qū)西北部山梁為地形最高點(diǎn)，海波1545m。最大海拔高差為380m，一般相對(duì)高差介于190m～280m。

圖1 研究區(qū)地形地貌

1.2 氣象水文

研究區(qū)主要發(fā)育溝谷季節(jié)性河流，受地形地貌的控制，排水條件較好，雨季降水能夠順勢(shì)排泄區(qū)外（圖2）。該地區(qū)多年平均氣溫約14℃，7月溫度最高，最高值為30℃左右，無(wú)霜期在190天左右。每年一月、二月為氣溫最低的月份，最低值可達(dá)-15℃左右。年均蒸發(fā)量為1718mm，年平均降水量為456mm，7-9月為該地區(qū)雨季，降水量約占全年的65%。

圖2 溝谷季節(jié)性流水

1.3 地層巖性

根據(jù)區(qū)內(nèi)收集的地質(zhì)資料綜述如下：

1.3.1 奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）

上部由灰色、青灰、灰黑中厚、厚層泥晶灰?guī)r組成?；?guī)r質(zhì)純，巖性比較穩(wěn)定，但是局部地段的下部夾有泥質(zhì)灰?guī)r層、白云質(zhì)灰?guī)r，厚70m。下部主要由灰色中厚層灰?guī)r和淺灰色泥灰?guī)r組成，局部夾有石膏層，角礫狀構(gòu)造比較發(fā)育。

1.3.2 石炭系（C）

該巖層與上覆地層呈整合接觸。由下至上分別為：

（1）中統(tǒng)本溪組（C2b）：由厚度21m的鋁土巖、泥巖夾灰?guī)r組成。與下伏奧陶系中統(tǒng)呈平行不整合接觸。

（2）上統(tǒng)太原組（C3t）：巖性組合主要為碎屑巖、碳酸鹽巖交錯(cuò)出現(xiàn)，呈互層狀。地層厚度80.30m～111.60m，平均92.10m，與下伏本溪組呈整合接觸。

1.3.3 二疊系（P）

（1）下統(tǒng)下石盒子組（P1x）：巖性組合為碎屑巖及泥質(zhì)巖，最小厚度94.71m，最大厚度118.74m，平均厚度106.70m，與下伏山西組整合接觸。

（2）上統(tǒng)上石盒子組（P2s）：主要由厚度349.45m～400.44m，平均厚度為370.84m的綠色砂巖與紫紅色泥巖組成。

1.3.4 第四系（Q）

厚度介于0～30m，主要分布于研究區(qū)山梁、山坡和溝谷中。主要成分為灰黃色粘土和亞粘土，土層中多含有鈣質(zhì)結(jié)核。

1.4 構(gòu)造活動(dòng)

研究區(qū)所在位置為紫荊山斷裂帶，該斷裂帶東南側(cè)抬升隆起，軸部呈北東—南西展布，兩翼地層產(chǎn)狀平緩，傾角4° ～9°。

1.5 地震活動(dòng)

研究區(qū)地震地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，淺層出露巖性為相間帶狀分布的砂質(zhì)粘土、粘土沙礫石層及松散洪積物等，中北部黃土覆蓋層在3m～12m之間，并混有厚度不均勻的鈣質(zhì)結(jié)核。

2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型

層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等是目前主流地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估方法。本文研究中，由于影響地質(zhì)災(zāi)害的因素較多，因此需綜合考慮多因素間的耦合作用[4]。本文選取的層次分析評(píng)價(jià)方法，可以使評(píng)價(jià)不受主觀性影響。該方法技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 評(píng)價(jià)技術(shù)路線圖

2.1 評(píng)價(jià)因子選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與專(zhuān)家意見(jiàn)，本文共選取6個(gè)因素作為模型的評(píng)價(jià)因子，分別為：構(gòu)造活動(dòng)、水文地質(zhì)、地形坡度、降水量、地層巖性和地震。

2.1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

地形地貌及基礎(chǔ)地質(zhì)條件是地質(zhì)環(huán)境條件的主要兩個(gè)方面。當(dāng)前相關(guān)研究表明，地形地貌中斜坡坡度是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最重要的因素[5]。綜上本研究中的地質(zhì)條件選取的次級(jí)因素有三個(gè)，分別是：地層巖性、水文地質(zhì)、坡體結(jié)構(gòu)。

2.1.2 誘發(fā)因素

地災(zāi)誘發(fā)因素可以劣化巖土體物理力學(xué)性質(zhì)，從而導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。本文選取的影響地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素有：地震、降水量。

2.2 模型建立

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，創(chuàng)建分層遞階模型。模型中分為4個(gè)層次：目標(biāo)層、約束層、指標(biāo)層和對(duì)象層。其中，目標(biāo)層是模型的最高層；約束層為研究區(qū)地形地貌的專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括斷裂、坡度降水量等因子；指標(biāo)層為通過(guò)對(duì)各影響要素指標(biāo)劃分評(píng)價(jià)，并參考專(zhuān)家意見(jiàn)和調(diào)查情況；對(duì)象層為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)的最終結(jié)果。最終，本文將研究區(qū)內(nèi)的地災(zāi)劃分為3個(gè)等級(jí)，為：低度、中度以及高度危險(xiǎn)區(qū)。

2.3 權(quán)重確定

2.3.1 判斷矩陣構(gòu)造

使用1-9標(biāo)度對(duì)本文的重要性判斷結(jié)果進(jìn)行量化，最終得到矩陣判斷含義見(jiàn)表1所示?；谀壳霸u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)方式較為單一，沒(méi)有全面的考慮到不同指標(biāo)及其之間的相互作用[6]。為了使評(píng)價(jià)結(jié)果更精確和直觀，本文的評(píng)價(jià)依據(jù)采用不同指標(biāo)、各評(píng)價(jià)因子災(zāi)害點(diǎn)空間分布情況，利用災(zāi)害點(diǎn)的分布密度之比，量化各評(píng)價(jià)因子的相對(duì)影響程。

表1 矩陣判斷含義

表2匯總得到了各評(píng)價(jià)因子地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。評(píng)價(jià)因子有6個(gè)，分別為：地表水系、斷裂、斜坡坡度、地震、地層巖性和降水量。根據(jù)M3/M1的結(jié)果，對(duì)矩陣中各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行取值，具體見(jiàn)表3。

表2 各評(píng)價(jià)因子地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

表3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度預(yù)測(cè)判斷矩陣取值

2.3.2 層次單排序及其一致性檢驗(yàn)[8-11]

在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害影響因素評(píng)價(jià)時(shí)，通常傳統(tǒng)手段為檢驗(yàn)判斷矩陣模型。判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)分為4步：

（1）獲取矩陣的最大特征值：

（2）確定一致性比率：

（3）獲取一致性指標(biāo)IR。

（4）獲取一致性比例Rc=Ic/IR。

模型要求矩陣一致性要滿(mǎn)足的條件是Rc＜0.1。根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果Rc=0.025＜0.1，滿(mǎn)足一致性要求。

表5得到了各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重指標(biāo)IR的具體值。結(jié)果表明，斜坡坡度是影響地質(zhì)災(zāi)害最重要的因素，其權(quán)重因子數(shù)值為0.35；其次是地表水系，權(quán)重值為0.25；斷裂因素的權(quán)重為0.14；地層巖性權(quán)重值排名第4，權(quán)重值為0.12，與其他兩項(xiàng)相比顯著下降，這與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況相符[7-9]。此外，降水量和地震的權(quán)重值比較小，證明，該兩因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性影響比較小。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR的數(shù)值

表5 各評(píng)價(jià)因子權(quán)重分配表

2.4 評(píng)價(jià)因子權(quán)重量化

在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)分類(lèi)值和指標(biāo)權(quán)重值基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算得到最終權(quán)重值（表6）。根據(jù)表6結(jié)果，進(jìn)一步得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的危程度：

表6 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

其中，Di表示危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中權(quán)重分值，D表示地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度，Ai表示評(píng)價(jià)指標(biāo)分值。

2.5 計(jì)算過(guò)程

本文基于ArcGIS10進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過(guò)程為：首先根據(jù)空間信息的權(quán)重進(jìn)行區(qū)域劃分。在新的圖層中，在進(jìn)行疊加計(jì)算之前，要進(jìn)行評(píng)價(jià)因子權(quán)重賦值的操作，再將重新分類(lèi)的6個(gè)文件進(jìn)行求和操作，最終就可以得到各個(gè)獨(dú)立的危險(xiǎn)性指數(shù)值。

2.6 結(jié)果與分析

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可采用標(biāo)準(zhǔn)差方法，并同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和專(zhuān)家評(píng)價(jià)法得到，具體如表7所示。

表7 研究區(qū)危險(xiǎn)度劃分級(jí)別

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的分布情況以及所占的比例，可根據(jù)GIS評(píng)價(jià)結(jié)果獲得，見(jiàn)表8所示。結(jié)果表明，研究區(qū)低危險(xiǎn)度公路里程共14km，占總距離的22%；中度危險(xiǎn)區(qū)里程合計(jì)35km，占總長(zhǎng)度的53%；高度危險(xiǎn)區(qū)公路里程共15km，占總距離的25%。綜合來(lái)看，本研究區(qū)沿線公路地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)以中度危險(xiǎn)為主，根據(jù)本文結(jié)果，實(shí)際工程中應(yīng)該對(duì)高度危險(xiǎn)區(qū)采取一定的防護(hù)措施，至于中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)以預(yù)防為主，做好提前預(yù)警工作。

表8 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分布

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用層次分析方法建立了某礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）建立層次分析數(shù)學(xué)模型需要對(duì)研究區(qū)的地形地貌、地層巖性以及水文地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行詳細(xì)分析。

（2）層次分析法可以用于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度劃分，本研究區(qū)沿線公路地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)以中度危險(xiǎn)為主，中度危險(xiǎn)路線長(zhǎng)度占比為53%。

（3）針對(duì)高度危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)及時(shí)采取一定的防護(hù)措施，對(duì)中度危險(xiǎn)區(qū)做好預(yù)防預(yù)警工作。