基于GIS尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性研究

朱遠(yuǎn)樂(lè)，王 濤，孫 昱,4

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012； 3.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；4.湖北省天門市水利局，湖北 天門市 431700)

0 引 言

尾礦庫(kù)作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發(fā)生高頻區(qū)域，近年來(lái)尾礦庫(kù)災(zāi)害造成的損失已是相當(dāng)?shù)膰?yán)重，然而尾礦壩滑坡、潰壩在尾礦庫(kù)病害事故中起著至關(guān)重要的作用。楊麗紅[1]等通過(guò)辨識(shí)國(guó)內(nèi)外尾礦庫(kù)潰壩事故主要危險(xiǎn)因素，提出了降低潰壩概率及減少潰壩損失的措施；李全民[2-3]等通過(guò)分析尾礦壩的潰口模式和垮壩淹沒(méi)范圍建立了尾礦壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判模型，并應(yīng)于評(píng)估尾礦庫(kù)運(yùn)行期的安全等級(jí)；陳星[4]等利用數(shù)值模擬的方法開(kāi)展了尾礦庫(kù)潰壩對(duì)下游的淹沒(méi)和撞擊的研究；林玉山[5]等通過(guò)分析尾礦庫(kù)工程的特點(diǎn)，總結(jié)了尾礦庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行中遭受、引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要類型、致災(zāi)因素及其危害性；皺智斌[6]通過(guò)傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測(cè)手段對(duì)江西省七寶山鉛鋅礦尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)估；袁良權(quán)[7]結(jié)合GIS系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害易損性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，構(gòu)建了尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性程度分級(jí)分區(qū)圖。目前將工程地質(zhì)和GIS技術(shù)相結(jié)合解決工程實(shí)際問(wèn)題屬于交叉學(xué)科研究中的熱點(diǎn)內(nèi)容，能夠較好的解決工程問(wèn)題，許沖[8-9]等將GIS技術(shù)與確定性系數(shù)分析方法、層次分析法相結(jié)合對(duì)汶川地震滑坡易發(fā)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；朱良峰[10]等利用GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害分析系統(tǒng)對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的滑坡災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性分析。

GIS具有較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)功能以及強(qiáng)大空間分析能力，因此將GIS技術(shù)引入尾礦庫(kù)滑坡致災(zāi)體研究領(lǐng)域中能夠很好的解決尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)滑坡的時(shí)空系列分析、滑坡野外編錄、引起滑坡的靜態(tài)環(huán)境因素等之間的空間相關(guān)分析。本文結(jié)合尾礦庫(kù)工程實(shí)例，將GIS技術(shù)引入小區(qū)域的環(huán)境中分析尾礦庫(kù)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

1 工程概況

本文以云南某化工公司所屬尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)作為研究區(qū)域，研究區(qū)域包括一號(hào)、二號(hào)水池壩，一號(hào)、二號(hào)初期壩，堆渣庫(kù)區(qū)，水池庫(kù)區(qū)以及兩岸山體，研究區(qū)域面積為3.98 km2，利用GIS技術(shù)分析研究?jī)?nèi)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

該尾礦庫(kù)總共有兩座初期壩，均為透水堆石壩，一號(hào)初期壩設(shè)計(jì)底寬120 m，壩頂寬10 m，壩長(zhǎng)120 m，壩高30 m；二號(hào)初期壩設(shè)計(jì)底寬120 m，壩頂寬10 m，壩長(zhǎng)80 m，壩高28 m。最上游為2號(hào)初期壩，中間為1號(hào)初期壩，下游設(shè)有二座水池壩。尾礦庫(kù)堆積高70 m，總庫(kù)容957.99萬(wàn)m3，尾礦庫(kù)為三等庫(kù)。一號(hào)水池壩設(shè)計(jì)底寬30 m，壩頂寬5 m，壩長(zhǎng)120 m，壩高28 m；二號(hào)水池壩設(shè)底寬15 m，壩頂寬4 m，壩長(zhǎng)30 m，壩高28 m。結(jié)合該尾礦庫(kù)自身特點(diǎn)以及研究區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況，滑坡災(zāi)害為研究區(qū)域內(nèi)的主要地質(zhì)災(zāi)害。

將研究區(qū)域的DEM和數(shù)字正射影像圖進(jìn)行疊加，產(chǎn)生三維地形的可視化，通過(guò)可視化地形圖有助于判斷研究區(qū)域內(nèi)的滑坡災(zāi)害影響因子。

圖1庫(kù)區(qū)可視化圖

2 滑坡影響因子確定及其矢量化

地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空分布影響因子的選取是在借鑒大量已有研究成果和咨詢相關(guān)專家的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)勘查，按照地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的成災(zāi)環(huán)境、發(fā)生現(xiàn)狀以及發(fā)生規(guī)律，經(jīng)過(guò)綜合考量予以確定。在篩選成災(zāi)因子時(shí)按照以下基本原則：從地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)貧v年3種主要地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生數(shù)量、發(fā)生規(guī)模以及分布特點(diǎn)，全面地考慮影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各種因子，主要分為兩大類：自然影響因子和人為影響因子。自然影響因子是指地質(zhì)災(zāi)害形成的基本地質(zhì)環(huán)境條件；人為影響因子是指影響和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害演化和發(fā)生的外在因素。

尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受內(nèi)外動(dòng)力作用的綜合影響，通過(guò)分析地質(zhì)、地形與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的資料，綜合考慮尾礦庫(kù)的自身特點(diǎn)去進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害影響因子的選擇。自然影響因子包括：地形坡度、高程、坡向、地層巖性、植被、滲透率；人為影響因子包括：人類活動(dòng)、壩體影響。

(1) 坡度?；麦w是否具備有效的臨空面決定了滑坡的形成與否，故庫(kù)區(qū)的地形坡度從幾何特征上決定了庫(kù)區(qū)滑坡體的空間分布。滑坡體的形態(tài)以及滑坡體的形成原因反映了滑坡體的形成歷史、自身穩(wěn)定程度以及滑坡面的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查以及分類比選，將研究區(qū)域內(nèi)的坡度分為五個(gè)等級(jí)，以15°，25°，35°和50°為界進(jìn)行劃分，將坡度在50°以上的地形條件作為最危險(xiǎn)標(biāo)志(經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果看，研究區(qū)域內(nèi)的大部分滑坡都在坡度大于50°這一區(qū)間內(nèi))。

(2) 高程。高程對(duì)尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害的影響主要有以下兩個(gè)方面的原因：一是不同的高程決定了不同的地形條件，進(jìn)而影響研究區(qū)域的匯水面積；二是不同的高程條件下存在植被覆蓋度和植被類型的差異性。這兩者間接的造成了尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害與地形高程有一定程度的聯(lián)系。

(3) 坡向。在工程地質(zhì)中坡向表示為斜坡面的走向，坡向值的分布范圍為0°～360°。不同坡向條件下導(dǎo)致了太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度不同，從而影響了植被覆蓋、蒸發(fā)量以及坡面侵蝕等諸多因素，進(jìn)而對(duì)滑坡體的地下水孔隙壓力的分布及滑坡體的巖土體物理力學(xué)特征構(gòu)成影響，因而影響了滑坡體的整體穩(wěn)定性。

(4) 巖性。滑坡體的滑動(dòng)與否很大程度上與滑坡土的巖土體巖性以及結(jié)構(gòu)特征有密切的關(guān)系。地層巖性對(duì)尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害中滑坡的危險(xiǎn)性影響表現(xiàn)為地層結(jié)構(gòu)與巖體特性兩個(gè)方面，這兩個(gè)方面直接影響滑坡體的強(qiáng)度、應(yīng)力分布以及變形破壞特征，為滑坡體的產(chǎn)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(5) 植被分布。在研究區(qū)域滑坡與植被的覆蓋率有著密切的關(guān)系，由于降雨的影響植被覆蓋較高的地方，有助于雨水下滲，從而有利于滑坡體的穩(wěn)定，植被覆蓋率小的區(qū)域易形成地表徑流，使斜坡體更松散，失去保護(hù)，在一定的誘發(fā)條件下，容易行成滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

(6) 區(qū)域滲透性分布。滲透性表征了研究區(qū)區(qū)域內(nèi)巖土體的過(guò)水能力，滑坡體在受降雨作用后，若滲透性較低，水無(wú)法滲透到地下，將形成地表徑流可能形成泥石流或者山體滑坡等尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害。

(7) 人類活動(dòng)影響。渣場(chǎng)區(qū)域影響尾礦庫(kù)滑坡發(fā)生的人為因素主要有庫(kù)區(qū)采礦工程、建筑修路和森林植被的破壞等3種。

(8) 壩體影響。尾礦壩的建造改變了原有山體的應(yīng)力分布，和巖土體的應(yīng)力平衡，為分析尾礦壩建壩以后與滑坡的關(guān)系，創(chuàng)建尾礦壩的滑坡影響緩沖區(qū)，然后統(tǒng)計(jì)滑坡與緩沖區(qū)的空間關(guān)系。

利用GIS軟件將影響尾礦庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害的8種影響因子量化后得出各自的柵格等級(jí)分布圖(見(jiàn)圖2～圖9)。

圖2 研究區(qū)域坡度等級(jí)分布

圖3 研究區(qū)域高程等級(jí)分布

圖4 研究區(qū)域坡向等級(jí)分布

圖5 研究區(qū)域巖性等級(jí)分布

圖6 研究區(qū)域植被等級(jí)分布

圖7 研究區(qū)域滲透性等級(jí)分布

圖8 研究區(qū)域人類等級(jí)分布

圖9 研究區(qū)域壩體緩沖區(qū)等級(jí)分布

3 層次分析法

利用層次分析法(AHP)來(lái)進(jìn)行尾礦庫(kù)滑坡影響因子的權(quán)重分析。AHP是一種多指標(biāo)分析評(píng)價(jià)方法，具有精度高，使用方便的特點(diǎn)。AHP方法通過(guò)專家判斷各影響因子之間的關(guān)系構(gòu)造矩陣，所有影響因子的的相互比較構(gòu)成了各影響因子的權(quán)重值，評(píng)價(jià)因子比較的結(jié)果采用一致性比率(CR)來(lái)衡量，它代表矩陣一致性指標(biāo)與隨機(jī)性指標(biāo)，范圍是0～1。

表1 成對(duì)比較矩陣中元素aij的標(biāo)度方法

表1代表因子比較的定性描述指標(biāo)，表1通過(guò)對(duì)8個(gè)影響因子進(jìn)行兩兩比較，得到各影響因子之間的構(gòu)造矩陣A，通過(guò)計(jì)算矩陣A的最大特征值所對(duì)應(yīng)的單位特征向量即得到各個(gè)影響因子的權(quán)重為{0.1325，0.0618，0.1691，0.0596，0.0532，0.0758，0.1410，0.3070}。權(quán)重因子計(jì)算結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)尾礦庫(kù)滑坡災(zāi)害的最重要的影響因子為壩體影響。

4 尾礦庫(kù)滑坡預(yù)測(cè)

根據(jù)GIS軟件確定的各影響因子量化柵格等級(jí)分布圖以及利用層次分析法確定的各影響因子的權(quán)重，運(yùn)用GIS軟件空間分析單元對(duì)研究區(qū)域各矢量單元進(jìn)行影響因子加權(quán)疊加計(jì)算，得到研究區(qū)域內(nèi)尾礦庫(kù)滑坡預(yù)測(cè)易發(fā)性評(píng)價(jià)柵格圖。

SI=∑wiIFi

式中，SI為評(píng)價(jià)單元的尾礦壩滑坡綜合危險(xiǎn)性指數(shù)；wi為影響因子的權(quán)重；IFi為影響因子。

通過(guò)GIS空間分析中的柵格重分類工具對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件、野外所收集到的資料分析及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合指數(shù)按照自然間距分類方法確立尾礦壩滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，將研究區(qū)域內(nèi)尾礦庫(kù)滑坡易發(fā)性結(jié)果分為五類(極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)與極低易發(fā)區(qū))。

表2 滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

在GIS空間分析中提取各評(píng)價(jià)單元格的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度綜合指數(shù)，了解整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的單元格的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度(見(jiàn)圖10)。

根據(jù)得到的研究區(qū)域易發(fā)性危險(xiǎn)性分布圖，可以統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)分布，研究結(jié)果與傳統(tǒng)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果吻合較好。

(1) 研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)約為0.11 km2，占整個(gè)研究區(qū)域的2.7%，極高易發(fā)區(qū)主要分布在一號(hào)初期壩和二號(hào)水池壩之間，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，該區(qū)域內(nèi)地形陡峭，斷裂構(gòu)造發(fā)育，人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，地質(zhì)災(zāi)害較密集，從現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，共有3處潛在滑坡體，從一定程度上佐證了。

(2) 尾礦庫(kù)建庫(kù)后，隨著尾砂的堆積，改變了原有山體的應(yīng)力分布，和巖土體的應(yīng)力平衡可能誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)約為0.34 km2，占整個(gè)研究區(qū)域的8.3%，主要分布在尾礦庫(kù)一號(hào)初期壩附近，該區(qū)域人類工程活動(dòng)較頻繁，對(duì)地質(zhì)環(huán)境破壞相對(duì)比較嚴(yán)重，研究區(qū)兩岸山體較陡峭，坡度較大，影響了滑坡災(zāi)害的發(fā)生。此外由于該區(qū)域離一號(hào)初期壩較近，尾礦庫(kù)建壩以后對(duì)該區(qū)域的影響可能是一個(gè)重要的因素。

(3) 中等易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)總共約為3.53 km2，約占整個(gè)研究區(qū)域的86%，這3個(gè)區(qū)域主要分布在人類活動(dòng)較少、植被分布較茂密，植被覆蓋率大約為85%、巖性較好、地形坡度較緩的區(qū)域，尾礦庫(kù)滑坡災(zāi)害易發(fā)性相對(duì)較低。

圖10 研究區(qū)域?yàn)?zāi)害等級(jí)分布

5 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的成災(zāi)環(huán)境、發(fā)生現(xiàn)狀以及發(fā)生規(guī)律分析，得出了影響尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)因子；

(2) GIS技術(shù)能夠較好的在小區(qū)域范圍對(duì)各致災(zāi)因子進(jìn)行時(shí)空系列分析，量化各致災(zāi)因子的影響等級(jí)；

(3) 根據(jù)專家判斷法，分析各影響因子對(duì)尾礦庫(kù)滑坡的影響程度，得到了尾礦壩滑坡災(zāi)害因子比較結(jié)果矩陣，基于層次分析法求得8個(gè)尾礦庫(kù)滑坡影響因子的權(quán)重；

(4) 基于GIS技術(shù)構(gòu)建了尾礦庫(kù)滑坡易發(fā)性等級(jí)分布圖，將研究區(qū)內(nèi)的尾礦庫(kù)滑坡按易發(fā)程度分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)與極低易發(fā)區(qū)五類。與傳統(tǒng)野外工程地質(zhì)調(diào)查的等級(jí)分布圖吻合較好，且前者反映的危險(xiǎn)等級(jí)更精確，尤其能在研究區(qū)域內(nèi)突出反映危險(xiǎn)性等級(jí)高所對(duì)應(yīng)的致災(zāi)因子，對(duì)企業(yè)針對(duì)性的預(yù)防尾礦庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害具有極大的參考意義。