基于聚類分析的工程建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

陳文軍 李大猛 陳孝兵 王志一

(1. 四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院， 成都 610072； 2. 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院， 北京 100081； 3. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心， 成都 610081； 4. 四川省環(huán)境保護(hù)地下水污染防治工程技術(shù)中心， 成都 610081)

區(qū)域構(gòu)造的穩(wěn)定性是工程建設(shè)場(chǎng)地適宜性的基礎(chǔ)。影響區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的因素多種多樣。對(duì)工程建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，一般是基于多個(gè)影響因素而作出定性的評(píng)價(jià)。定性評(píng)價(jià)的結(jié)果往往存在精確性不足或給予的穩(wěn)定性等級(jí)過(guò)低等問(wèn)題。為提高工程建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，學(xué)者們?cè)诳茖W(xué)確立評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型方面進(jìn)行了一些探索，取得了許多成果[1-7]。

本次研究，將探索在聚類分析基礎(chǔ)上，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)數(shù)據(jù)的比對(duì)來(lái)判斷評(píng)價(jià)場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性狀態(tài)的方法。

1 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

工程場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性涉及多個(gè)方面的影響因素。根據(jù)有關(guān)研究成果[8]，我們主要從地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷裂活動(dòng)、地震條件和地應(yīng)力特征4個(gè)方面來(lái)確定區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。地質(zhì)結(jié)構(gòu)方面，主要評(píng)價(jià)大地構(gòu)造環(huán)境、構(gòu)造發(fā)育特征、地層及巖石構(gòu)造、地殼抬升速率及地形地貌。斷裂活動(dòng)方面，主要評(píng)價(jià)斷裂類型、活動(dòng)斷裂分布、活動(dòng)速率等。地震條件方面，主要評(píng)價(jià)地震動(dòng)峰值加速度、最大影響震級(jí)、地震基本烈度等。地應(yīng)力方面，主要評(píng)價(jià)構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)與斷裂空間關(guān)系、構(gòu)造應(yīng)力量值等。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量值的計(jì)算

影響場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的因素很多，各因素的影響程度也存在差異。為避免放大或縮小有關(guān)影響因子的影響程度，通過(guò)專家打分法來(lái)確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。同時(shí)，對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行量化取值。將定性指標(biāo)分為高、中、低3種程度，分別對(duì)應(yīng)的量化值為50、30、20。另外，為使評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的量值達(dá)到統(tǒng)一，防止有些評(píng)價(jià)因子受到過(guò)度壓抑，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值按式(1)[5]進(jìn)行規(guī)一化處理。

(1)

Aij—— 第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中第j個(gè)因子的量化取值；

對(duì)于定量指標(biāo)，可直接通過(guò)其量值進(jìn)行歸一化處理。以地震動(dòng)峰值加速度為例。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)，區(qū)域最大動(dòng)峰值加速度的量值為0.4 g。如果待評(píng)價(jià)場(chǎng)地的動(dòng)峰值加速度為0.2 g，則利用式(1)可得地震峰值加速度評(píng)價(jià)因子的基本值為0.5。對(duì)定性指標(biāo)是直接通過(guò)其影響程度賦值，如其影響程度賦值為20，則其歸一化處理后的值為0.4。

明確了各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重及歸一化處理后的基本值，再利用式(2)和式(3)，計(jì)算得到區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性的各指標(biāo)評(píng)價(jià)值(Ai)及總體評(píng)價(jià)值(A)。工程場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系見表1。

(2)

A=α1·A1+α2·A2+α3·A3+α4·A4

(3)

表1 工程場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系

3 穩(wěn)定性狀態(tài)的確定

在獲得所評(píng)價(jià)場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)值以后，如何判斷它的穩(wěn)定性狀態(tài)是穩(wěn)定、較穩(wěn)定或者欠穩(wěn)定，這是本次研究要解決的主要問(wèn)題。

通過(guò)收集大量輸變電工程建設(shè)場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性資料，利用上述評(píng)價(jià)方法，計(jì)算得到已有場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)值及其各指標(biāo)評(píng)價(jià)值，結(jié)合場(chǎng)地實(shí)踐反饋資料(構(gòu)造穩(wěn)定、較穩(wěn)定、欠穩(wěn)定)，建立了輸變電工程建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)(G)。在此基礎(chǔ)上，我們通過(guò)聚類分析來(lái)判斷評(píng)價(jià)場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性狀態(tài)。

聚類分析方法對(duì)研究樣本與樣本之間的關(guān)系，一般用距離統(tǒng)計(jì)量或者相似統(tǒng)計(jì)量作為分類計(jì)算的依據(jù)[9]。將某個(gè)待評(píng)價(jià)場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)值及各指標(biāo)值與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將待評(píng)價(jià)場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性進(jìn)行歸類，以距離統(tǒng)計(jì)量作為分類計(jì)算依據(jù)。如果數(shù)據(jù)庫(kù)中已有某工程場(chǎng)地與待評(píng)價(jià)場(chǎng)地的距離統(tǒng)計(jì)量最為接近，則認(rèn)為此待評(píng)價(jià)場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性狀態(tài)與已有某工程場(chǎng)地同類。技術(shù)路線見圖1。

基于聚類分析及場(chǎng)地區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的技術(shù)路線，場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的過(guò)程如下。

對(duì)于已有場(chǎng)地：

圖1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的技術(shù)路線

式中：ai1—— 第i個(gè)已有場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)值；

ai2—— 第i個(gè)已有場(chǎng)地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征評(píng)價(jià)值；

ai3—— 第i個(gè)已有場(chǎng)地的斷裂活動(dòng)性評(píng)價(jià)值；

ai4—— 第i個(gè)已有場(chǎng)地的地震條件評(píng)價(jià)值；

ai5—— 第i個(gè)已有場(chǎng)地的地應(yīng)力特征評(píng)價(jià)值。

對(duì)于待評(píng)價(jià)場(chǎng)地：

采用距離統(tǒng)計(jì)量作為聚類分析的依據(jù)。計(jì)算方法如下：

待評(píng)價(jià)場(chǎng)地G′與已有場(chǎng)地G的一組距離統(tǒng)計(jì)量：

D=(d1d2…di…dn)T

如果存在di=dmin|GG′|，則將待評(píng)價(jià)場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性狀態(tài)，歸類為第i個(gè)已有場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性狀態(tài)。如第i個(gè)已有場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性狀態(tài)為“欠穩(wěn)定”，則待評(píng)價(jià)場(chǎng)地的區(qū)域穩(wěn)定性狀態(tài)也為“欠穩(wěn)定”。另外，根據(jù)該場(chǎng)地后期的運(yùn)營(yíng)反饋，可對(duì)其構(gòu)造穩(wěn)定性進(jìn)行校核和修正，并將其有關(guān)資料納入數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 應(yīng)用舉例

以四川省甘孜州瀘定縣冷磧鎮(zhèn)的甘谷地為例。甘谷地輸變電工程建設(shè)場(chǎng)地位于四川盆地與青藏高原過(guò)度地帶的大渡河左岸，這里坡體陡峭，屬甘孜 — 松潘地槽區(qū)。據(jù)鉆探資料，該場(chǎng)地區(qū)域地層結(jié)構(gòu)較為單一，與鹽源—麗江臺(tái)緣凹陷地層結(jié)構(gòu)有類似之處。區(qū)域內(nèi)未見重大斷裂通過(guò)，周邊主要發(fā)育二郎山斷裂、金坪斷裂和磨西斷裂。金坪斷裂和二郎山斷裂不具備明顯的新活動(dòng)特征；磨西斷裂以左旋錯(cuò)動(dòng)為主，目前移動(dòng)速率仍保持在5～6 mma左右[10]。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪資料，該場(chǎng)地內(nèi)不存在發(fā)震構(gòu)造，但會(huì)受周邊深大斷裂活動(dòng)的波及影響，歷史上最大波及地震強(qiáng)度為8級(jí)。據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，該場(chǎng)地區(qū)域的基本烈度為Ⅷ度，動(dòng)峰值加速度為0.3 g。另外，據(jù)場(chǎng)地外圍區(qū)域構(gòu)造及中強(qiáng)地震的震源機(jī)制解資料[11-13]，區(qū)域地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)與斷裂空間關(guān)系主要表現(xiàn)為走滑型。

針對(duì)上述情況，通過(guò)專家打分確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重后，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子量值進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如表2所示。

表2 甘谷地場(chǎng)地區(qū)域評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重及基本值

聚類分析結(jié)果(見表3)，甘谷地場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的海子場(chǎng)地穩(wěn)定性的歐式距離值最小，為0.132。據(jù)此，可認(rèn)為甘谷地場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定狀態(tài)與海子場(chǎng)地一致，為“較穩(wěn)定”。

表3 已有場(chǎng)地與目標(biāo)場(chǎng)地的評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

評(píng)價(jià)工程建設(shè)場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性，需要考慮多重影響因素。本次研究，以場(chǎng)地區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、斷裂活動(dòng)、地震條件及地應(yīng)力特征為一級(jí)指標(biāo)，以大地構(gòu)造環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征、地層及巖石構(gòu)造等14個(gè)影響因子為二級(jí)指標(biāo)，構(gòu)建了工程建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性指標(biāo)體系。通過(guò)專家打分法確定各因子的權(quán)重，對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行量化取值，再通過(guò)對(duì)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)量值進(jìn)行規(guī)一化處理，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本值。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已有場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行聚類分析，以距離統(tǒng)計(jì)量作為分類計(jì)算依據(jù)，將待評(píng)價(jià)場(chǎng)地的構(gòu)造穩(wěn)定性進(jìn)行歸類，從而確定待評(píng)價(jià)場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造的穩(wěn)定性狀態(tài)。按此方法，對(duì)甘谷地輸變電工程建設(shè)場(chǎng)地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出了該建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域構(gòu)造“較穩(wěn)定”的評(píng)價(jià)結(jié)論。甘谷地輸變電工程建設(shè)場(chǎng)地在運(yùn)營(yíng)期間，經(jīng)受了2014年11月22日發(fā)生在康定縣的6.3級(jí)地震波及影響，而場(chǎng)地未被破壞變形，設(shè)備亦未遭損壞。此次評(píng)價(jià)結(jié)論與場(chǎng)地實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況基本一致。