貴州水城尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

黨 杰，董 吉，張 旭，吳忠銀，楊杰華

(貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 前言

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，根據(jù)研究尺度的不同，可分為區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)方法由于研究尺寸、數(shù)據(jù)精度、可量化程度等原因略有不同。國(guó)內(nèi)外對(duì)單體滑坡的危險(xiǎn)性研究主要開(kāi)始于21世紀(jì)初。眾多學(xué)者在單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面做出了許多富有成效的探索。

許強(qiáng)等在綜合分析國(guó)內(nèi)外危巖崩塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，以丹巴縣雙擁路危巖崩塌體為例，提出了適用于單體危巖崩塌的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法(許強(qiáng) 等，2009)。陳紅旗等運(yùn)用破壞概率、滑坡強(qiáng)度、承災(zāi)因子、遭遇特征與易損程度等 5項(xiàng)指標(biāo)，嘗試提出單體滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)模型(陳紅旗，2010)；孟慶華等在綜合分析國(guó)內(nèi)外滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)野外地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、勘查和巖土物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)試分析，利用 Geo-slope 軟件和經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析、影響范圍預(yù)測(cè)和失穩(wěn)概率分析，開(kāi)展了3 種工況條件下的危險(xiǎn)性、承災(zāi)體易損性分析等，完成了胡家山滑坡風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，探討了單體滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的技術(shù)方法與流程(孟慶華 等，2011)；徐偉使用 Geo-slope 軟件定量計(jì)算了二道橋滑坡在不同工況下的失穩(wěn)概率，確定了危險(xiǎn)性級(jí)別，結(jié)合地形測(cè)量成果和實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)出了受二道橋滑坡威脅的承災(zāi)體類(lèi)型及數(shù)量，確定了危害程度級(jí)別，最后根據(jù)危險(xiǎn)性和危害性構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的矩陣，對(duì)二道橋滑坡進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(徐偉 等，2016)；徐勇等以湖北宣恩縣干壩滑坡為例，進(jìn)行降雨型滑坡定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究(徐勇 等，2018)；謝明禮通過(guò)選取貴州省水城縣米籮煤礦后山變形體，采用物理模擬的方法，分析了坡體變形的過(guò)程及形成機(jī)制，并依據(jù)降雨量計(jì)算得到斜坡的失穩(wěn)概率、誘發(fā)因素概率，完成危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和PFC軟件計(jì)算了坡體失穩(wěn)影響范圍，采用Google earth軟件提取分析了各類(lèi)承災(zāi)體并完成易損性評(píng)價(jià)，最后疊加得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果(謝明禮，2018)；覃乙根等通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影、三維實(shí)景建模和 polywork 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)獲取崩塌坡體的地質(zhì)和幾何信息，結(jié)合時(shí)空分布概率調(diào)查和易損性分析，對(duì)貴州寨子崩塌進(jìn)行了崩塌風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)(覃乙根 等，2019)。

尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡是貴州省較為典型的煤礦開(kāi)采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，其規(guī)模巨大、變形特征強(qiáng)烈、成因機(jī)理復(fù)雜(李海軍 等，2019；鄒銀先 等，2019；劉慶義 等，2019)，對(duì)其開(kāi)展單點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究具有重要意義，通過(guò)確定尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害的不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)水平，可為地方政府下一步防治工作提供借鑒。

2 單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

單體地質(zhì)災(zāi)害定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要由危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、易損性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)組成。崩塌滑坡危險(xiǎn)性主要由其失穩(wěn)概率及影響范圍確定，然后選取核算承災(zāi)體價(jià)值法，計(jì)算承災(zāi)體現(xiàn)有的價(jià)值，得到易損性。最后結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及易損性評(píng)價(jià)方法，共同建立單點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

2.1 單體崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

單體崩塌滑坡危險(xiǎn)性主要由地質(zhì)災(zāi)害的失穩(wěn)概率及其影響范圍決定，如式1-1。

危險(xiǎn)性=失穩(wěn)概率×影響范圍

(1-1)

影響范圍可基于經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬等建立崩滑體運(yùn)動(dòng)距離預(yù)測(cè)模型，本次評(píng)價(jià)采用優(yōu)化算法擬合公式。

相較于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式法，該優(yōu)化算法結(jié)合了貴州省及研究區(qū)內(nèi)相似坡體結(jié)構(gòu)下地質(zhì)災(zāi)害的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際變形破壞范圍較為貼合，同時(shí)比數(shù)值模擬、物理模擬等方法簡(jiǎn)單實(shí)用，免去復(fù)雜的參數(shù)選取和調(diào)校，具有良好的適用性，復(fù)合基層開(kāi)展單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控的實(shí)際需求。

2.2 單體地質(zhì)災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)

單體地質(zhì)災(zāi)害易損性通常涉及到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、政治及自然等方面，采用核算承災(zāi)體價(jià)值法，通過(guò)對(duì)承災(zāi)體的類(lèi)型劃分、承災(zāi)體分布的基本屬性提取，計(jì)算承災(zāi)體現(xiàn)有的價(jià)值，從而進(jìn)行單體地質(zhì)災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)。由于承災(zāi)體位于不同的距離，受到單體地質(zhì)災(zāi)害體的威脅程度不同，因此引入暴露度因子，它表示承災(zāi)體距離地質(zhì)災(zāi)害的遠(yuǎn)近程度，最終單體地質(zhì)災(zāi)害易損性由下列公式1-2求取。

(1-2)

式中，V為單體地質(zhì)災(zāi)害威脅承災(zāi)體的易損性，F(xiàn)i為不同承災(zāi)體類(lèi)型易損值，與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法一致；Wi為不同承災(zāi)體評(píng)價(jià)因子權(quán)重。

2.3 單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，發(fā)現(xiàn)目前最為常見(jiàn)的是充分結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及易損性評(píng)價(jià)方法，共同建立單體地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系(式1-3)。

R=H×V

(1-3)

式中，R為單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值；H為單體地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性；V為單體地質(zhì)災(zāi)害易損性。

3 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害特征

3.1 尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)環(huán)境條件

尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡從2013年8月開(kāi)始發(fā)生變形破壞，歷經(jīng)6年的變形發(fā)展，其破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，時(shí)常發(fā)生零星崩落，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用?79戶1062人的生命財(cái)產(chǎn)安全。

尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害是在不利的地形地貌、巖土體組合、結(jié)構(gòu)特征等內(nèi)在因素和采礦活動(dòng)、降雨等外在誘發(fā)因素的作用下發(fā)生變形破壞。

3.2 尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡變形特征分析

截止2019年12月底，水城縣發(fā)耳鎮(zhèn)尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已正常運(yùn)行550余天，根據(jù)尖山營(yíng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，目前的位移量較大的有GNSS03、GNSS08、GNSS09、GNSS11，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的以北東方向位移為主，向坡外發(fā)展，Z方向的位移主要以沉降為主(表1)。

表1 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移速度基本上與位移變化相似，GNSS03、GNSS08、GNSS09、GNSS11四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移速度較大，其中合位移速度最大達(dá)到了16.52mm/d，最小的合位移速度達(dá)到了2.75mm/d，這同現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查裂縫跡象相符合(圖1)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方位角基本上指向北東方向，基本上符合地下煤層開(kāi)采后斜坡向臨空方向變形破壞的總體趨勢(shì)。

(a) GNSS03

(b)GNSS08

(c)GNSS09圖1 尖山營(yíng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)位移曲線Fig.1 Displacement curve of automatic monitoring in Jianshanying

3.3 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害破壞機(jī)理分析

尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡受采煤工程活動(dòng)影響較大，隨著采礦工程活動(dòng)的不斷進(jìn)行，其頂板巖層破壞程度逐漸加大，冒落高度不斷增加，上覆地層受重力作用繼續(xù)向下沉降，地表所表現(xiàn)出向下彎曲的盆地變形模式。即斜坡體將會(huì)因下部采空塌陷導(dǎo)致上部坡體失穩(wěn)，失穩(wěn)的坡體在自重作用下將向軟弱結(jié)構(gòu)面或臨空面方向移動(dòng)。

大氣降雨形成的坡面流沿著地勢(shì)低洼地帶徑流，在節(jié)理裂隙和地裂縫分布區(qū)，地表水將通過(guò)裂縫及節(jié)理裂隙向下滲透，含泥質(zhì)的碎屑巖遇水后極易軟化，在重力作用下，軟化后的碎屑巖層形成軟弱帶，向著臨空面方向移動(dòng)。同時(shí)，滯留在節(jié)理裂隙里面的水體易形成靜水壓力，推動(dòng)失穩(wěn)塊體向相對(duì)力量薄弱的地方移動(dòng)。在工程活動(dòng)和降雨的共同作用下，尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡整體出現(xiàn)緩變形破壞。

4 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡上共發(fā)育的潛在地質(zhì)災(zāi)害共有9個(gè)，其中：危巖體2個(gè)、變形體5個(gè)，采空區(qū)塌陷2個(gè)。

根據(jù)研究區(qū)地形地貌以及尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害的變形分區(qū)特征，不穩(wěn)定斜坡表面每年都會(huì)有許多零星塊體滑塌、崩落，其失穩(wěn)概率為1；不穩(wěn)定斜坡上的不穩(wěn)定塊體、危巖體等，其失穩(wěn)條件為20年一遇暴雨，因此其失穩(wěn)概率為5%(P=0.05)；尖山營(yíng)整體失穩(wěn)破壞的概率為50年一遇暴雨，因此其失穩(wěn)概率為2%(P=0.02)。

就滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害而言，目前國(guó)內(nèi)研究局限于穩(wěn)定性定性半定量評(píng)價(jià)，而對(duì)移動(dòng)影響距離無(wú)較為成熟的預(yù)算公式。本次引用國(guó)外對(duì)滑坡、崩塌運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算的公式，并根據(jù)貴州省內(nèi)發(fā)生的8.28納雍張家灣崩塌、6.28關(guān)嶺崗烏滑坡等多個(gè)地質(zhì)災(zāi)害對(duì)該公式進(jìn)行了修正，其滑坡修正值為-0.159，崩塌修正值為+0.17，修正后的相關(guān)公式為：

滑坡：log(H/L)=-0.068 log(vo)l-0.159

(2-1)

崩塌：log(H/L)=-0.109 log(vol)+ 0.17

(2-2)

式中：

H為災(zāi)害體最高位置至威脅區(qū)房屋位置高差；L為運(yùn)動(dòng)距離；Vol為災(zāi)害體體積針對(duì)坡面上不穩(wěn)定塊體零星掉塊，可簡(jiǎn)化為沿斜坡的綜合摩擦運(yùn)動(dòng)來(lái)分析，落石的勢(shì)能變化等于動(dòng)能變化和克服摩擦所做的功：

式中：Vi為落石在斜坡面上任意位置處所具有的速度(m/s)；αi為各直線段斜坡的平均坡度(°)；Δhi為各直線段斜坡的垂直高度(m)；Φr為落石與坡面之間的綜合摩擦角(°)；Li為各直線段斜坡的長(zhǎng)度(m)。

表2 研究區(qū)危險(xiǎn)源威脅影響范圍

通過(guò)對(duì)各危險(xiǎn)源變形特征、剪出口、規(guī)模、高差、穩(wěn)定性、變形破壞方向的分析，基于上述經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，根據(jù)降雨概率進(jìn)行分析計(jì)算，得到各危險(xiǎn)源的影響距離、危險(xiǎn)對(duì)象等特征。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中危險(xiǎn)性等于失穩(wěn)概率與相應(yīng)概率下影響范圍的乘機(jī)，得到尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果并進(jìn)行分區(qū)(見(jiàn)圖2)。

圖2 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖

4.2 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)

單體地質(zhì)災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)由前述公式1-2求取。

根據(jù)研究區(qū)物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)等因素的分布特征，經(jīng)綜合分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)易損性的分布與建筑分布近似一致，體現(xiàn)為人口分布以及其所擁有的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)；物質(zhì)易損性、環(huán)境易損性則可通過(guò)研究區(qū)土地利用規(guī)劃中的相關(guān)信息來(lái)體現(xiàn)，比如林地、灌木地、旱地、經(jīng)果林等，既是物質(zhì)屬性，又具有環(huán)境屬性。通過(guò)對(duì)其不同類(lèi)型的地物類(lèi)型根據(jù)其物質(zhì)價(jià)值屬性價(jià)值進(jìn)行賦值，可將研究區(qū)物質(zhì)量化為財(cái)產(chǎn)價(jià)值，進(jìn)而根據(jù)其價(jià)值分類(lèi)特征，劃分為不同的易損特征。研究區(qū)易損性分布特征如圖3所示。

圖3 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害易損性分區(qū)圖Fig.3 Partition map of geological hazard vulnerability in Jianshanying1—高易損；2—中易損；3—低易損；4—尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡

4.3 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)前述單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，單點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和易損性評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，通過(guò)將危險(xiǎn)性和易損性進(jìn)行疊加分析，將研究區(qū)整體劃分為風(fēng)險(xiǎn)大區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)中區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：

風(fēng)險(xiǎn)大區(qū)：主要分布于研究區(qū)尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡滑動(dòng)方向的下方，危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，其處于危險(xiǎn)性大-中區(qū)內(nèi)，受尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡的直接威脅。其區(qū)域內(nèi)主要分布箐尾組、店子組和小寨組村民，人口眾多，且財(cái)產(chǎn)價(jià)值高，因此在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)疊加之后劃為風(fēng)險(xiǎn)大區(qū)。

風(fēng)險(xiǎn)中區(qū)：主要分布于尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡影響范圍內(nèi)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)外側(cè)的部分，其受尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡距離較遠(yuǎn)，在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中處于危險(xiǎn)性中-小區(qū)，受災(zāi)的概率較小。其區(qū)域內(nèi)主要分布有長(zhǎng)寨組、坡咀組、發(fā)耳煤業(yè)風(fēng)井、副井等居民生活工作區(qū)，人口較多，財(cái)產(chǎn)價(jià)值較高，因此劃分為風(fēng)險(xiǎn)中區(qū)。

風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)：主要分布于尖山營(yíng)威脅范圍以外，部分區(qū)域盡管人口眾多，財(cái)產(chǎn)價(jià)值高，但由于處于不穩(wěn)定斜坡影響范圍以外，風(fēng)險(xiǎn)性較小，因此為風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)。

研究區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。

圖4 尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)圖Fig.4 Partition map of geological hazard risk evaluationin Jianshanying1—風(fēng)險(xiǎn)大區(qū)；2—風(fēng)險(xiǎn)中區(qū)；3—風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)

5 結(jié)論和討論

(1)單體地質(zhì)災(zāi)害定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要由危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、易損性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)組成。崩滑災(zāi)害危險(xiǎn)性主要通過(guò)計(jì)算其失穩(wěn)概率及影響范圍確定，易損性通過(guò)核算承災(zāi)體價(jià)值得到易損性，最后疊加地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及易損性評(píng)價(jià)結(jié)果，得到單體地質(zhì)災(zāi)害定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。

(2)尖山營(yíng)地質(zhì)災(zāi)害是在地形地貌、巖土體組合、結(jié)構(gòu)特征采礦活動(dòng)、降雨等因素的作用下發(fā)生變形破壞。通過(guò)對(duì)尖山營(yíng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)分析，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的以北東方向(向坡外)位移為主， Z方向的位移主要以沉降為主，其受采煤工程活動(dòng)影響較大，具有采礦活動(dòng)引發(fā)變形破壞的特征機(jī)理。

(3)通過(guò)對(duì)尖山營(yíng)不穩(wěn)定斜坡開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為風(fēng)險(xiǎn)大區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)中區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)三個(gè)等級(jí)區(qū)域。評(píng)價(jià)結(jié)果可為當(dāng)?shù)卣刭|(zhì)災(zāi)害防治工作提供借鑒。

(4)本次單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法簡(jiǎn)單實(shí)用又具有不錯(cuò)的可靠性，避免了數(shù)值模擬、物理模擬等方法的技復(fù)雜性，具有可操作性，對(duì)基層地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控的具有實(shí)際意義。