基于GIS的采空地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)
——以邳州市某公路項(xiàng)目為例

劉 飛，孫曉倩

（1.江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院，江蘇 徐州 221004；2.江蘇省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 徐州 221004）

為了加強(qiáng)從源頭上防治地質(zhì)災(zāi)害，為工程建設(shè)規(guī)避、防治地質(zhì)災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，需要對(duì)擬建場(chǎng)地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法大致可分為定性分析和定量分析兩種，定性分析對(duì)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知水平要求較高，往往容易產(chǎn)生偏差，隨著數(shù)學(xué)分析方法與地質(zhì)科學(xué)的交叉以及地理信息技術(shù)的發(fā)展，定量分析逐漸占據(jù)了重要位置，彌補(bǔ)了定性分析的不足。定量分析方法主要包括層次分析法、邏輯回歸法、模糊評(píng)判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[1-3]。層次分析法是將復(fù)雜的問題分解為不同組成因素，并按不同層次聚集組合為一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型[4-8]。

本文以連霍高速邳州連接線項(xiàng)目為例，通過GIS技術(shù)結(jié)合層次分析法對(duì)項(xiàng)目評(píng)估區(qū)內(nèi)采空地面塌陷進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并對(duì)該災(zāi)種危險(xiǎn)性進(jìn)行分區(qū)，以期為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域環(huán)境地質(zhì)條件

擬建項(xiàng)目位于邳州市中部，貫穿邳州南北，起點(diǎn)北接山東省352 省道，終點(diǎn)止于連霍高速邳州西互通，路線全長(zhǎng)約52km，其中K5+000～K11+000 區(qū)間存在采空地面塌陷危險(xiǎn)，為本文研究對(duì)象。評(píng)估區(qū)范圍以規(guī)劃道路中線為基準(zhǔn)，兩側(cè)分別外擴(kuò)500m，評(píng)估范圍及采空區(qū)分布圖見圖1。

1.1 地形地貌及區(qū)域地質(zhì)

評(píng)估區(qū)地貌類型為黃泛沖積平原，總體地勢(shì)較平坦，地面標(biāo)高一般在28.6～32.9m之間。評(píng)估區(qū)位于斷陷盆地內(nèi)，斷裂比較發(fā)育，以東西向和北東向正斷層為主，隱伏于第四系之下，均為非全新活動(dòng)斷裂，見圖2。

評(píng)估區(qū)分布石膏礦區(qū)，礦區(qū)內(nèi)地表無基巖出露，均為第四系沉積物覆蓋，下伏淺部基巖為古近系大汶口組。古近系大汶口組分布在斷陷盆地內(nèi)，以湖相含鹽碎屑巖沉積為主，不整合于白堊系之上，是區(qū)內(nèi)石膏賦存的主要層位。地層總體呈單斜層狀分布，走向大約110°左右，向北北東緩傾，傾角一般8°～12°。評(píng)估區(qū)地層簡(jiǎn)表見表1。其中Ⅲ層石膏是整個(gè)礦區(qū)主采礦層，層厚1.15～34.05m。

表1 礦區(qū)內(nèi)地層分布簡(jiǎn)表

1.2 工程地質(zhì)條件

評(píng)估區(qū)土層以第四系粉土、粉質(zhì)粘土和砂土為主，其中全新統(tǒng)（Q4）土層力學(xué)性質(zhì)較差，強(qiáng)度較低，中更新統(tǒng)（Q2）—上更新統(tǒng)（Q3）土層力學(xué)性質(zhì)較好，強(qiáng)度較高。評(píng)估區(qū)巖石類型主要為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及礦層組成，厚度相對(duì)穩(wěn)定，裂隙不發(fā)育，根據(jù)測(cè)試資料，評(píng)估區(qū)礦層頂、底板泥巖、砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為4.4～13.0MPa，摩擦角為34°～36°，易風(fēng)化，遇水易軟化、崩解，可造成順層理下滑、片幫、冒頂?shù)炔涣脊こ痰刭|(zhì)問題。

2 評(píng)價(jià)體系的建立

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

采空地面塌陷的影響因素很多，本次研究選取停采時(shí)間、采深采厚比、地面塌陷發(fā)育特征、超采情況、開采深度5個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行采空地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

依據(jù)各評(píng)價(jià)因子之間的相互關(guān)系，將評(píng)估區(qū)采空地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)表量化，如表2所示。

表2 評(píng)估區(qū)采空地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)表

2.2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

利用1～9 標(biāo)度法，對(duì)評(píng)價(jià)因子兩兩之間相對(duì)重要性進(jìn)行賦分，建立判斷矩陣，見表3。

表3 1～9標(biāo)度說明表

按表3建立判別矩陣，見表4。

表4 評(píng)價(jià)因子判別矩陣

采用方根法計(jì)算判別矩陣，求得該矩陣的特征向量W，即為各指標(biāo)的權(quán)重值：

W=(0.438,0.219,0.146,0.109,0.088)T

計(jì)算此矩陣最大特征根：λmax=5，須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，n=5，RI=1.12。

CI=CR=0＜0.1，檢驗(yàn)結(jié)果滿足一致性要求。

3 采空地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)過程

評(píng)估區(qū)采空地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)以網(wǎng)格單元為單位，本次將評(píng)估區(qū)（面積約98.37hm2）規(guī)則劃分為39325個(gè)5m×5m 單元網(wǎng)格。由于網(wǎng)格數(shù)較多，利用ArcGIS軟件完成整個(gè)評(píng)估區(qū)的危險(xiǎn)性計(jì)算過程。

首先，利用ArcMap組件制作5個(gè)影響因素的單因素指標(biāo)等值線圖或分區(qū)圖，生成結(jié)果通常為矢量數(shù)據(jù)，不能直接用于加權(quán)計(jì)算，需利用插值工具將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)柵格數(shù)據(jù)，將評(píng)估區(qū)劃分成5m×5m單元網(wǎng)格，轉(zhuǎn)換后每個(gè)網(wǎng)格都包含量化后的單因素等級(jí)值，生成各因子分級(jí)圖層，如圖3～圖7所示，然后利用空間分析模塊將評(píng)估區(qū)單元網(wǎng)格按已確定的權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)疊加計(jì)算，即可得到評(píng)估區(qū)每個(gè)單元網(wǎng)格采空地面塌陷危險(xiǎn)性得分，利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法劃分危險(xiǎn)性等級(jí)，見圖8。

圖3 停采時(shí)間單因素評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)圖

圖4 采深采厚比單因素評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)圖

圖5 地面塌陷發(fā)育特征單因素評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)圖

圖6 超采情況單因素評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)圖

圖7 開采深度單因素評(píng)價(jià)等級(jí)分區(qū)圖

圖8 評(píng)估區(qū)采空地面塌陷危險(xiǎn)性分區(qū)圖

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)各評(píng)估因子的加權(quán)疊加計(jì)算結(jié)果，評(píng)估區(qū)采空地面塌陷危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)為1級(jí)和2級(jí)，分別對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)性大和危險(xiǎn)性中等，從評(píng)價(jià)結(jié)果來看，評(píng)估區(qū)采空地面塌陷危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果與開采條件、地質(zhì)條件、塌陷發(fā)育特征等實(shí)際條件是相符的，采空地面塌陷危險(xiǎn)性大的區(qū)域，雖然停采時(shí)間較長(zhǎng)，但采深采厚比或開采深度較小，已發(fā)生的地面塌陷特征較為明顯，因此，危險(xiǎn)性大；采空地面塌陷危險(xiǎn)性中等的區(qū)域，采深采厚比或開采深度較大于危險(xiǎn)性大的區(qū)域，地面塌陷發(fā)育特征相對(duì)不明顯。

4 災(zāi)害處理措施

采空地面塌陷的防治要點(diǎn)在于保證場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定，避免激發(fā)因素的出現(xiàn)。對(duì)本建設(shè)項(xiàng)目而言，采空地面塌陷防治措施主要為：

（1）避讓措施，對(duì)工程采取避讓，重新選址；

（2）根據(jù)掌握的采空區(qū)分布情況，進(jìn)行采空區(qū)充填加固措施，從源頭消除地質(zhì)災(zāi)害隱患；

（3）在地下充填加固完成前禁止地面建設(shè)工程開工；

（4）嚴(yán)禁在路基防護(hù)帶以下采礦；

（5）在采空區(qū)上方的路段，在路基保護(hù)區(qū)及周邊監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。

5 結(jié)論

根據(jù)因素相關(guān)性分析，以江蘇省邳州市某公路項(xiàng)目穿越石膏礦區(qū)段為研究對(duì)象，選擇停采時(shí)間、采深采厚比、地面塌陷發(fā)育特征、超采情況、開采深度5個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于ArcGIS 平臺(tái)建立層次分析法模型，進(jìn)行采空地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，評(píng)估區(qū)實(shí)際情況與評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合，該方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作能夠起到重要作用。

評(píng)估區(qū)采空地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分為危險(xiǎn)性大區(qū)和危險(xiǎn)性中等區(qū)，危險(xiǎn)性等級(jí)與各因素的分值權(quán)重有重要聯(lián)系，不同于以往單純的定性分析，避免了“一刀切”式的評(píng)價(jià)方法。

針對(duì)本項(xiàng)目，建議采取避讓、采空區(qū)充填加固、保護(hù)范圍內(nèi)禁采、監(jiān)測(cè)預(yù)警等措施避免工程建設(shè)可能遭受地質(zhì)災(zāi)害的危害。