基于GIS的建設項目地質(zhì)災害危險性評估

談樹成，金艷珠，虎雄崗，蔣順德，馮 龍

(云南大學 地質(zhì)研究所，云南昆明 650091)

0 引言

近年來，大量的自然資源被大規(guī)模的開發(fā)利用，隨之而來的便是生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，自然災害的頻繁發(fā)生。其中，由人類工程活動引發(fā)的地質(zhì)災害問題最為突出，常常造成重大的損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，2011年1～5月，全國共發(fā)生地質(zhì)災害442起，其中滑坡158起、崩塌147起、泥石流20起、塌陷97起、其他地質(zhì)災害10起，共有51人死亡失蹤，造成直接經(jīng)濟損失達5.17×108元［1］。與2009年同期相比，造成的人員傷亡和社會經(jīng)濟損失都呈放大趨勢。因此，為防災減災，針對一般建設項目作地質(zhì)災害危險性評估勢在必行。

建設項目地質(zhì)災害危險性評估涉及到多來源多比例尺的海量的數(shù)據(jù)融合問題，是一個復雜的多源地學信息綜合處理過程，傳統(tǒng)的方法和技術手段已不能完全應付目前日益嚴重的地質(zhì)災害問題，需要采取更加先進的技術。而GIS作為處理地球表面空間數(shù)據(jù)之強大有力且快速有效的工具，其發(fā)展為地質(zhì)災害評估打開了新的思路與方法。近年來，國內(nèi)外有關學者運用GIS技術在地質(zhì)災害方面的研究成果較多［2-7］。這些已有的研究成果，均為本研究提供很好的理論基礎和方法借鑒。云南省作為全國地質(zhì)災害發(fā)生頻率較高的省份之一，每年因地質(zhì)災害造成的經(jīng)濟損失巨大。鑒于此，本次研究以云南省某縣的垃圾綜合處理場建設項目為例，嘗試將GIS技術引入到建設項目地質(zhì)災害危險性評估工作中，以期為地質(zhì)災害的防治提供技術支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

由于影響地質(zhì)災害的基本因素錯綜復雜且沒有界限值，具有一定的不確定性、模糊性，但各影響因素之間又具有明顯的空間相關性，均來自自然界的四大圈層。本研究主要從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構造、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和人類工程活動等影響因素分析研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件。

1.1 地形地貌

評估區(qū)處一北東高南西低整體向西傾斜的陡坡地形，屬中低山丘陵地貌單元。地形起伏較大，坡度約18°～25°，較陡地段為 25°～35°。高程在 431 ～541m，最大高差110m(工程建設區(qū)內(nèi)最大相對高差約42m)。場地現(xiàn)狀用地為耕地和林地，主要種植小麥、蔬菜等，西南角分布一些竹林，植被覆蓋良好，總體較發(fā)育。評估區(qū)地形地貌復雜。

1.2 地層巖性

據(jù)1∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告、場地巖土工程勘察報告(初勘)及本次現(xiàn)場調(diào)查:評估區(qū)淺部出露第四系殘坡積層()粉質(zhì)粘土，表層為第四系耕植土()層，東側鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路沿線分布人工填土();下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。評估區(qū)地層巖性及分布特征見表1。

表1 評估區(qū)地層巖性特征表Table 1 Lithological features list of evaluation area

1.3 地質(zhì)構造

評估區(qū)區(qū)域上處于“川滇南北向構造帶”與“四川盆地新華夏系沉降帶”交接地帶，地質(zhì)構造發(fā)育。區(qū)域構造線方向以近南北向和北東向為主，對全區(qū)的地形地貌、水系分布和構造演化起著控制作用。經(jīng)實地調(diào)查及查閱相關地質(zhì)資料，評估區(qū)內(nèi)無褶皺和斷裂發(fā)育，地質(zhì)構造不發(fā)育。

1.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)場地巖土體工程地質(zhì)勘察報告，結合區(qū)域地質(zhì)資料和評估區(qū)巖性組合、結構特征、巖土體堅硬程度及工程力學性質(zhì)等要素，進行巖土體類型劃分。將整個評估區(qū)分布的巖土體劃分為松散土體Ⅰ和巖體Ⅱ兩大類。土體為耕土、塊石、粉質(zhì)粘土多層土體Ⅰ，主要由第四系耕植土、砂巖塊石和殘坡積層組成;巖體為軟質(zhì)薄-中厚層狀強風化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖巖組Ⅱ1，為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成;堅硬中厚層狀中風化砂巖巖組Ⅱ2，為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)砂巖組成。評估區(qū)巖土體工程地質(zhì)特征見表2;評估區(qū)巖土體工程地質(zhì)剖面圖見圖1(圖3 的 D-D'剖面)。

1.5 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存形式、水理性質(zhì)及水力特征，將地下水類型劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種。孔隙水以大氣降水為主要補給，雨季水位高時，主要在評估區(qū)以外東部山區(qū)接收補給，一部分以滲溢形式向評估區(qū)西側的坡腳排泄;另一部分下滲補給下伏基巖裂隙。裂隙水以大氣降水、孔隙水下滲補給為主，水流順坡向排泄至場地外圍的西側地勢較低地帶。評估區(qū)地下水埋藏淺，地表松散層厚度變化較大，缺少良好保護蓋層，易遭受外來有害物質(zhì)污染，地下水脆弱，水文地質(zhì)條件復雜。

圖1 評估區(qū)地質(zhì)工程剖面圖Fig.1 Geological engineering section of evaluation area1-耕植土;2-泥質(zhì)粉砂巖;3-推測地形界線;4-第四系殘坡積層;5-砂巖;6-耕土、塊石、粉質(zhì)粘土多層土體;7-侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組:砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖;8-填挖方區(qū)范圍;9-軟質(zhì)薄-中厚層狀強風化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖巖組;10-第四系粉質(zhì)粘土;11-場地整平標高;12-堅硬中厚層狀中風化砂巖巖組

1.6 人類工程活動

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，評估區(qū)人類工程活動主要表現(xiàn)為耕種和修建道路，但隨著工程項目的建設，場地在整平過程中將涉及到大規(guī)模的深挖高填活動，對地質(zhì)環(huán)境改變較大。總體，人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境的影響強烈。

表2 巖土體結構類型特征表Table 2 Geotechnical engineering structure type characteristic list

綜合判定，研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復雜，這些特殊的地質(zhì)環(huán)境特征為地質(zhì)災害的發(fā)育提供極其有利的條件，可進一步促進或誘發(fā)各種地質(zhì)災害的發(fā)生。

2 基于GIS的地質(zhì)災害危險性評估

由于影響地質(zhì)災害的因素眾多，其相互關系復雜，涉及到的數(shù)據(jù)信息龐大，而傳統(tǒng)的技術在數(shù)據(jù)采集、輸入、編輯、處理、分析、輸出、顯示及信息的實時更新方面顯得比較落后。因此，本研究將GIS技術引入，可以有效地處理地質(zhì)災害危險性評估工作中的一系列問題。

2.1 評估模型的建立

針對評估區(qū)地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件，地質(zhì)災害分布及發(fā)育情況，不良工程地質(zhì)作用等進行全面的野外實地調(diào)查，獲取多源空間數(shù)據(jù)，利用GIS技術對地質(zhì)災害空間數(shù)據(jù)進行一體化管理。以此為基礎，進行地質(zhì)災害危險性現(xiàn)狀評估、預測評估及綜合評估，制作地質(zhì)災害危險性綜合評估圖(圖2)。最后，針對評估結果提出相關防治措施及建議。

2.2 地質(zhì)災害危險性評估

2.2.1 現(xiàn)狀評估

評估區(qū)現(xiàn)狀發(fā)育潛在不穩(wěn)定斜坡1個(BW1)、滑坡一個(H1)，BW1因人工開挖已出現(xiàn)臨空面，H1已出現(xiàn)滑坡體下滑現(xiàn)象，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。BW1若失穩(wěn)形成滑坡災害，易危害鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路及擬建場地北東側的建筑物安全;H1若失穩(wěn)易垮塌，危害鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路及擬建場地南東側的建筑物安全。總體上評估區(qū)現(xiàn)狀地質(zhì)災害中等發(fā)育。

2.2.2 預測評估

根據(jù)評估區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和現(xiàn)狀地質(zhì)災害或不良地質(zhì)現(xiàn)象對工程可能造成的潛在危害，結合主要建筑物工程布設、工程活動方式、強度及工程運營方式等預測工程建設和運營可能加劇、引發(fā)和遭受地質(zhì)災害的危險性。

(1)工程建設加劇地質(zhì)災害危險性的預測

評估區(qū)現(xiàn)狀地質(zhì)災害中等發(fā)育，主要發(fā)育BW1潛在不穩(wěn)定斜坡和H1滑坡。BW1斜坡體物質(zhì)組成為泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，上部為松散層覆蓋，結構較松散，且外側無支護。擬建工程建設過程中，機械振動可能加劇潛在不穩(wěn)定斜坡失穩(wěn)，從而產(chǎn)生松散層坍塌、風化巖滑坡等災害，危害周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路、附近區(qū)域及東側擬建建(構)筑物安全。H1滑坡上部為松散層，下部為風化巖，現(xiàn)狀滑坡陡立，已出現(xiàn)滑坡體下滑現(xiàn)象，且無支護。在工程建設整平過程中，在施工開挖、振動及地表水影響下，會加劇其失穩(wěn)，產(chǎn)生松散層坍塌、風化巖滑坡、崩塌災害，危害周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路、附近區(qū)域及南東側擬建建(構)筑物安全。工程建設加劇BW1和H1活動的可能性、危害性及危險性中等至大。

(2)工程建設及運營中可能引發(fā)的地質(zhì)災害危險性預測

擬建項目建設的工程活動方式以填挖方為主，其它還有建筑物基槽(礎)開挖等活動。①填方區(qū)可能引發(fā)填土滑坡、坍滑、填土不均勻沉降等災害危害

圖2 基于GIS的建設項目地質(zhì)災害危險性評估模型Fig.2 Architecture of Geo-hazard evaluation of construction project based on GIS

擬建場地西側為填方，填方過程中，易引發(fā)填方邊坡失穩(wěn)、填土體滑移產(chǎn)生的填土滑坡、填土加載殘坡積層滑坡;因填土夯實、碾壓程度不夠，可能引發(fā)填土不均勻沉降、地面開裂等災害危害。其可能性、危害性及危險性中等至大。

②挖方區(qū)可能引發(fā)切層滑坡、垮塌、反向陡傾節(jié)理巖體的傾倒破壞等災害危害

擬建場地東側為挖方，開挖過程中，地表殘坡積層可能產(chǎn)生垮塌，下部強風化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、中風化砂巖巖體開挖地段巖體風化劇烈，巖體易沿層面產(chǎn)生切層滑坡、風化層垮塌、反向陡傾節(jié)理巖體的傾倒破壞等危害;開挖形成的高陡邊坡在施工過程中易失穩(wěn)，可能引發(fā)崩塌和滑坡危害，對施工人員產(chǎn)生危害。其可能性、危害性及危險性中等至大。

③基槽(礎)開挖可能引發(fā)槽壁垮塌和淺層滑坡災害

擬建工程建筑擬采用淺基礎型式建設，建設過程中開挖基槽(礎)，開挖深3～7m，支護措施不當或基礎施工不及時，在地下水或雨季降水浸泡等影響下，易引發(fā)槽壁垮塌和淺層滑坡災害，主要影響施工安全及工程進度，可能性、危害性及危險性中等至大。

此外，擬建項目為垃圾處理場，工程運營過程中可能產(chǎn)生滲漏危害，若污水處理站防滲措施不當，廢液可能沿松散層及風化層產(chǎn)生滲漏，易造成地下水、下游地表水及其土壤等污染危害。其可能性、危害性及危險性中等至大。

(3)工程建設可能遭受地質(zhì)災害危險性的預測

擬建項目為內(nèi)挖外填建設，易遭受外側填方、工程建設加載、地表亂排水引發(fā)的填土滑坡和殘坡積層、風化巖層加載滑坡;還易遭受內(nèi)側挖方邊坡引發(fā)的殘坡積和風化巖形成的松散層滑坡和風化巖滑坡;挖、填過渡區(qū)易遭受因加載引發(fā)的差異性不均勻沉降。其可能性、危害性及危險性中等至大。

2.2.3 綜合分區(qū)評估

根據(jù)地質(zhì)災害現(xiàn)狀評估與預測評估情況，結合評估區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、擬建工程分布特征等條件，利用GIS技術對擬建工程建設場地進行危險性分區(qū)，將評估區(qū)地質(zhì)災害危險性劃分為危險性大(Ⅰ)區(qū)和危險性中等(Ⅱ)區(qū)二級二區(qū)。在此基礎上，針對各個區(qū)段進行綜合評估，得到建設項目地質(zhì)災害綜合分區(qū)評估區(qū)(圖3)。由圖3可得，地質(zhì)災害危險性大(Ⅰ)區(qū)占評估區(qū)面積的39.27%，包含了所有的設計建筑用地、東部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路，涵蓋了所有挖方、填方及基槽(礎)開挖活動，現(xiàn)狀發(fā)育一潛在不穩(wěn)定斜坡BW1和滑坡H1;而地質(zhì)災害危險性中等(Ⅱ)區(qū)占評估區(qū)面積的60.73%，為工程建設區(qū)外圍地帶，區(qū)內(nèi)無任何建筑物，現(xiàn)狀地質(zhì)災害不發(fā)育。

總體，對這些可能加劇、引發(fā)和遭受的地質(zhì)災害及不良工程地質(zhì)問題，需采取多種措施處理，工程建設場地適宜性綜合確定為基本適宜。

圖3 建設用地地質(zhì)災害綜合評估圖Fig.3 comprehensive evaluation figure of construction land geological disasters

2.3 防治措施

根據(jù)評估區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，結合擬建工程各建(構)筑物具體布置情況及項目特點，建議采取以下防治措施:

(1)擬建場地處于斜坡上，開挖地段應按規(guī)范設計合理的放坡或開挖坡比，并對邊坡采取相應的工程措施進行治理;填方區(qū)支擋設施應注意基礎設置，旁邊擋土墻基礎建議放置于中等風化巖層上;填方前應將斜坡松散殘積層清除，防止填土下方形成軟弱層。

(2)該工程挖填方量大，工程建設過程中，應切實注意挖、填方邊坡的有效支擋，建議勘察工作針對場地穩(wěn)定性和支擋工程作專項勘察評價。

(3)填筑區(qū)回填時嚴格按國家現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定執(zhí)行，應在勘察的基礎上設計出可靠穩(wěn)定的支護方案，填筑前先在外側進行支護，選擇適宜的回填土采取分層碾壓、夯實，避免有粉土回填，避免回填出現(xiàn)臨空面，以防填土邊坡失穩(wěn)和產(chǎn)生不均勻沉降引發(fā)地面變形開裂。

總之，地質(zhì)災害防治應以“預防為主，預防與治理相結合”為原則，在工程建設及運營過程中，建設單位應提高地質(zhì)災害的防治意識，做好相關的防護措施，防止地質(zhì)災害的發(fā)生。

3 結語

本研究將GIS技術引入，綜合考慮研究區(qū)域地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構造與區(qū)域地殼穩(wěn)定性、巖土體工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、人類工程活動等影響地質(zhì)災害的諸多因素，判斷評估區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復雜程度。在此基礎上，依據(jù)地質(zhì)災害現(xiàn)狀評估和預測評估結果，綜合評估將區(qū)內(nèi)劃分為地質(zhì)災害危險性大區(qū)和地質(zhì)災害危險性中等區(qū)兩個區(qū)。得出:評估區(qū)現(xiàn)狀地質(zhì)災害中等發(fā)育，工程建設可能加劇、引發(fā)和遭受的地質(zhì)災害危害性及危險性中等至大，這些地質(zhì)災害可通過一定防治措施避免或減輕其危害，建設用地總體適宜性為基本適宜。該研究方法可為類似的地質(zhì)災害危險性評估提供參考價值，研究成果為擬建工程的勘察、設計、施工、征地及地質(zhì)災害防治與區(qū)劃等工作提供科學依據(jù)。

［1］季云，鄒堯慶.我國地質(zhì)災害中的問題及對策［J］.寧夏農(nóng)林科技，2012，53(3):93-94.JI Yun，ZHOU Yaoqin.Problems and countermeasures on geological disasters［J］.Ningxia Journal of Agriculture and Forestry Science and Technology，2012，53(3):93-94.

［2］程志剛，許光泉.基于GIS的地質(zhì)災害評價與預測［J］.淮南職業(yè)技術學院學報，2006，6(18):46-48.CHENG Zhigang，XU Guangquan.The evaluation and forecast of geologic hazard based on GIS ［J］.Journal of Huainan Vocational＆ Technical College，2006，6(18):46-48.

［3］余中元，帕拉提·阿布都卡迪爾，康健，等.地理信息系統(tǒng)在區(qū)域地質(zhì)災害危險性評估中應用研究——以新疆哈密市雙井子26號鐵礦區(qū)為例［J］.防災科技學院學報，2008，10(3):76-78.YU Zhongyuan，Parati-Abudukadir，KANG Jian.Risk evaluation of geological hazards based on GIS in arid and semi-arid regions——A case study of No.26 iron mine in Hami，Xinjiang ［J］.Journal of Institute of Disaster-Prevention Science and Technology，2008，10(3):76-78.

［4］左雙英，程欣宇，梁風，等.基于GIS的貴陽市地質(zhì)災害危險性評價［J］.地球與環(huán)境，2005，33(4):83-88.ZUO Shuangying，CHENG Xinyu，LIANG Feng.Geological hazards risk evaluation in Guiyang city on GIS ［J］.Geology-geochemistry，2005，33(4):83-88.

［5］Cooley T.Geological and geotechnical context of covercollapse and subsidence in mid continent US clay mantledkarst［J］.Environmental Geology，2002，42:469-475.

［6］胡成，陳植華，陳學軍.基于ANN與GIS技術的區(qū)域巖溶塌陷穩(wěn)定性預測——以桂林西城區(qū)為例［J］.地球科學-中國地質(zhì)大學學報，2003，28(5):557-561.HU Cheng，CHEN Zhihua，CHEN Xuejun.ANN-and GISBased regional prediction of cover-collapse probability:a case study in west part of Guilin city ［J］.Earth Science-Journal of China University of Geosciences，2003，28(5):557-561.

［7］雷明堂，蔣小珍.城市巖溶塌陷災害風險評估方法——以貴州六盤水市為例［J］.火山地質(zhì)與礦產(chǎn)，2000，21(2):118-127.LEI Mingtang，JIANG Xiaozhen.Risk assessment of karst collapses in Liupanshui，Guizhou，China ［J］.Volcanology＆ Mineral Resources，2000，21(2):118-127.