工程環境的巖土勘察與地質災害評價方法

朱 剛

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局七總隊，貴州 貴陽 550000）

滑坡、崩塌以及泥石流是威脅礦區公路和礦區安全運營的重要因素。隨著我國礦產資源快速發展。礦區開挖爆破以及其他大型人類工程活動可能會加速不良地質災害的形成和發生，因此，開展礦區巖土工程勘察與地質災害評估是非常必要的。

本文依托某礦區公路沿線開展地質災害的層次分析研究，建立了相關的數學模型，并對研究區地質災害的易發性進行分級。研究可為相關地質災害評估與預警提供依據。

1 研究區地質環境概況

1.1 地理位置

研究區地勢總體呈現出西高東低的特點。研究區為典型中低山剝蝕地貌（圖1），地表沖溝，陡坎非常發育，地形地貌復雜[1-3]。中南邊緣溝谷底部為最低點，海波1163m；勘探區西北部山梁為地形最高點，海波1545m。最大海拔高差為380m，一般相對高差介于190m～280m。

圖1 研究區地形地貌

1.2 氣象水文

研究區主要發育溝谷季節性河流，受地形地貌的控制，排水條件較好，雨季降水能夠順勢排泄區外（圖2）。該地區多年平均氣溫約14℃，7月溫度最高，最高值為30℃左右，無霜期在190天左右。每年一月、二月為氣溫最低的月份，最低值可達-15℃左右。年均蒸發量為1718mm，年平均降水量為456mm，7-9月為該地區雨季，降水量約占全年的65%。

圖2 溝谷季節性流水

1.3 地層巖性

根據區內收集的地質資料綜述如下：

1.3.1 奧陶系中統峰峰組（O2f）

上部由灰色、青灰、灰黑中厚、厚層泥晶灰巖組成。灰巖質純，巖性比較穩定，但是局部地段的下部夾有泥質灰巖層、白云質灰巖，厚70m。下部主要由灰色中厚層灰巖和淺灰色泥灰巖組成，局部夾有石膏層，角礫狀構造比較發育。

1.3.2 石炭系（C）

該巖層與上覆地層呈整合接觸。由下至上分別為：

（1）中統本溪組（C2b）：由厚度21m的鋁土巖、泥巖夾灰巖組成。與下伏奧陶系中統呈平行不整合接觸。

（2）上統太原組（C3t）：巖性組合主要為碎屑巖、碳酸鹽巖交錯出現，呈互層狀。地層厚度80.30m～111.60m，平均92.10m，與下伏本溪組呈整合接觸。

1.3.3 二疊系（P）

（1）下統下石盒子組（P1x）：巖性組合為碎屑巖及泥質巖，最小厚度94.71m，最大厚度118.74m，平均厚度106.70m，與下伏山西組整合接觸。

（2）上統上石盒子組（P2s）：主要由厚度349.45m～400.44m，平均厚度為370.84m的綠色砂巖與紫紅色泥巖組成。

1.3.4 第四系（Q）

厚度介于0～30m，主要分布于研究區山梁、山坡和溝谷中。主要成分為灰黃色粘土和亞粘土，土層中多含有鈣質結核。

1.4 構造活動

研究區所在位置為紫荊山斷裂帶，該斷裂帶東南側抬升隆起，軸部呈北東—南西展布，兩翼地層產狀平緩，傾角4° ～9°。

1.5 地震活動

研究區地震地質條件簡單，淺層出露巖性為相間帶狀分布的砂質粘土、粘土沙礫石層及松散洪積物等，中北部黃土覆蓋層在3m～12m之間，并混有厚度不均勻的鈣質結核。

2 地質災害危險性評價模型

層次分析法、模糊綜合評價法以及神經網絡法等是目前主流地質災害評估方法。本文研究中，由于影響地質災害的因素較多，因此需綜合考慮多因素間的耦合作用[4]。本文選取的層次分析評價方法，可以使評價不受主觀性影響。該方法技術路線如圖3所示。

圖3 評價技術路線圖

2.1 評價因子選取

根據現場調查與專家意見，本文共選取6個因素作為模型的評價因子，分別為：構造活動、水文地質、地形坡度、降水量、地層巖性和地震。

2.1.1 地質環境條件

地形地貌及基礎地質條件是地質環境條件的主要兩個方面。當前相關研究表明，地形地貌中斜坡坡度是影響地質災害發生最重要的因素[5]。綜上本研究中的地質條件選取的次級因素有三個，分別是：地層巖性、水文地質、坡體結構。

2.1.2 誘發因素

地災誘發因素可以劣化巖土體物理力學性質，從而導致地質災害發生。本文選取的影響地質災害的誘發因素有：地震、降水量。

2.2 模型建立

通過現場調查研究區的地質環境，創建分層遞階模型。模型中分為4個層次：目標層、約束層、指標層和對象層。其中，目標層是模型的最高層；約束層為研究區地形地貌的專家評價結果，評價指標包括斷裂、坡度降水量等因子；指標層為通過對各影響要素指標劃分評價，并參考專家意見和調查情況；對象層為地質災害危險程度評價的最終結果。最終，本文將研究區內的地災劃分為3個等級，為：低度、中度以及高度危險區。

2.3 權重確定

2.3.1 判斷矩陣構造

使用1-9標度對本文的重要性判斷結果進行量化，最終得到矩陣判斷含義見表1所示。基于目前評價標準的研究現狀，評價方式較為單一，沒有全面的考慮到不同指標及其之間的相互作用[6]。為了使評價結果更精確和直觀，本文的評價依據采用不同指標、各評價因子災害點空間分布情況，利用災害點的分布密度之比，量化各評價因子的相對影響程。

表1 矩陣判斷含義

表2匯總得到了各評價因子地質災害點統計。評價因子有6個，分別為：地表水系、斷裂、斜坡坡度、地震、地層巖性和降水量。根據M3/M1的結果，對矩陣中各評價因子進行取值，具體見表3。

表2 各評價因子地質災害點統計

表3 地質災害危險程度預測判斷矩陣取值

2.3.2 層次單排序及其一致性檢驗[8-11]

在進行地質災害影響因素評價時，通常傳統手段為檢驗判斷矩陣模型。判斷矩陣的一致性檢驗分為4步：

（1）獲取矩陣的最大特征值：

（2）確定一致性比率：

（3）獲取一致性指標IR。

（4）獲取一致性比例Rc=Ic/IR。

模型要求矩陣一致性要滿足的條件是Rc＜0.1。根據本文計算結果Rc=0.025＜0.1，滿足一致性要求。

表5得到了各評價因子的權重指標IR的具體值。結果表明，斜坡坡度是影響地質災害最重要的因素，其權重因子數值為0.35；其次是地表水系，權重值為0.25；斷裂因素的權重為0.14；地層巖性權重值排名第4，權重值為0.12，與其他兩項相比顯著下降，這與現場調查情況相符[7-9]。此外，降水量和地震的權重值比較小，證明，該兩因子對地質災害的危險性影響比較小。

表4 平均隨機一致性指標IR的數值

表5 各評價因子權重分配表

2.4 評價因子權重量化

在確定評價指標分類值和指標權重值基礎上，進一步計算得到最終權重值（表6）。根據表6結果，進一步得到研究區地質災害的危程度：

表6 地質災害危險程度預測評價因子分級標準

其中，Di表示危險性評價中權重分值，D表示地質災害危險程度，Ai表示評價指標分值。

2.5 計算過程

本文基于ArcGIS10進行計算。計算過程為：首先根據空間信息的權重進行區域劃分。在新的圖層中，在進行疊加計算之前，要進行評價因子權重賦值的操作，再將重新分類的6個文件進行求和操作，最終就可以得到各個獨立的危險性指數值。

2.6 結果與分析

研究區地質災害危險程度的劃分標準，可采用標準差方法，并同時考慮現場調查結果和專家評價法得到，具體如表7所示。

表7 研究區危險度劃分級別

研究區地質災害的分布情況以及所占的比例，可根據GIS評價結果獲得，見表8所示。結果表明，研究區低危險度公路里程共14km，占總距離的22%；中度危險區里程合計35km，占總長度的53%；高度危險區公路里程共15km，占總距離的25%。綜合來看，本研究區沿線公路地質災害危險以中度危險為主，根據本文結果，實際工程中應該對高度危險區采取一定的防護措施，至于中度風險區，應以預防為主，做好提前預警工作。

表8 研究區地質災害危險性分布

3 結語

本研究采用層次分析方法建立了某礦區地質災害危險度評價模型，得到以下幾個結論：

（1）建立層次分析數學模型需要對研究區的地形地貌、地層巖性以及水文地質條件進行調查，并對各個因素進行詳細分析。

（2）層次分析法可以用于地質災害危險程度劃分，本研究區沿線公路地質災害危險以中度危險為主，中度危險路線長度占比為53%。

（3）針對高度危險區應及時采取一定的防護措施，對中度危險區做好預防預警工作。