伊寧市巴彥岱鎮某礦山建筑工程地質選址適宜性評價

曹小紅，許濤，尚彥軍,2，王偉中，劉鍇，李巧學，蔡明明，尚善宇

（1.新疆地質災害防治重點實驗室（新疆工程學院），新疆 烏魯木齊 830000；2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029）

如何通過科學合理的選址，避開地質災害危險性較大區域，選擇地質條件適宜的建筑場地，成為工程選址首要考慮問題[1]，也是規范要求的地質災害安評內容。從普通民房建設到摩天大樓，從小型水電站到高技術核電站建設，已形成一套較完整的工程選址地質安全技術規范[2]?；诨顒訕嬙臁⒌厍蛭锢韴?、巖土體條件、地質災害、地下水熱、地殼應力-應變等內外動力因素的區域調查和綜合分析，開展地質災害安評，揭示工程與地質環境的相互作用[3-6]。同時GIS空間分析及數值模擬方法在地質災害危險性及工程選址適宜性評價中應用較廣[7]，并逐漸形成GIS數據集為基礎，空間分析及數值模擬相結合的系統評估方法。

本文以伊寧市巴彥岱鎮某礦山建筑工程選址為例，在現場調查基礎上，開展GIS空間分析和數值模擬，分析地質災害危險性，評價工程場地適宜性，為工程安全和人民生命財產安全提供科技支撐。

1 區域環境地質

建筑場地位于伊寧市北緣的巴彥岱鎮，地理坐標為E81°22′30″，N44°03′21″，總面積292565.76 m2。西南側160 m 處為鐵廠溝煤礦，為方便鐵廠溝煤礦運輸已建設鐵路，東側約600 m處為阿勒瑪勒路。

大地構造上位于鞏乃斯河-伊犁河斷陷盆地中部，界梁子背斜的傾伏端。地層總體呈向東傾斜的單斜構造，走向95°～112°，傾角12°，場地內未發現斷裂構造。本區新構造運動以區域性抬升為主，沉積范圍不斷縮小。巖土體類型主要為中厚層狀軟弱砂巖、泥巖、砂礫巖巖組（含煤層）和黃土或黃土狀單層土體、砂礫石雙層土體[8-9]。建筑場地西南約200 m外為鐵廠溝河，為常年性流水河流，干旱年份有斷流現象，大氣降水及北部山區冰雪融化水為主要補給來源。河溝內平時無水，降水及融雪季節可形成短暫水流，沿常年沖刷形成的沖溝注入下游的鐵廠溝河[10-11]。建筑場地內人類工程活動為礦業開采。建筑場地內西南側D2調查點附近存在一處采砂場，其開采影響下形成一個長約1 km、寬約0.5 km、深15～20 m 的采坑，坑壁目前存在輕微土質崩塌。建筑場地內西南側D5調查點附近有一處陶粒礦，受采礦活動影響，其工作面多形成高陡邊坡，存在崩塌現象。

2 地質災害發育特征

2.1 滑坡

研究區內高程746～843 m，建筑場地內風化作用較強，形成緩坡狀壟崗狀山丘。山丘高度30 m，坡度為2°～15°，局部坡度達30°[12]。山梁和谷地兩側山麓地帶有厚約10 m 的黃土，結構松散、土顆粒間粘聚力差、孔隙率較大，對斜坡穩定性有不良影響[13]。

建筑場地內林區全采用滴灌方式，難以因灌溉用水使用不當形成滑坡。周邊建筑物基本為單層建筑，基坑開挖深度一般小于2 m，局部偶見少量切坡工程，工程量較小，不會引發新的滑坡地質災害問題。因此，人類工程活動引發滑坡的可能性較小。綜合以上對滑坡影響因素分析，結合土質邊坡允許坡度值判定，建筑場地內不易發生滑坡。

2.2 崩塌地質災害

建筑場地內崩塌災害有2處（編號為B1，B2），均在建筑場地西南側。

B1 崩塌點為一小型采砂場，陡坎近EW 向。受開采活動影響，B1 崩塌區域已形成一個長約1 km、寬約0.5 km、深15～20 m的采坑。采坑局部邊坡坡度為70°～80°，陡坎沉積物為第四系上更新—全新統沖洪積卵礫石，底部有崩塌堆積物雜亂堆積。堆積物中最大塊體大小為5×10×20 cm，堆積物總體積約20 m3，斜坡巖體穩定性較差[14]。該崩塌緊臨簡易道路，易對接近陡坎下方人畜及車輛造成威脅（圖1-a）。

圖1 建筑場地內地質災害發育情況Fig.1 Development of geological hazards on the building sitea——B1崩塌點；b——B2崩塌點；c——建筑場地遙感影像圖；d——泥石流現場照片

B2 崩塌點為一處陶粒礦，受采礦活動影響，工作面多形成高陡邊坡，局部坡角60°～80°。陡坎主要由侏羅系砂巖構成，底部發育少量崩塌堆積物，體積約0.2 m3，斜坡巖體穩定性較差，崩塌規模為小型。該崩塌緊臨施工簡易道路，易對接近陡坎下方人畜及車輛造成威脅（圖1-b）。

2.3 泥石流地質災害

建筑場地西南側“V”型溝谷具發育泥石流的條件（圖1-c）。該溝谷內及附近有明顯的泥石流流動痕跡（圖1-d），溝谷長約534 m，寬50～150 m，深5 m，坡度15°～30°，縱坡降10‰。泥石流堆積區位于溝谷西側，在堆積扇下游有數間民房。溝谷內地下水和地表水對泥石流的形成起關鍵作用。溝谷內為季節型河流，該地區5、6、11月水量最大。11月份該地區氣溫較低，高降水量多為降雪造成，因此3、4月份冰雪融化時需提防泥石流的發生。溝道內有少量堆積物，約為8 m3，泥石流規模為中型。

2.4 地面塌陷地質災害

建筑場地內目前無地下開采活動。西南側D10調查點附近，在20 世紀50～60 年代曾有小煤窯采礦活動，采深一般小于60 m。經多年自然塌落，地表零星可見小型塌陷坑痕跡[15]。地面塌陷基本穩定，危險性小。

3 地質災害危險性分析

地質災害發育特征分析表明，建筑場地內滑坡災害不易發生，危險性較小。影響工程選址主要的地質災害為崩塌、泥石流和地面塌陷。

3.1 崩塌

通過對崩塌的運動學計算，判定崩塌影響范圍。首先，計算崩塌塊體的初速度v0，公式為

式中g——重力加速度，m/s2；H——崩落高度，m；α——坡度，°；K——對崩落運動綜合計算系數，由現場試驗統計方法取得。其中：

因坡角為60°～80°，據現場試驗，φ取0.52～1.00。得出初速度v0后，計算其水平初速度vx和垂向初速度vy。

再根據垂向速度計算下落的時間t

最后計算崩塌塊體的水平運動距離X。

計算發現，距離斜坡3 m范圍內崩塌塊體會對車輛、行人造成威脅（圖2）。

3.2 泥石流

采用有限元與離散元程序耦合計算方法，對建筑場地內主沖溝泥石流災變過程進行分析（圖1-c），評估泥石流危險性。泥石流溝谷建模采用ArcGIS與Rhino6結合方法，并與FLAC3D模擬相結合進行評估。

基于Rhino6泥石流溝谷建模完成后將模型導入FLAC3D中（圖3），用反向消除方法在堆積體中生成模擬泥石流的球。對泥石流溝谷、等效泥石流顆粒和它們之間的接觸關系進行賦值。賦值參數來自PFC中的三軸壓縮模擬實驗（表1，2）。

表1 等效泥石流顆粒的屬性T able1 Propertiesofequivalentdebrisflowparticles

表2 泥石流接觸關系T able2 C ontactrelationsbetweenM udslides

賦值完成后，對泥石流溝谷的各個面施加約束，給整個空間施加重力加速度，使球可在重力作用下沿泥石流溝谷滾動。在泥石流流通區始末兩端設置監測點，監測該點所受到的最大主應力（圖4）。

通過對泥石流模擬得出泥石流發生分為4 個階段（圖5）。第1 階段：泥石流開始運動，堆積體前端的球先開始沿著泥石流溝谷向下滾動，堆積體頂端的球因為和泥石流溝谷有一定高差，在重力作用下部分開始沖擊溝谷兩側的陡壁；第2階段：泥石流大部分進入流通區并加速運動，流速達到最大值，破壞力最強；第3 階段：泥石流接觸溝谷底部并開始回彈，回彈最大高度達16m；第4階段：泥石流的運動速度持續降低，直到在堆積區堆積停滯。

圖5 FLAC3D模擬泥石流運動四個階段Fig.5 FLAC3D simulates four stages of mudslide movementa——泥石流啟動階段；b——泥石流加速下滑階段；c——泥石流觸底反彈階段；d——泥石流堆積階段

通過編寫Fish 語言對泥石流平均流速、平均位移進行監測（圖6-a，b）。結果表明，該泥石流最大流速14 m/s，屬快速，危險性很大；泥石流最大位移42.5 m，流速最大時水平位移為37 m。據牛頓第二定律推演公式（7），考慮溝道內泥石流體積為8 m3，密度為2.3 g/cm3，計算泥石流的最大沖擊力F為48.74 kN。

圖6 泥石流平均流速和位移變化曲線Fig.6 Mean flow velocity and displacement change curves for debris flowsa——平均流速；b——平均位移

3.3 地面塌陷

鐵廠溝煤礦東邊界是以鐵廠溝河西岸為界，邊界預留20 m 保護煤柱，煤層向南傾斜，傾向方向的塌陷對建筑場地無影響。沿煤層走向向東發展的塌陷會對建筑場地產生影響，需通過計算進一步確定（圖7）。采用地面變形成盆理論評價地面塌陷的影響范圍，在采空區地面塌陷、變形影響范圍內，從中心向邊緣依次可劃分出塌陷區、變形區和穩定區。計算地表移動范圍時，采用移動角計算范圍，并將所得范圍列入不穩定區段。在不穩定區段外采用邊界角計算范圍，所得范圍列入變形區段。

圖7 地面塌陷影響帶寬度計算示意圖Fig.7 Schematic diagram of the calculation of the width of the ground collapse impact zone

通過計算得出，D1地面塌陷影響帶寬126.09 m，該區地表產生地面塌陷坑及伴生地裂縫，危害當地居民及牲畜的安全；D2 地面塌陷影響帶寬52.63 m，為地面變形區，該區主要受地面塌陷影響，在地表產生變形引發地裂縫，對地表建筑物會有不良影響。建筑場地內現存在一處采空塌陷區，現狀評估其危險性小。

3.4 崩塌、塌陷和泥石流緩沖區

據地質災害位置和形態將地質災害逐一矢量化。沿泥石流運動方向繪制線要素，沿崩塌陡壁走向繪制線要素，據所給坐標繪制塌陷點要素。利用ArcGIS中多環緩沖區功能繪制地質災害的影響范圍。對幾類地質災害分析，將影響范圍進行劃分（表3），得到地質災害危險性分區圖（圖8）。

表3 地質災害影響范圍劃分T able3 C lassificationofthescopeofimpact ofgeologicalhazards

圖8 地質災害危險性分布圖Fig.8 Geological hazard distribution map1.高危險區；2.中危險區；3.低危險區；4.極低危險區

4 場地適宜性評價

采用基于GIS 的賦值法對建筑場地適宜性進行評價，達到選擇合適場地開展工程施工的目的。本文采用坡度、坡向、高程、地質災害等4 個影響因子對建筑場地適宜性進行評價，各因子對場地適宜性的影響分析如下。

坡度坡度影響斜坡體中應力分布情況，坡腳處剪應力集中帶和坡肩處拉應力集中帶范圍隨坡度增大而增大，使斜坡體更易變形和破壞。坡度增大也增加施工難度，坡度較陡區域的工程量和施工成本均有所提高[16]。同時，坡度增大、水土流失情況更嚴重，更易發生滑坡、泥石流等地質災害。

坡向坡向對斜坡體接受的日照時間、輻射強度和風力侵蝕有較大影響。南坡接受的輻射最多，次為西南坡和東南坡，再次為西北坡和東北坡，北坡受輻射影響最小。斜坡體接受的輻射越強烈，坡體表面的蒸發量就越大，巖土體更易達到非飽和狀態，從而降低滑坡啟動的臨界值。迎風坡受風力侵蝕的影響，這種現象在新疆尤為明顯，因為建筑場地主要受東風影響，所以東坡場地適宜性明顯低于西坡[17]。

高程高程越大，建筑場地受風化程度越高。如建筑場地為斜坡體，隨斜坡體高度的增大，斜坡體各點的應力差值不變，各點應力值均增大[18]。

地質災害地質災害具有復發性和不穩定性特點，已經發生的地質災害可能在原處或附近復發。一種地質災害發生后，常誘發其他災害發生，并影響建筑場地內地形地貌，對建筑場地適宜性產生不良影響[19]。

綜合以上影響因子對場地適宜性的不同影響，對因子進行賦分（表4），分值高代表場地適宜性較好。對建筑場地內影響因子進行分析，得到建筑場地適宜性分布圖和影響因子分級圖（圖9）。

表4 場地適宜性影響因子分級標準T able4 SiteSuitabilityImpactF actorG radingC riteria

圖9 場地適宜性影響因子分級及適宜性分布圖Fig.9 Grading of Site Suitability Impact Factors and Suitability Distribution Mapa——高程分類分級圖；b——坡度分類分級圖；c——坡向分類分級圖；d——場地適宜性分布圖

圖9-a～c 顯示建筑場地整體呈東北高西南低形態，坡向為SW向。因此建筑場地東側高地起到阻擋東風作用，使建筑場地受到風力侵蝕的影響減少，但仍需預防風力對東側高地侵蝕導致的巖土體松動。建筑場地西南側斜坡體坡度較陡，較陡斜坡體位置與地質災害影響范圍有一定重合。陡坡增加了地質災害復發的可能性，需對坡度較陡場地適宜性不良區域進行長期監測。通過建筑場地適宜性分布圖可看出（圖9-d），建筑場地西南側不適宜進行施工，西北側場地適宜性良好[20]。

5 結論

（1）經分析計算，伊寧縣巴彥岱鎮滑坡災害危險性較?。槐浪鸀暮χ饕l生在距離斜坡3 m范圍內，崩塌塊體對車輛、行人造成威脅；D1 地面塌陷影響帶寬126.09 m、D2 地面塌陷影響帶寬52.63 m；地面塌陷在地表產生變形、引發地裂縫，對地表建筑物有一定不良影響；區內泥石流屬快速型，危險性很大。

（2）在伊寧市巴彥岱鎮及周邊礦山建筑工程選址時，建筑場地西南側不適宜進行施工，建筑場地西北側場地適宜性良好。