应用递进分析法对广州金沙洲地区地质灾害的评价分区

吕镁娜，黄健民，邓雄文，郭 宇

(广州市地质调查院，广东 广州 510440)

0 引言

地质灾害的频繁发生，给人类生命财产带来严重损失。金沙洲地处广花盆地，总面积8.26km2，该地区自2007年以来，人类工程活动逐渐增多，由此引发多起岩溶地面塌陷和地面沉降地质灾害，严重威胁区内居民的正常生活。前人对此所做的研究多为成因和机理、分布和防治对策［1-9］，而对金沙洲地区地质环境条件进行科学的评价分区也同样重要。国内地质环境质量评价开始于20世纪90年代初，已经从凭借专家经验的定性评价到半定量预测发展成了现今的定量评价。运用比较成熟且最常用的评价方法，主要有信息量法、综合指数评价、模糊综合评价、灰色系统评价及人工神经网络模型等［7］。根据金沙洲地块的地质环境条件和地质灾害勘查工作程度，本文拟用递进分析法对金沙洲地质灾害进行评价。

1 递进分析法

2001年，刘传正发表了区域地质灾害调查评价与监测预警新思维，初步提出了包括“发育度”、“潜势度”、“危险度”和“危害度”概念的递进分析思路［10］。

具体步骤总结如下:(1)开展区域地质灾害综合调查;(2)建立区域地质灾害空间数据库;(3)研究区内地质灾害分布与区域地质条件，地形条件、水系统、人类工程活动等的关系，为选取评价因子提供依据;(4)提取评价因子体系，建立适合研究区域地质灾害评价的“四度”数学模型;(5)在满足一定精度比例尺数字化图上划分计算单元，分别计算研究区域地质灾害“发育度”、“潜势度”、“危险度”和“危害度”;(6)根据计算结果和应用目的，把相同或相近级别的图斑合并，分别编制区域地质灾害“四度”区划图;(7)根据“四度”区划结果得出区域地质环境评价结果。上述7个步骤构成区域地质灾害评价预警的时空递进分析理论与方法，简称“四度”递进分析法(AMFP)［11］。该方法在三峡库区(54175km2)和四川雅安(1067km2)进行了应用，结果是可信的［12］。

2 地质环境条件

广州市气温较高，降雨量充沛，金沙洲四面环水，地表水系发育，地形起伏较大，西北为低丘陵地貌，东南部以平原地貌为主。

根据1∶5万佛山市幅、江高幅地质图和1∶25万广州市幅区域地质调查报告以及本项目的综合调查和钻探揭露，金沙洲外围出露地层有泥盆系帽子峰组，石炭系大赛坝组及测水组，白垩系白鹤洞组及第四系桂州组;隐伏地层有石炭系石磴子组及壶天群，侏罗系金鸡组，白垩系大塱山组(图1)。

图1 区域地质图Fig.1 Area geological situation1—检测组:海冲积相、粉砂、混砂、淤泥、粘土、淤泥质粘土、亚粘土;2—大赛坝组:砂岩、页岩、炭质页岩;3—岩层产状;4—白鹤洞组:上部泥质粉砂岩、石英粉砂岩、泥岩、次英安斑岩、下部含砾粗粒砂岩、砂砾岩、粉砂岩;5—帽子峰组:石英砂岩、粉砂岩、页岩;6—推测断层;7—测水组:砂岩、含砾砂岩、夹砂质泥岩、泥岩;8—实测断层;9—隐状断层

金沙洲区内出露的地层有石炭系大赛坝组、测水组及第四系桂州组;隐伏地层有石炭系石磴子组及壶天群和白垩系大塱山组，并有小面积侵入岩脉分布，仅在金沙洲新社区Ⅰ标段一带揭露到正长斑岩。

据地质资料，金沙洲位于广花盆地南部，水口背斜南段东翼，外围发育北西向白坭断裂、沙湾断裂，北东向广从断裂、沙涌断裂等。受区域地质构造影响，金沙洲地区小型褶皱和断裂构造发育。

3 金沙洲地质灾害“四度”分析

3.1 地质灾害发育度

金沙洲主要以平原和低丘陵地貌为主，低丘陵受剥蚀作用强烈，坡度较缓，多为10°～25°因此崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害不多。

据本项目地质灾害调查，2007年以前，区内仅零星分布地面沉降地质灾害。2007年下半年起，区内人类工程活动日益频繁，包括西部低丘修建简易公路、高压电线塔基座及商住楼盘开发，东部平原地带商住楼盘开发、解困房建设及武广客运专线隧道开挖等。至2012年6月，金沙洲共发生地质灾害45宗，均为岩溶地面塌陷及地面沉降地质灾害两种类型，其中岩溶地面塌陷地质灾害24宗，占地质灾害总数的53.3%;地面沉降地质灾害21宗，占地质灾害总数的46.7%，地质灾害均发育于金沙洲平原地带(图2)。

图2 金沙洲地质概况及地质灾害分布图Fig.2 Distribution of geological disaster1—石炭系大赛坝组;2—石炭系石磴子组;3—石炭系测水组;4—石炭系壶天群;5—侏罗系正长斑岩;6—白垩系大塱山组;7—塌陷点;8—沉降区;9—断裂;10—金沙洲界线

3.2 地质灾害潜势度

可溶性岩石，金沙洲主要以石炭系地层为主，广泛分布于西部低丘陵地带并隐伏与东部冲击平原之下，包括下统大赛坝组、石磴子组、测水组和中上统壶天群。其中下统石磴子组(C1^S)岩性主要为灰～灰黑色中厚层状灰岩。钻探揭露，石磴子组灰岩节理裂隙发育，部分裂隙被方解石脉充填，局部岩石破碎，岩石溶蚀现象显著;中上统壶天群(C2+3h)岩性为灰白色灰岩，隐晶质结构，中-厚层状构造，为金沙洲纯度最高的可溶岩，钻探揭露，岩石岩溶洞隙发育，常呈串珠状产出。因此在石磴子组、壶天群和白垩系大朗山组地层中，主要为粉砂质泥岩和灰岩等可溶岩溶洞比较发育，易发生地面塌陷、地面沉降地质灾害。

金沙洲断裂构造发育，大部分为北东向断裂，在西北部低丘陵地带有少数北西向次级断裂。其中浔峰断裂(F3)、沙贝断裂(F4)和保利西子湾断裂(F5)贯穿金沙洲东部平原地区，均为张性断裂。可溶性灰岩较破碎，结构松散，溶蚀作用增强，地下水连通性也较高，是岩溶发育增强，易诱发地质灾害。

地下水也是金沙洲岩溶发育的影响因素之一。金沙洲降雨量丰富，地下水补给来源丰富且富含CO2，对可溶岩具有较高侵蚀性。地下水对可溶岩溶蚀的结果，使浅部岩溶发育强于深部。

不良土体的分布为地面沉降等地质灾害提供条件。金沙洲地区金沙洲软土分布面积较大，占金沙洲总面积的56.4%，最大厚度达18.80m，平均厚度超过5m。内软土具有厚度大、含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、承载力低等地质特征。

3.3 地质灾害危险度

根据资料显示［13］，金沙洲2007年以前，金沙洲在自然气候条件下，无地面塌陷地质灾害发生。2010～2012年间，在极端天气条件下，金沙洲所发生的2宗地面塌陷地质灾害，均显示与降雨天气无直接关系。

金沙洲内某隧道施工为主要的人类工程活动，引起区域性地下水剧烈波动，对区内地质环境产生直接而明显的影响。人类施工抽排地下水及爆破都是诱发区内地面塌陷和地面沉降地质灾害的主要因素。金沙洲已发生24宗地面塌陷地质灾害，全部集中分布于某隧道施工两侧400m范围内，且发生时间与隧道施工抽排地下水引起地下水剧烈波动呈对应关系。

3.4 地质灾害危害度

金沙洲地区约有5万人，面积为8.26km2，95%以上居住人口均分布于东部平原地带，已发生的岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害直接威胁区内人民群众的生命财产安全。

4 评价内容

对金沙洲地块，按100m×100m划分网络单位，共计810个。

4.1 发育度评价

“发育度”(F)是代表区域灾害频率(f)、面积(S)和体积(V)等特征的函数，表示为:

为了建立反映实际情况的地质灾害“发育度”计算模型，首先对上述三方面指标进行无量纲化处理。

(1)地质灾害频率比

设第i单元内灾害频率为fi，单元面积为Si，单元内灾害的频率密度为ρfi;整个研究区面积为S，灾害总数为f，总频率密度为ρf，则第i单元灾害频数比为:

式中:ρfi=fi/Si;ρf=f/S

同理，第i单元面积模数比为:

式中:ρsi=si/Si;ρs=s/S

第i单元体积模数比Rvi为:

式中:ρvi=vi/Si;ρv=v/S

结合大量的实践和三峡库区地质灾害综合研究可以建立如下一般公式:

金沙洲地区内发生地质灾害仅为地面沉降和地面塌陷，根据区内地质灾害发生时间，面积和体积，计算金沙洲地质灾害发育程度，Fi＜2，为地质灾害不发育，2＜Fi＜6为地质灾害中等发育，Fi＞6为地质灾害强发育(图3)。

图3 金沙洲地质灾害发育度评价结果图Fig.3 The evaluation of geological disaster hazard in Jinshazhou

4.2 潜势度评价

地质灾害“潜势度”是指某一地区在没有任何降雨、地震和人类活动等诱发因素影响下地质环境孕育地质灾害的潜在能力。

计算公式可写成:

式中:q1，q2，q3，，…，qn—反映地质灾害潜势的因素值。

如采用综合指数模型，(5)式可写成:

本研究评价因子包括:可溶岩分布面积q1;地下水活动q2;断裂活动强度q3;软土层厚度q4;根据专家意见，权重值依次为3、3、2、2，利用上述模型计算金沙洲地质灾害潜势度，Qi＞7为地质灾害高易发区;7＜Qi＜5为地质灾害中易发区;5＜Qi＜3为地质灾害低易发区;Qi＜3为地质灾害不易发区。具体分布情况如图4所示。

图4 金沙洲地质灾害潜势度评价结果图Fig.4 The evaluation of geological disaster potential in Jinshazhou

4.3 危险度评价

地质灾害“危险度”是指一定时间内某空间区域在某种诱发因素作用下发生地质灾害的可能性，是在潜势度分析基础上迭加诱发因子进行的，其数学模型与计算模型一致，同样采用综合指数模型。

经本项目研究显示，金沙洲地区的地质灾害诱发因素主要为人类工程活动引起的地下水波动。因此本研究区地质环境危险度评价只在上述潜势度评价的基础上考虑人类工程活动一个因子对区内地质环境的影响。区内人类工程活动主要为南部某隧道开挖及东部地区在建楼盘，主要集中在金沙洲的东南部。应用上述模型得金沙洲地区地质灾害危险度评价结果如图5。

图5 金沙洲地质灾害危险度评价结果图Fig.5 The evaluation of geological disaster risk in Jinshazhou

4.4 危害度评价

金沙洲岩溶地面塌陷及地面沉降地质灾害严重影响居民的正常生活秩序，并威胁人民群众的生命财产安全，在群众中造成一定程度的心理恐慌。

地面塌陷共损坏民房16幢，建筑面积约4270m2;损坏道路、场地面积约3110m2;损坏农田、绿化带面积约530m2。金沙洲岩溶地面塌陷地质灾害造成的直接经济损失约1303.15×104元，根据地质灾害灾情分级标准，确定为特大型地质灾害灾情。

金沙洲地区地面沉降地质灾害损坏建筑物面积约153516.5m2，损坏道路及地面面积约24562m2，造成直接经济损失26611.60×104元。目前地面沉降地质灾害仍潜在威胁新社区及源林花园约780人的生命财产安全，金沙洲地面沉降地质灾害造成的直接经济损失约26611.60×104元，根据地质灾害灾情分级标准，确定为特大型地质灾害灾情。

5 结论及建议

5.1 结论

根据对金沙洲地区地质环境进行的“四度“分析结果，将上述结果进行叠加，得出金沙洲地区地质灾害分区预测评价结果(图6)。

图6 金沙洲地质灾害综合评价结果图Fig.6 The synthetic evaluation of geological disaster in Jinshazhou

5.1.1 地质灾害高易发区(Ⅰ)

地质灾害高易发区(Ⅰ)分布于金沙洲新社区、金沙中学、金沙小学及传芳小学一带，武广客运专线金沙洲隧道通过该区，高易发区总面积1.558km2，约占金沙洲总面积的18.86%。

5.1.2 地质灾害中易发区(Ⅱ)

地质灾害中易发区(Ⅱ)分布于金域蓝湾、源林花园、向南街、中海金沙馨园及横沙村西北侧一带，中易发区面积1.916km2，占金沙洲总面积的23.2%。

5.1.3 地质灾害低易发区(Ⅲ)

地质灾害低易发区(Ⅲ)分布于保利西子湾、恒大绿洲、白云中学、横沙村、沙贝村及凤冈村一带，低易发区面积1.138km2，占金沙洲总面积的13.77%。

5.1.4 地质灾害不易发区(Ⅳ)

地质灾害不易发区(Ⅳ)分布于金沙洲西部丘陵地带及金沙洲新社区一带，不易发区面积3.1km2，占金沙洲总面积的37.5%。

5.2 建议

(1)由于金沙洲地区地质环境条件复杂，建议加强隧道两侧的建设工程，特别是隧道结构外边线外侧50m范围内的安全控制保护区内的建设工程对隧道安全影响的评估工作，并且加强对金沙洲段隧道沿线地面沉降监测以及隧道内的变形监测，确保行车安全。

(2)对重要建(构)筑物及公共设施地下已探明的溶洞、土洞，特别是首层洞隙顶板基岩厚度≤1.0m的岩溶洞隙及顶板覆土厚度≤10m的浅部土洞，应结合建(构)筑物的结构、基础类型及基础埋深，分析评价溶洞、土洞的危害性，确定是否需要治理，对确需治理的溶洞、土洞，根据危险程度，分步落实治理工作。对未需治理的溶洞、土洞，应做好这些溶洞、土洞分布地段的地面及建(构)筑物的变形观测工作。

(3)断裂两侧为岩溶、土洞强发育区，在岩溶、土洞强发育区内进行工程建设时，应加强工程地质勘察工作，查明溶洞、土洞位置。在进行工程地质勘察及基础施工时，应预防遇溶洞或土洞造成塌陷导致人员伤亡及次生灾害的发生。

(4)鉴于隧道仍在抽排地下水，建议该武广客运专线公司组织地质专家进入隧道考察隧道的渗漏水特征，对隧道能否永久止水进行探讨研究，若在目前技术条件下仍无法完全止水，建议武广客运专线公司与广州市国土部门加强沟通，并详细提供隧道抽排水的数据资料。

(5)调查探测过程中，我院技术人员发现武广客运专线金沙洲段隧道沿途地面无明显的范围标识，建议在隧道两侧地面设立醒目的标志或竖警示牌，并明确安全范围，防止钻探施工钻穿隧道，确保隧道安全及高铁的正常运行。

6 结果论证

据调查探测及监测，已发生的24宗岩溶地面塌陷地质灾害和7个地面沉降区与金沙洲的地质环境条件，人类工程活动等密切相关，具体为隐伏可溶岩的岩性、可溶岩上覆土体结构、地下水波动变化，以及区内发育的断裂构造等。

在金沙洲地区已发生的24宗岩溶地面塌陷地质灾害全部位于隐伏灰岩分布区;岩溶地面塌陷受控于地下水的波动变化，目前已发生的24宗塌陷，均位于地下水降落漏斗影响范围内，且塌陷多发生在地下水的主要补给方向上;24宗塌陷中，其中19宗发育于断裂两侧200m范围内，占塌陷总数的79.2%。在浔峰断裂南端至金沙小学一带的应力集中部位，发生塌陷14宗，占总数的58.3%，由此可见，受构造断裂控制，分布于其应力集中部位。

7 成果应用

地质灾害调查分区成果为保护沙凤村浔峰圩、凤岐里150户500多名村民的生命财产安全及顺利推进国家重点工程作出了积极贡献。

2007年7月14日，金沙洲发生第一宗地面塌陷后，即停止隧道施工进行注浆止水，水位迅速恢复。2007年10月16日，隧道重新开工，由于止水效果不理想，1#竖井周边地下水位开始下降，从10月16日至10月23日，地下水位从1.58m下降至7.58m，日均降幅约0.75m，广州市地质调查院迅速与施工单位沟通，对施工抽水再次引发1#竖井一带发生塌陷的可能性提出预报，结果于2007年10月28日在隧道1#竖井北西侧约150m处发生了塌陷(T2，图7)，据监测资料，塌陷前5天，即从10月24日至28日，地下水位日均降幅为0.6m，塌陷当天水位变幅为0.43m。按此发出塌陷预警，预报成功。

2008年9月7日中午12时10分，武广客运专线金沙洲段在沙凤村大里程方向DK2195+355位置发生地面塌陷，塌坑位于武广客运专线隧道正上方，直径18m。事故造成一辆行经此处的小汽车掉入坑中，司机受伤(图8)。

图72007年10月28日塌陷(T2)Fig.7 Collapse on 28th Oct 2007

图82008年9月7日塌陷(T10)Fig.8 Collapse on 7th Sep 2008

事故发生后，广州市地质调查院受广州市土地开发中心委托，迅速开展沙凤村区域的地质灾害调查工作。经调查，该区域前期已发生了11宗地面塌陷，并伴随严重的地面沉降地质灾害。沙凤村凤岐里、浔峰圩约2/3房屋的墙体发生开裂或倾斜变形，裂缝宽度多在3～200mm之间，部分墙体批荡剥落，承重梁钢筋祼露，严重威胁居民的生命财产安全，武广客运专线金沙洲段隧道被迫停止施工。

调查组根据该区域已发生的11宗地面塌陷及大面积地面沉降地质灾害主要分布在已掘进的武广客运专线金沙洲隧道两侧各100m范围内的特点，结合区内地质环境条件、隧道工程进展及灾害发展趋势分析，提交了《广州市白云区金沙洲沙凤村岩溶地面塌陷调查报告》，报告将隧道沿线隐伏灰岩分布地段的隧道两侧各100m范围(含凤岐里)划为成灾危险区，100～200m范围(含浔峰圩)划为塌陷易发区。

广州市土地开发中心迅速采纳了这一结论，并提交给白云区政府。当年10月，白云区政府发布通告，先后组织凤岐里148户500多名村民、浔峰圩36户100多人实施整体搬迁，不但确保了群众的生命财产安全，维护了群众的利益，而且为途经凤岐里、浔峰圩的武广客运专线隧道工程的顺利推进创造了良好条件，取得了明显的社会效益和经济效益。

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