基于GIS尾矿库滑坡地质灾害危险性研究

朱远乐，王 涛，孙 昱,4

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012； 2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012； 3.武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072；4.湖北省天门市水利局，湖北 天门市 431700)

0 引 言

尾矿库作为矿山工程采、选、尾三大控制性工程之一，是矿山事故发生高频区域，近年来尾矿库灾害造成的损失已是相当的严重，然而尾矿坝滑坡、溃坝在尾矿库病害事故中起着至关重要的作用。杨丽红[1]等通过辨识国内外尾矿库溃坝事故主要危险因素，提出了降低溃坝概率及减少溃坝损失的措施；李全民[2-3]等通过分析尾矿坝的溃口模式和垮坝淹没范围建立了尾矿坝溃坝风险评判模型，并应于评估尾矿库运行期的安全等级；陈星[4]等利用数值模拟的方法开展了尾矿库溃坝对下游的淹没和撞击的研究；林玉山[5]等通过分析尾矿库工程的特点，总结了尾矿库建设及运行中遭受、引发地质灾害的主要类型、致灾因素及其危害性；皱智斌[6]通过传统地质调查和监测手段对江西省七宝山铅锌矿尾矿库地质灾害危险性进行了评估；袁良权[7]结合GIS系统平台对尾矿库地质灾害易损性进行定量评价，构建了尾矿库地质灾害危险性程度分级分区图。目前将工程地质和GIS技术相结合解决工程实际问题属于交叉学科研究中的热点内容，能够较好的解决工程问题，许冲[8-9]等将GIS技术与确定性系数分析方法、层次分析法相结合对汶川地震滑坡易发性进行了评价；朱良峰[10]等利用GIS系统开发出了区域地质灾害分析系统对全国范围内的滑坡灾害进行了危险性分析。

GIS具有较强的空间数据库功能以及强大空间分析能力，因此将GIS技术引入尾矿库滑坡致灾体研究领域中能够很好的解决尾矿库库区范围内滑坡的时空系列分析、滑坡野外编录、引起滑坡的静态环境因素等之间的空间相关分析。本文结合尾矿库工程实例，将GIS技术引入小区域的环境中分析尾矿库的滑坡地质灾害。

1 工程概况

本文以云南某化工公司所属尾矿库库区作为研究区域，研究区域包括一号、二号水池坝，一号、二号初期坝，堆渣库区，水池库区以及两岸山体，研究区域面积为3.98 km2，利用GIS技术分析研究内的滑坡地质灾害。

该尾矿库总共有两座初期坝，均为透水堆石坝，一号初期坝设计底宽120 m，坝顶宽10 m，坝长120 m，坝高30 m；二号初期坝设计底宽120 m，坝顶宽10 m，坝长80 m，坝高28 m。最上游为2号初期坝，中间为1号初期坝，下游设有二座水池坝。尾矿库堆积高70 m，总库容957.99万m3，尾矿库为三等库。一号水池坝设计底宽30 m，坝顶宽5 m，坝长120 m，坝高28 m；二号水池坝设底宽15 m，坝顶宽4 m，坝长30 m，坝高28 m。结合该尾矿库自身特点以及研究区域内的实际情况，滑坡灾害为研究区域内的主要地质灾害。

将研究区域的DEM和数字正射影像图进行叠加，产生三维地形的可视化，通过可视化地形图有助于判断研究区域内的滑坡灾害影响因子。

图1库区可视化图

2 滑坡影响因子确定及其矢量化

地质灾害时空分布影响因子的选取是在借鉴大量已有研究成果和咨询相关专家的基础上，结合现场地质调查和现场勘查，按照地质灾害发生的成灾环境、发生现状以及发生规律，经过综合考量予以确定。在筛选成灾因子时按照以下基本原则：从地质灾害的形成机理以及现场的实际情况，结合当地历年3种主要地质灾害的发生数量、发生规模以及分布特点，全面地考虑影响地质灾害发生的各种因子，主要分为两大类：自然影响因子和人为影响因子。自然影响因子是指地质灾害形成的基本地质环境条件；人为影响因子是指影响和诱发地质灾害演化和发生的外在因素。

尾矿库滑坡地质灾害的发生受内外动力作用的综合影响，通过分析地质、地形与现场地质调查的资料，综合考虑尾矿库的自身特点去进行地质灾害影响因子的选择。自然影响因子包括：地形坡度、高程、坡向、地层岩性、植被、渗透率；人为影响因子包括：人类活动、坝体影响。

(1) 坡度。滑坡体是否具备有效的临空面决定了滑坡的形成与否，故库区的地形坡度从几何特征上决定了库区滑坡体的空间分布。滑坡体的形态以及滑坡体的形成原因反映了滑坡体的形成历史、自身稳定程度以及滑坡面的发展趋势。通过现场地质调查以及分类比选，将研究区域内的坡度分为五个等级，以15°，25°，35°和50°为界进行划分，将坡度在50°以上的地形条件作为最危险标志(经过现场地质调查结果看，研究区域内的大部分滑坡都在坡度大于50°这一区间内)。

(2) 高程。高程对尾矿库地质灾害的影响主要有以下两个方面的原因：一是不同的高程决定了不同的地形条件，进而影响研究区域的汇水面积；二是不同的高程条件下存在植被覆盖度和植被类型的差异性。这两者间接的造成了尾矿库地质灾害与地形高程有一定程度的联系。

(3) 坡向。在工程地质中坡向表示为斜坡面的走向，坡向值的分布范围为0°～360°。不同坡向条件下导致了太阳的辐射强度不同，从而影响了植被覆盖、蒸发量以及坡面侵蚀等诸多因素，进而对滑坡体的地下水孔隙压力的分布及滑坡体的岩土体物理力学特征构成影响，因而影响了滑坡体的整体稳定性。

(4) 岩性。滑坡体的滑动与否很大程度上与滑坡土的岩土体岩性以及结构特征有密切的关系。地层岩性对尾矿库地质灾害中滑坡的危险性影响表现为地层结构与岩体特性两个方面，这两个方面直接影响滑坡体的强度、应力分布以及变形破坏特征，为滑坡体的产生提供了物质基础。

(5) 植被分布。在研究区域滑坡与植被的覆盖率有着密切的关系，由于降雨的影响植被覆盖较高的地方，有助于雨水下渗，从而有利于滑坡体的稳定，植被覆盖率小的区域易形成地表径流，使斜坡体更松散，失去保护，在一定的诱发条件下，容易行成滑坡、泥石流等地质灾害。

(6) 区域渗透性分布。渗透性表征了研究区区域内岩土体的过水能力，滑坡体在受降雨作用后，若渗透性较低，水无法渗透到地下，将形成地表径流可能形成泥石流或者山体滑坡等尾矿库地质灾害。

(7) 人类活动影响。渣场区域影响尾矿库滑坡发生的人为因素主要有库区采矿工程、建筑修路和森林植被的破坏等3种。

(8) 坝体影响。尾矿坝的建造改变了原有山体的应力分布，和岩土体的应力平衡，为分析尾矿坝建坝以后与滑坡的关系，创建尾矿坝的滑坡影响缓冲区，然后统计滑坡与缓冲区的空间关系。

利用GIS软件将影响尾矿库地质灾害的8种影响因子量化后得出各自的栅格等级分布图(见图2～图9)。

图2 研究区域坡度等级分布

图3 研究区域高程等级分布

图4 研究区域坡向等级分布

图5 研究区域岩性等级分布

图6 研究区域植被等级分布

图7 研究区域渗透性等级分布

图8 研究区域人类等级分布

图9 研究区域坝体缓冲区等级分布

3 层次分析法

利用层次分析法(AHP)来进行尾矿库滑坡影响因子的权重分析。AHP是一种多指标分析评价方法，具有精度高，使用方便的特点。AHP方法通过专家判断各影响因子之间的关系构造矩阵，所有影响因子的的相互比较构成了各影响因子的权重值，评价因子比较的结果采用一致性比率(CR)来衡量，它代表矩阵一致性指标与随机性指标，范围是0～1。

表1 成对比较矩阵中元素aij的标度方法

表1代表因子比较的定性描述指标，表1通过对8个影响因子进行两两比较，得到各影响因子之间的构造矩阵A，通过计算矩阵A的最大特征值所对应的单位特征向量即得到各个影响因子的权重为{0.1325，0.0618，0.1691，0.0596，0.0532，0.0758，0.1410，0.3070}。权重因子计算结果表明研究区内尾矿库滑坡灾害的最重要的影响因子为坝体影响。

4 尾矿库滑坡预测

根据GIS软件确定的各影响因子量化栅格等级分布图以及利用层次分析法确定的各影响因子的权重，运用GIS软件空间分析单元对研究区域各矢量单元进行影响因子加权叠加计算，得到研究区域内尾矿库滑坡预测易发性评价栅格图。

SI=∑wiIFi

式中，SI为评价单元的尾矿坝滑坡综合危险性指数；wi为影响因子的权重；IFi为影响因子。

通过GIS空间分析中的栅格重分类工具对研究区的地质环境条件、野外所收集到的资料分析及地质灾害危险性综合指数按照自然间距分类方法确立尾矿坝滑坡灾害危险区划分标准，标分类标准见表2，将研究区域内尾矿库滑坡易发性结果分为五类(极高易发区、高易发区、中易发区、低易发区与极低易发区)。

表2 滑坡灾害危险区划分标准

在GIS空间分析中提取各评价单元格的地质灾害易发性程度综合指数，了解整个研究区域内的单元格的地质灾害易发性程度(见图10)。

根据得到的研究区域易发性危险性分布图，可以统计研究区域滑坡地质灾害危险等级分布，研究结果与传统工程地质调查结果吻合较好。

(1) 研究区域地质灾害极高易发区约为0.11 km2，占整个研究区域的2.7%，极高易发区主要分布在一号初期坝和二号水池坝之间，经过现场地质调查，该区域内地形陡峭，断裂构造发育，人类工程活动强烈，对地质环境破坏严重，地质灾害较密集，从现场地质调查结果显示，共有3处潜在滑坡体，从一定程度上佐证了。

(2) 尾矿库建库后，随着尾砂的堆积，改变了原有山体的应力分布，和岩土体的应力平衡可能诱发滑坡、崩塌等地质灾害发生。研究区域地质灾害高易发区约为0.34 km2，占整个研究区域的8.3%，主要分布在尾矿库一号初期坝附近，该区域人类工程活动较频繁，对地质环境破坏相对比较严重，研究区两岸山体较陡峭，坡度较大，影响了滑坡灾害的发生。此外由于该区域离一号初期坝较近，尾矿库建坝以后对该区域的影响可能是一个重要的因素。

(3) 中等易发区、低易发区、极低易发区总共约为3.53 km2，约占整个研究区域的86%，这3个区域主要分布在人类活动较少、植被分布较茂密，植被覆盖率大约为85%、岩性较好、地形坡度较缓的区域，尾矿库滑坡灾害易发性相对较低。

图10 研究区域灾害等级分布

5 结 论

(1) 通过对尾矿库滑坡地质灾害发生的成灾环境、发生现状以及发生规律分析，得出了影响尾矿库滑坡地质灾害的成灾因子；

(2) GIS技术能够较好的在小区域范围对各致灾因子进行时空系列分析，量化各致灾因子的影响等级；

(3) 根据专家判断法，分析各影响因子对尾矿库滑坡的影响程度，得到了尾矿坝滑坡灾害因子比较结果矩阵，基于层次分析法求得8个尾矿库滑坡影响因子的权重；

(4) 基于GIS技术构建了尾矿库滑坡易发性等级分布图，将研究区内的尾矿库滑坡按易发程度分为极高易发区、高易发区、中易发区、低易发区与极低易发区五类。与传统野外工程地质调查的等级分布图吻合较好，且前者反映的危险等级更精确，尤其能在研究区域内突出反映危险性等级高所对应的致灾因子，对企业针对性的预防尾矿库滑坡地质灾害具有极大的参考意义。