贵州水城尖山营不稳定斜坡地质灾害风险评价

党 杰，董 吉，张 旭，吴忠银，杨杰华

(贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550001)

1 前言

地质灾害风险评价，根据研究尺度的不同，可分为区域地质灾害风险评价和单体地质灾害风险评价，其评价方法由于研究尺寸、数据精度、可量化程度等原因略有不同。国内外对单体滑坡的危险性研究主要开始于21世纪初。众多学者在单体地质灾害风险评价方面做出了许多富有成效的探索。

许强等在综合分析国内外危岩崩塌风险评价方法的基础上，以丹巴县双拥路危岩崩塌体为例，提出了适用于单体危岩崩塌的风险评价方法(许强 等，2009)。陈红旗等运用破坏概率、滑坡强度、承灾因子、遭遇特征与易损程度等 5项指标，尝试提出单体滑坡灾害风险简易评价模型(陈红旗，2010)；孟庆华等在综合分析国内外滑坡风险评价方法的基础上，通过对野外地质灾害的调查、勘查和岩土物理力学参数的测试分析，利用 Geo-slope 软件和经验方法对滑坡进行稳定性分析、影响范围预测和失稳概率分析，开展了3 种工况条件下的危险性、承灾体易损性分析等，完成了胡家山滑坡风险性评价，探讨了单体滑坡风险评价的技术方法与流程(孟庆华 等，2011)；徐伟使用 Geo-slope 软件定量计算了二道桥滑坡在不同工况下的失稳概率，确定了危险性级别，结合地形测量成果和实地调查统计出了受二道桥滑坡威胁的承灾体类型及数量，确定了危害程度级别，最后根据危险性和危害性构建风险评估的矩阵，对二道桥滑坡进行风险评价(徐伟 等，2016)；徐勇等以湖北宣恩县干坝滑坡为例，进行降雨型滑坡定量风险评价研究(徐勇 等，2018)；谢明礼通过选取贵州省水城县米箩煤矿后山变形体，采用物理模拟的方法，分析了坡体变形的过程及形成机制，并依据降雨量计算得到斜坡的失稳概率、诱发因素概率，完成危险性评价；根据经验公式和PFC软件计算了坡体失稳影响范围，采用Google earth软件提取分析了各类承灾体并完成易损性评价，最后叠加得到风险评价结果(谢明礼，2018)；覃乙根等通过无人机倾斜摄影、三维实景建模和 polywork 点云数据处理技术获取崩塌坡体的地质和几何信息，结合时空分布概率调查和易损性分析，对贵州寨子崩塌进行了崩塌风险定量评价(覃乙根 等，2019)。

尖山营不稳定斜坡是贵州省较为典型的煤矿开采引发的地质灾害，其规模巨大、变形特征强烈、成因机理复杂(李海军 等，2019；邹银先 等，2019；刘庆义 等，2019)，对其开展单点地质灾害风险评价研究具有重要意义，通过确定尖山营地质灾害的不同区域的风险水平，可为地方政府下一步防治工作提供借鉴。

2 单体地质灾害风险评价方法

单体地质灾害定量风险评价主要由危险性评价、易损性评价、风险性评价组成。崩塌滑坡危险性主要由其失稳概率及影响范围确定，然后选取核算承灾体价值法，计算承灾体现有的价值，得到易损性。最后结合地质灾害危险性评价及易损性评价方法，共同建立单点地质灾害定量风险评价。

2.1 单体崩塌滑坡地质灾害危险性评价

单体崩塌滑坡危险性主要由地质灾害的失稳概率及其影响范围决定，如式1-1。

危险性=失稳概率×影响范围

(1-1)

影响范围可基于经验公式法、数值模拟等建立崩滑体运动距离预测模型，本次评价采用优化算法拟合公式。

相较于传统经验公式法，该优化算法结合了贵州省及研究区内相似坡体结构下地质灾害的运动规律，计算结果与实际变形破坏范围较为贴合，同时比数值模拟、物理模拟等方法简单实用，免去复杂的参数选取和调校，具有良好的适用性，复合基层开展单体地质灾害风险防控的实际需求。

2.2 单体地质灾害易损性评价

单体地质灾害易损性通常涉及到社会、经济、文化、政治及自然等方面，采用核算承灾体价值法，通过对承灾体的类型划分、承灾体分布的基本属性提取，计算承灾体现有的价值，从而进行单体地质灾害易损性评价。由于承灾体位于不同的距离，受到单体地质灾害体的威胁程度不同，因此引入暴露度因子，它表示承灾体距离地质灾害的远近程度，最终单体地质灾害易损性由下列公式1-2求取。

(1-2)

式中，V为单体地质灾害威胁承灾体的易损性，Fi为不同承灾体类型易损值，与区域地质灾害风险评价方法一致；Wi为不同承灾体评价因子权重。

2.3 单体地质灾害风险评价

通过总结国内外地质灾害风险评价方法，发现目前最为常见的是充分结合地质灾害危险性评价及易损性评价方法，共同建立单体地质灾害综合风险评价体系(式1-3)。

R=H×V

(1-3)

式中，R为单体地质灾害风险值；H为单体地质灾害危险性；V为单体地质灾害易损性。

3 尖山营地质灾害特征

3.1 尖山营不稳定斜坡地质环境条件

尖山营不稳定斜坡从2013年8月开始发生变形破坏，历经6年的变形发展，其破坏范围进一步扩展，时常发生零星崩落，严重威胁到当地居民279户1062人的生命财产安全。

尖山营地质灾害是在不利的地形地貌、岩土体组合、结构特征等内在因素和采矿活动、降雨等外在诱发因素的作用下发生变形破坏。

3.2 尖山营不稳定斜坡变形特征分析

截止2019年12月底，水城县发耳镇尖山营不稳定斜坡自动化监测系统已正常运行550余天，根据尖山营各监测点的位移，目前的位移量较大的有GNSS03、GNSS08、GNSS09、GNSS11，各监测点的以北东方向位移为主，向坡外发展，Z方向的位移主要以沉降为主(表1)。

表1 尖山营地质灾害监测统计表

各监测点的位移速度基本上与位移变化相似，GNSS03、GNSS08、GNSS09、GNSS11四个监测点的位移速度较大，其中合位移速度最大达到了16.52mm/d，最小的合位移速度达到了2.75mm/d，这同现场调查裂缝迹象相符合(图1)。各监测点的转动方位角基本上指向北东方向，基本上符合地下煤层开采后斜坡向临空方向变形破坏的总体趋势。

(a) GNSS03

(b)GNSS08

(c)GNSS09图1 尖山营自动化监测位移曲线Fig.1 Displacement curve of automatic monitoring in Jianshanying

3.3 尖山营地质灾害破坏机理分析

尖山营不稳定斜坡受采煤工程活动影响较大，随着采矿工程活动的不断进行，其顶板岩层破坏程度逐渐加大，冒落高度不断增加，上覆地层受重力作用继续向下沉降，地表所表现出向下弯曲的盆地变形模式。即斜坡体将会因下部采空塌陷导致上部坡体失稳，失稳的坡体在自重作用下将向软弱结构面或临空面方向移动。

大气降雨形成的坡面流沿着地势低洼地带径流，在节理裂隙和地裂缝分布区，地表水将通过裂缝及节理裂隙向下渗透，含泥质的碎屑岩遇水后极易软化，在重力作用下，软化后的碎屑岩层形成软弱带，向着临空面方向移动。同时，滞留在节理裂隙里面的水体易形成静水压力，推动失稳块体向相对力量薄弱的地方移动。在工程活动和降雨的共同作用下，尖山营不稳定斜坡整体出现缓变形破坏。

4 尖山营地质灾害风险评价

4.1 尖山营地质灾害危险性评价

根据现场调查，尖山营不稳定斜坡上共发育的潜在地质灾害共有9个，其中：危岩体2个、变形体5个，采空区塌陷2个。

根据研究区地形地貌以及尖山营地质灾害的变形分区特征，不稳定斜坡表面每年都会有许多零星块体滑塌、崩落，其失稳概率为1；不稳定斜坡上的不稳定块体、危岩体等，其失稳条件为20年一遇暴雨，因此其失稳概率为5%(P=0.05)；尖山营整体失稳破坏的概率为50年一遇暴雨，因此其失稳概率为2%(P=0.02)。

就滑坡、崩塌等地质灾害而言，目前国内研究局限于稳定性定性半定量评价，而对移动影响距离无较为成熟的预算公式。本次引用国外对滑坡、崩塌运动距离计算的公式，并根据贵州省内发生的8.28纳雍张家湾崩塌、6.28关岭岗乌滑坡等多个地质灾害对该公式进行了修正，其滑坡修正值为-0.159，崩塌修正值为+0.17，修正后的相关公式为：

滑坡：log(H/L)=-0.068 log(vo)l-0.159

(2-1)

崩塌：log(H/L)=-0.109 log(vol)+ 0.17

(2-2)

式中：

H为灾害体最高位置至威胁区房屋位置高差；L为运动距离；Vol为灾害体体积针对坡面上不稳定块体零星掉块，可简化为沿斜坡的综合摩擦运动来分析，落石的势能变化等于动能变化和克服摩擦所做的功：

式中：Vi为落石在斜坡面上任意位置处所具有的速度(m/s)；αi为各直线段斜坡的平均坡度(°)；Δhi为各直线段斜坡的垂直高度(m)；Φr为落石与坡面之间的综合摩擦角(°)；Li为各直线段斜坡的长度(m)。

表2 研究区危险源威胁影响范围

通过对各危险源变形特征、剪出口、规模、高差、稳定性、变形破坏方向的分析，基于上述经验计算公式，根据降雨概率进行分析计算，得到各危险源的影响距离、危险对象等特征。根据地质灾害危险性评价中危险性等于失稳概率与相应概率下影响范围的乘机，得到尖山营地质灾害危险性评价结果并进行分区(见图2)。

图2 尖山营地质灾害危险性分区图

4.2 尖山营地质灾害易损性评价

单体地质灾害易损性评价由前述公式1-2求取。

根据研究区物质、经济、环境、社会等因素的分布特征，经综合分析发现，区内社会、经济易损性的分布与建筑分布近似一致，体现为人口分布以及其所拥有的经济基础；物质易损性、环境易损性则可通过研究区土地利用规划中的相关信息来体现，比如林地、灌木地、旱地、经果林等，既是物质属性，又具有环境属性。通过对其不同类型的地物类型根据其物质价值属性价值进行赋值，可将研究区物质量化为财产价值，进而根据其价值分类特征，划分为不同的易损特征。研究区易损性分布特征如图3所示。

图3 尖山营地质灾害易损性分区图Fig.3 Partition map of geological hazard vulnerability in Jianshanying1—高易损；2—中易损；3—低易损；4—尖山营不稳定斜坡

4.3 尖山营地质灾害风险评价

根据前述单体地质灾害风险评价方法，单点地质灾害风险评价以地质灾害危险性评价和易损性评价为基础，通过将危险性和易损性进行叠加分析，将研究区整体划分为风险大区、风险中区和风险小区三个风险等级：

风险大区：主要分布于研究区尖山营不稳定斜坡滑动方向的下方，危险性评价中，其处于危险性大-中区内，受尖山营不稳定斜坡的直接威胁。其区域内主要分布箐尾组、店子组和小寨组村民，人口众多，且财产价值高，因此在风险评价叠加之后划为风险大区。

风险中区：主要分布于尖山营不稳定斜坡影响范围内、高风险区外侧的部分，其受尖山营不稳定斜坡距离较远，在危险性评价中处于危险性中-小区，受灾的概率较小。其区域内主要分布有长寨组、坡咀组、发耳煤业风井、副井等居民生活工作区，人口较多，财产价值较高，因此划分为风险中区。

风险小区：主要分布于尖山营威胁范围以外，部分区域尽管人口众多，财产价值高，但由于处于不稳定斜坡影响范围以外，风险性较小，因此为风险小区。

研究区风险评价结果如图4所示。

图4 尖山营地质灾害风险评价分区图Fig.4 Partition map of geological hazard risk evaluationin Jianshanying1—风险大区；2—风险中区；3—风险小区

5 结论和讨论

(1)单体地质灾害定量风险评价主要由危险性评价、易损性评价、风险性评价组成。崩滑灾害危险性主要通过计算其失稳概率及影响范围确定，易损性通过核算承灾体价值得到易损性，最后叠加地质灾害危险性评价及易损性评价结果，得到单体地质灾害定量风险评价结果。

(2)尖山营地质灾害是在地形地貌、岩土体组合、结构特征采矿活动、降雨等因素的作用下发生变形破坏。通过对尖山营各监测点的位移监测分析，各监测点的以北东方向(向坡外)位移为主， Z方向的位移主要以沉降为主，其受采煤工程活动影响较大，具有采矿活动引发变形破坏的特征机理。

(3)通过对尖山营不稳定斜坡开展风险评价，将评价结果划分为风险大区、风险中区、风险小区三个等级区域。评价结果可为当地政府地质灾害防治工作提供借鉴。

(4)本次单体地质灾害风险评价的方法简单实用又具有不错的可靠性，避免了数值模拟、物理模拟等方法的技复杂性，具有可操作性，对基层地质灾害风险防控的具有实际意义。