工程环境的岩土勘察与地质灾害评价方法

朱 刚

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局七总队，贵州 贵阳 550000）

滑坡、崩塌以及泥石流是威胁矿区公路和矿区安全运营的重要因素。随着我国矿产资源快速发展。矿区开挖爆破以及其他大型人类工程活动可能会加速不良地质灾害的形成和发生，因此，开展矿区岩土工程勘察与地质灾害评估是非常必要的。

本文依托某矿区公路沿线开展地质灾害的层次分析研究，建立了相关的数学模型，并对研究区地质灾害的易发性进行分级。研究可为相关地质灾害评估与预警提供依据。

1 研究区地质环境概况

1.1 地理位置

研究区地势总体呈现出西高东低的特点。研究区为典型中低山剥蚀地貌（图1），地表冲沟，陡坎非常发育，地形地貌复杂[1-3]。中南边缘沟谷底部为最低点，海波1163m；勘探区西北部山梁为地形最高点，海波1545m。最大海拔高差为380m，一般相对高差介于190m～280m。

图1 研究区地形地貌

1.2 气象水文

研究区主要发育沟谷季节性河流，受地形地貌的控制，排水条件较好，雨季降水能够顺势排泄区外（图2）。该地区多年平均气温约14℃，7月温度最高，最高值为30℃左右，无霜期在190天左右。每年一月、二月为气温最低的月份，最低值可达-15℃左右。年均蒸发量为1718mm，年平均降水量为456mm，7-9月为该地区雨季，降水量约占全年的65%。

图2 沟谷季节性流水

1.3 地层岩性

根据区內收集的地质资料综述如下：

1.3.1 奥陶系中统峰峰组（O2f）

上部由灰色、青灰、灰黑中厚、厚层泥晶灰岩组成。灰岩质纯，岩性比较稳定，但是局部地段的下部夹有泥质灰岩层、白云质灰岩，厚70m。下部主要由灰色中厚层灰岩和浅灰色泥灰岩组成，局部夹有石膏层，角砾状构造比较发育。

1.3.2 石炭系（C）

该岩层与上覆地层呈整合接触。由下至上分别为：

（1）中统本溪组（C2b）：由厚度21m的铝土岩、泥岩夹灰岩组成。与下伏奥陶系中统呈平行不整合接触。

（2）上统太原组（C3t）：岩性组合主要为碎屑岩、碳酸盐岩交错出现，呈互层状。地层厚度80.30m～111.60m，平均92.10m，与下伏本溪组呈整合接触。

1.3.3 二叠系（P）

（1）下统下石盒子组（P1x）：岩性组合为碎屑岩及泥质岩，最小厚度94.71m，最大厚度118.74m，平均厚度106.70m，与下伏山西组整合接触。

（2）上统上石盒子组（P2s）：主要由厚度349.45m～400.44m，平均厚度为370.84m的绿色砂岩与紫红色泥岩组成。

1.3.4 第四系（Q）

厚度介于0～30m，主要分布于研究区山梁、山坡和沟谷中。主要成分为灰黄色粘土和亚粘土，土层中多含有钙质结核。

1.4 构造活动

研究区所在位置为紫荆山断裂带，该断裂带东南侧抬升隆起，轴部呈北东—南西展布，两翼地层产状平缓，倾角4° ～9°。

1.5 地震活动

研究区地震地质条件简单，浅层出露岩性为相间带状分布的砂质粘土、粘土沙砾石层及松散洪积物等，中北部黄土覆盖层在3m～12m之间，并混有厚度不均匀的钙质结核。

2 地质灾害危险性评价模型

层次分析法、模糊综合评价法以及神经网络法等是目前主流地质灾害评估方法。本文研究中，由于影响地质灾害的因素较多，因此需综合考虑多因素间的耦合作用[4]。本文选取的层次分析评价方法，可以使评价不受主观性影响。该方法技术路线如图3所示。

图3 评价技术路线图

2.1 评价因子选取

根据现场调查与专家意见，本文共选取6个因素作为模型的评价因子，分别为：构造活动、水文地质、地形坡度、降水量、地层岩性和地震。

2.1.1 地质环境条件

地形地貌及基础地质条件是地质环境条件的主要两个方面。当前相关研究表明，地形地貌中斜坡坡度是影响地质灾害发生最重要的因素[5]。综上本研究中的地质条件选取的次级因素有三个，分别是：地层岩性、水文地质、坡体结构。

2.1.2 诱发因素

地灾诱发因素可以劣化岩土体物理力学性质，从而导致地质灾害发生。本文选取的影响地质灾害的诱发因素有：地震、降水量。

2.2 模型建立

通过现场调查研究区的地质环境，创建分层递阶模型。模型中分为4个层次：目标层、约束层、指标层和对象层。其中，目标层是模型的最高层；约束层为研究区地形地貌的专家评价结果，评价指标包括断裂、坡度降水量等因子；指标层为通过对各影响要素指标划分评价，并参考专家意见和调查情况；对象层为地质灾害危险程度评价的最终结果。最终，本文将研究区内的地灾划分为3个等级，为：低度、中度以及高度危险区。

2.3 权重确定

2.3.1 判断矩阵构造

使用1-9标度对本文的重要性判断结果进行量化，最终得到矩阵判断含义见表1所示。基于目前评价标准的研究现状，评价方式较为单一，没有全面的考虑到不同指标及其之间的相互作用[6]。为了使评价结果更精确和直观，本文的评价依据采用不同指标、各评价因子灾害点空间分布情况，利用灾害点的分布密度之比，量化各评价因子的相对影响程。

表1 矩阵判断含义

表2汇总得到了各评价因子地质灾害点统计。评价因子有6个，分别为：地表水系、断裂、斜坡坡度、地震、地层岩性和降水量。根据M3/M1的结果，对矩阵中各评价因子进行取值，具体见表3。

表2 各评价因子地质灾害点统计

表3 地质灾害危险程度预测判断矩阵取值

2.3.2 层次单排序及其一致性检验[8-11]

在进行地质灾害影响因素评价时，通常传统手段为检验判断矩阵模型。判断矩阵的一致性检验分为4步：

（1）获取矩阵的最大特征值：

（2）确定一致性比率：

（3）获取一致性指标IR。

（4）获取一致性比例Rc=Ic/IR。

模型要求矩阵一致性要满足的条件是Rc＜0.1。根据本文计算结果Rc=0.025＜0.1，满足一致性要求。

表5得到了各评价因子的权重指标IR的具体值。结果表明，斜坡坡度是影响地质灾害最重要的因素，其权重因子数值为0.35；其次是地表水系，权重值为0.25；断裂因素的权重为0.14；地层岩性权重值排名第4，权重值为0.12，与其他两项相比显著下降，这与现场调查情况相符[7-9]。此外，降水量和地震的权重值比较小，证明，该两因子对地质灾害的危险性影响比较小。

表4 平均随机一致性指标IR的数值

表5 各评价因子权重分配表

2.4 评价因子权重量化

在确定评价指标分类值和指标权重值基础上，进一步计算得到最终权重值（表6）。根据表6结果，进一步得到研究区地质灾害的危程度：

表6 地质灾害危险程度预测评价因子分级标准

其中，Di表示危险性评价中权重分值，D表示地质灾害危险程度，Ai表示评价指标分值。

2.5 计算过程

本文基于ArcGIS10进行计算。计算过程为：首先根据空间信息的权重进行区域划分。在新的图层中，在进行叠加计算之前，要进行评价因子权重赋值的操作，再将重新分类的6个文件进行求和操作，最终就可以得到各个独立的危险性指数值。

2.6 结果与分析

研究区地质灾害危险程度的划分标准，可采用标准差方法，并同时考虑现场调查结果和专家评价法得到，具体如表7所示。

表7 研究区危险度划分级别

研究区地质灾害的分布情况以及所占的比例，可根据GIS评价结果获得，见表8所示。结果表明，研究区低危险度公路里程共14km，占总距离的22%；中度危险区里程合计35km，占总长度的53%；高度危险区公路里程共15km，占总距离的25%。综合来看，本研究区沿线公路地质灾害危险以中度危险为主，根据本文结果，实际工程中应该对高度危险区采取一定的防护措施，至于中度风险区，应以预防为主，做好提前预警工作。

表8 研究区地质灾害危险性分布

3 结语

本研究采用层次分析方法建立了某矿区地质灾害危险度评价模型，得到以下几个结论：

（1）建立层次分析数学模型需要对研究区的地形地貌、地层岩性以及水文地质条件进行调查，并对各个因素进行详细分析。

（2）层次分析法可以用于地质灾害危险程度划分，本研究区沿线公路地质灾害危险以中度危险为主，中度危险路线长度占比为53%。

（3）针对高度危险区应及时采取一定的防护措施，对中度危险区做好预防预警工作。