基于模糊综合评判法的地质灾害危险性评价以阿干矿区为例.pdf

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1、基于模糊综合评判法的地质灾害危险性评价以阿干矿区为例 王磊【期刊名称】价值工程【年(卷),期】2019(038)021【总页数】5 页(P236-240)【关键词】地面塌陷;泥石流;危险性;模糊综合评判;层次分析【作 者】王磊【作者单位】中煤西安设计工程有限责任公司 西安 710054【正文语种】中 文【中图分类】P694 0 引言 阿干矿区位于甘肃省兰州市七里河区阿干镇（图1），行政区划属兰州市七里河区管辖，距兰州市城区 22km，有兰阿公路和铁路专用线相通，交通便捷。矿区地理坐标介于东经 10349231035141，北纬 355205355713，矿区东西宽 0.93.3km，南北长 9

2、km，面积 20.8km2。位于甘肃省兰州市七里河区的阿干矿区是历史采矿和计划经济时期建立的老矿业基地，其开采历史悠久，可追溯至明代。2000 年 10 月，因煤炭资源濒临枯竭，矿山地面塌陷造成采矿成本过大，煤矿亏损严重而宣告破产。1 研究区自然地质背景 矿区属大陆性半干旱气候，昼夜温差大，年最低气温在1 月中下旬，历年来最低气温为-23，年最高气温在 7 月或 8 月，最高气温为 37.6（1997 年 7 月 3日），年平均气温 4.3；年降水量 334500mm，平均为 417mm，雨季集中在 78 月份，占全年降水量的 56%，日最大降水量 96.8mm。蒸发量在1500mm 以上，平

3、均无霜期 145 天，最大冻土深度 1.03m，最大风速 21.4m/s，主导风向为北北东，次风向为南西。矿区地质构造非常复杂，以南北向的褶皱及逆断层为主，有少量东西向逆断层。矿区处于兰州盆地南部构造剥蚀低中山区，地势总体南高北低，最高点为铁冶沟沟脑双咀山，海拔 3121m，最低点为八里镇雷坛河谷底，其海拔约 1940m，最大相对高差近 1180m。依地貌特征和成因类型，本区可分为山地地貌和河（沟）谷地貌两大单元。矿区出露的地层由老到新为中元古界兴隆山群（Pt2x）、奥陶系上中统雾宿山群（Ow）、侏罗系下统大西沟组（J1dx）、侏罗系中统窑街组（J2y）、侏罗系上统享堂组（J3x）、白垩系下统

4、河口群（K1hk）和第四系，区内第四系分布广泛，成因类型较多，有风积、冲积、洪积、残坡积、重力侵蚀堆积等，第四系覆盖层厚度约为 40m。依据中国地震动参数区划图（GB 18306-2015），本区地震动峰值加速度为 0.20g，抗震设防烈度为 8 度。图 1 阿干矿区交通位置图 1.大西沟流域 2.阿干矿区 3.铁路 4.主要公路、次要公路5.街区 6.乡镇、村 7.水系 8.地、市界 9.县、区界 2 采矿地质条件 阿干矿区煤层赋存于呈复杂向斜构造的侏罗系地层中，由南至北，向斜轴面走向由南北向折而呈北北西向，且受周边断层控制，阿干井田平面形态基本呈北西南东走向的不规则“8”字型。井田含煤地层

5、主要为中生界侏罗系下统大西沟组及中统窑街组，总厚度 397m。矿区有一层基本稳定的可开采煤层及其上部呈透镜状的不可开采煤层，已探明煤炭储量 1330 万吨，煤质属低灰低硫高发热量的不粘煤，属良好的化工及动力用煤。可采煤层在全矿区范围内普遍存在，井田南部出现分岔现象。煤层结构简单，局部地段含夹石一层，夹石厚度在 1.03.5m 之间，岩性多为灰黑色页岩或灰色砂岩，分布无规律。煤层厚度变化大，最大厚度39.60m，最小为 1.46m，平均厚度11.0m。煤层厚度由南而北波状增厚的趋势明显，南部采区平均厚度为9.90m，向北厚度增至 21m 左右，向斜轴部厚度较大，向两翼厚度变薄。煤层倾角在090之

6、间变化，平均为 50，局部倒转。井田周边及内部受断层切割，煤层波状起伏频繁，1700m 水平以上东翼为 52左右，西翼为 36；17001350m 水平东翼为 54，西翼为 62；1350m 以下东翼为 72，西翼为 70。矿区不可开采煤层仅局部地段达到可采厚度，且多呈透镜状出现，层位不稳定，厚度变化极大。阿干矿区煤层的顶板岩层主要是灰白色细砾岩及粗砂岩，大部分区段与煤层直接接触。该岩层岩性颗粒分选性差，胶结一般，层理发育，力学强度低，厚度一般在5.08.0m，孔隙率为 6.26%，吸水率为 1.30%，抗压强度 3.31MPa，粘聚力14.2kPa，内摩擦角为 14。局部地段煤层之上为灰及灰

7、白色粗砂岩、中砂岩，泥质胶结，松散，厚度不稳定，但成层性好，一般在 35m 之间。区内煤层底板主要为砂质泥岩、炭质页岩及粉砂岩，厚度不大，一般 0.83.0m，吸水性强，遇水膨胀，易发生底鼓。粉砂岩孔隙率为 5.17%，吸水率为 2.32%，抗压强度 2.72MPa。3 地质灾害 根据收集及现场调查所得的大量资料，阿干矿区内地质灾害主要为地面塌陷和泥石流。3.1 地面塌陷 根据现场调查访问以及矿区采矿工作面间断性监测资料，矿区地面塌陷始发于上世纪 50 年代中、后期，严重时期基本出现在 1983 年1998 年，长期的大规模开采，形成了面积达 5.4km2 的采空区，矿区地表形成呈北西南东走向

8、的长8.7km，宽 0.21.8km，面积达 9.06km2 的似葫芦形带状塌陷区，塌陷区内裂缝纵横交错，主体裂缝走向由南部的南北向至北部呈北西向，裂缝延伸长 0.083.7km，宽达 0.53.0m，其间距在 20380m 之间，顺裂缝走向坡体逐级形成错落坎或带状塌陷槽、串珠状塌陷坑，坎高一般在 0.317m，陷槽沉幅 0.720m，塌陷坑直径达 815m，深 312m，大部分地段如小山顶、杏树湾、铁治村、大草洼、山寨村等地表整体沉陷幅度达 415m。山寨沟北岸山体受南北向裂缝与顺坡向裂缝穿插交错而呈碎裂块状，岩体已发生错落、位移。3.2 泥石流 矿区泥石流沟为大西沟，该沟频繁爆发泥石流，现

9、从泥石流形成的三个基本条件来进行说明。3.2.1 地形条件 大西沟流域面积 13.63km2，流域平面形态似柳叶形，流域内沟壑密集，共发育大小冲沟 26 条，其中长度大于 1km 的沟谷 11 条，小于 1km 的 15 条，冲沟总长25.4km，平均沟壑密度 1.86km/km2。受构造运动差异抬升作用，大西沟向北侵蚀，形成南岸宽北岸窄的不对称流域形态，南岸冲沟发育，支沟流域面积较大，主沟长多大于 1km，而北岸多发育山坡形冲沟，沟谷较短且密度较小。大西沟主沟长 7.3km，最大相对高差 624m，主沟平均纵比降 104，主沟上游山势突起，坡陡谷深，坡面植被覆盖良好，覆盖率在 3050%；中

10、游沟谷多呈“谷中谷”的复式形态：上部谷形呈开阔的“V”型，坡度在 3050之间，部分呈陡崖，相对高差在 80170m 之间；下部受大西沟地表水流切蚀而呈窄深的“U”型谷，沟壁陡立，深 1824m，谷底宽 716m 之间，平均纵比降38.7，两侧沟台地发育，台面平坦而总体向沟谷方向缓倾，坡度 38，宽30140m。下游谷形开阔，两侧沟坡坡度多在 30以上，主沟南侧一、二级沟台地较北侧发育，台地上多被村民建房占据或耕地利用，受人为建房及开挖公路挤占、压迫沟道，其主沟道宽在 5.213.4m，深 1.58.0m，平均纵比降 15.8。大西沟主沟直接汇入雷坛河，沟口无扇形地分布。3.2.2 松散固体物

11、质条件 固体松散物质是泥石流的重要组成部分，其储量大小及补给条件控制着泥石流的性质、规模。根据实际调查，大西沟及其支沟驮水沟泥石流的固体松散物质主要来源于滑坡、坍滑塌、人工堆积体（堆渣）及坡面松散堆积物等。大西沟流域（不含已治理的沙子沟）内共发育滑坡 8 处，分布于主沟两侧及两侧规模较大的支沟内，呈零散分布的特征，滑动面积 76.2104m2，扰动土石方量达 842.8104m3。其中岩质错落体 1 处，即老爷山岩移体，黄土滑坡 5 处，堆积层滑坡 2 处，除岩质滑坡外，其余滑坡均以前缘坍塌及坡体物质被逐步冲蚀的形式不断进入沟道补给泥石流。而老爷山岩移体位于沟口，岩体整体性较好且已稳定，其补给

12、泥石流的物质仅为坡面松动的岩土体，并以面蚀的方式进入沟道。据调查测算，大西沟内滑坡可补给泥石流的松散物质储量 137.9104m3。大西沟流域内滑坡除矿区 2 处滑坡受地表塌陷直接诱发而成，其它均与区内陡峻的地形，黄土特殊的岩性条件及地表水流冲蚀等作用密切相关。流域内坍滑塌分布于主沟中上游及支沟内两侧沟岸，受地表水流切蚀，主沟及较大规模支沟两侧沟岸陡立，其物质松散，易形成坍塌、滑塌，扰动的土体直接堆积于沟道内，它是泥石流最直接、最易启动的固体松散物质。区内坍滑塌单个规模、体积小，分布分散，沿沟岸呈线状分布特征。经实际调查，流域内坍滑塌共 32 处，总体积近 l1.6 万 m3。人工堆渣主要分布

13、于大西沟流域下游矿区段，此外在其支沟驮水沟沟脑有所分布。前己述及，上述渣体大部直接堆积于沟道内，易被地表汇流及沟谷洪水直接冲蚀而补给泥石流，其补给泥石流的物质量达 9.78 万 m3。坡面松散物质指沟坡残坡积层和陡坡段黄土体。区内残坡积物质分布较广，由于构造断裂发育，岩体破碎，基岩风化强烈，碎石、岩屑在坡面形成堆积，厚度较大，质地松散，粘结力差，易被水流冲蚀、搬运。而黄土广布于流域内，在暴雨条件下，陡坡段土体易被面状冲蚀进入沟道，成为泥石流的主要物源之一。不仅如此，流域下游采矿工程活动引发的地表塌陷直接松动沟坡岩土体，加大了沟坡松散物质数量，使面状冲蚀强度及水土流失面积不断增加。根据水保资料和

14、调查分析统计，流域内可转化为泥石流的坡面松散物质总量为 48 万 m3。不仅如此，流域下游采矿工程活动引发的地表塌陷直接松动沟坡岩土体，加大了沟坡松散物质数量，使面状冲蚀强度及水土流失面积不断增加。根据水保资料和调查分析统计，流域内可转化为泥石流的坡面松散物质总量为 48 万 m3。经实际调查测算，大西沟流域可转化为泥石流的固体松散物质数量达207.3104m3，单位面积固体松散物质储量 16.6104m3/km2。3.2.3 降水条件 据统计资料显示，大西沟流域年降水量 328596mm，平均为 462mm，降水年内分配极不均匀，主要集中在 79 月，三个月降水占全年降水量的 56%以上，且

15、多以大、暴雨的形式出现，具有降水集中、雨强大的特点。本区日最大降水量96.8mm，1h 最大降雨量 47mm，短历时高强度的降水为泥石流的形成提供了充足的水源条件。研究资料表明，泥石流的形成与前期降雨和短历时降雨强度关系最为密切。根据前人对兰州西固洪水沟泥流灾害（1964.7.20，平均雨强 37.5mm/h）和拱北沟泥石流灾害（1978.8.27，平均雨强 50.0mm/h）研究，兰州地区形成泥石流所需的最小雨强约 25mm/h，成灾雨强 40mm/h。而大西沟流域年大于30mm/h 的降雨日数平均为 1 天，最多达 5 天，这也是该沟泥石流频繁爆发的原因。4 模糊综合评判 选定整个阿干矿区

16、进行模糊综合评判（两级综合评判）：4.1 确定危险性等级 V=V1，V2，V3，V4=，=危险性较低，危险性中等，危险性较高，危险性高。4.2 合理选择因子集 根据地面塌陷和泥石流危险性的影响因素、收集及现场调查所得的大量资料并且在参考了大量论文后，建立了如图 2 的地质灾害危险性综合评价指标体系1234。评价的因子集 U=U1，U2=地面塌陷，泥石流，U1 是第一层次中的第一个因素，它又由下一层次中的 6 个因素决定，即为 U1=u11，u12，u13，u14，u15，u16=第四系覆盖层厚度，地质构造，地形地貌，煤层倾角，年降雨量，塌陷面积。同理，U2=u21，u22，u23，u24，u2

17、5，u26=人为活动，固体松散物质储量，主沟纵比降，流域相对高差，地震烈度，年降水量 4.3 确定权重 确定权重的方法有多种，本文采用层次分析法。运用层次分析法，得到打分表：图 2 地质灾害危险性综合评价指标体系 表 1 矩阵打分表标度值 u11 u12 u13 u14 u15 u16 u11 u12 u13 u14 u15 u16 1 5 4 5 3 7 1/5 1 1/3 1 1/4 4 1/41/3 3 1 3 1/3 4 1/5 1 1/3 1 1/4 4 4 3 4 1 6 1/7 1/4 1/4 1/4 1/6 1 表 2 矩阵打分表标度值 u21 u22 u23 u24 u25

18、u26 u21 u22 u23 u24 u25 u26 1 5 6 6 1/5 1 3 3 1/6 1/3 1/6 1/3 1 1 1 1 1/4 7 1/6 4 1/6 2 1/6 2 4 6 6 6 1 7 1/7 1/4 1/2 1/2 1/7 1 表 3 矩阵打分表标度值 U1 U2 U1 U2 1 4 1/4 1 通过和积法5得到：A1=（0.04，0.18，0.10，0.18，0.06，0.44）max=6.43 CI=（6.43-6）/5=0.086 RI=1.24 CI/RI=0.0690.1 故检验符合要求。通过和积法得到：A2=（0.06，0.12，0.22，0.22，0.

19、03，0.35）max=6.53 CI=（6.53-6）/5=0.106 RI=1.24 CI/RI=0.0850.1 故检验符合要求。通过和积法得到：A=（0.2，0.8）max=（0.4/0.2+1.6/0.8）/2=2，显然满足一致性检验。4.4 计算隶属度，确定模糊矩阵 R 各评价因子对各级地质灾害的危险程度的隶属函数公式6为：式中，Y1，Y2，Y3，Y4 分别为某评价因子对于 V1，V2，V3，V4 四个地质灾害危险程度的隶属度，s1，s2，s3，s4 为评价指标对于危险性等级的分级阈值，x是实测值。对于可定量表达的因素，根据各评价因子实测值和隶属函数，并参照各评价因子对于危险性等级

20、的分级阈值一览表（表 4），可求出其相应于各危险等级的隶属度。对于不可定量表达的因素，同样参考表 4 并直接根据因素的实际特征状态所属的危险性等级而定11。即当因素的实际特征状态属于危险度高等级时，则认为该因素对于危险性高这个等级的隶属度是 1，该因素对于其它危险性等级的隶属度均为0。最终得出模糊矩阵 R。影响地面塌陷的定量因素的实测值分别为：第四系覆盖层厚度约为 40m，倾角平均为 50，年降雨量平均为 417mm，塌陷面积为 9.06km2。影响泥石流的定量因素的实测值分别为：固体松散物质储量为 207.3 万 m3，主沟纵比降为 104，流域相对高差为 624m，地震烈度为 8 度，年降

21、水量平均为462mm。分定性和定量两种情况求出评价指标相应于各危险等级的隶属度，最终可确定出模糊关系矩阵。先作单因素模糊评判，即从决定地面塌陷的因素值 u1i 着眼，确定该因素在 V 上的评判结果 r1ij（j=1，2，3，4），再用 6 个单因素的评判结果构成因素集 U 与评价集 V 之间的模糊关系，即 64 阶单因素模糊评判矩阵 R1。同理，用决定泥石流的 6 个单因素的评判结果构成因素集 U 与评价集 V 之间的模糊关系，即 64 阶单因素模糊评判矩阵 R2。4.5 综合评价计算 按模糊数学中最大隶属度原则12，取 B 中最大隶属度所对应的评判等级为该单元的最终评判等级。即若 bk=ma

22、xb1，b2，b3，b4，则该单元的最终评判等级为 k 级。B1=A1R1=（0，0.12，0.51，0.37）B2=A2R2=（0.20，0.15，0.49，0.16）所以本区地质灾害危险性等级为级，危险性较高。表 4 各评价因子对于危险性等级的分级阈值一览表478910评价因子 评价等级第四系覆盖层厚度（m）u11 60 45 30 15 地质构造 u12 无断层、褶皱 褶皱影响小 断层部分切割或褶皱影响大 断层发育，褶皱形态复杂地面塌陷U1 泥石流 U2 中山低中山区，地形陡峭，山坡坡度25。峡谷或V 型沟谷，水系发育煤层倾角（）u14 25 35 45 55 年降雨量（mm）u15 3

23、00 400 500 600 塌陷面积（km2）u16 0.1 1 10 20 地形地貌 u13 地势平缓 地势多平坦或拓宽“U”型谷低山丘陵区，山坡坡度 1525。拓宽“U”型谷为主，间或“V”型沟谷植被破坏严重，矿山和工程较多固体松散物质储量（万 m3）u22 100 150 200 250 主沟纵比降（）u23 100 150 200 250 流域相对高差（km）u24 0.1 0.3 0.5 1.0 地震烈度 u25 5 6 7 8 年降水量（mm）u26 300 400 500 600 人为活动 u21 植被基本无破坏，无矿山或大型工程 植被局部破坏，工程稀少植被部分破坏，少量矿山和

24、工程 5 结论 甘肃省阿干矿区开发所引起的地质灾害主要为地面塌陷和泥石流。利用两级模糊综合评判，对阿干矿区的地质灾害危险性进行了评价，最终评判出矿区地质灾害危险性为较高，该结论与实际情况基本相符，证明选取的方法是可靠有效的。参考文献：【相关文献】1王俊豪，等.基于层次分析法的模糊综合评判模型在康乐县泥石流沟危险性评价中的应用J.中国地质灾害与防治学报，2017，28（3）：52-57.2乔晓霞，等.模糊综合评价法在地质灾害危险性评价中的应用J.山西建筑，2014，40（9）：65-66.3向灵芝，等.京西矿区地面塌陷危险性模糊综合评判J.地质通报，2008，27（11）：1862-1869.4

25、张长敏，等.采空区地面塌陷危险性两级综合评判J.地球与环境，2005，33（增刊）：99-102.5黄润秋，等.地质环境评价与地质灾害管理M.北京：科学出版社，2008.6王鹏.水麻路危岩危险性风险评价及防治D.重庆：重庆交通大学，2008.7孙广仁，毕海良.模糊综合评判法在泥石流沟判别与危险度评价中的应用J.青海环境，1997，7（2）：72-77.8张梁，等.地质灾害灾情评估理论与实践M.北京：地质出版社，1998.9赵建康，等.浙江省小流域泥石流地质灾害调查与评价技术方法C.10吴亚子.山区公路地质灾害危险性评估方法研究 D.成都：成都理工大学，2005.11段瑜.地下采空区灾害危险度的模糊综合评价D.中南大学，2005.12姚柏华，李毅.模糊综合评价法在矿山地质灾害分析中的应用J.山西建筑，2007，34（8）：114-115.