岩溶地面塌陷易发性评价研究区成果

(一)易发性评价与区划原则

地质灾害易发性评价是以基本的地质条件分析为主,目的是认识灾害的易发程度,为制定研究区减灾害规划、灾害预警预报、布置防灾工程等提供基础依据。

依据塌陷地质灾害形成发育的地质环境条件,在充分分析并考虑地面塌陷灾害现状的基础上,结合影响岩溶地面塌陷的重要因素,选用目前科学的评价方法和数学模型进行评价,最后根据评价结果进行灾害的易发性区划。易发性评价主要原则如下。

1.地质环境条件的相似性原则

地质环境背景条件包括地形地貌、地层岩性、结构构造、水文地质和工程地质等方面,将发生条件相同或相近的区域划入一个区。

2.地质灾害现状分析的相近性原则

充分考虑地质灾害的现状与分布特征,同种地质灾害规模、密度、危害相近的区域,其灾害的易发性相近或相等。

3.因子相关性原则

影响地质灾害易发性的相关因素众多,有基础因子、响应因子、诱发因子等,各种因素对灾害的贡献有大有小,但其中总有少量几个因子起主导作用,其与灾害形成相关性强。必须充分调查研究实际情况,抓主要矛盾,选择主导因素,不能面面俱到。

(二)易发性评价方法

1.岩溶塌陷易发性分区评价方法选取

由于岩溶塌陷影响因素众多,各因素作用不尽相同又存在一定联系,且没有截然的界限值,同一因子在不同环境条件下所起的作用不尽相同,各因子作用和影响很难用经典数学模型加以统一量度。因此,准确预测岩溶塌陷的等级分区,需要查清不同影响因素的组合特征,并确定不同情况下各影响因子的主次作用。

通过采用基于层次分析法的综合指数评价法,将岩溶塌陷影响因素的定性描述转化成定量指标,既可以反应各个影响因子之间的相关性又可以求出各影响因子的相对权重,最后利用GIS空间分析工具,对含有不同权重的各影响因素进行叠置分析,通过对叠置后的综合图件进行分析以及计算得到岩溶塌陷易发性分区图。

2.评价预测方法步骤

层次分析-综合指数评价方法评价岩溶塌陷易发程度分区可概况为以下几方面:

(1)搜集研究区数据及资料,充分了解该区岩溶特征、形成条件及影响因素。

(2)确定评判因子,建立判别因子层次递阶结构,构造判别矩阵确定其权重。

(3)确定评判因子的等级范围。

(4)根据搜集整理的研究区资料,做出各单因素的等级分区图。

(5)利用Map GIS软件的空间分析功能,对单因素图件逐层叠置分析,得出综合图件。

(6)结合各单因子的权重和综合叠置图件,对每个区进行综合等级计算分析,最终得出岩溶塌陷易发性预测分区图。

其技术路线如图9-9所示。

图9-9 预测方法路线图

1)判别因子的确定

岩溶地面塌陷的易发性是多种因素相互影响、共同作用的结果,因此更加准确地预测岩溶地面塌陷的发生,就要针对不同的地区,分析其影响岩溶塌陷的综合因素。岩溶地面塌陷总是在几种条件下发生的,而某一条件又是由几种因子所组成。确定影响因子是建立预测模型的基础,在模糊综合评价法中,通常将岩溶塌陷影响因素总结为条件层(一级评判指标)和因子层(二级评判指标)两个等级。

2)评判因子权值确定及等级划分

影响因子权重的确定通过构造判断矩阵来实现。判断矩阵表示针对上一层某因素,本层与之有关的各因素之间的相对重要性的比较。为使各因素的相对重要性定量化,根据研究区岩溶塌陷条件及影响因子分析,采用专家经验利用A.L.Satty引入的“1—9”标度方法,其涵义如表9-3所示。

表9-3 标度方法含义

根据以上标度的定义分别建立预测因子层次模型中条件层和因子层的判断矩阵,即岩溶塌陷的基本条件相对于岩溶塌陷重要性的对比,以及各基本条件层中影响因子相对于基本条件层的相对重要性的比较,特征向量的求取、一致性检验以及权重归一化处理之后得出岩溶塌陷各基本条件以及影响因子的权重。

3)评价指标等级划分

对于不同的地质条件,各预测因子的发育程度不同,对预测单元岩溶地面塌陷稳定性的影响程度也不尽相同。因此需要根据具体的实际情况,对各预测因子进行等级划分,并进行赋值。

4)建立模糊层次计算模型

假定条件层有3个指标,每个条件层含有3个因子。

目标R划分评价集为:

条件层Ri相对目标层的评价模糊子集为:

因子层Rij相对条件层的评价模糊子集为:

利用层次分析法分别计算条件层对于目标层以及因子层对于条件层的权重,其模糊子集分别如下:

条件层:

因子层:

通过条件层和因子层权重的连乘得到因子层对目标层的权重子集:

最后得到某预测单元的综合指数计算模型:

式中:S——稳定性指标数值;

rij——各预测因子所处的稳定级别。

根据各单元的评判结果,确定其所处单元的级别,然后再根据各单元的级别进行评估区稳定性预测分区评价。

5)运用GIS技术完成综合预测评价

进行综合评价时,借助GIS技术,首先根据工作区岩溶塌陷发生的地质环境背景条件,分别编制各评价因子单要素分区图,并建立相应的属性库。然后进行单要素图的逐步叠加分析,形成多个评价因子的综合叠加图。得到所有评价因子的叠加综合图后,利用GIS的属性管理功能将综合图中各区的属性导出,根据前面建立的预测分析模型进行计算评价。计算所得评价结果再导回图中相应区作为新增属性项。最后利用新增属性所显示的评价结果对各区进行归并,得到最终的岩溶塌陷危险性分区图。

(三)易发性评价过程

1.岩溶塌陷层次分析流程

在对研究区域致塌因素识别的基础上,运用风险评价方法中的层次分析法对区域岩溶塌陷进行易发性评价,并确定出各影响因素对塌陷的影响权重。运用层次分析法进行岩溶塌陷风险评价过程如下。

1)确定岩溶塌陷易发性层次递阶结构模型

通过分析,确定岩溶塌陷R为目标层,岩溶条件R1、覆盖层条件R2和地下水动力条件R3为3个风险因素准则层,基岩岩性R11、岩溶发育程度R12、覆盖层厚度R21、覆盖层结构及岩性R22、地下水位与基岩面距离R31、地下水位变幅R32,6个风险子因素子准则层。岩溶塌陷易发性评价层次递阶结构模型如图9-10所示。

图9-10 层次递阶结构模型图

2)判别因子权重的确定

根据区域岩溶塌陷条件及影响因素分析,分别列出条件层和因子层的判断矩阵,和积法求得各因子权重值ωRij,计算各判断矩阵的最大特征值λmax,并进行一致化性检验。如表9-4～表9-7所示。

表9-4 条件层Ri相对于目标层R的判断矩阵

表9-5 因子层R1j相对于条件层R1的判断矩阵

表9-6 因子层R2j相对于条件层R2的判断矩阵

(www.chuimin.cn)

表9-7 因子层R3j相对于条件层R3的判断矩阵

条件层与因子层判断矩阵构建及求得各指标权重之后,通过条件层与其对应因子层权重指标的乘积即为最终判别因子的权重值。计算结果见式(9-8),各判别因子总权重及排序如图9-11所示。

图9-11 岩溶塌陷判别因子总权重及排序图

总权重向量:

于是得到某预测单元的计算模型如式(9-9):

式中:S——易发性指标数值;

rij——每个综合单元格中各预测因子的级别取值(具体分级见下文);

ωij——各因子权重。

3)各判别因子总权重及排序

根据总权重向量,确定出各基本判别因素对岩溶塌陷的影响程度(图9-11)。从整体预测因子排序来看,岩溶发育程度和覆盖层厚度是区域岩溶塌陷的最主要的控制因素。岩溶条件与覆盖层条件总体排序相对靠前,说明岩溶发育的现实情况对塌陷发生的影响程度较大,即导致岩溶塌陷的内因起着较为关键的作用,因此在动力致塌条件的诱导下,特别是在岩溶高度发育的地带,塌陷容易发生。

2.岩溶塌陷判别因子等级划分

在对研究区岩溶塌陷形成条件各因素进行综合分析的基础上,根据6个基本评价因子对应不同区域的具体情况并按照其对岩溶塌陷的影响程度,将各评价因子按照4个等级进行划分,并对每个等级进行描述(表9-8)。

表9-8 区域岩溶地面塌陷模糊评价因子等级划分

以上判别因子各级别的临界值的确定是依据研究区相关的文献或者报告记载,以及通过实际资料对研究区的塌陷成因进行分析判断,最终得到每个影响因子的等级划分;单因子等级分区图主要依据的是研究区相关资料以及研究区的地质构造条件。

3.单因子等级分区

由于岩溶塌陷只发生在覆盖型岩溶分布区,所以对岩溶塌陷的综合评价只需要在覆盖型岩溶分布区进行,即评价区为除东西湖区之外的7个主城区,先对整个评价区中覆盖型岩溶区进行单因素的分析,最后将综合分析结果叠加到仅有覆盖型岩溶分布的地区,最终完成整个评价区岩溶塌陷易发性分区评价。下面将具体分析各判别因子的等级划分依据以及各因子在评价区的分布情况。

1)基岩岩性R11

区域基岩溶蚀率最高的为上石炭统船山组—黄龙组厚层灰岩,该层溶蚀现象明显,局部发育溶洞。其次是下二叠统栖霞组厚层灰岩也有一定的溶蚀率。基岩溶蚀率较差的为下三叠统大冶组泥质灰岩,仅有少许溶隙。志留系(S)、泥盆系(D)、白垩系—古近系(K—E)、新近系(N)碎屑岩基岩基本无岩溶发育情况。根据岩性地层的特点可以将研究区的基岩地层分为岩溶较发育(C)、中等发育(P)、弱发育(T)和岩溶不发育的地层(S、D、N、K—E),如图9-12所示。

图9-12 研究区基岩地层分布图

1.C地层;2.P地层;3.T地层;4.S、D、N、K—E地层;5.河流湖泊;6.地名/山名

2)岩溶发育程度R12

在断裂破碎带、褶皱轴部地带节理裂隙发育、岩层产状多倾斜或陡倾,岩溶发育较为强烈。可溶性岩层和非可溶性地层接触带或岩、土交界面处,岩溶发育较为强烈。根据揭露基岩的钻孔资料,碳酸盐岩地区钻孔均出现不同程度的岩溶现象,岩溶形态主要为溶洞、溶蚀裂隙以及小溶孔等,溶洞仅在局部地区发育,溶洞多半充填和全充填碎石、黏土和砂,个别溶洞无充填物。将钻孔所揭露的地层按溶洞和溶蚀裂隙发育程度分为以下区域:有溶洞出露且规模较大的地区、溶洞规模小溶蚀裂隙较发育地区、少有溶孔发育但有少量溶蚀裂隙的地区,分布如图9-13所示。

图9-13 研究区岩溶发育程度分布图

1.岩溶裂隙不发育;2.岩溶裂隙较发育;3.溶蚀现象明显且有溶孔;4.河流源泊;5.地名/山名

3)覆盖层厚度R21

覆盖层厚度越大,越不易发生塌陷。据统计,岩溶塌陷大多数产生于覆盖层厚度小于10m的地段,而且以厚度小于5m的地方塌陷密度最大,数量最多。覆盖层厚度10～30m的塌陷数量要少很多,大于30m的地方几乎没有塌陷产生(图9-14)。

图9-14 研究区覆盖层厚度分布图

1.＜10m;2.10～20m;3.20～30m;4.＞30m;5.河流湖泊;6.地名/山名

4)覆盖层结构及岩性R22

研究区第四系覆盖层结构类型有双层结构和均一结构两种,以双层结构为主要的结构类型。均一结构一般为可塑—硬塑黏性土,固结完成充分,黏聚力较强,不易发生塌陷。双层结构有两种情况:第一种是上层为可塑—硬塑黏土,下层为含砾亚黏土,黏砂比＞1,此情况发生塌陷几率较小;第二种是上层为可塑黏土,下层为砂砾石或砂性土,黏砂比＜1,此情况较易发生塌陷。研究区盖层结构分布见图9-15。

图9-15 研究区覆盖层结构分布图

1.单层砂;2.黏砂比＜1;3.黏砂比＞1;4.单层黏土;5.河流湖泊;6.地名/山名

5)地下水位与基岩面距离R31

水动力条件是岩溶地面塌陷的诱发因素,也是影响岩溶塌陷的重要条件之一。若岩溶水位在基岩顶面附近波动,对上覆砂层潜蚀作用力增大同时易形成真空效应,以致塌。水位与基岩面距离的刻画则是取年平均水位高程与基岩面高程的距离,若该距离小于15m则易诱发塌陷,大于45m相对比较稳定,不易诱发塌陷(图9-16)。

图9-16 研究区地下水与基岩面距离分布图

1.水位与基岩面距离＜15m;2.水位与基岩面距离15～30m;3.河流湖泊;4.地名/山名

6)地下水位变幅R32

地下水位变幅越大,越容易产生较大的渗透力和动水压力,对土体状态的影响程度越大,对松散盖层产生掏蚀作用力,使其剥离、流失至塌陷;通过对历史塌陷点、实测地下水位动态资料以及地质钻孔资料分析,取2009年观测水位年最大值和最小值的差值作为地下水位的波动幅度,水位波动幅度大于5m则认为极易诱发塌陷,波动幅度小于1m认为不易诱发塌陷。地下水位变幅分区见图9-17。

图9-17 研究区地下水水位变幅分布图

1.水位变幅＞5m;2.水位变幅3～5m;3.水位变幅1～3m;4.水位变幅＜1m;5.河流湖泊;6.地名/山名

(四)易发性评价结果与分析

利用Map GIS软件,根据单因素指标分区并建立相应属性库,通过空间分析叠加后得到综合叠置图,利用属性库管理根据预测模型[式(9-9)]计算各区综合得分,再根据等级划分标准中易发性指标值S(表9-8)进行分区合并,综合得分0～1为岩溶塌陷不易发区,1～2为基本不易发区,2～3为次易发区,大于3为易发区,最终得到研究区岩溶塌陷易发性分区结果(图9-18)。

图9-18 研究区岩溶地面塌陷易发性分区图

1.易发区;2.次易发区;3.基本不易发区;4.不易发区;5.河流湖泊;6.地名/山名

1.易发区

根据评价分区结果,研究区易塌陷区(①～⑥)分布在白沙洲至青菱乡、烽火村、陆家街区域,鹦鹉洲—墨水湖一带,以及龟山—蛇山一带。

该区基岩岩性为石炭系—二叠系、三叠系灰岩,有断裂构造穿过,岩性破碎,岩溶裂隙发育且有溶孔;上覆土层二元结构且黏砂比小;孔隙承压含水层与碳酸盐岩含水层直接接触,沿江分布,地下水位受江水位变动影响大。中部碳酸盐带东部分布小范围易塌陷区,主要与该区覆盖层较薄,断裂构造穿越且位于褶皱核部岩性破碎有关。研究区历史上所发生的岩溶地面塌陷大多分布在该区。

2.次易发区

次易塌陷区(⑦～○19主要分布在烽火乡—青菱乡一带、洪山—严东湖一带。

该区基岩岩性为石炭系灰岩,有断裂穿过,烽火乡—青菱乡岩溶裂隙较发育,上覆土层黏砂比较小;洪山—严东湖一带上覆土层厚度较薄,均小于20m,由于断裂构造影响,孔隙水含水层与碳酸盐岩含水层连通性好,地下水位变幅大,促使岩溶塌陷产生。北部碳酸盐条带中青山附近由于断裂构造穿过,也属于次易塌陷区。

3.基本不易发区

基本不易发区主要分布在离江较远的地带。

该区基岩在北部条带以石炭系灰岩为主,溶蚀裂隙弱发育,中部和南部条带以志留系、白垩系—古近系碎屑岩基岩为主,岩溶不发育。地下水受江水位变动影响小。上覆土层厚度多大于30m。

4.不易发区

不易发区主要分布在条带西部离江较远地带。

该区下伏基岩地层为志留系碎屑岩,岩溶不发育,上覆土层为全新统黏土和白垩纪—第三纪地层,且厚度大于30m;孔隙承压含水层与碳酸盐岩含水层之间存在弱透水层,一般不发生岩溶塌陷。