基于GIS尾礦庫滑坡地質災害危險性研究

朱遠樂，王 濤，孫 昱,4

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012； 3.武漢大學 水利水電學院，湖北 武漢 430072；4.湖北省天門市水利局，湖北 天門市 431700)

0 引 言

尾礦庫作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發生高頻區域，近年來尾礦庫災害造成的損失已是相當的嚴重，然而尾礦壩滑坡、潰壩在尾礦庫病害事故中起著至關重要的作用。楊麗紅[1]等通過辨識國內外尾礦庫潰壩事故主要危險因素，提出了降低潰壩概率及減少潰壩損失的措施；李全民[2-3]等通過分析尾礦壩的潰口模式和垮壩淹沒范圍建立了尾礦壩潰壩風險評判模型，并應于評估尾礦庫運行期的安全等級；陳星[4]等利用數值模擬的方法開展了尾礦庫潰壩對下游的淹沒和撞擊的研究；林玉山[5]等通過分析尾礦庫工程的特點，總結了尾礦庫建設及運行中遭受、引發地質災害的主要類型、致災因素及其危害性；皺智斌[6]通過傳統地質調查和監測手段對江西省七寶山鉛鋅礦尾礦庫地質災害危險性進行了評估；袁良權[7]結合GIS系統平臺對尾礦庫地質災害易損性進行定量評價，構建了尾礦庫地質災害危險性程度分級分區圖。目前將工程地質和GIS技術相結合解決工程實際問題屬于交叉學科研究中的熱點內容，能夠較好的解決工程問題，許沖[8-9]等將GIS技術與確定性系數分析方法、層次分析法相結合對汶川地震滑坡易發性進行了評價；朱良峰[10]等利用GIS系統開發出了區域地質災害分析系統對全國范圍內的滑坡災害進行了危險性分析。

GIS具有較強的空間數據庫功能以及強大空間分析能力，因此將GIS技術引入尾礦庫滑坡致災體研究領域中能夠很好的解決尾礦庫庫區范圍內滑坡的時空系列分析、滑坡野外編錄、引起滑坡的靜態環境因素等之間的空間相關分析。本文結合尾礦庫工程實例，將GIS技術引入小區域的環境中分析尾礦庫的滑坡地質災害。

1 工程概況

本文以云南某化工公司所屬尾礦庫庫區作為研究區域，研究區域包括一號、二號水池壩，一號、二號初期壩，堆渣庫區，水池庫區以及兩岸山體，研究區域面積為3.98 km2，利用GIS技術分析研究內的滑坡地質災害。

該尾礦庫總共有兩座初期壩，均為透水堆石壩，一號初期壩設計底寬120 m，壩頂寬10 m，壩長120 m，壩高30 m；二號初期壩設計底寬120 m，壩頂寬10 m，壩長80 m，壩高28 m。最上游為2號初期壩，中間為1號初期壩，下游設有二座水池壩。尾礦庫堆積高70 m，總庫容957.99萬m3，尾礦庫為三等庫。一號水池壩設計底寬30 m，壩頂寬5 m，壩長120 m，壩高28 m；二號水池壩設底寬15 m，壩頂寬4 m，壩長30 m，壩高28 m。結合該尾礦庫自身特點以及研究區域內的實際情況，滑坡災害為研究區域內的主要地質災害。

將研究區域的DEM和數字正射影像圖進行疊加，產生三維地形的可視化，通過可視化地形圖有助于判斷研究區域內的滑坡災害影響因子。

圖1庫區可視化圖

2 滑坡影響因子確定及其矢量化

地質災害時空分布影響因子的選取是在借鑒大量已有研究成果和咨詢相關專家的基礎上，結合現場地質調查和現場勘查，按照地質災害發生的成災環境、發生現狀以及發生規律，經過綜合考量予以確定。在篩選成災因子時按照以下基本原則：從地質災害的形成機理以及現場的實際情況，結合當地歷年3種主要地質災害的發生數量、發生規模以及分布特點，全面地考慮影響地質災害發生的各種因子，主要分為兩大類：自然影響因子和人為影響因子。自然影響因子是指地質災害形成的基本地質環境條件；人為影響因子是指影響和誘發地質災害演化和發生的外在因素。

尾礦庫滑坡地質災害的發生受內外動力作用的綜合影響，通過分析地質、地形與現場地質調查的資料，綜合考慮尾礦庫的自身特點去進行地質災害影響因子的選擇。自然影響因子包括：地形坡度、高程、坡向、地層巖性、植被、滲透率；人為影響因子包括：人類活動、壩體影響。

(1) 坡度。滑坡體是否具備有效的臨空面決定了滑坡的形成與否，故庫區的地形坡度從幾何特征上決定了庫區滑坡體的空間分布。滑坡體的形態以及滑坡體的形成原因反映了滑坡體的形成歷史、自身穩定程度以及滑坡面的發展趨勢。通過現場地質調查以及分類比選，將研究區域內的坡度分為五個等級，以15°，25°，35°和50°為界進行劃分，將坡度在50°以上的地形條件作為最危險標志(經過現場地質調查結果看，研究區域內的大部分滑坡都在坡度大于50°這一區間內)。

(2) 高程。高程對尾礦庫地質災害的影響主要有以下兩個方面的原因：一是不同的高程決定了不同的地形條件，進而影響研究區域的匯水面積；二是不同的高程條件下存在植被覆蓋度和植被類型的差異性。這兩者間接的造成了尾礦庫地質災害與地形高程有一定程度的聯系。

(3) 坡向。在工程地質中坡向表示為斜坡面的走向，坡向值的分布范圍為0°～360°。不同坡向條件下導致了太陽的輻射強度不同，從而影響了植被覆蓋、蒸發量以及坡面侵蝕等諸多因素，進而對滑坡體的地下水孔隙壓力的分布及滑坡體的巖土體物理力學特征構成影響，因而影響了滑坡體的整體穩定性。

(4) 巖性。滑坡體的滑動與否很大程度上與滑坡土的巖土體巖性以及結構特征有密切的關系。地層巖性對尾礦庫地質災害中滑坡的危險性影響表現為地層結構與巖體特性兩個方面，這兩個方面直接影響滑坡體的強度、應力分布以及變形破壞特征，為滑坡體的產生提供了物質基礎。

(5) 植被分布。在研究區域滑坡與植被的覆蓋率有著密切的關系，由于降雨的影響植被覆蓋較高的地方，有助于雨水下滲，從而有利于滑坡體的穩定，植被覆蓋率小的區域易形成地表徑流，使斜坡體更松散，失去保護，在一定的誘發條件下，容易行成滑坡、泥石流等地質災害。

(6) 區域滲透性分布。滲透性表征了研究區區域內巖土體的過水能力，滑坡體在受降雨作用后，若滲透性較低，水無法滲透到地下，將形成地表徑流可能形成泥石流或者山體滑坡等尾礦庫地質災害。

(7) 人類活動影響。渣場區域影響尾礦庫滑坡發生的人為因素主要有庫區采礦工程、建筑修路和森林植被的破壞等3種。

(8) 壩體影響。尾礦壩的建造改變了原有山體的應力分布，和巖土體的應力平衡，為分析尾礦壩建壩以后與滑坡的關系，創建尾礦壩的滑坡影響緩沖區，然后統計滑坡與緩沖區的空間關系。

利用GIS軟件將影響尾礦庫地質災害的8種影響因子量化后得出各自的柵格等級分布圖(見圖2～圖9)。

圖2 研究區域坡度等級分布

圖3 研究區域高程等級分布

圖4 研究區域坡向等級分布

圖5 研究區域巖性等級分布

圖6 研究區域植被等級分布

圖7 研究區域滲透性等級分布

圖8 研究區域人類等級分布

圖9 研究區域壩體緩沖區等級分布

3 層次分析法

利用層次分析法(AHP)來進行尾礦庫滑坡影響因子的權重分析。AHP是一種多指標分析評價方法，具有精度高，使用方便的特點。AHP方法通過專家判斷各影響因子之間的關系構造矩陣，所有影響因子的的相互比較構成了各影響因子的權重值，評價因子比較的結果采用一致性比率(CR)來衡量，它代表矩陣一致性指標與隨機性指標，范圍是0～1。

表1 成對比較矩陣中元素aij的標度方法

表1代表因子比較的定性描述指標，表1通過對8個影響因子進行兩兩比較，得到各影響因子之間的構造矩陣A，通過計算矩陣A的最大特征值所對應的單位特征向量即得到各個影響因子的權重為{0.1325，0.0618，0.1691，0.0596，0.0532，0.0758，0.1410，0.3070}。權重因子計算結果表明研究區內尾礦庫滑坡災害的最重要的影響因子為壩體影響。

4 尾礦庫滑坡預測

根據GIS軟件確定的各影響因子量化柵格等級分布圖以及利用層次分析法確定的各影響因子的權重，運用GIS軟件空間分析單元對研究區域各矢量單元進行影響因子加權疊加計算，得到研究區域內尾礦庫滑坡預測易發性評價柵格圖。

SI=∑wiIFi

式中，SI為評價單元的尾礦壩滑坡綜合危險性指數；wi為影響因子的權重；IFi為影響因子。

通過GIS空間分析中的柵格重分類工具對研究區的地質環境條件、野外所收集到的資料分析及地質災害危險性綜合指數按照自然間距分類方法確立尾礦壩滑坡災害危險區劃分標準，標分類標準見表2，將研究區域內尾礦庫滑坡易發性結果分為五類(極高易發區、高易發區、中易發區、低易發區與極低易發區)。

表2 滑坡災害危險區劃分標準

在GIS空間分析中提取各評價單元格的地質災害易發性程度綜合指數，了解整個研究區域內的單元格的地質災害易發性程度(見圖10)。

根據得到的研究區域易發性危險性分布圖，可以統計研究區域滑坡地質災害危險等級分布，研究結果與傳統工程地質調查結果吻合較好。

(1) 研究區域地質災害極高易發區約為0.11 km2，占整個研究區域的2.7%，極高易發區主要分布在一號初期壩和二號水池壩之間，經過現場地質調查，該區域內地形陡峭，斷裂構造發育，人類工程活動強烈，對地質環境破壞嚴重，地質災害較密集，從現場地質調查結果顯示，共有3處潛在滑坡體，從一定程度上佐證了。

(2) 尾礦庫建庫后，隨著尾砂的堆積，改變了原有山體的應力分布，和巖土體的應力平衡可能誘發滑坡、崩塌等地質災害發生。研究區域地質災害高易發區約為0.34 km2，占整個研究區域的8.3%，主要分布在尾礦庫一號初期壩附近，該區域人類工程活動較頻繁，對地質環境破壞相對比較嚴重，研究區兩岸山體較陡峭，坡度較大，影響了滑坡災害的發生。此外由于該區域離一號初期壩較近，尾礦庫建壩以后對該區域的影響可能是一個重要的因素。

(3) 中等易發區、低易發區、極低易發區總共約為3.53 km2，約占整個研究區域的86%，這3個區域主要分布在人類活動較少、植被分布較茂密，植被覆蓋率大約為85%、巖性較好、地形坡度較緩的區域，尾礦庫滑坡災害易發性相對較低。

圖10 研究區域災害等級分布

5 結 論

(1) 通過對尾礦庫滑坡地質災害發生的成災環境、發生現狀以及發生規律分析，得出了影響尾礦庫滑坡地質災害的成災因子；

(2) GIS技術能夠較好的在小區域范圍對各致災因子進行時空系列分析，量化各致災因子的影響等級；

(3) 根據專家判斷法，分析各影響因子對尾礦庫滑坡的影響程度，得到了尾礦壩滑坡災害因子比較結果矩陣，基于層次分析法求得8個尾礦庫滑坡影響因子的權重；

(4) 基于GIS技術構建了尾礦庫滑坡易發性等級分布圖，將研究區內的尾礦庫滑坡按易發程度分為極高易發區、高易發區、中易發區、低易發區與極低易發區五類。與傳統野外工程地質調查的等級分布圖吻合較好，且前者反映的危險等級更精確，尤其能在研究區域內突出反映危險性等級高所對應的致災因子，對企業針對性的預防尾礦庫滑坡地質災害具有極大的參考意義。