礦山工程勘查中滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估分析

杜衛(wèi)衛(wèi)

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

礦山工程是指以礦產(chǎn)資源為基礎(chǔ)，從事資源開采和操作的工程技術(shù)人員。先要找出施工場(chǎng)地，確定具體的礦點(diǎn)，然后再進(jìn)行采掘作業(yè)，確保施工人員的安全[1]。礦山工程勘查具有建設(shè)項(xiàng)目分散，各功能區(qū)對(duì)地質(zhì)環(huán)境要求不同，破壞程度不同等特點(diǎn)，針對(duì)這些特點(diǎn)開展礦井地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估，對(duì)于指導(dǎo)礦井防治地質(zhì)災(zāi)害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在多種地質(zhì)災(zāi)害中滑坡是在重力作用下，引起巖土整體順坡滑落的災(zāi)害，也是中國(guó)最常見的災(zāi)害之一。

作為世界上滑坡災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，中國(guó)滑坡災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生頻繁、分布廣泛等特點(diǎn)，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2]。數(shù)據(jù)顯示，2013～2021年間全國(guó)平均每年因滑坡而死亡的人數(shù)超過(guò)800人，造成的財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)1.3億元。由于滑坡災(zāi)害是伴隨地球運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的自然現(xiàn)象，因此這種災(zāi)害的可防御性降低。為了最大程度的降低在礦山工程勘查工作中，滑坡災(zāi)害造成的人員與經(jīng)濟(jì)傷亡，為此對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行概率計(jì)算與評(píng)估。

到目前為止，滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究已經(jīng)進(jìn)行了30多年，最有效地減少滑坡造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的途徑。未發(fā)生滑坡的山體對(duì)象，對(duì)于處于失穩(wěn)狀態(tài)的邊坡的滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估研究較少。綜合來(lái)看，傳統(tǒng)的滑坡災(zāi)害概率評(píng)估方法存在明顯的應(yīng)用性能不佳的問(wèn)題，為此以礦山工程勘查為研究背景，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估方法設(shè)計(jì)

1.1 確定滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

在考慮滑坡發(fā)育特點(diǎn)和自然、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合因素下，將滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率劃分為5個(gè)等級(jí)，分別為高概率、中高概率、中概率、較低概率和低概率，具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

1.2 分析礦山工程勘查邊坡應(yīng)力

邊坡巖體的破壞主要取決于巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布情況和巖體強(qiáng)度[3]。巖體在垂直應(yīng)力 zσ的作用下產(chǎn)生側(cè)向水平應(yīng)力 xσ和 yσ且兩者相等[4]。兩者用泊松比或者側(cè)壓力系λ數(shù)求得：

式中H為巖體埋深，γ表示的是上覆巖層和巖體的平均容重。剪切應(yīng)力的最大方向與地平面成45°夾角，則得到以下應(yīng)力值：

公式2中maxσ 和minσ 分別為主應(yīng)力的最大值和最小值。

1.3 影響滑坡災(zāi)害發(fā)展的因素

邊坡穩(wěn)定性受內(nèi)部因素和外部因素兩種因素的影響。內(nèi)部因素主要是土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外部因素主要是坡面的邊界條件，水的作用，人為作用等。顯微分析表明，抗滑性能主要來(lái)源于巖體的內(nèi)力[5]。在巖石結(jié)構(gòu)形態(tài)上，與塊狀和層狀結(jié)構(gòu)相比，碎裂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，滑坡發(fā)生的機(jī)率較大，除上述內(nèi)因外，還需具備形成滑坡的最基本邊界條件，主要是在土體滑移過(guò)程中，土體在沒(méi)有滑移空間的情況下，是不能滑移的。舉例來(lái)說(shuō)，由于地質(zhì)構(gòu)造中的造山運(yùn)動(dòng)，以及后期日光、風(fēng)浪沖刷所造成的風(fēng)化，自然界各種不同坡度的斜坡，包括各種巖土坡度，河流溝谷兩側(cè)的斜坡。以上邊坡前面均有空隙。對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響大致可分為三個(gè)方面：降水、地表水和地下水。降水量的影響主要表現(xiàn)在雨水的大量滲透，使邊坡土石層飽和，從而增加了滑動(dòng)體的重量，同時(shí)由于水的滲透引起軟化作用，降低邊坡土層強(qiáng)度。如果假定某一極端降雨指數(shù)為 A，滑坡事件為 B，則在極端降雨條件下，滑坡發(fā)生的概率為條件，即為：

式中 P(A)為極值降雨事件的發(fā)生概率，P( BA)為對(duì)滑坡體

下施加一定的降雨條件，根據(jù)降雨入滲機(jī)理，計(jì)算或模擬坡體內(nèi)滲流場(chǎng)、孔隙水壓力場(chǎng)的變化，進(jìn)而計(jì)算出滑坡的失穩(wěn)概率。

1.4 設(shè)置滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估指標(biāo)

在分析滑坡災(zāi)害發(fā)展影響因素的基礎(chǔ)上，設(shè)定災(zāi)害發(fā)展概率評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，降雨量指標(biāo)、邊坡建筑物強(qiáng)度指標(biāo)、土體結(jié)構(gòu)指標(biāo)是重點(diǎn)[6]。在滑動(dòng)滑移過(guò)程中，建筑物影響強(qiáng)度指標(biāo)分為最大沖擊力和最大滑動(dòng)滑移深度指標(biāo)，其中最大深度代表滑坡災(zāi)害發(fā)生時(shí)的空間尺度，該指標(biāo)的計(jì)算公式如下：其中分別表示失穩(wěn)狀態(tài)下建筑物對(duì)邊坡的沖擊力強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)深度強(qiáng)度。另外土體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)指標(biāo)的求解公式為：

公式5中T為滑坡的滑動(dòng)面長(zhǎng)度，f和 iτ分別為非飽和土體和滑裂面土體上的剪應(yīng)力。同理可以得出其他評(píng)估指標(biāo)的量化結(jié)果。

1.5 實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估

通過(guò)多個(gè)影響因素指標(biāo)的分析與量化，可以得出滑坡在失穩(wěn)狀態(tài)下的災(zāi)害發(fā)展概率以及評(píng)估指標(biāo)的具體取值[7]。利用加權(quán)統(tǒng)計(jì)原理分別得出各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，并最終得出滑坡災(zāi)害發(fā)展概率的綜合評(píng)估結(jié)果，如下：

其中 iI和 iω分別為評(píng)估指標(biāo)取值和權(quán)重值。將公式6得出的綜合評(píng)估結(jié)果與表1中設(shè)置的災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)和匹配，便可以確定目標(biāo)滑坡災(zāi)害進(jìn)一步發(fā)展的評(píng)估結(jié)果。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

由于滑坡災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展不受人為控制，為了降低實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際環(huán)境的影響，此次實(shí)驗(yàn)利用GIS技術(shù)建立空間模型，并在該模型下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)研究區(qū)域的選擇、數(shù)據(jù)的采集等步驟，利用軟件程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)災(zāi)害發(fā)展幾率的控制。另外由于在實(shí)際的地質(zhì)災(zāi)害防控工作中，設(shè)計(jì)的評(píng)估方法僅起到參考的作用，因此實(shí)驗(yàn)分別對(duì)比應(yīng)用評(píng)估方法前后，滑坡災(zāi)害實(shí)際產(chǎn)生的影響。

選取了某礦山工程勘查區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)的研究區(qū)域，該區(qū)域處于112°13′～114°14′E和24°54′～26°50′N，勘查面積2.1萬(wàn)km2。礦山工程勘查區(qū)域年降雨量1350mm～1700mm，主要以山地為主，山地地勢(shì)由東南向西北，海拔80m～2035m。受地質(zhì)地形條件、氣候條件和人類采礦等活動(dòng)影響，該區(qū)已成為中國(guó)滑坡災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)之一。將收集的區(qū)域數(shù)據(jù)輸入到仿真軟件中，并得出滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率的分析結(jié)果，如圖1所示。

圖1 滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率分布圖

為了形成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，設(shè)置傳統(tǒng)的滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估方法和文獻(xiàn)[6]中提出的基于證據(jù)權(quán)法的滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法作為實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)對(duì)比方法。根據(jù)圖1中發(fā)展概率的設(shè)置，得出相應(yīng)的評(píng)估量化結(jié)果，并以此作為驗(yàn)證評(píng)估精度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。通過(guò)三個(gè)評(píng)估方法的運(yùn)行，得出最終的量化評(píng)估結(jié)果，如表2所示。

表2 滑坡災(zāi)害發(fā)展幾率評(píng)估結(jié)果

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，三種評(píng)估方法的平均評(píng)估誤差分別為0.054、0.028和0.008，由此可見設(shè)計(jì)評(píng)估方法的評(píng)估誤差更小，即評(píng)估精度更高。將三種評(píng)估方法應(yīng)用到滑坡災(zāi)害的防御工作中，并根據(jù)發(fā)展幾率評(píng)估結(jié)果采取相應(yīng)的防御措施，分別從人員傷亡和物質(zhì)經(jīng)濟(jì)損失兩個(gè)方面，得出評(píng)估方法應(yīng)用性能的量化測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表3 評(píng)估方法應(yīng)用性能測(cè)試結(jié)果

從表3中可以直觀的看出，通過(guò)與兩個(gè)對(duì)比方法的比較，應(yīng)用設(shè)計(jì)評(píng)估方法的人員傷亡人數(shù)更少，且經(jīng)濟(jì)損失更低，即設(shè)計(jì)評(píng)估方法的應(yīng)用性能更優(yōu)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了保證礦山工程勘查工作的安全性，間接的提升礦山工程的開采工作效率，針對(duì)失穩(wěn)狀態(tài)下的滑坡進(jìn)行發(fā)展幾率評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果做出勘查決策和應(yīng)對(duì)措施。受到時(shí)間和數(shù)據(jù)的限制，實(shí)驗(yàn)選擇的研究區(qū)域較為單一，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，因此得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的片面性，需要在今后的研究工作中進(jìn)一步補(bǔ)充。