賀懷振,魏永耀 ,黃敬軍

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210049；2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210049)

基于模糊綜合評(píng)判模型的徐州地鐵沿線巖溶塌陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

賀懷振1,2,魏永耀1,2,黃敬軍1,2

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210049；2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210049)

巖溶塌陷是工程建設(shè)中常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，已對(duì)城市重大工程及可持續(xù)發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。巖溶水動(dòng)力條件是巖溶塌陷的重要影響因素，在綜合分析徐州地鐵沿線巖溶塌陷影響因素的基礎(chǔ)上，采用ArcGIS中的ModelBuilder工具建立了巖溶塌陷穩(wěn)定性模糊綜合評(píng)價(jià)模型，將地鐵沿線劃分了4個(gè)不同的危險(xiǎn)等級(jí)，預(yù)測(cè)了巖溶水水源地現(xiàn)狀開(kāi)采和增加開(kāi)采條件下地鐵沿線巖溶塌陷穩(wěn)定。結(jié)果顯示：隨著開(kāi)采量的增加巖溶塌陷不穩(wěn)定面積增大，彭城廣場(chǎng)站-徐州火車站由較不穩(wěn)定等級(jí)變?yōu)椴环€(wěn)定分區(qū)，不合理巖溶水開(kāi)采將增大不穩(wěn)定性，對(duì)巖溶水源地制定合理的開(kāi)采方案具有重要的參考價(jià)值。

地鐵沿線；巖溶塌陷；ArcGIS；模糊綜合評(píng)價(jià)

0 引言

巖溶塌陷是巖溶區(qū)特有的地質(zhì)災(zāi)害，它是隱伏巖溶洞隙上的巖、土體在自然或人為因素作用下發(fā)生的變形破壞，并在地面形成塌陷坑，已成為巖溶區(qū)主要隱患之一[1]。巖溶塌陷可能性是由多因素共同決定的，且影響因素較為復(fù)雜，很難建立影響因素與巖溶塌陷的定量統(tǒng)計(jì)關(guān)系。目前許多國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)進(jìn)行了深入的研究。王維理等運(yùn)用層次分析法確定了巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并采用綜合指數(shù)模型計(jì)算了巖溶塌陷危險(xiǎn)性指數(shù)[2]。曾玉瑩等采用灰色模糊理論評(píng)判了巖溶塌陷的穩(wěn)定性[3]。張麗芬總結(jié)了我國(guó)巖溶塌陷研究的現(xiàn)狀[4]。陳學(xué)軍等基于灰色模糊理論建立了GIS支持下的巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型[5]。雷明堂等研制開(kāi)發(fā)了基于GIS的巖溶塌陷災(zāi)害管理與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，評(píng)價(jià)了貴州六盤水市巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)性[6]。李京等建立了基于GIS多源柵格數(shù)據(jù)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并成功應(yīng)用于實(shí)例中[7]。朱慶杰等應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)唐山市巖溶塌陷進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)[8]。目前巖溶塌陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)多采用層次分析、灰色模糊理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[9-12]。

徐州地鐵1號(hào)線東起徐州東高鐵站，西至漢王新城站，全長(zhǎng)23.1 km，于2015年全面啟動(dòng)建設(shè)。地鐵線穿過(guò)巖溶較為發(fā)育的廢黃河斷裂帶，且1994年朝陽(yáng)村塌陷點(diǎn)距離地鐵線約500 m，巖溶塌陷成為地鐵工程建設(shè)的重要隱患之一。水動(dòng)力條件是影響巖溶塌陷重要因素。地鐵1號(hào)線經(jīng)過(guò)七里溝水源地，七里溝水源地是徐州市區(qū)重要的巖溶水開(kāi)采水源地。2000年開(kāi)采量5.391×107m3/a,2014年開(kāi)采量為3.107×107m3/a，七里溝水源地巖溶水水位主要受開(kāi)采量的影響。以2014年的為現(xiàn)狀年，將現(xiàn)狀年開(kāi)采量條件下的水動(dòng)力條件為情景1，2000年開(kāi)采量為情景2，表示水源地開(kāi)采量增大時(shí)巖溶水水動(dòng)力條件。采用建立的模糊綜合評(píng)價(jià)模型不同開(kāi)采量的地鐵沿線(圖1)兩側(cè)1 km范圍內(nèi)的巖溶塌陷的穩(wěn)定性。

圖1 研究區(qū)范圍

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

徐州1號(hào)地鐵線橫穿市區(qū)，地形起伏變化較大，所經(jīng)地貌有低山丘陵、沖積平原、沖積壟狀高地、沖—洪積平原和沖湖積平原。區(qū)內(nèi)地層屬華北地層大區(qū)徐淮地層分區(qū)。下伏基巖以?shī)W陶系、寒武系和震旦系的灰?guī)r為主。巖溶主要受斷裂構(gòu)造控制。區(qū)內(nèi)最大的斷裂為廢黃河斷裂帶，此斷裂為張性—張扭性斷裂，斷裂帶內(nèi)巖石破碎，裂隙、巖溶發(fā)育，為強(qiáng)裂隙巖溶發(fā)育帶。寒武系張夏組和奧陶系馬家溝灰?guī)r巖溶最為發(fā)育，巖溶主要發(fā)育區(qū)位于60 m以淺。覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積層和中上更新統(tǒng)沖積層。全新統(tǒng)沖積層主要巖性為淤泥質(zhì)軟土、粘性土和粉土粉砂。淤泥質(zhì)軟土零星分布。粘性土廣泛分布，厚度1～8 m，粉土粉砂在故黃河附近較厚，最大厚度可達(dá)15 m。中上更新統(tǒng)沖積層廣泛分布在山前和平原地區(qū)，主要巖性為粘性土。覆蓋層厚度平原區(qū)一般為30 m左右，向低山丘陵區(qū)延伸變薄。地下水按賦存介質(zhì)巖性，將地下水劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖裂隙水。松散巖類孔隙水賦存于全新統(tǒng)和中上更新統(tǒng)的粉土粉砂中，水位埋深1～2 m，故黃河高漫灘附近略大于5 m，單井涌水量小于500 m3/d。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水賦存于碳酸鹽巖含水層組裂隙溶洞中。巖溶水水位埋深10～40 m，巖溶水年水位變幅1～20 m。故黃河附近水量豐富，單井涌水量1 000～5 000 m3/d，其他區(qū)域單井涌水量100～1 000 m3/d。

七里溝水源地位于徐州市區(qū)南，為一系列北東走向的鏈?zhǔn)缴角鹚鶉傻膹?fù)式向斜盆地。盆地內(nèi)山丘高程約200 m，盆地中心區(qū)地面高程30～40 m。松散層以粉土+粉質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)為主。覆蓋層厚度1～30 m，盆地中心厚度約20～30 m,向山區(qū)逐漸變薄。下伏基巖類型為灰?guī)r。廢黃河附近斷裂經(jīng)過(guò)，基巖破碎巖溶強(qiáng)發(fā)育。地下水主要賦存于巖溶孔隙中，水量豐富，單井涌水量可達(dá)5 000 m3/d。巖溶水主要接受山區(qū)的降水入滲補(bǔ)給和淺層孔隙水的越流補(bǔ)給，排泄方式以人工開(kāi)采為主。由于大量的人工開(kāi)采，巖溶水水位持續(xù)下降，隨著水位的大幅度下降，降落漏斗面積也逐年擴(kuò)大。自2000年以來(lái)近年來(lái)隨著七里溝水水源地的限制開(kāi)采，巖溶水水位上升。

2 基于GIS的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1模糊綜合原理

模糊數(shù)學(xué)廣泛應(yīng)用在科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)管理、社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域[13-14]。模糊評(píng)價(jià)方法通過(guò)精確的數(shù)學(xué)手段處理模糊的評(píng)價(jià)對(duì)象，將數(shù)學(xué)的應(yīng)用范圍從精確現(xiàn)象領(lǐng)域擴(kuò)大到了模糊現(xiàn)象領(lǐng)域，對(duì)模糊性的現(xiàn)象做出比較科學(xué)合理、貼近實(shí)際的量化評(píng)價(jià)[15-16]。進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型時(shí)，需將各影響因素分類，每個(gè)因素類含有多個(gè)子因素。首先，進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，即子因素的模糊綜合評(píng)價(jià)，采用層次分析法求得第k個(gè)因素類中各子因素權(quán)重為w。由隸屬函數(shù)確定一級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣為r，進(jìn)行一級(jí)模糊合成運(yùn)算；各一級(jí)模糊評(píng)價(jià)的結(jié)果組成了二級(jí)模糊評(píng)價(jià)矩陣R；然后進(jìn)行二級(jí)模糊綜合評(píng)判，也就是在因素類的模糊綜合評(píng)判。將因素類權(quán)重W與模糊矩陣R進(jìn)行模糊合成運(yùn)算?？梢缘玫蕉?jí)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果。最后按照最大隸屬度原則，確定評(píng)價(jià)等級(jí)。

2.2徐州巖溶塌陷影響因素

徐州市巖溶地質(zhì)現(xiàn)象較為普遍。自1986年以來(lái)，徐州先后發(fā)生了12起巖溶地面塌陷，形成塌陷坑17個(gè)，波及面積約達(dá)3×104m2，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了很大的損失。區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)生在開(kāi)明市場(chǎng)—下洪村—駱駝山一帶。徐州巖溶塌陷主要影響因素為[17-19]：①基巖條件：巖溶地面塌陷受廢黃河斷裂帶控制，廢黃河斷裂帶自向西向東穿越徐州市區(qū)，橫向切割了不同時(shí)代的地層，斷裂帶內(nèi)，巖石破碎，裂隙較為發(fā)育，透水性強(qiáng)，形成了一條較大規(guī)模的巖溶水強(qiáng)徑流帶[20]，此外巖溶發(fā)育程度在一定程度上反映了溶洞的數(shù)量、大小和規(guī)模，巖溶強(qiáng)發(fā)育為巖溶塌陷提供了空間的基礎(chǔ)；②覆蓋層性質(zhì)：土層結(jié)構(gòu)對(duì)巖溶塌陷有著明顯的影響，均一的砂土或粉土由于顆粒易于被侵蝕搬運(yùn)進(jìn)而掏空破壞，抗塌陷能力差，塌陷數(shù)量較多，雙層或多層結(jié)構(gòu)土層，由于粘土的緩沖，其抗塌能力稍好一些，目前徐州廢黃河附近由于古河道的影響，形成了砂性土單層結(jié)構(gòu)地段和砂性土—老粘土雙層結(jié)構(gòu)，抗塌能力較弱，易產(chǎn)生巖溶地面塌陷；此外老粘性土是一個(gè)阻塌因素，老粘土越厚，越不利于土洞發(fā)育；③地下水條件：地下水運(yùn)動(dòng)是塌陷產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿l件，巖溶水水位在基巖面附近波動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，波動(dòng)次數(shù)越多越易導(dǎo)致塌陷，自1976年以后，市區(qū)在水源地開(kāi)采井迅速增加，隨著開(kāi)采量的不斷加大，巖溶水水位逐年下降，形成了區(qū)域性的開(kāi)采降落漏斗，降落漏斗中心的地下水位在基面附近波動(dòng)，使得上覆土體不斷地滲透侵蝕，從而引起土體平衡破壞，形成土洞，并最終導(dǎo)致了塌陷的產(chǎn)生。

2.3模型建立

(1)因素集和評(píng)判集

徐州市巖溶塌陷主要受基巖條件、覆蓋層性質(zhì)和地下水條件等因素影響。本次選取斷裂帶距離和巖溶發(fā)育程度表示基巖條件，其中斷裂帶距離反映基巖的完整性，巖溶發(fā)育程度表示巖溶發(fā)育狀況。巖溶發(fā)育程度分區(qū)資料來(lái)自徐州城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目巖溶地面塌陷調(diào)查專題成果；選取土層結(jié)構(gòu)和老粘土厚度表示覆蓋層條件，選取巖溶水水位與基巖面距離和巖溶含水層富水性表示地下水條件。

將巖溶塌陷的穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定、較穩(wěn)定、較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定4個(gè)等級(jí)，即評(píng)判集V={v1,v2,v3,v4}，其中，v1對(duì)應(yīng)為穩(wěn)定，v2對(duì)應(yīng)為較穩(wěn)定，v3對(duì)應(yīng)為較不穩(wěn)定，v4對(duì)應(yīng)為不穩(wěn)定。評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The grade standard of assessment index

(2)模糊矩陣

模糊矩陣Rk確定的關(guān)鍵是確定單因素的隸屬度函數(shù)。隸屬度介于0～1，反映元素從屬于模糊評(píng)判集的程度。連續(xù)型因素為斷裂帶距離、老粘土厚度和巖溶水水位與基巖面距離。指標(biāo)越大越有利于穩(wěn)定，故其隸屬函數(shù)選擇為：

巖溶發(fā)育程度、土層結(jié)構(gòu)和巖溶含水層富水性為離散變量。離散型的單因素隸屬函數(shù)為：

式中：μj(xi)——因素i對(duì)評(píng)判指標(biāo)j的隸屬度。

(3)評(píng)價(jià)因子權(quán)重

本次評(píng)價(jià)因素類權(quán)重采用專家打分的方法確定，因素類內(nèi)子因素的權(quán)重采用層次分析法確定。運(yùn)用T. L.Saaty的“1～9”標(biāo)度方法，確定了各個(gè)因素相對(duì)于巖溶塌陷的比較矩陣見(jiàn)表2。

表2 U1因素的判斷矩陣Table 2 The judgment matrix of U1

表3 U2因素的判斷矩陣Table 3 The judgment matrix of U2

表4 U3因素的判斷矩陣Table 4 The judgment matrix of U3

通過(guò)Matlab軟件可計(jì)算各類子因素的權(quán)重W1、W2和W3。經(jīng)計(jì)算各類子因素的權(quán)重為：W1=(0.666 7，0.333 3)、W2=(0.666 7，0.333 3)、W3=(0.5，0.5)。由于判斷矩陣為二維矩陣，判斷矩陣具有明顯的一致性。專家打分法確定因素類的權(quán)重W=(0.4,0.3,0.3)。

(4)基于GIS模糊綜合評(píng)價(jià)模型

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)的原理及GIS的柵格疊置分析方法[]，采用ArcGIS的ModelBuilder工具建立了模糊綜合評(píng)價(jià)模型(圖2)。

圖2 基于GIS模糊綜合評(píng)價(jià)模型示意圖

根據(jù)調(diào)查的數(shù)據(jù)生成評(píng)價(jià)指標(biāo)集柵格圖像(Grid1，Grid2，Grid3，Grid4，Grid5，Grid6)，其中Grid1為斷裂帶距離，Grid2為巖溶發(fā)育程度，Grid3為土層結(jié)構(gòu)，Grid4為老粘土厚度，Grid5為巖溶水水位與基巖面的距離，Grid6為巖溶含水層富水性，柵格大小設(shè)置為25 m×25 m。首先進(jìn)行因素類內(nèi)子因素的模糊綜合評(píng)判，即一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)。每個(gè)子因素柵格圖像按照其隸屬函數(shù)生成4個(gè)柵格圖像，柵格圖像的數(shù)據(jù)為隸屬度，即隸屬于不同評(píng)價(jià)等級(jí)的程度，然后按照一定的規(guī)則組合在一起構(gòu)成了模糊關(guān)系矩陣，進(jìn)行柵格圖像疊置分析生成因素類的模糊評(píng)判矩陣，進(jìn)行因素類的模糊綜合評(píng)判，即二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)，從而最終得到隸屬不同評(píng)價(jià)等級(jí)的因素類柵格圖像。根據(jù)最大隸屬度原則，對(duì)柵格圖像進(jìn)行疊置分析，從而確定研究區(qū)巖溶塌陷的不同穩(wěn)定性等級(jí)。

3 結(jié)果與討論

采用ArcGIS軟件建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，分別預(yù)測(cè)現(xiàn)狀開(kāi)采和增加開(kāi)采地鐵沿線巖溶塌陷穩(wěn)定性，其中斷裂帶距離，巖溶發(fā)育程度，土層結(jié)構(gòu)和老粘土厚度不隨時(shí)間改變。兩種情景下巖溶水水位與基巖面的距離見(jiàn)圖3和圖4。由圖3可知，情景1，即現(xiàn)狀開(kāi)采條件下，塌陷點(diǎn)附近的巖溶水水位與基巖面的距離較大，塌陷點(diǎn)兩側(cè)的部分區(qū)域巖溶水水位與基巖面距離較?。磺榫?，即增加開(kāi)采量條件下，巖溶水水位與基巖面距離較小的區(qū)域主要集中廢黃河的兩側(cè)。

圖3 情景1巖溶水水位與基巖面的距離分布圖

基于GIS的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，預(yù)測(cè)了兩種場(chǎng)景下的地鐵沿線巖溶塌陷穩(wěn)定性(圖5、圖6)。結(jié)果表明：現(xiàn)狀開(kāi)采條件下，巖溶塌陷不穩(wěn)定區(qū)域主要集中在廢黃河附近的塌陷點(diǎn)附近，彭城廣場(chǎng)站—文化宮站和文化宮站—徐州火車站為巖溶塌陷較不穩(wěn)定等級(jí)，主要是由于廢黃河斷裂經(jīng)過(guò)該區(qū)域，基巖破碎，巖溶發(fā)育，此外，土層結(jié)構(gòu)以粉砂+粉土+粘土為主，塌陷點(diǎn)附近多為均一的粉土或粉砂單層結(jié)構(gòu)，老粘土較薄，巖溶水與基巖面的距離較小的區(qū)域主要分布于塌陷點(diǎn)兩側(cè)，故該區(qū)域巖溶塌陷穩(wěn)定性較差。

增加開(kāi)采時(shí)，巖溶地面塌陷不穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大，主要分布廢黃河的兩側(cè)。其中地鐵線彭城廣場(chǎng)—文化宮站及文化宮—徐州火車站區(qū)間由較不穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定性等級(jí)。這主要是由于七里溝水源地開(kāi)采增加，巖溶水水位下降，巖溶水水位與基巖面的距離變小。在研究區(qū)的東側(cè)，慶豐路附近局部區(qū)域由巖溶塌陷較穩(wěn)定區(qū)變?yōu)榉€(wěn)定區(qū)。這主要是現(xiàn)狀開(kāi)采條件下東部慶豐路站附近巖溶水水位長(zhǎng)時(shí)間位于基巖面附近波動(dòng)，增加開(kāi)采量時(shí)巖溶水水位與基巖面變大所引起的。 從評(píng)價(jià)結(jié)果可看出，隨著開(kāi)采量的增加，巖溶水水位變動(dòng)對(duì)巖溶塌陷的穩(wěn)定性影響較大，不合理的巖溶水開(kāi)采將增加巖溶塌陷的不穩(wěn)定。

圖5 情景1地鐵沿線巖溶塌陷穩(wěn)定性分區(qū)

圖6 情景2地鐵沿線巖溶塌陷穩(wěn)定性分區(qū)

4 結(jié)論

為了評(píng)價(jià)徐州地鐵沿線巖溶塌陷穩(wěn)定性，分析了徐州巖溶塌陷的影響因素，運(yùn)用ArcGIS中的Modelbuilder工具建立了地鐵沿線巖溶塌陷模糊綜合評(píng)價(jià)模型，分別計(jì)算了現(xiàn)狀年開(kāi)采和增加開(kāi)采條件下地鐵沿線巖溶地面塌陷的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示：基于GIS的模糊綜合評(píng)價(jià)模型較好得計(jì)算了地鐵沿線巖溶塌陷的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)巖溶塌陷不穩(wěn)定區(qū)域已給出合理的解釋；隨著開(kāi)采量的增加，巖溶塌陷不穩(wěn)定區(qū)的面積增大，不合理巖溶水開(kāi)采將增大巖溶塌陷的不穩(wěn)定性；基于GIS的模糊綜合評(píng)價(jià)模型不僅容易構(gòu)建和修改，而且可快速得到結(jié)果，同時(shí)可以更為直觀的查看不同區(qū)域不同因素對(duì)評(píng)判指標(biāo)的隸屬度，具有良好的實(shí)用性。

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StabilityassessmentforkarstcollapsealongXuzhoumetrousingacomprehensivefuzzymodel

HE Huaizhen1,2,WEI Yongyao1,2,Huang Jingjun1,2

(1.GeologicalSurveyofJiangsuProvince，Nanjing,Jiangsu210049,China；2.KeyLaboratoryofEarthFissuresandGeologicalDisasterMinistryofLandandResources，Nanjing,Jiangsu210049,China)

Karst collapse is a common geological hazard in construction project. It is a new challenge for major urban construction projects and sustainable development. Based on the comprehensive analysis of the impact factors of karst collapse in Xuzhou, the article established a Fuzzy synthetic model by using ModelBuilder tools in ArcGIS to assess the risk of karst collapse along Xuzhou metro and classified 4 different risk levels along the subway line. The paper evaluated the stability of karst collapse in different groundwater exploitation. The results shows the unstable area largens with the increasing of exploitation. The Pengcheng station and Xuzhou station became unstable .Unreasonable exploitation leads to the increasing of unstable level. It has an important reference value to make the reasonable exploitation plan.

Xuzhou metro；karst collapse； ArcGIS；fuzzy synthetic assessment

P642.25

A

1003-8035(2017)03-0066-07

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.10

2016-11-21;

2016-12-17

徐州城市地質(zhì)調(diào)查、徐州地區(qū)巖溶塌陷調(diào)查項(xiàng)目(12120114022001)

賀懷振(1987-)，男，碩士，主要從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究。E-mail：ahehai@163.com