王磊

摘要：本文依托收集及現(xiàn)場調(diào)查所得的大量資料，分析得出地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的評價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，分定性和定量兩種情況求出評價(jià)指標(biāo)相應(yīng)于各危險(xiǎn)等級的隸屬度，接著進(jìn)行了綜合評價(jià)計(jì)算，最后按照最大隸屬度原則確定出了危險(xiǎn)性等級，實(shí)現(xiàn)了用模糊綜合評判法對阿干礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的定量評價(jià)，取得了較為滿意的結(jié)果。

Abstract： Based on the large amount of data obtained from the collection and on-site investigation， this paper analyzes the evaluation index of geological hazard risk， and uses AHP to determine the weight of each evaluation index. The qualitative and quantitative methods are used to determine the evaluation index corresponding to each risk. The degree of membership is then comprehensively evaluated and calculated. Finally， the risk level is determined according to the principle of maximum membership degree. The fuzzy comprehensive evaluation method is used to quantitatively evaluate the risk of geological disasters in the Agan mining area， and satisfactory results have been obtained.

關(guān)鍵詞：地面塌陷;泥石流;危險(xiǎn)性;模糊綜合評判;層次分析

Key words： ground subsidence;debris flow;hazard;fuzzy comprehensive evaluation;analytic hierarchy process

中圖分類號：P694? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0236-05

0? ?引言

阿干礦區(qū)位于甘肅省蘭州市七里河區(qū)阿干鎮(zhèn)（圖1），行政區(qū)劃屬蘭州市七里河區(qū)管轄，距蘭州市城區(qū)22km，有蘭阿公路和鐵路專用線相通，交通便捷。礦區(qū)地理坐標(biāo)介于東經(jīng)103°49′23″～103°51′41″，北緯35°52′05″～35°57′13″，礦區(qū)東西寬0.9～3.3km，南北長9km，面積20.8km2。

位于甘肅省蘭州市七里河區(qū)的阿干礦區(qū)是歷史采礦和計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時期建立的老礦業(yè)基地，其開采歷史悠久，可追溯至明代。2000年10月，因煤炭資源瀕臨枯竭，礦山地面塌陷造成采礦成本過大，煤礦虧損嚴(yán)重而宣告破產(chǎn)。

1? 研究區(qū)自然地質(zhì)背景

礦區(qū)屬大陸性半干旱氣候，晝夜溫差大，年最低氣溫在1月中下旬，歷年來最低氣溫為-23℃，年最高氣溫在7月或8月，最高氣溫為37.6℃（1997年7月3日），年平均氣溫4.3℃;年降水量334～500mm，平均為417mm，雨季集中在7～8月份，占全年降水量的56%，日最大降水量96.8mm。蒸發(fā)量在1500mm以上，平均無霜期145天，最大凍土深度1.03m，最大風(fēng)速21.4m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸北睎|，次風(fēng)向?yàn)槟衔鳌?/p>

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，以南北向的褶皺及逆斷層為主，有少量東西向逆斷層。礦區(qū)處于蘭州盆地南部構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)，地勢總體南高北低，最高點(diǎn)為鐵冶溝溝腦雙咀山，海拔3121m，最低點(diǎn)為八里鎮(zhèn)雷壇河谷底，其海拔約1940m，最大相對高差近1180m。依地貌特征和成因類型，本區(qū)可分為山地地貌和河（溝）谷地貌兩大單元。礦區(qū)出露的地層由老到新為中元古界興隆山群（Pt2x）、奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群（Ow）、侏羅系下統(tǒng)大西溝組（J1dx）、侏羅系中統(tǒng)窯街組（J2y）、侏羅系上統(tǒng)享堂組（J3x）、白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk）和第四系，區(qū)內(nèi)第四系分布廣泛，成因類型較多，有風(fēng)積、沖積、洪積、殘坡積、重力侵蝕堆積等，第四系覆蓋層厚度約為40m。依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015），本區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，抗震設(shè)防烈度為8度。

2? 采礦地質(zhì)條件

阿干礦區(qū)煤層賦存于呈復(fù)雜向斜構(gòu)造的侏羅系地層中，由南至北，向斜軸面走向由南北向折而呈北北西向，且受周邊斷層控制，阿干井田平面形態(tài)基本呈北西—南東走向的不規(guī)則“8”字型。井田含煤地層主要為中生界侏羅系下統(tǒng)大西溝組及中統(tǒng)窯街組，總厚度397m。礦區(qū)有一層基本穩(wěn)定的可開采煤層及其上部呈透鏡狀的不可開采煤層，已探明煤炭儲量1330萬噸，煤質(zhì)屬低灰低硫高發(fā)熱量的不粘煤，屬良好的化工及動力用煤。

可采煤層在全礦區(qū)范圍內(nèi)普遍存在，井田南部出現(xiàn)分岔現(xiàn)象。煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部地段含夾石一層，夾石厚度在1.0～3.5m之間，巖性多為灰黑色頁巖或灰色砂巖，分布無規(guī)律。煤層厚度變化大，最大厚度39.60m，最小為1.46m，平均厚度11.0m。煤層厚度由南而北波狀增厚的趨勢明顯，南部采區(qū)平均厚度為9.90m，向北厚度增至21m左右，向斜軸部厚度較大，向兩翼厚度變薄。煤層傾角在0°～90°之間變化，平均為50°，局部倒轉(zhuǎn)。井田周邊及內(nèi)部受斷層切割，煤層波狀起伏頻繁，1700m水平以上東翼為52°左右，西翼為36°;1700～1350m水平東翼為54°，西翼為62°;1350m以下東翼為72°，西翼為70°。礦區(qū)不可開采煤層僅局部地段達(dá)到可采厚度，且多呈透鏡狀出現(xiàn)，層位不穩(wěn)定，厚度變化極大。

阿干礦區(qū)煤層的頂板巖層主要是灰白色細(xì)礫巖及粗砂巖，大部分區(qū)段與煤層直接接觸。該巖層巖性顆粒分選性差，膠結(jié)一般，層理發(fā)育，力學(xué)強(qiáng)度低，厚度一般在5.0～8.0m，孔隙率為6.26%，吸水率為1.30%，抗壓強(qiáng)度3.31MPa，粘聚力14.2kPa，內(nèi)摩擦角為14°。局部地段煤層之上為灰及灰白色粗砂巖、中砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，松散，厚度不穩(wěn)定，但成層性好，一般在3～5m之間。

區(qū)內(nèi)煤層底板主要為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖及粉砂巖，厚度不大，一般0.8～3.0m，吸水性強(qiáng)，遇水膨脹，易發(fā)生底鼓。粉砂巖孔隙率為5.17%，吸水率為2.32%，抗壓強(qiáng)度2.72MPa。

3? 地質(zhì)災(zāi)害

根據(jù)收集及現(xiàn)場調(diào)查所得的大量資料，阿干礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要為地面塌陷和泥石流。

3.1 地面塌陷

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查訪問以及礦區(qū)采礦工作面間斷性監(jiān)測資料，礦區(qū)地面塌陷始發(fā)于上世紀(jì)50年代中、后期，嚴(yán)重時期基本出現(xiàn)在1983年～1998年，長期的大規(guī)模開采，形成了面積達(dá)5.4km2的采空區(qū)，礦區(qū)地表形成呈北西～南東走向的長8.7km，寬0.2～1.8km，面積達(dá)9.06km2的似葫蘆形帶狀塌陷區(qū)，塌陷區(qū)內(nèi)裂縫縱橫交錯，主體裂縫走向由南部的南北向至北部呈北西向，裂縫延伸長0.08～3.7km，寬達(dá)0.5～3.0m，其間距在20～380m之間，順裂縫走向坡體逐級形成錯落坎或帶狀塌陷槽、串珠狀塌陷坑，坎高一般在0.3～17m，陷槽沉幅0.7～20m，塌陷坑直徑達(dá)8～15m，深3～12m，大部分地段如小山頂、杏樹灣、鐵治村、大草洼、山寨村等地表整體沉陷幅度達(dá)4～15m。山寨溝北岸山體受南北向裂縫與順坡向裂縫穿插交錯而呈碎裂塊狀，巖體已發(fā)生錯落、位移。

3.2 泥石流

礦區(qū)泥石流溝為大西溝，該溝頻繁爆發(fā)泥石流，現(xiàn)從泥石流形成的三個基本條件來進(jìn)行說明。

3.2.1 地形條件

大西溝流域面積13.63km2，流域平面形態(tài)似柳葉形，流域內(nèi)溝壑密集，共發(fā)育大小沖溝26條，其中長度大于1km的溝谷11條，小于1km的15條，沖溝總長25.4km，平均溝壑密度1.86km/km2。受構(gòu)造運(yùn)動差異抬升作用，大西溝向北侵蝕，形成南岸寬北岸窄的不對稱流域形態(tài)，南岸沖溝發(fā)育，支溝流域面積較大，主溝長多大于1km，而北岸多發(fā)育山坡形沖溝，溝谷較短且密度較小。

大西溝主溝長7.3km，最大相對高差624m，主溝平均縱比降104‰，主溝上游山勢突起，坡陡谷深，坡面植被覆蓋良好，覆蓋率在30～50%;中游溝谷多呈“谷中谷”的復(fù)式形態(tài)：上部谷形呈開闊的“V”型，坡度在30°～50°之間，部分呈陡崖，相對高差在80～170m之間;下部受大西溝地表水流切蝕而呈窄深的“U”型谷，溝壁陡立，深18～24m，谷底寬7～16m之間，平均縱比降38.7‰，兩側(cè)溝臺地發(fā)育，臺面平坦而總體向溝谷方向緩傾，坡度3°～8°，寬30～140m。下游谷形開闊，兩側(cè)溝坡坡度多在30°以上，主溝南側(cè)一、二級溝臺地較北側(cè)發(fā)育，臺地上多被村民建房占據(jù)或耕地利用，受人為建房及開挖公路擠占、壓迫溝道，其主溝道寬在5.2～13.4m，深1.5～8.0m，平均縱比降15.8‰。大西溝主溝直接匯入雷壇河，溝口無扇形地分布。

3.2.2 松散固體物質(zhì)條件

固體松散物質(zhì)是泥石流的重要組成部分，其儲量大小及補(bǔ)給條件控制著泥石流的性質(zhì)、規(guī)模。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，大西溝及其支溝—馱水溝泥石流的固體松散物質(zhì)主要來源于滑坡、坍滑塌、人工堆積體（堆渣）及坡面松散堆積物等。

大西溝流域（不含已治理的沙子溝）內(nèi)共發(fā)育滑坡8處，分布于主溝兩側(cè)及兩側(cè)規(guī)模較大的支溝內(nèi)，呈零散分布的特征，滑動面積76.2×104m2，擾動土石方量達(dá)842.8×104m3。其中巖質(zhì)錯落體1處，即老爺山巖移體，黃土滑坡5處，堆積層滑坡2處，除巖質(zhì)滑坡外，其余滑坡均以前緣坍塌及坡體物質(zhì)被逐步?jīng)_蝕的形式不斷進(jìn)入溝道補(bǔ)給泥石流。而老爺山巖移體位于溝口，巖體整體性較好且已穩(wěn)定，其補(bǔ)給泥石流的物質(zhì)僅為坡面松動的巖土體，并以面蝕的方式進(jìn)入溝道。據(jù)調(diào)查測算，大西溝內(nèi)滑坡可補(bǔ)給泥石流的松散物質(zhì)儲量137.9×104m3。大西溝流域內(nèi)滑坡除礦區(qū)2處滑坡受地表塌陷直接誘發(fā)而成，其它均與區(qū)內(nèi)陡峻的地形，黃土特殊的巖性條件及地表水流沖蝕等作用密切相關(guān)。

流域內(nèi)坍滑塌分布于主溝中上游及支溝內(nèi)兩側(cè)溝岸，受地表水流切蝕，主溝及較大規(guī)模支溝兩側(cè)溝岸陡立，其物質(zhì)松散，易形成坍塌、滑塌，擾動的土體直接堆積于溝道內(nèi)，它是泥石流最直接、最易啟動的固體松散物質(zhì)。區(qū)內(nèi)坍滑塌單個規(guī)模、體積小，分布分散，沿溝岸呈線狀分布特征。經(jīng)實(shí)際調(diào)查，流域內(nèi)坍滑塌共32處，總體積近l1.6萬m3。

人工堆渣主要分布于大西溝流域下游礦區(qū)段，此外在其支溝—馱水溝溝腦有所分布。前己述及，上述渣體大部直接堆積于溝道內(nèi)，易被地表匯流及溝谷洪水直接沖蝕而補(bǔ)給泥石流，其補(bǔ)給泥石流的物質(zhì)量達(dá)9.78萬m3。

坡面松散物質(zhì)指溝坡殘坡積層和陡坡段黃土體。區(qū)內(nèi)殘坡積物質(zhì)分布較廣，由于構(gòu)造斷裂發(fā)育，巖體破碎，基巖風(fēng)化強(qiáng)烈，碎石、巖屑在坡面形成堆積，厚度較大，質(zhì)地松散，粘結(jié)力差，易被水流沖蝕、搬運(yùn)。而黃土廣布于流域內(nèi)，在暴雨條件下，陡坡段土體易被面狀沖蝕進(jìn)入溝道，成為泥石流的主要物源之一。不僅如此，流域下游采礦工程活動引發(fā)的地表塌陷直接松動溝坡巖土體，加大了溝坡松散物質(zhì)數(shù)量，使面狀沖蝕強(qiáng)度及水土流失面積不斷增加。根據(jù)水保資料和調(diào)查分析統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)可轉(zhuǎn)化為泥石流的坡面松散物質(zhì)總量為48萬m3。不僅如此，流域下游采礦工程活動引發(fā)的地表塌陷直接松動溝坡巖土體，加大了溝坡松散物質(zhì)數(shù)量，使面狀沖蝕強(qiáng)度及水土流失面積不斷增加。根據(jù)水保資料和調(diào)查分析統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)可轉(zhuǎn)化為泥石流的坡面松散物質(zhì)總量為48萬m3。

經(jīng)實(shí)際調(diào)查測算，大西溝流域可轉(zhuǎn)化為泥石流的固體松散物質(zhì)數(shù)量達(dá)207.3×104m3，單位面積固體松散物質(zhì)儲量16.6×104m3/km2。

3.2.3 降水條件

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，大西溝流域年降水量328～596mm，平均為462mm，降水年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在7～9月，三個月降水占全年降水量的56%以上，且多以大、暴雨的形式出現(xiàn)，具有降水集中、雨強(qiáng)大的特點(diǎn)。本區(qū)日最大降水量96.8mm，1h最大降雨量47mm，短歷時高強(qiáng)度的降水為泥石流的形成提供了充足的水源條件。研究資料表明，泥石流的形成與前期降雨和短歷時降雨強(qiáng)度關(guān)系最為密切。根據(jù)前人對蘭州西固洪水溝泥流災(zāi)害（1964.7.20，平均雨強(qiáng)37.5mm/h）和拱北溝泥石流災(zāi)害（1978.8.27，平均雨強(qiáng)50.0mm/h）研究，蘭州地區(qū)形成泥石流所需的最小雨強(qiáng)約25mm/h，成災(zāi)雨強(qiáng)40mm/h。而大西溝流域年大于30mm/h的降雨日數(shù)平均為1天，最多達(dá)5天，這也是該溝泥石流頻繁爆發(fā)的原因。

4? 模糊綜合評判

選定整個阿干礦區(qū)進(jìn)行模糊綜合評判（兩級綜合評判）：

4.1 確定危險(xiǎn)性等級

4.2 合理選擇因子集

根據(jù)地面塌陷和泥石流危險(xiǎn)性的影響因素、收集及現(xiàn)場調(diào)查所得的大量資料并且在參考了大量論文后，建立了如圖2的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合評價(jià)指標(biāo)體系[1][2][3][4]。

評價(jià)的因子集U={U1，U2}={地面塌陷，泥石流}，U1是第一層次中的第一個因素，它又由下一層次中的6個因素決定，即為U1={u11，u12，u13，u14，u15，u16}={第四系覆蓋層厚度，地質(zhì)構(gòu)造，地形地貌，煤層傾角，年降雨量，塌陷面積}。同理，U2={u21，u22，u23，u24，u25，u26}={人為活動，固體松散物質(zhì)儲量，主溝縱比降，流域相對高差，地震烈度，年降水量}

4.3 確定權(quán)重

確定權(quán)重的方法有多種，本文采用層次分析法。運(yùn)用層次分析法，得到打分表：

通過和積法[5]得到：

4.4 計(jì)算隸屬度，確定模糊矩陣R

各評價(jià)因子對各級地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)程度的隸屬函數(shù)公式[6]為：

式中，Y1，Y2，Y3，Y4分別為某評價(jià)因子對于V1，V2，V3，V4四個地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度的隸屬度，s1，s2，s3，s4為評價(jià)指標(biāo)對于危險(xiǎn)性等級的分級閾值，x是實(shí)測值。

對于可定量表達(dá)的因素，根據(jù)各評價(jià)因子實(shí)測值和隸屬函數(shù)，并參照各評價(jià)因子對于危險(xiǎn)性等級的分級閾值一覽表（表4），可求出其相應(yīng)于各危險(xiǎn)等級的隸屬度。

對于不可定量表達(dá)的因素，同樣參考表4并直接根據(jù)因素的實(shí)際特征狀態(tài)所屬的危險(xiǎn)性等級而定[11]。即當(dāng)因素的實(shí)際特征狀態(tài)屬于危險(xiǎn)度高等級時，則認(rèn)為該因素對于危險(xiǎn)性高這個等級的隸屬度是1，該因素對于其它危險(xiǎn)性等級的隸屬度均為0。

最終得出模糊矩陣R。

影響地面塌陷的定量因素的實(shí)測值分別為：第四系覆蓋層厚度約為40m，傾角平均為50°，年降雨量平均為417mm，塌陷面積為9.06km2。

影響泥石流的定量因素的實(shí)測值分別為：固體松散物質(zhì)儲量為207.3萬m3，主溝縱比降為104‰，流域相對高差為624m，地震烈度為8度，年降水量平均為462mm。

分定性和定量兩種情況求出評價(jià)指標(biāo)相應(yīng)于各危險(xiǎn)等級的隸屬度，最終可確定出模糊關(guān)系矩陣。

先作單因素模糊評判，即從決定地面塌陷的因素值u1i著眼，確定該因素在V上的評判結(jié)果r1ij（j=1，2，3，4），再用6個單因素的評判結(jié)果構(gòu)成因素集U與評價(jià)集V之間的模糊關(guān)系，即6×4階單因素模糊評判矩陣R1。

同理，用決定泥石流的6個單因素的評判結(jié)果構(gòu)成因素集U與評價(jià)集V之間的模糊關(guān)系，即6×4階單因素模糊評判矩陣R2。

4.5 綜合評價(jià)計(jì)算

按模糊數(shù)學(xué)中最大隸屬度原則[12]，取B中最大隸屬度所對應(yīng)的評判等級為該單元的最終評判等級。即若bk=max{b1，b2，b3，b4}，則該單元的最終評判等級為k級。

所以本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級為Ⅲ級，危險(xiǎn)性較高。5? 結(jié)論

甘肅省阿干礦區(qū)開發(fā)所引起的地質(zhì)災(zāi)害主要為地面塌陷和泥石流。利用兩級模糊綜合評判，對阿干礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價(jià)，最終評判出礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性為較高，該結(jié)論與實(shí)際情況基本相符，證明選取的方法是可靠有效的。

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