基于聚类分析的工程建设场地区域构造稳定性评价

陈文军 李大猛 陈孝兵 王志一

(1. 四川省煤田地质工程勘察设计研究院， 成都 610072； 2. 中国地质环境监测院， 北京 100081； 3. 四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心， 成都 610081； 4. 四川省环境保护地下水污染防治工程技术中心， 成都 610081)

区域构造的稳定性是工程建设场地适宜性的基础。影响区域构造稳定性的因素多种多样。对工程建设场地区域构造稳定性的评价，一般是基于多个影响因素而作出定性的评价。定性评价的结果往往存在精确性不足或给予的稳定性等级过低等问题。为提高工程建设场地区域构造稳定性评价结果的可靠性，学者们在科学确立评价指标和评价模型方面进行了一些探索，取得了许多成果[1-7]。

本次研究，将探索在聚类分析基础上，通过与数据库中有关数据的比对来判断评价场地区域构造稳定性状态的方法。

1 稳定性评价指标的确定

工程场地的区域构造稳定性涉及多个方面的影响因素。根据有关研究成果[8]，我们主要从地质结构、断裂活动、地震条件和地应力特征4个方面来确定区域构造稳定性的评价指标。地质结构方面，主要评价大地构造环境、构造发育特征、地层及岩石构造、地壳抬升速率及地形地貌。断裂活动方面，主要评价断裂类型、活动断裂分布、活动速率等。地震条件方面，主要评价地震动峰值加速度、最大影响震级、地震基本烈度等。地应力方面，主要评价构造应力状态与断裂空间关系、构造应力量值等。

2 评价指标量值的计算

影响场地区域构造稳定性的因素很多，各因素的影响程度也存在差异。为避免放大或缩小有关影响因子的影响程度，通过专家打分法来确定评价因子的权重。同时，对定性指标进行量化取值。将定性指标分为高、中、低3种程度，分别对应的量化值为50、30、20。另外，为使评价体系中各指标的量值达到统一，防止有些评价因子受到过度压抑，对各评价指标的量值按式(1)[5]进行规一化处理。

(1)

Aij—— 第i个评价指标中第j个因子的量化取值；

对于定量指标，可直接通过其量值进行归一化处理。以地震动峰值加速度为例。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，区域最大动峰值加速度的量值为0.4 g。如果待评价场地的动峰值加速度为0.2 g，则利用式(1)可得地震峰值加速度评价因子的基本值为0.5。对定性指标是直接通过其影响程度赋值，如其影响程度赋值为20，则其归一化处理后的值为0.4。

明确了各评价因子的权重及归一化处理后的基本值，再利用式(2)和式(3)，计算得到区域构造稳定性的各指标评价值(Ai)及总体评价值(A)。工程场地的区域构造稳定性评价体系见表1。

(2)

A=α1·A1+α2·A2+α3·A3+α4·A4

(3)

表1 工程场地的区域构造稳定性评价体系

3 稳定性状态的确定

在获得所评价场地的构造稳定性评价值以后，如何判断它的稳定性状态是稳定、较稳定或者欠稳定，这是本次研究要解决的主要问题。

通过收集大量输变电工程建设场地的区域构造稳定性资料，利用上述评价方法，计算得到已有场地的构造稳定性评价值及其各指标评价值，结合场地实践反馈资料(构造稳定、较稳定、欠稳定)，建立了输变电工程建设场地区域构造稳定性评价数据库(G)。在此基础上，我们通过聚类分析来判断评价场地的构造稳定性状态。

聚类分析方法对研究样本与样本之间的关系，一般用距离统计量或者相似统计量作为分类计算的依据[9]。将某个待评价场地的构造稳定性评价值及各指标值与数据库数据进行聚类分析，将待评价场地的构造稳定性进行归类，以距离统计量作为分类计算依据。如果数据库中已有某工程场地与待评价场地的距离统计量最为接近，则认为此待评价场地的构造稳定性状态与已有某工程场地同类。技术路线见图1。

基于聚类分析及场地区域稳定性评价的技术路线，场地区域构造稳定性评价的过程如下。

对于已有场地：

图1 区域构造稳定性评价的技术路线

式中：ai1—— 第i个已有场地的构造稳定性评价值；

ai2—— 第i个已有场地的地质结构特征评价值；

ai3—— 第i个已有场地的断裂活动性评价值；

ai4—— 第i个已有场地的地震条件评价值；

ai5—— 第i个已有场地的地应力特征评价值。

对于待评价场地：

采用距离统计量作为聚类分析的依据。计算方法如下：

待评价场地G′与已有场地G的一组距离统计量：

D=(d1d2…di…dn)T

如果存在di=dmin|GG′|，则将待评价场地的区域构造稳定性状态，归类为第i个已有场地的构造稳定性状态。如第i个已有场地的构造稳定性状态为“欠稳定”，则待评价场地的区域稳定性状态也为“欠稳定”。另外，根据该场地后期的运营反馈，可对其构造稳定性进行校核和修正，并将其有关资料纳入数据库。

4 应用举例

以四川省甘孜州泸定县冷碛镇的甘谷地为例。甘谷地输变电工程建设场地位于四川盆地与青藏高原过度地带的大渡河左岸，这里坡体陡峭，属甘孜 — 松潘地槽区。据钻探资料，该场地区域地层结构较为单一，与盐源—丽江台缘凹陷地层结构有类似之处。区域内未见重大断裂通过，周边主要发育二郎山断裂、金坪断裂和磨西断裂。金坪断裂和二郎山断裂不具备明显的新活动特征；磨西断裂以左旋错动为主，目前移动速率仍保持在5～6 mma左右[10]。据现场地质测绘资料，该场地内不存在发震构造，但会受周边深大断裂活动的波及影响，历史上最大波及地震强度为8级。据《中国地震动参数区划图》，该场地区域的基本烈度为Ⅷ度，动峰值加速度为0.3 g。另外，据场地外围区域构造及中强地震的震源机制解资料[11-13]，区域地应力以水平应力为主，构造应力状态与断裂空间关系主要表现为走滑型。

针对上述情况，通过专家打分确定各评价指标权重后，对各评价指标因子量值进行归一化处理，结果如表2所示。

表2 甘谷地场地区域评价指标的权重及基本值

聚类分析结果(见表3)，甘谷地场地的区域构造稳定性与数据库中已有的海子场地稳定性的欧式距离值最小，为0.132。据此，可认为甘谷地场地的区域构造稳定状态与海子场地一致，为“较稳定”。

表3 已有场地与目标场地的评价结果

5 结 语

评价工程建设场地的区域构造稳定性，需要考虑多重影响因素。本次研究，以场地区域的地质构造、断裂活动、地震条件及地应力特征为一级指标，以大地构造环境、地质构造发育特征、地层及岩石构造等14个影响因子为二级指标，构建了工程建设场地区域构造稳定性指标体系。通过专家打分法确定各因子的权重，对定性指标进行量化取值，再通过对各指标的评价量值进行规一化处理，确定各评价指标的基本值。在此基础上，结合已有场地区域构造稳定性评价数据库进行聚类分析，以距离统计量作为分类计算依据，将待评价场地的构造稳定性进行归类，从而确定待评价场地区域构造的稳定性状态。按此方法，对甘谷地输变电工程建设场地的区域构造稳定性进行评价，得出了该建设场地区域构造“较稳定”的评价结论。甘谷地输变电工程建设场地在运营期间，经受了2014年11月22日发生在康定县的6.3级地震波及影响，而场地未被破坏变形，设备亦未遭损坏。此次评价结论与场地实际运营情况基本一致。