东黄山国际小镇岩溶发育危险性评价

2020-08-06李飞飞黄溯航朱杭琦

科学技术与工程 2020年18期

李飞飞, 庞炜, 黄溯航, 项京, 朱杭琦, 王涛

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

岩溶是可溶岩在水的化学溶蚀作用下，伴随水流的冲蚀、侵蚀等机械作用形成的地质现象。中国可溶岩面积分布广泛，约占国土面积的1/8[1-2]，皖南山区由于受到构造运动和水流侵蚀的影响，溶洞发育普遍具有多层性的特点[3]。岩溶区地质条件复杂，地质灾害往往具有隐蔽性和突发性的特点，在岩溶区进行工程建设时，由于岩溶破坏了基岩的完整性，导致岩体的强度和承载力大幅度降低，给工程的设计和施工带来一定的困难，影响工程建设的安全。

影响岩溶发育的诱因众多，影响因素复杂，岩溶引发的地质灾害是多因素共同作用的结果。多年来众多学者对岩溶发育机理、岩溶危险性预测评价及岩溶塌陷的防治等方面做了大量工作。冯文凯等[4]通过对贵州某机场岩溶成因机制、分布规律进行了探讨和分析，对场地岩溶发育特征进行了研究。贺彬等[5]根据上覆土层和基岩间的组合关系，通过数学统计和数值模拟对武汉地铁6号线的岩溶发育特征进行研究，并提出岩溶治理比选方案。目前，随着岩溶理论水平和地理信息系统(geographic information system,GIS)技术的发展，中外对岩溶区危险性评价主要涉及评价指标的选取和评价方法的选择[6-8]、岩溶塌陷的危险性评价[9-11]、易发性评价[12]等，使岩溶评价方法更趋于多元化和科学性。贺怀振等[13]采用ArcGIS中的ModelBuilder工具建立了徐州地铁模糊综合评价模型，将地铁沿线划分了4个不同的危险等级。武鑫等[14]运用层析分析-模糊综合评价法对徐州市岩溶塌陷易发程度进行评价，得到了徐州市岩溶塌陷易发程度分区图。崔霖峰等[15]、王恒恒等[16]、吴丽清等[17]选取不同评价因子，采用层次分析法对武汉市岩溶塌陷危险性进行了分区评价。

岩溶发育是多因素长期相互作用的结果，其发育过程多表现为具有复杂形成机理的非线性动力现象。根据现场踏勘和前期地质勘察成果，东黄山国际小镇岩溶发育主要沿麻川河及支流呈条带状分布，且揭露溶洞多为串珠状，研究区未发现岩溶塌陷坑，地表溶蚀现象不明显。研究区地表水分布、地下水动态特征以及覆盖层条件为研究区控制岩溶发育的主要因素。鉴于此，在对东黄山国际小镇岩溶发育特征分析的基础上，选取影响研究区岩溶发育的6项主控因素，利用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)将定性与定量相结合的思路解决了实际问题，得出了更加科学的各地质因素对岩溶发育危险性的贡献权重，应用GIS和AHP多源信息相融合的方法，构建了东黄山国际小镇岩溶发育危险性分区评价模型，对研究区岩溶发育危险性进行预测分区，并将钻孔揭露岩溶情况与评价分区结果进行拟合校正。结果表明采用GIS和AHP构建的岩溶发育危险性分区评价方法科学合理，预测效果较好。研究成果对东黄山国际小镇基础设施建设、规划和岩溶区防灾减灾具有一定的指导作用。

1 研究区概况

东黄山国际小镇位于黄山市黄山区谭家桥镇，属皖南山区腹地，东接旌德，南依汤口，西邻黄山风景名胜区，被称为黄山的东大门。谭家桥镇所在的黄山区域位于皖南“三山三湖”山水观光旅游发展带，是皖南文化旅游发展的核心。东黄山国际小镇基础设施配套工程建设主要包括道路工程、给水、排水管网工程、污水厂和自来水厂、客运中心站和核心区公交场站、河道治理等工程。

研究区地貌为山间谷地，整体地形为南高北低，属于典型的冲洪积沉积地层(图1)。研究区属亚热带季风气候，年平均气温16.3 ℃，年降雨量2 058 mm，境内水资源丰富，河流纵横，主要河流为麻川河及其支流。构造单元属于扬子准地台江南过渡带太平复向斜北翼，自古生代以来，经历了多期次的构造运动，形成了比较复杂的褶皱、断裂等地质构造形迹，主要有谭家桥向斜和谭家桥-汤口断裂。区内地层属扬子地层区江南地层分区的广德-黄山地层小区，区域地层主要有寒武系荷塘组、寒武系西阳山组、华严寺组、第四系冲洪积地层。其中，寒武系西阳山组地层为灰岩和泥质灰岩，呈青灰色，主要分布在研究区中部和北部，在构造运动和地下水流侵蚀作用下，岩溶裂隙、洞穴发育。地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水，地下水流向与研究区地形地貌大致一致，总体为自南至北流。

图1 研究区三维地貌示意图Fig.1 Three-dimensional topographic map of the study area

2 岩溶发育主控因素及专题图建立

2.1 主控因素的确定

影响岩溶发育的因素是多方面的，且各因素之间相互影响、相互制约。通过对研究区岩溶发育特点和钻孔揭露岩溶的分析，确定了东黄山国际小镇岩溶发育的影响因素主要有岩溶发育条件、地质条件和水文地质条件等。其中，第四系下伏灰岩为岩溶发育的物质条件；地下水水位波动以及地下水与地表水体的水力联系为岩溶发育提供了动力条件；第四系冲洪积物的厚度及沉积物特征对第四系松散岩类孔隙水和岩溶裂隙水的水力联系具有一定的影响。因此，综合考虑了研究区岩溶分布规律和发育特征，从岩溶发育条件、第四系覆盖层条件和水文地质条件3个角度出发，结合前人研究成果，选取地层岩性、钻孔遇洞率、覆盖层厚度、土层结构、地下水水位埋深、距地表河流的距离等6个评价指标作为岩溶发育的主控因素，构建了研究区岩溶发育危险性评价层次分析结构模型(图2)。

图2 岩溶发育危险性层次分析结构模型Fig.2 Structural model for analytic hierarchy process of karst development risk

2.2 主控因素专题图的建立

根据研究区收集到的区域地质、水文地质资料，利用钻孔揭露溶洞情况及地表水分布情况，提取各影响因素数据，应用GIS软件对各主控因素进行赋值和插值计算处理，构建各主控因素专题图(图3)。

(a)基岩分布

由图3(a)可以看出，灰岩区主要分布在研究区中部和北部，南部仅零星分布。根据钻孔揭露情况，研究区北部和中部均有钻孔揭露溶洞，钻孔见洞率为0.4～0.8。由图3(b)可以看出，研究区东南部第四系覆盖层厚度较小，土层厚3.0～6.2 m，中部和北部第四系覆盖层厚度较大，厚 4.0～ 12.5 m。由图3(d)可以看出，研究区西南部土层结构主要为单层或双层结构，其他区域主要为多层结构，土层厚度越薄、土层结构越简单，大气降雨和地下水的水力联系越紧密，越有利于岩溶发育。由图3(e)可以看出，研究区地下水位整体表现为由南至北地下水位逐渐降低的特点，与研究区地形地貌大致一致。由图3(f)可以看出，距离地表河流越近，地表水对地下水的补给越强烈，水力联系越紧密，越有利于岩溶的发育。

3 岩溶发育危险性评价模型的构建

3.1 指标权重的确定

岩溶发育是多种因素相互作用非线性动态变化过程，各个因素在岩溶发育的影响也不尽相同，因此在评价过程中需要对各个影响因素的贡献大小进行量化。AHP是美国运筹学家Saaty教授于20世纪80年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法，通过将人的主观和经验对评价指标进行一定的量化分析，使之更具有条理性[18-19]。

3.1.1 建立层次结构分析模型

将岩溶发育AHP评价模型的6个主控因素划分为3个层次，将岩溶发育危险性评价作为模型的A层次；岩溶发育条件、覆盖层条件和水文地质条件影响岩溶发育影响岩溶发育规模和分布，作为模型的B层次；各个子因素作为模型的决策层(C层次)，这样就把研究对象作为一个系统，用层次分析法进行决策，即可达到最终求解的目的。

3.1.2 构建判断矩阵

通过对各主控因素在岩溶发育危险性评价模型中贡献大小进行分析，采用Saaty创立的1～9标度方法进行打分，构建研究区岩溶发育危险性AHP评价判断矩阵，如表1所示。

表1 判断矩阵Table 1 Judgment matrix

对判断矩阵进行一致性检验，判断矩阵一致性检验系数CR=0.004，即CR<0.1，可以通过一致性检验，最终得到的权重值如表2所示。

表2 各影响因素权重值Table 2 Weight of impact factors

3.2 评价模型的构建

在确定岩溶发育各影响因素权重的基础上，引入岩溶发育危险性评价指数对研究区岩溶发育危险性进行综合评价，岩溶发育危险性评价模型可用式(1)表示：

(1)

式(1)中：VI为岩溶发育危险性评价指数；Wk为权重；fk(x,y)为评价因素指标值，(x,y)为坐标；n为影响因素个数。

4 岩溶发育危险性评价分区

各主控因素经归一化处理后，应用GIS软件对各专题图进行复合叠加处理，计算得到研究区岩溶发育危险性评价指数，依据GIS分级上常用的Natural Breaks(Jenks)对危险性指数值进行分级，最终得到东黄山国际小镇岩溶发育危险性评价分区图(图4)。

由岩溶发育危险性评价分区图(图4)可以看出，研究区南部和中部东侧部分区域为非岩溶发育区，红色区域为岩溶发育高发育区，主要分布于研究区北部，中部和南部零星分布，面积约0.4 km2，约占评价区总面积的5%，表现为明显的沿河流呈条带状分布的特点。根据后期东黄山国际小镇基础设施项目勘察钻孔揭露情况，揭露溶洞的11个钻孔均位于评价图中的危险区，拟合程度高，表明依据各影响因素构建的东黄山国际小镇岩溶发育危险性评价分区模型与实际相符。