矿山工程勘查中滑坡灾害发展几率评估分析

2021-11-02杜卫卫

中国金属通报 2021年11期

杜卫卫

（甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院，甘肃酒泉 735000）

矿山工程是指以矿产资源为基础，从事资源开采和操作的工程技术人员。先要找出施工场地，确定具体的矿点，然后再进行采掘作业，确保施工人员的安全[1]。矿山工程勘查具有建设项目分散，各功能区对地质环境要求不同，破坏程度不同等特点，针对这些特点开展矿井地质灾害发展几率评估，对于指导矿井防治地质灾害具有重要的现实意义。在多种地质灾害中滑坡是在重力作用下，引起岩土整体顺坡滑落的灾害，也是中国最常见的灾害之一。

作为世界上滑坡灾害最为严重的国家之一，中国滑坡灾害具有突发性强、发生频繁、分布广泛等特点，对人民生命财产安全构成了严重威胁[2]。数据显示，2013～2021年间全国平均每年因滑坡而死亡的人数超过800人，造成的财产损失高达1.3亿元。由于滑坡灾害是伴随地球运动而发生的自然现象，因此这种灾害的可防御性降低。为了最大程度的降低在矿山工程勘查工作中，滑坡灾害造成的人员与经济伤亡，为此对滑坡灾害进行概率计算与评估。

到目前为止，滑坡灾害风险评估研究已经进行了30多年，最有效地减少滑坡造成的人员伤亡和经济损失的途径。未发生滑坡的山体对象，对于处于失稳状态的边坡的滑坡灾害发展几率评估研究较少。综合来看，传统的滑坡灾害概率评估方法存在明显的应用性能不佳的问题，为此以矿山工程勘查为研究背景，实现对滑坡灾害发展几率评估方法的优化设计。

1 滑坡灾害发展几率评估方法设计

1.1 确定滑坡灾害发展几率评估标准

在考虑滑坡发育特点和自然、经济、环境等综合因素下，将滑坡灾害发展几率划分为5个等级，分别为高概率、中高概率、中概率、较低概率和低概率，具体的划分标准如表1所示。

表1 滑坡灾害发展几率评估标准

1.2 分析矿山工程勘查边坡应力

边坡岩体的破坏主要取决于岩体内部的应力分布情况和岩体强度[3]。岩体在垂直应力 zσ的作用下产生侧向水平应力 xσ和 yσ且两者相等[4]。两者用泊松比或者侧压力系λ数求得：

式中H为岩体埋深，γ表示的是上覆岩层和岩体的平均容重。剪切应力的最大方向与地平面成45°夹角，则得到以下应力值：

公式2中maxσ 和minσ 分别为主应力的最大值和最小值。

1.3 影响滑坡灾害发展的因素

边坡稳定性受内部因素和外部因素两种因素的影响。内部因素主要是土体内部结构，外部因素主要是坡面的边界条件，水的作用，人为作用等。显微分析表明，抗滑性能主要来源于岩体的内力[5]。在岩石结构形态上，与块状和层状结构相比，碎裂结构稳定性较差，滑坡发生的机率较大，除上述内因外，还需具备形成滑坡的最基本边界条件，主要是在土体滑移过程中，土体在没有滑移空间的情况下，是不能滑移的。举例来说，由于地质构造中的造山运动，以及后期日光、风浪冲刷所造成的风化，自然界各种不同坡度的斜坡，包括各种岩土坡度，河流沟谷两侧的斜坡。以上边坡前面均有空隙。对边坡稳定性的影响大致可分为三个方面：降水、地表水和地下水。降水量的影响主要表现在雨水的大量渗透，使边坡土石层饱和，从而增加了滑动体的重量，同时由于水的渗透引起软化作用，降低边坡土层强度。如果假定某一极端降雨指数为 A，滑坡事件为 B，则在极端降雨条件下，滑坡发生的概率为条件，即为：

式中 P(A)为极值降雨事件的发生概率，P( BA)为对滑坡体

下施加一定的降雨条件，根据降雨入渗机理，计算或模拟坡体内渗流场、孔隙水压力场的变化，进而计算出滑坡的失稳概率。

1.4 设置滑坡灾害发展几率评估指标

在分析滑坡灾害发展影响因素的基础上，设定灾害发展概率评价指标。其中，降雨量指标、边坡建筑物强度指标、土体结构指标是重点[6]。在滑动滑移过程中，建筑物影响强度指标分为最大冲击力和最大滑动滑移深度指标，其中最大深度代表滑坡灾害发生时的空间尺度，该指标的计算公式如下：其中分别表示失稳状态下建筑物对边坡的冲击力强度和运动深度强度。另外土体结构安全系数指标的求解公式为：

公式5中T为滑坡的滑动面长度，f和 iτ分别为非饱和土体和滑裂面土体上的剪应力。同理可以得出其他评估指标的量化结果。

1.5 实现滑坡灾害发展几率评估

通过多个影响因素指标的分析与量化，可以得出滑坡在失稳状态下的灾害发展概率以及评估指标的具体取值[7]。利用加权统计原理分别得出各个评估指标的权重，并最终得出滑坡灾害发展概率的综合评估结果，如下：

其中 iI和 iω分别为评估指标取值和权重值。将公式6得出的综合评估结果与表1中设置的灾害发展几率评估标准进行比对和匹配，便可以确定目标滑坡灾害进一步发展的评估结果。

2 对比实验分析

由于滑坡灾害的发生与发展不受人为控制，为了降低实验对实际环境的影响，此次实验利用GIS技术建立空间模型，并在该模型下进行仿真实验。通过研究区域的选择、数据的采集等步骤，利用软件程序实现对灾害发展几率的控制。另外由于在实际的地质灾害防控工作中，设计的评估方法仅起到参考的作用，因此实验分别对比应用评估方法前后，滑坡灾害实际产生的影响。

选取了某矿山工程勘查区域作为实验的研究区域，该区域处于112°13′～114°14′E和24°54′～26°50′N，勘查面积2.1万km2。矿山工程勘查区域年降雨量1350mm～1700mm，主要以山地为主，山地地势由东南向西北，海拔80m～2035m。受地质地形条件、气候条件和人类采矿等活动影响，该区已成为中国滑坡灾害严重的地区之一。将收集的区域数据输入到仿真软件中，并得出滑坡灾害发展几率的分析结果，如图1所示。

图1 滑坡灾害发展几率分布图

为了形成实验对比，设置传统的滑坡灾害发展几率评估方法和文献[6]中提出的基于证据权法的滑坡灾害易发性评价方法作为实验的两个对比方法。根据图1中发展概率的设置，得出相应的评估量化结果，并以此作为验证评估精度的标准数据。通过三个评估方法的运行，得出最终的量化评估结果，如表2所示。

表2 滑坡灾害发展几率评估结果

从表2中的数据可以看出，三种评估方法的平均评估误差分别为0.054、0.028和0.008，由此可见设计评估方法的评估误差更小，即评估精度更高。将三种评估方法应用到滑坡灾害的防御工作中，并根据发展几率评估结果采取相应的防御措施，分别从人员伤亡和物质经济损失两个方面，得出评估方法应用性能的量化测试结果，如表3所示。