基于GIS的采空地面塌陷危险性评价——以邳州市某公路项目为例

刘 飞，孙晓倩

（1.江苏省第二地质工程勘察院，江苏 徐州 221004；2.江苏省地矿局第五地质大队，江苏 徐州 221004）

为了加强从源头上防治地质灾害，为工程建设规避、防治地质灾害提供科学依据。根据相关技术规范要求，需要对拟建场地进行地质灾害危险性评价。评价方法大致可分为定性分析和定量分析两种，定性分析对经验和认知水平要求较高，往往容易产生偏差，随着数学分析方法与地质科学的交叉以及地理信息技术的发展，定量分析逐渐占据了重要位置，弥补了定性分析的不足。定量分析方法主要包括层次分析法、逻辑回归法、模糊评判法、神经网络法等[1-3]。层次分析法是将复杂的问题分解为不同组成因素，并按不同层次聚集组合为一个多层次的分析结构模型[4-8]。

本文以连霍高速邳州连接线项目为例，通过GIS技术结合层次分析法对项目评估区内采空地面塌陷进行危险性评价，并对该灾种危险性进行分区，以期为地质灾害的预防与治理提供科学依据。

1 区域环境地质条件

拟建项目位于邳州市中部，贯穿邳州南北，起点北接山东省352 省道，终点止于连霍高速邳州西互通，路线全长约52km，其中K5+000～K11+000 区间存在采空地面塌陷危险，为本文研究对象。评估区范围以规划道路中线为基准，两侧分别外扩500m，评估范围及采空区分布图见图1。

1.1 地形地貌及区域地质

评估区地貌类型为黄泛冲积平原，总体地势较平坦，地面标高一般在28.6～32.9m之间。评估区位于断陷盆地内，断裂比较发育，以东西向和北东向正断层为主，隐伏于第四系之下，均为非全新活动断裂，见图2。

评估区分布石膏矿区，矿区内地表无基岩出露，均为第四系沉积物覆盖，下伏浅部基岩为古近系大汶口组。古近系大汶口组分布在断陷盆地内，以湖相含盐碎屑岩沉积为主，不整合于白垩系之上，是区内石膏赋存的主要层位。地层总体呈单斜层状分布，走向大约110°左右，向北北东缓倾，倾角一般8°～12°。评估区地层简表见表1。其中Ⅲ层石膏是整个矿区主采矿层，层厚1.15～34.05m。

表1 矿区内地层分布简表

1.2 工程地质条件

评估区土层以第四系粉土、粉质粘土和砂土为主，其中全新统（Q4）土层力学性质较差，强度较低，中更新统（Q2）—上更新统（Q3）土层力学性质较好，强度较高。评估区岩石类型主要为泥岩、粉砂岩、细砂岩及矿层组成，厚度相对稳定，裂隙不发育，根据测试资料，评估区矿层顶、底板泥岩、砂质泥岩抗压强度为4.4～13.0MPa，摩擦角为34°～36°，易风化，遇水易软化、崩解，可造成顺层理下滑、片帮、冒顶等不良工程地质问题。

2 评价体系的建立

2.1 评价指标选取

采空地面塌陷的影响因素很多，本次研究选取停采时间、采深采厚比、地面塌陷发育特征、超采情况、开采深度5个因子作为评价指标进行采空地面塌陷地质灾害危险性评价。

依据各评价因子之间的相互关系，将评估区采空地面塌陷危险性评价指标分级表量化，如表2所示。

表2 评估区采空地面塌陷危险性评价指标分级表

2.2 评价因子权重的确定

利用1～9 标度法，对评价因子两两之间相对重要性进行赋分，建立判断矩阵，见表3。

表3 1～9标度说明表

按表3建立判别矩阵，见表4。

表4 评价因子判别矩阵

采用方根法计算判别矩阵，求得该矩阵的特征向量W，即为各指标的权重值：

W=(0.438,0.219,0.146,0.109,0.088)T

计算此矩阵最大特征根：λmax=5，须进行一致性检验，n=5，RI=1.12。

CI=CR=0＜0.1，检验结果满足一致性要求。

3 采空地面塌陷危险性评价

3.1 评价过程

评估区采空地面塌陷危险性评价以网格单元为单位，本次将评估区（面积约98.37hm2）规则划分为39325个5m×5m 单元网格。由于网格数较多，利用ArcGIS软件完成整个评估区的危险性计算过程。

首先，利用ArcMap组件制作5个影响因素的单因素指标等值线图或分区图，生成结果通常为矢量数据，不能直接用于加权计算，需利用插值工具将矢量数据转栅格数据，将评估区划分成5m×5m单元网格，转换后每个网格都包含量化后的单因素等级值，生成各因子分级图层，如图3～图7所示，然后利用空间分析模块将评估区单元网格按已确定的权重值进行加权叠加计算，即可得到评估区每个单元网格采空地面塌陷危险性得分，利用自然间断点分级法划分危险性等级，见图8。

图3 停采时间单因素评价等级分区图

图4 采深采厚比单因素评价等级分区图

图5 地面塌陷发育特征单因素评价等级分区图

图6 超采情况单因素评价等级分区图

图7 开采深度单因素评价等级分区图

图8 评估区采空地面塌陷危险性分区图

3.2 评价结果分析

根据各评估因子的加权叠加计算结果，评估区采空地面塌陷危险性等级评价为1级和2级，分别对应危险性大和危险性中等，从评价结果来看，评估区采空地面塌陷危险性分区结果与开采条件、地质条件、塌陷发育特征等实际条件是相符的，采空地面塌陷危险性大的区域，虽然停采时间较长，但采深采厚比或开采深度较小，已发生的地面塌陷特征较为明显，因此，危险性大；采空地面塌陷危险性中等的区域，采深采厚比或开采深度较大于危险性大的区域，地面塌陷发育特征相对不明显。

4 灾害处理措施

采空地面塌陷的防治要点在于保证场地地质环境的稳定，避免激发因素的出现。对本建设项目而言，采空地面塌陷防治措施主要为：

（1）避让措施，对工程采取避让，重新选址；

（2）根据掌握的采空区分布情况，进行采空区充填加固措施，从源头消除地质灾害隐患；

（3）在地下充填加固完成前禁止地面建设工程开工；

（4）严禁在路基防护带以下采矿；

（5）在采空区上方的路段，在路基保护区及周边监测预警工作。

5 结论

根据因素相关性分析，以江苏省邳州市某公路项目穿越石膏矿区段为研究对象，选择停采时间、采深采厚比、地面塌陷发育特征、超采情况、开采深度5个因子作为评价指标，基于ArcGIS 平台建立层次分析法模型，进行采空地面塌陷危险性评价，评估区实际情况与评价结果基本符合，该方法对地质灾害危险性评价工作能够起到重要作用。

评估区采空地面塌陷危险性评价分为危险性大区和危险性中等区，危险性等级与各因素的分值权重有重要联系，不同于以往单纯的定性分析，避免了“一刀切”式的评价方法。

针对本项目，建议采取避让、采空区充填加固、保护范围内禁采、监测预警等措施避免工程建设可能遭受地质灾害的危害。