伊宁市巴彦岱镇某矿山建筑工程地质选址适宜性评价

2023-03-26曹小红许涛尚彦军王伟中刘锴李巧学蔡明明尚善宇

新疆地质 2023年4期

曹小红，许涛，尚彦军,2，王伟中，刘锴，李巧学，蔡明明，尚善宇

（1.新疆地质灾害防治重点实验室（新疆工程学院），新疆乌鲁木齐 830000；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029）

如何通过科学合理的选址，避开地质灾害危险性较大区域，选择地质条件适宜的建筑场地，成为工程选址首要考虑问题[1]，也是规范要求的地质灾害安评内容。从普通民房建设到摩天大楼，从小型水电站到高技术核电站建设，已形成一套较完整的工程选址地质安全技术规范[2]。基于活动构造、地球物理场、岩土体条件、地质灾害、地下水热、地壳应力-应变等内外动力因素的区域调查和综合分析，开展地质灾害安评，揭示工程与地质环境的相互作用[3-6]。同时GIS空间分析及数值模拟方法在地质灾害危险性及工程选址适宜性评价中应用较广[7]，并逐渐形成GIS数据集为基础，空间分析及数值模拟相结合的系统评估方法。

本文以伊宁市巴彦岱镇某矿山建筑工程选址为例，在现场调查基础上，开展GIS空间分析和数值模拟，分析地质灾害危险性，评价工程场地适宜性，为工程安全和人民生命财产安全提供科技支撑。

1 区域环境地质

建筑场地位于伊宁市北缘的巴彦岱镇，地理坐标为E81°22′30″，N44°03′21″，总面积292565.76 m2。西南侧160 m 处为铁厂沟煤矿，为方便铁厂沟煤矿运输已建设铁路，东侧约600 m处为阿勒玛勒路。

大地构造上位于巩乃斯河-伊犁河断陷盆地中部，界梁子背斜的倾伏端。地层总体呈向东倾斜的单斜构造，走向95°～112°，倾角12°，场地内未发现断裂构造。本区新构造运动以区域性抬升为主，沉积范围不断缩小。岩土体类型主要为中厚层状软弱砂岩、泥岩、砂砾岩岩组（含煤层）和黄土或黄土状单层土体、砂砾石双层土体[8-9]。建筑场地西南约200 m外为铁厂沟河，为常年性流水河流，干旱年份有断流现象，大气降水及北部山区冰雪融化水为主要补给来源。河沟内平时无水，降水及融雪季节可形成短暂水流，沿常年冲刷形成的冲沟注入下游的铁厂沟河[10-11]。建筑场地内人类工程活动为矿业开采。建筑场地内西南侧D2调查点附近存在一处采砂场，其开采影响下形成一个长约1 km、宽约0.5 km、深15～20 m 的采坑，坑壁目前存在轻微土质崩塌。建筑场地内西南侧D5调查点附近有一处陶粒矿，受采矿活动影响，其工作面多形成高陡边坡，存在崩塌现象。

2 地质灾害发育特征

2.1 滑坡

研究区内高程746～843 m，建筑场地内风化作用较强，形成缓坡状垄岗状山丘。山丘高度30 m，坡度为2°～15°，局部坡度达30°[12]。山梁和谷地两侧山麓地带有厚约10 m 的黄土，结构松散、土颗粒间粘聚力差、孔隙率较大，对斜坡稳定性有不良影响[13]。

建筑场地内林区全采用滴灌方式，难以因灌溉用水使用不当形成滑坡。周边建筑物基本为单层建筑，基坑开挖深度一般小于2 m，局部偶见少量切坡工程，工程量较小，不会引发新的滑坡地质灾害问题。因此，人类工程活动引发滑坡的可能性较小。综合以上对滑坡影响因素分析，结合土质边坡允许坡度值判定，建筑场地内不易发生滑坡。

2.2 崩塌地质灾害

建筑场地内崩塌灾害有2处（编号为B1，B2），均在建筑场地西南侧。

B1 崩塌点为一小型采砂场，陡坎近EW 向。受开采活动影响，B1 崩塌区域已形成一个长约1 km、宽约0.5 km、深15～20 m的采坑。采坑局部边坡坡度为70°～80°，陡坎沉积物为第四系上更新—全新统冲洪积卵砾石，底部有崩塌堆积物杂乱堆积。堆积物中最大块体大小为5×10×20 cm，堆积物总体积约20 m3，斜坡岩体稳定性较差[14]。该崩塌紧临简易道路，易对接近陡坎下方人畜及车辆造成威胁（图1-a）。

图1 建筑场地内地质灾害发育情况Fig.1 Development of geological hazards on the building sitea——B1崩塌点；b——B2崩塌点；c——建筑场地遥感影像图；d——泥石流现场照片

B2 崩塌点为一处陶粒矿，受采矿活动影响，工作面多形成高陡边坡，局部坡角60°～80°。陡坎主要由侏罗系砂岩构成，底部发育少量崩塌堆积物，体积约0.2 m3，斜坡岩体稳定性较差，崩塌规模为小型。该崩塌紧临施工简易道路，易对接近陡坎下方人畜及车辆造成威胁（图1-b）。

2.3 泥石流地质灾害

建筑场地西南侧“V”型沟谷具发育泥石流的条件（图1-c）。该沟谷内及附近有明显的泥石流流动痕迹（图1-d），沟谷长约534 m，宽50～150 m，深5 m，坡度15°～30°，纵坡降10‰。泥石流堆积区位于沟谷西侧，在堆积扇下游有数间民房。沟谷内地下水和地表水对泥石流的形成起关键作用。沟谷内为季节型河流，该地区5、6、11月水量最大。11月份该地区气温较低，高降水量多为降雪造成，因此3、4月份冰雪融化时需提防泥石流的发生。沟道内有少量堆积物，约为8 m3，泥石流规模为中型。

2.4 地面塌陷地质灾害

建筑场地内目前无地下开采活动。西南侧D10调查点附近，在20 世纪50～60 年代曾有小煤窑采矿活动，采深一般小于60 m。经多年自然塌落，地表零星可见小型塌陷坑痕迹[15]。地面塌陷基本稳定，危险性小。

3 地质灾害危险性分析

地质灾害发育特征分析表明，建筑场地内滑坡灾害不易发生，危险性较小。影响工程选址主要的地质灾害为崩塌、泥石流和地面塌陷。

3.1 崩塌

通过对崩塌的运动学计算，判定崩塌影响范围。首先，计算崩塌块体的初速度v0，公式为

式中g——重力加速度，m/s2；H——崩落高度，m；α——坡度，°；K——对崩落运动综合计算系数，由现场试验统计方法取得。其中：

因坡角为60°～80°，据现场试验，φ取0.52～1.00。得出初速度v0后，计算其水平初速度vx和垂向初速度vy。

再根据垂向速度计算下落的时间t

最后计算崩塌块体的水平运动距离X。

计算发现，距离斜坡3 m范围内崩塌块体会对车辆、行人造成威胁（图2）。

3.2 泥石流

采用有限元与离散元程序耦合计算方法，对建筑场地内主冲沟泥石流灾变过程进行分析（图1-c），评估泥石流危险性。泥石流沟谷建模采用ArcGIS与Rhino6结合方法，并与FLAC3D模拟相结合进行评估。

基于Rhino6泥石流沟谷建模完成后将模型导入FLAC3D中（图3），用反向消除方法在堆积体中生成模拟泥石流的球。对泥石流沟谷、等效泥石流颗粒和它们之间的接触关系进行赋值。赋值参数来自PFC中的三轴压缩模拟实验（表1，2）。

表1 等效泥石流颗粒的属性T able1 Propertiesofequivalentdebrisflowparticles

表2 泥石流接触关系T able2 C ontactrelationsbetweenM udslides

赋值完成后，对泥石流沟谷的各个面施加约束，给整个空间施加重力加速度，使球可在重力作用下沿泥石流沟谷滚动。在泥石流流通区始末两端设置监测点，监测该点所受到的最大主应力（图4）。

通过对泥石流模拟得出泥石流发生分为4 个阶段（图5）。第1 阶段：泥石流开始运动，堆积体前端的球先开始沿着泥石流沟谷向下滚动，堆积体顶端的球因为和泥石流沟谷有一定高差，在重力作用下部分开始冲击沟谷两侧的陡壁；第2阶段：泥石流大部分进入流通区并加速运动，流速达到最大值，破坏力最强；第3 阶段：泥石流接触沟谷底部并开始回弹，回弹最大高度达16m；第4阶段：泥石流的运动速度持续降低，直到在堆积区堆积停滞。

图5 FLAC3D模拟泥石流运动四个阶段Fig.5 FLAC3D simulates four stages of mudslide movementa——泥石流启动阶段；b——泥石流加速下滑阶段；c——泥石流触底反弹阶段；d——泥石流堆积阶段

通过编写Fish 语言对泥石流平均流速、平均位移进行监测（图6-a，b）。结果表明，该泥石流最大流速14 m/s，属快速，危险性很大；泥石流最大位移42.5 m，流速最大时水平位移为37 m。据牛顿第二定律推演公式（7），考虑沟道内泥石流体积为8 m3，密度为2.3 g/cm3，计算泥石流的最大冲击力F为48.74 kN。

图6 泥石流平均流速和位移变化曲线Fig.6 Mean flow velocity and displacement change curves for debris flowsa——平均流速；b——平均位移

3.3 地面塌陷

铁厂沟煤矿东边界是以铁厂沟河西岸为界，边界预留20 m 保护煤柱，煤层向南倾斜，倾向方向的塌陷对建筑场地无影响。沿煤层走向向东发展的塌陷会对建筑场地产生影响，需通过计算进一步确定（图7）。采用地面变形成盆理论评价地面塌陷的影响范围，在采空区地面塌陷、变形影响范围内，从中心向边缘依次可划分出塌陷区、变形区和稳定区。计算地表移动范围时，采用移动角计算范围，并将所得范围列入不稳定区段。在不稳定区段外采用边界角计算范围，所得范围列入变形区段。

图7 地面塌陷影响带宽度计算示意图Fig.7 Schematic diagram of the calculation of the width of the ground collapse impact zone

通过计算得出，D1地面塌陷影响带宽126.09 m，该区地表产生地面塌陷坑及伴生地裂缝，危害当地居民及牲畜的安全；D2 地面塌陷影响带宽52.63 m，为地面变形区，该区主要受地面塌陷影响，在地表产生变形引发地裂缝，对地表建筑物会有不良影响。建筑场地内现存在一处采空塌陷区，现状评估其危险性小。

3.4 崩塌、塌陷和泥石流缓冲区

据地质灾害位置和形态将地质灾害逐一矢量化。沿泥石流运动方向绘制线要素，沿崩塌陡壁走向绘制线要素，据所给坐标绘制塌陷点要素。利用ArcGIS中多环缓冲区功能绘制地质灾害的影响范围。对几类地质灾害分析，将影响范围进行划分（表3），得到地质灾害危险性分区图（图8）。

表3 地质灾害影响范围划分T able3 C lassificationofthescopeofimpact ofgeologicalhazards

图8 地质灾害危险性分布图Fig.8 Geological hazard distribution map1.高危险区；2.中危险区；3.低危险区；4.极低危险区

4 场地适宜性评价

采用基于GIS 的赋值法对建筑场地适宜性进行评价，达到选择合适场地开展工程施工的目的。本文采用坡度、坡向、高程、地质灾害等4 个影响因子对建筑场地适宜性进行评价，各因子对场地适宜性的影响分析如下。

坡度坡度影响斜坡体中应力分布情况，坡脚处剪应力集中带和坡肩处拉应力集中带范围随坡度增大而增大，使斜坡体更易变形和破坏。坡度增大也增加施工难度，坡度较陡区域的工程量和施工成本均有所提高[16]。同时，坡度增大、水土流失情况更严重，更易发生滑坡、泥石流等地质灾害。

坡向坡向对斜坡体接受的日照时间、辐射强度和风力侵蚀有较大影响。南坡接受的辐射最多，次为西南坡和东南坡，再次为西北坡和东北坡，北坡受辐射影响最小。斜坡体接受的辐射越强烈，坡体表面的蒸发量就越大，岩土体更易达到非饱和状态，从而降低滑坡启动的临界值。迎风坡受风力侵蚀的影响，这种现象在新疆尤为明显，因为建筑场地主要受东风影响，所以东坡场地适宜性明显低于西坡[17]。

高程高程越大，建筑场地受风化程度越高。如建筑场地为斜坡体，随斜坡体高度的增大，斜坡体各点的应力差值不变，各点应力值均增大[18]。

地质灾害地质灾害具有复发性和不稳定性特点，已经发生的地质灾害可能在原处或附近复发。一种地质灾害发生后，常诱发其他灾害发生，并影响建筑场地内地形地貌，对建筑场地适宜性产生不良影响[19]。

综合以上影响因子对场地适宜性的不同影响，对因子进行赋分（表4），分值高代表场地适宜性较好。对建筑场地内影响因子进行分析，得到建筑场地适宜性分布图和影响因子分级图（图9）。

表4 场地适宜性影响因子分级标准T able4 SiteSuitabilityImpactF actorG radingC riteria

图9 场地适宜性影响因子分级及适宜性分布图Fig.9 Grading of Site Suitability Impact Factors and Suitability Distribution Mapa——高程分类分级图；b——坡度分类分级图；c——坡向分类分级图；d——场地适宜性分布图

图9-a～c 显示建筑场地整体呈东北高西南低形态，坡向为SW向。因此建筑场地东侧高地起到阻挡东风作用，使建筑场地受到风力侵蚀的影响减少，但仍需预防风力对东侧高地侵蚀导致的岩土体松动。建筑场地西南侧斜坡体坡度较陡，较陡斜坡体位置与地质灾害影响范围有一定重合。陡坡增加了地质灾害复发的可能性，需对坡度较陡场地适宜性不良区域进行长期监测。通过建筑场地适宜性分布图可看出（图9-d），建筑场地西南侧不适宜进行施工，西北侧场地适宜性良好[20]。