岩溶区引发岩溶地面塌陷的预测评估(模糊综合评判方法).doc

岩溶区引发岩溶地面塌陷的预测评估 模糊综合评判方法（AHP－FUZZY） 铁路工程建设引发岩溶地面塌陷主要是在岩溶发育区增加地面荷载（包括路基荷载和铁路本身荷载及机车车辆荷载），同时考虑到岩溶地面塌陷是由多种因素共同作用的结果及本次评估的研究程度，要较全面掌握上述岩溶塌陷评价要素的半定量定量指标是有困难的。为了简化评估过程，但也尽可能涵盖主要影响要素，最大限度降低评估的随意性和模糊性，提高评估结果的合理性和可信度，为此，本次对铁路沿线的岩溶分布路段采用定性－半定量评价方法。即采用层次分析模糊综合评判方法（AHP－FUZZY）对岩溶地面塌陷作出综合评判，并依据评判结果进行岩溶地面塌陷发育强弱分区，进而对未来岩溶塌陷发展趋势作出预测与评估。 1）评估因子的确定 评估线路地质环境条件较为复杂，难以确切把握岩溶塌陷的主导因素，因此评价因素应尽量涵盖岩溶产生及塌陷形成的主要条件，且充分利用本次野外实际调查的资料，将影响岩溶塌陷稳定性的影响因素（通常可用安全系数Fs表示）,其是一系列影响参数的函数，不同的因素对地质灾害的影响程度是不同的，既不可能将所有因素都加以考虑，又必须反映本工程特征及线路用地范围内的地质条件，据此，本次模糊评判仅选取其中5个重要的影响因素作评估因子即 Fs{U1、U2、U3、U4、U5}{岩溶条件、覆盖层条件、地形地貌条件、水文地质条件、环境条件}； 本次评多级模糊多级目标决策方法将5个子因素集用二级因素表示如下 岩溶条件U1{X11、X12}{基岩岩性、岩溶发育程度}； 覆盖层条件U2{X21、X22、X23}{厚度、结构、工程地质性质}； 地形地貌条件U3{X31、X32}{所属地貌单元及部位、地形变化}； 水文地质条件U4{X41、X42、X43}{地下水位变幅、地表水入渗强度、地下水渗流强度}； 环境条件U5{X51、X52}{抽水强度、加载或振动强度}。 可得基岩岩性、岩溶发育程度等12个亚级评估因子。 2）评估因子对地质灾害的权重分析 影响因子对岩溶塌陷地质灾害影响的权重指各因子对地质灾害影响的重要程度，因于影响因素关系复杂，难以直接地确定而量化，因此，本报告根据评估区以往影响塌陷形成的控制因素重要性不同，结合前人在广西岩溶区评估总结之经验，采用两两因子之间的相对重要性来确定，即对两个因子相比较，取相对重要因子为1，次要因子的权重为0，当两个因子同等重要时，各取0.5，其比较结果见表4.2.30。 以上表分析得到岩溶塌陷地质灾害危险性评估影响因子的权重向量，即W {X11、X12、X21、X22、X23、X31、X32、41、X42、X43、X51、X52}。 将权重向量归一化处理 W{0.158、0.143、0.120、0.113、0.113、0.068、0.060、0.060、0.045、0.045、0.038、0.038 }。 从这一权重向量不难看出，各评估因子对岩溶塌陷的影响程度是不同的，其中以岩溶发育程度类型为最大，地形变化为最小。 从判断矩阵求出的权重值是否合理，还必须进行一致性的检验。由于客观事物的复杂性，会使我们的判断带有主观性和片面性，在每次进行两两比较判断时其思维标准常是不一致的称为比较判断的不一致性。当判断偏移一致性过大时，把判断矩阵的权向量计算结果作为决策依据将是不可靠的。为此在 11 评价因子权重分析结果表 表4.2.29 评价因子 岩溶条件 覆盖层条件 地形地貌条件 水文地质条件 环境影响条件 合计 序次 岩性 岩溶发 育程度 厚度 结构 工程地质性质 地貌 单元 地形 变化 地下水位变幅 地表水入渗强度 地下水渗流强度 抽水 强度 加载、振动强度 岩性 0 0.5 1 1 1 1 1 0.5 1 0.5 1 1 9.5 2 岩溶发 育程度 0.5 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10.5 1 厚度 0 0 0 0.5 0.5 1 1 0 0.5 0 0.5 0.5 4.5 6 结构 0 0 0.5 0 0.5 0.5 0.5 0 0 0 0 0.5 2.5 12 工程地 质性质 0 0 0.5 0.5 0 0.5 0.5 0 0.5 1 0 0.5 4.0 7 地貌单元 0 0 0 0.5 0.5 0 0.5 0 0.5 0.5 0 0.5 3.0 10 地形变化 0 0 0 0.5 0.5 0.5 0 0 0.5 0 0 0.5 2.5 11 地下水 位变幅 0.5 0 1 1 1 0.5 1 0 1 0.5 0.5 1 8.0 3 地表水入渗强度 0 0 0.5 1 0.5 0.5 0.5 0 0 0.5 0 0.5 4 8 地下水渗流强度 0.5 0 1 1 1 0.5 1 0.5 0.5 0 0.5 1 7.5 4 抽水强度 0 0 0.5 1 1 1 1 0.5 1 0.5 0 1 7.5 5 加载、振动强度 0 0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0.5 0 0 0 3 9 求得λmax后需进行一致性指标C.I.检验，其中 C.I. 当λmax0.1时，可以认为判断矩阵具有满意的一致性。否则，就必须重新进行两两比较以调整判断矩阵中的元素，直至判断矩阵具有满意的致性为止。这时从判断矩阵中计算出的最大特征根所对应的特征向量经标准化后，才可以作为层次分析的排序权值。 3）模糊综合评判方法与标准 由于影响岩溶地面塌陷的因素较多，并且关系复杂，评价因素指标之间也有着很多的不确定性，因此用模糊数学综合评价的方法来确定地质灾危险性的等级是行之有效的方法之一。其基本模型是 BWR 式中 B隶属度向量； W模糊权重矩阵，它由层次分析中得到； R模糊关系矩阵； 考虑到资料精度和评价的实际价值，按广西地方标准建设项目地质灾害危险性评估规程（DB45/T382-2006）中有关要求，将岩溶塌陷的的评语集（即危险性等级）划分三个等级，即 ① 岩溶地面塌陷发生的可能性大，危害程度大，危险大； ② 溶地面塌陷发生的可能性中等，危害程度中等，危险中等； ③ 溶地面塌陷发生的可能性小，危害程度小，危险小； 依据最大隶属度原则，可得出所对应的岩溶塌陷稳定性级别。 4）评价因子分级标准的确定 为了满足灰色模糊综合评判模型的运算要求，对各个影响因子进行对应评评语的数值化。对于连续型因子可以用数学表达式的指标，采用连续取值；对于离散型因子，采用离散化取值。各单因子的发育程度不同对岩溶塌陷稳定性的影响也不同。 根据本次现状调查统计结果及结合院2000年完成的环境地质调查报告（150万）中统计的全区发生的岩溶地面塌陷1536处（点、群），8735个塌陷坑，通过分析其分布特点、发育特征及控制因素建立各因子的评价等级标准（表4.1.29）。 评价因子及分级标准 表4.2.30 评价因子 评语集 权重值 一级因素 二级因素 危险性小 危险性中等 危险性大 岩溶条件 岩 性 泥质灰岩、泥灰岩 白云岩夹灰岩 灰岩、白云岩 0.143 岩溶发育程度 弱发育 中等发育 较～强发育 0.158 覆盖层 条件 厚度（m） 30～20 15～20 ≤15 0.068 结构（层） 2～3 1～2 1 0.038 工程地质性质 较好 中等 较差 0.060 地形地貌条件 地貌单元 溶丘坡地 峰林谷地 峰林平原 0.045 地形变化 坡地 平坦地 平坦开阔地 0.038 水文地质条件 地下水位变幅 0.2～0.8 0.8～1.5 1.5～2 0.120 地表水入渗强度 弱 中等 强 0.060 地下水渗流强度 弱 中等 强 0.113 环境条件 抽水强度 弱 中等 强 0.113 加载或振动 中等～强 中等～强 中等～强 0.045 4）、评估线路岩溶塌陷评估结果 （1）影响因素统计 新建铁路广西境内段岩溶区集中分布于桂林南圩、恭城－钟山贺县两地，其发育特征、影响因素、发育程度各有不同。据此，本次沿线路段共分10段进行统计，各块段具体岩溶特征见第二章第五节中（四）沿线岩溶发育特征。块段概化后统计结果见表4.1.30。 每一个区段的危险性等级以隶属度来表达，即以单因子隶属度经过运用模糊数学方法进行评定，得出第一区段岩溶地面塌陷各等级的隶属度，然后根据隶属度的大小，按以下原则进行判定，即当危险性小等级隶属度超过0.5时，判定为地质灾害危险性小；当危险性小等级隶属度≤0.5时，按“危险性小等级隶属度危险性中等等级隶属度”大小来判定，基隶属度＞0.5时，判定为地质灾害危险性中等；若隶属度≤0.5时，则判定为地质灾害危险性大。 考虑到本工程评估为一级评估，地质环境条件为复杂程度各处不一，因此，在计算单因子隶属度时，主要依据场地地质环境条件复杂程度与单因子进行比较，，当满足某一等级时，则该等级隶属度取1，而其字等级取0。 地质灾害危险性评估单因子隶属度及综合评判结果 表4.2.31 岩溶条件 覆盖层条件 地形地貌条件 水文地质条件 环境条件 岩性 岩溶发育程度 厚度（m） 结构（层） 工程地质性质 地貌单元 地形变化 地下水位变幅（m） 地表水入渗强度 地下水渗流强度 抽水强度 振动强度 1 CK401600～CK413000 D3r灰岩 强 5～15 1 较差 峰林平原 开阔平坦 1～2 中等 强 强 中等～强 2 CK413000～CK422300 C1y灰岩、泥灰岩 中等 5～15 2 较差 峰林平原 开阔平坦 1～2 中等 中等 中等 中等～强 3 CK430500～CK436000 D3r灰岩间夹D2d、泥灰岩、硅质岩 中等 15～20 2 一般 溶岭谷地 坡谷地 0.5～1 弱 稍弱 弱 中等～强 4 CK451800～CK468400 D3r灰岩 强 5～15 2 较差 峰林平原 开阔平坦 1～2 强 强 强 中等～强 5 CK468400～CK472400 D3r灰岩间夹D2d、泥灰岩、硅质岩 中等 10～15 2 较差 峰林谷地 谷地、坡地 1～1.5 中等 中等 中等 中等～强 6 CK494500～CK501600 D3r灰岩间夹C1d、C1y泥灰岩、硅质岩 中等～弱 10～13 2 较差 溶岭谷地峰丛谷地 平地、坡地 0.5～0.8 弱 弱 弱 中等～强 7 CK507000～CK509200 C1d泥灰岩、硅质岩 中等～弱 10～15 2 较差 溶岭谷地 平地、坡地 1～2 弱 弱 弱 中等～强 8 CK559000～CK575000 D3r、D3g灰岩、白云质灰岩 强 5～10 2 较差 孤峰平原 平地、开阔 1～3 中等 强 中等～强 中等～强 9 CK575000～CK579000 C1d灰岩、泥灰岩、硅质岩 中等 15～20，局部大于20m 2 较差 峰林谷地 开阔平坦 1～2 中等 中等 中等 中等～强 10 CK589000～CK597000 D3r、D3g灰岩、白云质灰岩 强 5～10，局部10～15 2 较差 孤峰平原 平地、开阔 1～3 中等 强 强 中等～强 岩溶塌陷影响因素调查统计表 表4.2.32 评估因子 区 段 岩溶条件 覆盖层条件 地形地貌条件 水文地质条件 环境条件 综合评估结果（隶属度表示） 发生岩溶地面 塌陷的危险性 岩性 岩溶发 育程度 厚度（m） 结构（层） 工程地 质性质 地貌单元 地形变化 地下水位变幅（m） 地表水入渗强度 地下水渗 流强度 抽水强度 振动强度 A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C 1 CK401600～CK413000 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0.233 0.767 危险性大 2 CK413000～CK422300 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0.151 0.789 0.060 危险性大 3 CK430500～CK436000 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0.631 0.309 0.060 危险性大 4 CK451800～CK468400 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0.121 0.879 危险性大 5 CK468400～CK472400 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0.753 0.247 危险性大 6 CK494500～CK501600 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0.557 0.384 0.060 危险性大 7 CK507000～CK509200 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0.550 0.390 0.060 危险性大 8 CK559000～CK575000 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0.293 0.707 危险性大 9 CK575000～CK579000 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0.821 0.179 危险性大 10 CK589000～CK597000 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0.142 0.858 危险性大 备注1、考虑到本工程评估为一级评估，地质环境条件为复杂程度各处不一，因此，在计算单因子隶属度时，主要依据场地地质环境条件复杂程度与单因子进行比较，，当满足某一等级时，则该等级隶属度取1，而其它等级取0； 2、表A地质灾害危险小，B地质灾害危险中等；C地质灾害危险大 综上所述，评估线路段浅层岩溶较发育，地下水赋存和运移在浅层裂隙溶洞系统中，但溶洞规模较小。局部地下水位变幅大，人为抽水影响中等强烈，尤其是岩溶强发育区，地表水稀少，当地的生活生产用水一般为抽取地下水。 大部分拟建铁路沿谷地、平原区经过，地形平坦、开阔，地下水力坡度较小；施工时，路基将接近地下水位，人工开挖后溶洞顶板变薄，溶洞安全顶板厚度或强度不足时，超荷载或强烈震动时，可能会引起小规模岩溶塌陷，造成局部路基呈破碎松散状，严重时，会影响铁路运营，造成的损失大。危害程度小～大，危险性小～大。