王春燕 王 力

(1.三峽大學(xué)科技學(xué)院,湖北宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),全國地質(zhì)災(zāi)害大調(diào)查結(jié)果表明,受潛在地質(zhì)災(zāi)害困擾的縣級城鎮(zhèn)達(dá)400多個,有1萬多個村莊收到滑坡等災(zāi)害的威脅.其中,三峽庫區(qū)因地理位置、氣候條件等因素的影響,加劇了該地區(qū)滑坡災(zāi)害的發(fā)生,據(jù)統(tǒng)計,截止2003年11月,三峽庫區(qū)滑坡已查證滑坡約4 683處,其中涉水滑坡達(dá)2 000余處.尚有數(shù)以千計的滑坡未加治理,其中體積大于100萬m3的重大涉水滑坡有400余處[1-2],如何有效的降低滑坡災(zāi)害導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡損失是其中的重要工作[3],因此對三峽庫區(qū)重點滑坡進(jìn)行危險性評價顯得十分迫切,有效的危險性評價可針對性的進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)工作,由此減輕庫區(qū)滑坡帶來的各項損失.

滑坡危險性評價是考慮滑坡孕災(zāi)環(huán)境、誘發(fā)因素等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,綜合考慮滑坡的空間位置、災(zāi)害強(qiáng)度和時間頻率等因素,確定研究區(qū)域一定時期內(nèi)滑坡發(fā)生的強(qiáng)度及可能性.近年來,滑坡危險性評價和預(yù)測的研究愈發(fā)被重視,各種評價模型也陸續(xù)被應(yīng)用進(jìn)來.藺力等以三峽庫區(qū)豐都-涪陵段為例,對研究區(qū)滑坡發(fā)育特征及規(guī)律進(jìn)行分析,對增大庫水日降幅條件下滑坡穩(wěn)定性作評價,探索滑坡危險性預(yù)測模型[4];劉磊等以三峽庫區(qū)萬州區(qū)岸庫段內(nèi)的滑坡災(zāi)害為研究對象,基于不同庫水位下降速率及不同的降雨工況,展開了基于確定性模型的庫岸段內(nèi)滑坡災(zāi)害的易損性、危險性及風(fēng)險評估[5];門夢飛等以白家包滑坡為研究對象,依據(jù)地質(zhì)勘查,降雨及庫水位資料,運(yùn)用專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法,研究滑坡的成因及變形機(jī)制[6];彭令等以三峽庫區(qū)秭歸縣為例,通過災(zāi)害致災(zāi)輕度與抗災(zāi)能力分析了人口、建筑物、和土地資源的易損性,并在深入分析滑坡孕災(zāi)環(huán)境、誘發(fā)因素等基礎(chǔ)上,對滑坡危險性做分析評價[7].石菊松等提倡實用性技術(shù)方法和GIS技術(shù)應(yīng)用于滑坡易發(fā)性評價,從數(shù)據(jù)獲取與更新、風(fēng)險評估方法與制圖、風(fēng)險準(zhǔn)則與技術(shù)方法體系和結(jié)果的驗證等方面進(jìn)行論述[8].黃發(fā)明等對滑坡災(zāi)害危險性空間預(yù)測進(jìn)行研究,提出定量評價的信息分析模型、多因素回歸分析模型、模糊判別分析模型等[9].

各種模型陸續(xù)被應(yīng)用到該領(lǐng)域中來,包括突變理論模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模糊綜合評價和灰色關(guān)聯(lián)分析模型等[10].以上研究為目前各類滑坡危險性評價中評價因素的選取及評價方法提供了參考和嘗試,然而,對評價指標(biāo)的選取及其權(quán)重的確定主觀性較強(qiáng),對評價指標(biāo)間的相互影響程度也暫未形成較系統(tǒng)的量化計算,且由于滑坡災(zāi)害影響的主導(dǎo)因素較多且相互關(guān)聯(lián),具有模糊性的特點,滑坡危險性評價的模型選取也需具有一定的綜合性和層次性;引起滑坡災(zāi)害的因素很多,各評價指標(biāo)對滑坡危險性的貢獻(xiàn)程度及權(quán)重大小也不一樣,需確定各因素數(shù)據(jù)作用機(jī)制的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)取得的精確性.

綜上,模糊數(shù)學(xué)具有模型簡單、多層次和定量化的特點,模糊評價法可充分考慮滑坡地質(zhì)災(zāi)害模糊性這一特點.定性和定量相結(jié)合的層次分析法可解決確定權(quán)重的問題,采用層次分析法克服模糊綜合評價依靠經(jīng)驗和主觀性確定權(quán)重的特點,將層次分析法和模糊理論結(jié)合起來,運(yùn)用層次分析法確定評價指標(biāo)的權(quán)重.鑒于此,本文以三峽庫區(qū)的眾多重點涉水滑坡為研究對象,提取基于滑坡的成因和實際影響因素為評價指標(biāo),構(gòu)建滑坡危險性評價指標(biāo)體系,應(yīng)用層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重,構(gòu)建模糊綜合評價模型,并以三峽庫區(qū)白家包滑坡為例,應(yīng)用模糊綜合評價法進(jìn)行危險性綜合評價,驗證該方法的可行性.

1 危險性評價指標(biāo)的選取

滑坡是指巖體或土體在重力作用下沿一定的軟弱結(jié)構(gòu)面整體下滑的現(xiàn)象,是在地質(zhì)地貌條件和人為作用內(nèi)外因素的影響下,共同作用產(chǎn)生的.由于滑坡穩(wěn)定性影響因素繁多,因素之間錯綜復(fù)雜,因此,在作危險性評價時,首要進(jìn)行評價指標(biāo)的選取及量化[11].

滑坡的成因首先跟地形特征有關(guān),同時還包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣象條件、岸坡結(jié)構(gòu)類型及社會經(jīng)濟(jì)條件.影響滑坡災(zāi)害危險性的因素很多,因素間的相互作用導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生,首先遵循綜合選取評價指標(biāo)的原則;同時,本文的研究對象是單體滑坡,評價指標(biāo)也需考慮評價對象的層次性;再次,各因素的影響程度又不盡相同,從各因素的影響程度出發(fā),將影響程度小的評價指標(biāo)篩除,避免因指標(biāo)過多而分散主要指標(biāo)的作用.

對單體滑坡進(jìn)行危險性評價時,評價指標(biāo)的選取需具有一定的全面性和系統(tǒng)科學(xué)性,本文參照國內(nèi)外的常用影響因素[3,6,10-11],綜合考慮三峽庫區(qū)內(nèi)重點滑坡成因和地質(zhì)結(jié)構(gòu)等特征,能夠反映巖土體的相關(guān)性質(zhì)和內(nèi)部構(gòu)造,分析滑坡的下滑力和抗滑力和以力學(xué)中的變形破壞理論為基礎(chǔ),提取7項14個因素作為評價指標(biāo),見表1.

表1 三峽庫區(qū)重點滑坡危險性評價指標(biāo)

2 危險性評價模型

由于地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的復(fù)雜性,滑坡災(zāi)害危險性評價作用機(jī)制復(fù)雜,在對滑坡災(zāi)害進(jìn)行描述時,其狀況都具有模糊性,可能在某一范圍內(nèi),不能給出精確的數(shù)值.三峽庫區(qū)滑坡災(zāi)害頻發(fā),影響因素也很多,如表1所示,進(jìn)行危險性評價時需綜合考慮這些因素之間的關(guān)系及他們的模糊性,模糊評價法可有效解決這一問題[6,12].由于表1中各指標(biāo)對滑坡危險性的貢獻(xiàn)程度大小不一,即模糊評價法還需確定各指標(biāo)的權(quán)重,本文采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重,即將評價指標(biāo)分層簡化,建立各因素的層次結(jié)構(gòu),通過主觀判斷和兩兩比較,以得到各評價因素的重要性排序[13-14].

2.1 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法將研究對象的可能的結(jié)果區(qū)間劃分為多個等級,同時將評價指標(biāo)與研究對象的隸屬度劃分,將兩項等級結(jié)果進(jìn)行綜合,得到較全面合理的評判結(jié)果.

1)評價指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

分析表1可發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)的類型主要有連續(xù)性數(shù)據(jù)、離散數(shù)據(jù)、定量化數(shù)據(jù)、半定量化數(shù)據(jù)及定型化數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)多樣且復(fù)雜,因此對各指標(biāo)進(jìn)行量化處理.數(shù)據(jù)量化的過程,就是以地質(zhì)分析為前提,大量搜集數(shù)據(jù)資料,并結(jié)合專業(yè)人員對評價指標(biāo)給出的確定的數(shù)值和等級,對單因子作危險性評價,確定其對滑坡地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)程度的大小.

在完成評價數(shù)據(jù)的提取處理和量化后,為使地質(zhì)數(shù)據(jù)采取統(tǒng)一的量綱,且評價指標(biāo)不因數(shù)量差異過大而造成評價結(jié)果不合理,對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化或無量綱處理[15].

2)確定影響因素集和評價結(jié)果集

設(shè)U={u1,u2,…,u m}為影響因素集,V={v1,v2,…,v m}為滑坡災(zāi)害危險性等級評價結(jié)果集,同時建立兩者之間的模糊關(guān)鍵矩陣R.

式中,r ij(0≤r ij≤1),表示因素u i對v j的隸屬度;矩陣R中第i行R i=(r i1,r i2,…,r in)為第i個評價因素u i的單因素評判,是V的模糊子集.

令A(yù)=(a1,a2,…,a m)(a1+a2+…+a m=1)為反映因素權(quán)重的模糊集,即權(quán)向量,則a1,a2,…,a m分別為評價因素u1,u2,…,u m的權(quán)重.綜合隸屬度B=(b1,b2,…,b m)(0≤b≤1),則是由權(quán)向量與模糊矩陣合成得到,即：

3)隸屬度的確定

隸屬度的確定就是單因素的評判,即各因素不同狀態(tài)處于某一危害等級的評判,對每個評價指標(biāo)的每個狀態(tài)都進(jìn)行每個等級的對應(yīng)評判.本文的評價指標(biāo)分為定性和定量兩種,定量指標(biāo)的數(shù)據(jù)特征為實數(shù),即確定指標(biāo)隸屬函數(shù)的分界闕值;定性指標(biāo)的數(shù)據(jù)為特征值,可通過德爾菲法和經(jīng)驗法來確定隸屬度.

本文將險性分為4個等級,{低度危險,輕度危險,高度危險,極度危險}.

定性指標(biāo)以岸坡結(jié)構(gòu)類型的隸屬度取值為例,說明指標(biāo)隸屬度的確定.

表2 岸坡結(jié)構(gòu)隸屬度取值

對于定量指標(biāo),滑坡危險性等級的隸屬度可通過梯形隸屬函數(shù)來實現(xiàn).

偏小型模糊分布：

中間型模糊分布：

偏大型模糊分布：

2.2 應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重

在進(jìn)行滑坡危險性評價時,由于各因素的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)需要的精確性,采用定性定量相結(jié)合的方法,即通過層次分析法確定各因素的權(quán)重[16].具體步驟如下：

1)構(gòu)造判斷矩陣

設(shè)U={u1,u2,…,u m}為影響因素集,V={v1,v2,…,v m}表示滑坡危險性評價等級,v1表示“好”,v2表示“較好”,v3表示“較差”,v4表示“危險”.則u ij表示u i對u j的相對重要性數(shù)值,采用1～9標(biāo)度來確定u ij的取值,則可得判斷矩陣T：

2)采用和積法計算權(quán)重

第1步,把判斷矩陣T的列元素歸一化處理：

第2步,行向量元素求和處理：

則,A=(a1,a2,…,a m)T.

第4步,計算最大特征值λmax：

其中,(TA)i表示向量TA的第i個元素.

若一致性比率CR＜0.10,則認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受,所得權(quán)重合理可用;否則,調(diào)整判斷矩陣,指導(dǎo)一致性比率取值滿足要求為止.

特征向量(權(quán)值)是否符合實際情況,需要進(jìn)行一致性檢驗：CR=CI/RI,式中,CR為一致性比率;CI為判斷一致性指標(biāo)為隨機(jī)性指標(biāo).

3 基于模糊評價法的白家包滑坡危險性評價及防治對策

3.1 白家包滑坡工程概況

三峽庫區(qū)位于北緯28°32'～31°44',東經(jīng)105°44'～111°39',干流回水總長662.9 km,其中包含長江流域的秭歸縣.秭歸縣位于湖北省西部,長江西陵峽兩岸,地跨東經(jīng)110°18'～111°0',北緯30°38'～31°11',東鄰宜昌,南連長陽,西接巴東,背靠興山,國土面積2 427 km2.白家包位于秭歸縣歸州鎮(zhèn)向家店村,距香溪河入江口2.5 km.

白家包滑坡展布于香溪右岸,滑坡剪出口位于高程135 m,滑坡后緣以基巖為界,高程275 m.滑坡坡面坡度10～15°,前緣臨江段坡度20°,中部平緩,坡度10～12°,滑坡平均坡度約15°.滑坡左側(cè)邊界為山脊下部基巖,右側(cè)以山梁為界,寬300～500 m,均寬400 m,縱長約550 m,滑坡面積22萬m2.滑坡平面形態(tài)呈短舌狀.深層滑體前緣厚20～30 m,中部厚47 m,后緣厚10～40 m,滑體平均厚度45 m,滑體體積990萬m3.淺層滑體前緣厚10～20 m,中部厚35 m,后緣厚10～40 m,滑體平均厚度30 m,滑體體積660×104m3.

滑體土物質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土夾塊碎石及碎塊石土,分布于整個滑坡體,鉆探揭露厚32.3～50.0 m.

滑帶土主要為粉質(zhì)粘土夾碎石角礫.滑移帶的厚度一般0.2 cm.深層滑帶土鏡面現(xiàn)象不明顯,但含角礫較少,多呈可塑狀.

滑床物質(zhì)主要為侏羅系巴東組的長石石英砂巖及泥巖,僅前緣有第四系土層滑床.基巖產(chǎn)狀260°∠30°.從剖面看,基巖面起伏不大,與地面近一致.從地層產(chǎn)狀看,該坡體屬逆向坡.

滑坡區(qū)地下水排線通道為香溪河,滑坡地表的兩條沖溝,為滑坡體地表水排泄通道.因滑坡變形,滑坡體上部有兩處水池,因開裂而報廢.滑坡區(qū)未見地下水露頭,地下水的主要類型為坡積物孔隙水,且坡積物為滑坡區(qū)內(nèi)主要含水地層,地下水的主要補(bǔ)給源為大氣降雨.

白家包滑坡體上原共居住著56戶165人,房屋56棟,建筑面積17 450 m2,水果地約300余畝.目前多數(shù)已在政府指導(dǎo)下臨時搬遷.滑坡坡面已有變形,如遇持續(xù)強(qiáng)降雨極有可能誘發(fā)滑坡災(zāi)害,滑體上居住財產(chǎn)將遭受重大損失,從滑體中前部通過的秭興公路也將因滑坡而中斷,入江土石將對香溪河航運(yùn)及航行的船舶構(gòu)成危害.

白家包滑坡變形主要發(fā)生在雨季,變形方式為坡面坍塌和拉裂.滑坡地表變形主要集中在滑坡中部公路附近,表現(xiàn)為公路路面拉裂下沉、塌坡以及民房開裂,總體方向顯示坡體物質(zhì)下滑變形.2003年6月三峽水庫蓄水后,滑坡變形加劇.在滑坡兩側(cè)邊公路明顯被拉裂,形成2條大的剪切裂縫,裂縫寬1～2 cm,延伸長約10～30 cm.

3.2 建立評價指標(biāo)判斷矩陣

結(jié)合白家包滑坡的工程概況,篩選出危險性評價指標(biāo)所需的數(shù)據(jù),建立評價指標(biāo)判斷矩陣,計算步驟如下.

滑坡坡面坡度10～15°,根據(jù)上述隸屬度確定方法,可得：

同理,可得：

3.3 建立權(quán)重矩陣

根據(jù)3.2中所述層次分析法的步驟,并根據(jù)公式(5)～(8),確定n-u權(quán)重矩陣如下：

同理,可得A n3-u=[0.5 0.5];A n4-u=[0.25 0.25 0.5];A n5-u=[0.5 0.5];A n6-u=[0.50.5];A n7-u=[0.75 0.25].則,確定A-n的矩陣如下,A=[0.117,0.062 1,0.304 8,0.117,0.117,0.241 1,0.041],其中,CI=0.017 26＜1.32.

3.4 單因素模糊運(yùn)算

根據(jù)公式R n=A·R n-u完成模糊運(yùn)算,結(jié)果如下：R n1=[0.8 0.2 0 0],R n2=[0 0.1 0.7 0.2],R n3=[0 0.1 0.7 0.2],R n4=[0.25 0.425 0.275

0.05],R n5=[0 0.1 0.7 0.2],R n6=[0.1 0.7 0.2 0],R n7=[0.275 0.575 0.15 0].

3.5 模糊綜合評價及結(jié)果

根據(jù)綜合隸屬度的確定公式(1),可得：

以上結(jié)果表明,根據(jù)最大隸屬度原則,白家包滑坡處于“高度危險”高的概率最高,危險性評價等級為“高度危險”.

據(jù)資料顯示[16],隨著地下水和庫水位的長期作用,滑坡的穩(wěn)定性將逐漸下降,在一定時間和條件下將失穩(wěn)下滑.滑坡一旦失穩(wěn),將毀壞300余畝果田,給當(dāng)?shù)厝嗣裨斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失;將沖毀秭興公路近400 m的路段,中斷交通,給地方經(jīng)濟(jì)造成較大的損失;還有最大的危險就是造成香溪河堵塞,影響地方航運(yùn).

以上分析表明,基于層次分析法的模糊綜合評價在通過一致性檢驗的前提下,計算各評價因子的權(quán)重,克服主觀性強(qiáng)的特點,計算精度高.模糊綜合評判作為定性與定量相結(jié)合的方法,在確定了評語集等級標(biāo)準(zhǔn)后,針對單個滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行量化評價,與文獻(xiàn)[17]數(shù)值模擬計算結(jié)果基本一致.同時,本文的評價結(jié)果和白家包滑坡的實際地質(zhì)災(zāi)害情況吻合,可為三峽庫區(qū)涉水重點滑坡的危險性評價提供一種思路和依據(jù).

3.6 防治對策

按照評價結(jié)果,白家包滑坡的危險性等級較高,根據(jù)工程的成本效益原則,采用工程防治的代價高、可實施性較低,因此,采取搬遷避讓的防治對策.白家滑坡體上原共居住著56戶165人,房屋56棟,建筑面積17 450 m2,水果地約300余畝.目前多數(shù)已在政府指導(dǎo)下臨時搬遷,村民存在回遷跡象.本文的評價方法對滑坡的防災(zāi)減災(zāi)工作有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義,可推廣應(yīng)用.

4 結(jié) 論

本文針對三峽庫區(qū)涉水重點滑坡的特點,從理論和實例的角度進(jìn)行滑坡危險性評價的分析研究,分析影響因素并考慮因素間的關(guān)聯(lián)性,提取重要因素,構(gòu)建評價指標(biāo)體系;提出結(jié)合層次分析法的模糊綜合評價模型,并以白家包滑坡為例,進(jìn)行危險性綜合評價,并給出防治對策,進(jìn)行了實例驗證.

1)針對三峽庫區(qū)滑坡的特點,提出適合該研究對象的,包括地形特征、結(jié)構(gòu)特征、岸坡結(jié)構(gòu)、水文條件、滑面形態(tài)特征、地形變形特征、人類工程活動等因素在內(nèi)的危險性評價指標(biāo)體系.

2)滑坡危險性評價影響因素眾多,彼此之間又有著錯綜復(fù)雜的關(guān)系,應(yīng)用層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重,建立模糊綜合評價模型.

層次分析法可以克服模糊綜合評價依靠經(jīng)驗和主觀性確定權(quán)重的特點;模糊數(shù)學(xué)具有模型簡單、多層次和定量化的特點,綜合評價模型可充分考慮滑坡地質(zhì)災(zāi)害綜合評價模糊性這一特點.采用層次分析法確定評價因素權(quán)重,建立模糊綜合評價模型,可較好的實現(xiàn)評價功能.

3)評價結(jié)果顯示,三峽庫區(qū)白家包滑坡的危險性等級較高,應(yīng)采取搬遷避讓的防治對策,應(yīng)高度重視并加強(qiáng)防災(zāi)意識.同時,評價結(jié)果表明采用定性定量相結(jié)合的方法,權(quán)重賦值更科學(xué)合理,模糊綜合評價的結(jié)果也更符合實際情況,可以為滑坡危險性評價提供依據(jù),并指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)工作.