公路滑坡災(zāi)害鏈?zhǔn)椒磻?yīng)階段性識別方法研究*

馬保成，王亮，牟順，3

(1．長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064;2．山東東泰工程咨詢有限公司，山東淄博256410;3．淄博市公路管理局，山東淄博255038)

公路滑坡災(zāi)害鏈?zhǔn)椒磻?yīng)階段性識別方法研究*

馬保成1，王亮2，牟順1，3

(1．長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064;2．山東東泰工程咨詢有限公司，山東淄博256410;3．淄博市公路管理局，山東淄博255038)

為了對公路滑坡的發(fā)育階段做出準(zhǔn)確判別，研究了公路滑坡災(zāi)害發(fā)育的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，將滑坡的發(fā)育階段劃分為3個階段。采用廣泛調(diào)研和專家咨詢的技術(shù)手段，從發(fā)育階段的表現(xiàn)特征中選定了滑坡識別的相關(guān)因素集和評分，在此基礎(chǔ)上采用模糊數(shù)學(xué)的方法對公路滑坡災(zāi)害的發(fā)育階段進(jìn)行了識別，并在陜南公路滑坡調(diào)查中初步應(yīng)用。

公路滑坡;鏈?zhǔn)椒磻?yīng);階段劃分;識別因素;模糊數(shù)學(xué)

0 引言

公路滑坡是指路基邊坡土體或巖體在自然或人為的因素下沿一定的軟弱面滑動的現(xiàn)象［1］。目前國內(nèi)外對滑坡階段的劃分主要依據(jù)滑坡地貌發(fā)育過程或者滑坡的受力和變形特征，對滑坡災(zāi)害發(fā)育階段具體識別方法的研究少有出現(xiàn)［2－6］。自然災(zāi)害所表現(xiàn)出的不均勻性、多樣性和突發(fā)性等特點(diǎn)，使得應(yīng)用綜合系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析問題顯得十分重要。肖盛燮等人通過長期眾多地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查研究，形象地描述了災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，提出了普遍適用于多種災(zāi)害的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)規(guī)律和形成機(jī)理以及對災(zāi)害信息的跟蹤監(jiān)測方法［7－8］。

本文主要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對滑坡形成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，劃分災(zāi)害發(fā)育的階段，并從滑坡演化過程中提取特征信息，使用模糊數(shù)學(xué)的方法判別其所處的階段，為合理選擇治理方案提供依據(jù)。

1 鏈?zhǔn)揭?guī)律的含義

災(zāi)害構(gòu)成因素復(fù)雜多樣，但總有一個逐漸演化的過程，具有延續(xù)性。其演化過程總是以一定的物質(zhì)、能量等信息形式予以表征，這種演化關(guān)系的表現(xiàn)形式可以用“鏈?zhǔn)疥P(guān)系”或“鏈?zhǔn)叫?yīng)”予以概化。因此，災(zāi)害的形成過程就可以用鏈?zhǔn)疥P(guān)系或效應(yīng)進(jìn)行描繪。不同災(zāi)害類型，其鏈?zhǔn)叫?yīng)的內(nèi)涵不同，因此災(zāi)害自身發(fā)展的鏈?zhǔn)叫螒B(tài)與災(zāi)害類型就構(gòu)成了一一對應(yīng)的關(guān)系。根據(jù)災(zāi)害發(fā)育的階段性特征，對各個階段災(zāi)害所表現(xiàn)出的信息進(jìn)行篩選，提取指標(biāo)進(jìn)行識別，這是研究災(zāi)害形成機(jī)理和發(fā)育過程的理論基礎(chǔ)。

路基工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括路基結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造面及工程結(jié)構(gòu)面、路基填料及基底、邊坡巖土性質(zhì)以及排水及支擋結(jié)構(gòu)物形成的結(jié)構(gòu)體系。路基工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了破壞方式、破壞規(guī)模，也是災(zāi)害治理措施選擇的主要依據(jù)。

根據(jù)災(zāi)害鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，路基工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了路基災(zāi)害的內(nèi)部因素，地形地貌、氣象氣候、地下水特征以及人類活動影響等構(gòu)成外部環(huán)境因素，而災(zāi)害鏈?zhǔn)巾憫?yīng)行為特征是指災(zāi)害在外部環(huán)境作用影響下災(zāi)害自身內(nèi)部的鏈?zhǔn)巾憫?yīng)過程和災(zāi)害對周圍環(huán)境的反作用行為過程，體現(xiàn)了災(zāi)害演化和破壞效應(yīng)。公路滑坡災(zāi)害的演化系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 公路滑坡災(zāi)害演化系統(tǒng)

2 滑坡鏈?zhǔn)椒磻?yīng)階段劃分

2.1 階段劃分方法

鏈?zhǔn)诫A段性是災(zāi)害發(fā)育過程的重要反映。本文就一次災(zāi)變過程而言，擬將災(zāi)變早、中、晚期的時間間隔、階段性特性、構(gòu)成破壞力的程度等作為劃分階段的重要依據(jù)，將公路滑坡災(zāi)害劃分為早、中、晚階段。其劃分模式如表1所示。

表1 滑坡階段劃分

鄭穎人等［3］按照滑坡的受力和變形特征將其劃分為蠕動階段、擠壓階段、滑動階段、劇滑階段和穩(wěn)定壓密階段。本文結(jié)合災(zāi)害鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論以及災(zāi)害階段劃分的統(tǒng)一和識別的需要，對滑坡的發(fā)育過程歸納總結(jié)，將蠕動階段、擠壓階段按裂隙的形成和發(fā)育歸并為滑坡災(zāi)害的早期階段;將變形階段和滑動階段按滑動面的形成和發(fā)展情況歸并為滑坡災(zāi)害的中期階段;最后將劇滑階段和穩(wěn)定壓密階段劃分為晚期階段。這種劃分方法既體現(xiàn)了滑坡不同階段主要的識別和區(qū)分特征，又在形成持續(xù)的時間和能量上較好的符合了災(zāi)害鏈?zhǔn)嚼碚摗?/p>

2.2 滑坡鏈?zhǔn)诫A段反應(yīng)特征

災(zāi)害鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核心是構(gòu)成災(zāi)害的各要素在物質(zhì)、能量、信息三方面的不斷演化，在不同的演化階段表現(xiàn)出不同的特征，因此對災(zāi)害鏈?zhǔn)桨l(fā)育規(guī)律實(shí)施信息跟蹤是有效識別、防治災(zāi)害的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。公路滑坡災(zāi)害的演化階段特征如圖2所示。

滑坡的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)階段特征為:早期階段原始地貌遭到人為或者由于地質(zhì)構(gòu)造等原因形成了潛在滑坡體，形成了裂縫等表現(xiàn)特征;中期階段在早期的物質(zhì)積累的基礎(chǔ)上，在強(qiáng)降雨、冰雪融水等誘發(fā)因子的激發(fā)下滑坡體蠕動變形，表現(xiàn)出裂縫的進(jìn)一步發(fā)育或貫通，滑動面出現(xiàn)等特征;晚期階段內(nèi)部巖土體強(qiáng)度發(fā)生劣化降低，達(dá)到了滑坡發(fā)生的臨界值，進(jìn)而在誘發(fā)因子的異變耦合作用下產(chǎn)生突發(fā)失穩(wěn)，造成滑坡，這一階段滑動面貫通，滑坡體瞬間變形陷落，表現(xiàn)特征明顯［9］。

圖2 公路滑坡階段特征

3 滑坡災(zāi)害反應(yīng)階段判別

鏈?zhǔn)诫A段性是災(zāi)害發(fā)育過程的重要反映。本文從災(zāi)變一般規(guī)律出發(fā)，將其演變過程劃分為早、中、晚期的時間區(qū)段，對各影響災(zāi)變的形態(tài)特征進(jìn)行層次細(xì)分，形成綜合測評體系，即構(gòu)成災(zāi)變階段的影響因素，從不同形態(tài)特征的客觀反映來辨識災(zāi)變發(fā)育階段。

下面以陜南G316路基災(zāi)害整治工程中的廟嶺滑坡發(fā)育演化過程來說明對滑坡反應(yīng)階段判別的方法和過程。

3.1 廟嶺滑坡概況

廟嶺滑坡位于一個巨大的古滑坡體中部兩側(cè)，屬于坡殘積物滑坡，公路從滑坡體中部地段通過，滑坡滑動導(dǎo)致公路路基發(fā)生沉陷。

通過野外調(diào)查，此滑坡邊坡坡度小于30°，滑體橫向?qū)捈s300 m，縱向長約200 m，坡前緣和后緣地面相對高差約85 m，規(guī)模比較大?；w上部為坡殘積碎石土，滑體土質(zhì)為千枚巖風(fēng)化的坡殘土，結(jié)構(gòu)松軟，厚度較大，下部為基巖，屬上軟下硬基座式坡體結(jié)構(gòu)。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，路面上“羽狀”裂縫明顯，坡體上能清楚地看到滑坡周界、滑坡舌、滑坡鼓丘、滑坡平臺等特征。坡體上排水設(shè)施不完善，坡殘積土層中地下水豐富，兩側(cè)滑體均有多處泉水出露，鉆孔探測地下水屬潛水類型，水質(zhì)較好。

3.2 判別因素集的構(gòu)成

影響災(zāi)變鏈?zhǔn)诫A段的因素很多，且較為繁雜。本文以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)外因影響狀態(tài)效果和內(nèi)部指標(biāo)變態(tài)作為選擇依據(jù)，綜合廟嶺滑坡的實(shí)際情況，本著簡單易于量化的原則，考慮了4種類型的15種影響因素集。其因素等級按早期、中期、晚期階段進(jìn)行劃分，并根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況、已發(fā)生災(zāi)害資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)的收集，最終經(jīng)過評估給出了各因素等級歸一化后的隸屬度。各因素子集的因素等級見表2。

表2 因素子集的因素等級

3.3 測評集及其權(quán)重

根據(jù)各個因素的主從關(guān)系和災(zāi)變階段時間百分比等分為10個區(qū)段作為測評對象，建立測評集，并給出了相應(yīng)的測評權(quán)重。其權(quán)重按早期、中期、晚期階段設(shè)定，其相應(yīng)測評指標(biāo)為1.0，則向左、右遞減排列，即可得各階段的測評集及其權(quán)重，如表3所示［10－11］。

表3 測評集及其權(quán)重

測評集為V={V1，V2，…，V10}，根據(jù)表3可得出等級測評矩陣。由于影響以上測評對象因素的趨勢具有一致性，故由表3得到的矩陣即為通用的。

3.4 綜合測評

由上述各表給出的測評因素集因素等級及各因素權(quán)重，各因素子集的因素等級評價結(jié)果構(gòu)成矩陣A1～A4，測評集權(quán)重矩陣為M，各因素二級權(quán)重矩陣為q1～q4，一級權(quán)重矩陣為Q，可以得到如下的測評結(jié)果［12－13］。

(1)一級測評矩陣B1i=Ai·M，結(jié)果如下:

(3)三級測評矩陣如下:

B=Q·B2=［0.102 0.180 0.258 0.348 0.439 0.567 0.694 0.665 0.635 0.473］

根據(jù)最大隸屬度原則，3級測評結(jié)果的最大隸屬度0.694與災(zāi)變測評集的70%相對應(yīng)，判定廟嶺滑坡災(zāi)變處于鏈?zhǔn)诫A段早期末到中期的臨界過渡階段，這與實(shí)際的調(diào)查情況相符。

針對廟嶺滑坡的災(zāi)變階段特征，采取了相應(yīng)的早期斷鏈及中期防御措施如下:

(1)完善地表截排水系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)修筑截水溝、急流槽，不同類型的排水溝、邊溝等，盡量將雨水快速排出滑體以外，使雨水較少滲入滑體。

(2)加強(qiáng)對公路通過處滑體內(nèi)地下水的排疏，即設(shè)計(jì)支撐滲溝，縱向與橫向盲溝，使地下水能較快疏排，增強(qiáng)治理滑體自身的抗滑能力。

(3)設(shè)支擋構(gòu)造物，即在滑坡下部剪出口設(shè)抗滑擋墻，在路基上邊坡設(shè)抗滑擋土墻，在局部路基設(shè)路肩墻，提高抗滑力，使滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)滑坡災(zāi)害的發(fā)生可以看作是自身路基工程地質(zhì)內(nèi)部因素為主、外部誘發(fā)因素為輔的鏈發(fā)過程，強(qiáng)調(diào)整體性。將滑坡災(zāi)害的發(fā)育劃分為3個階段，每個階段表現(xiàn)出不同的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)特征，可以從中提取一系列特征參數(shù)作為階段識別的影響因素集。

(2)采用模糊數(shù)學(xué)的方法構(gòu)建識別模型。本文給出的識別模型中的識別因素集可以根據(jù)具體的工程情況有所增減，但方法是相同的。同時調(diào)查的災(zāi)害數(shù)據(jù)越多，參與評價的專家的相關(guān)知識越豐富，獲得的因素等級和權(quán)重值就越準(zhǔn)確，識別結(jié)果就越符合實(shí)際情況。

［1］舒森，李家春，朱鈺，等．陜西省公路災(zāi)害防治技術(shù)指南［M］．北京:人民交通出版社，2009．

［2］徐邦棟．滑坡分析與防治［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．

［3］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等．邊坡與滑坡工程治理［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［4］黃潤秋，許強(qiáng)．地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)演化特性的定量判定［J］．中國科學(xué)基金，2000(5):265－269．

［5］李志強(qiáng)．公路路基地質(zhì)災(zāi)害識別方法研究［D］．西安:長安大學(xué)，2009．

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［7］肖盛燮．災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摷皯?yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．

［8］范海軍，肖盛燮，郝艷廣，等．自然災(zāi)害鏈?zhǔn)叫?yīng)結(jié)構(gòu)關(guān)系及其復(fù)雜性規(guī)律研究［J］．巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25 (1):2603－2610．

［9］牟順．公路路基地質(zhì)災(zāi)害識別系統(tǒng)研究［D］．西安:長安大學(xué)，2010．

［10］肖盛燮，馮玉濤，王肇慧，等．災(zāi)變鏈?zhǔn)诫A段的演化形態(tài)特征［J］．巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(1):2629－2633．

［11］馮玉濤，肖盛燮．崩滑流地質(zhì)災(zāi)害鏈?zhǔn)綑C(jī)理及其優(yōu)化防治［J］．災(zāi)害學(xué)，2009，24(3):22－26．

［12］肖盛燮，王平義，呂恩琳．模糊數(shù)學(xué)在土木與水利工程中的應(yīng)用［M］．北京:人民交通出版社，2004．

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Identification Method for Chain Reaction Stages of Highway Landslides

Ma Baocheng1，Wang Liang2and Mou Shun2，3
(1．Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an 710064，China;2．Shandong Dongtai Engineering Consulting Co．，Ltd，Zibo 255038，China;3．Zibo Highway Management Bureau，Zibo 255038，China)

Reaction mechanism of landslide chain is researched in order to identify the development stages for highway landslides accurately，which are divided into three stages then．Related recognition factor set and score of landslides are selected from performance characteristics of landslides development，based on which development stages of landslide are identified by method of fuzzy mathematics that is adopted firstly in the investigation of highway landslide in southern Shaanxi．

highway landslide;chain reaction;stage division;recognition factor;fuzzy mathematics

U416.1

A

1000－811X(2011)02－0054－05

2010－10－25

國家西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(200631800007)

馬保成(1982－)，男，漢族，陜西榆林人，博士研究生，主要從事公路防災(zāi)減災(zāi)方面的研究．

E-mail:mbc_2002@163.com