昌栗高速公路K48+040-K53+582段巖溶塌陷穩(wěn)定性評價

鄒長文，鄭明新（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

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昌栗高速公路K48+040-K53+582段巖溶塌陷穩(wěn)定性評價

鄒長文，鄭明新
（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

摘要：以昌栗高速公路某段的巖溶發(fā)育為研究對象，在查明研究區(qū)地質環(huán)境條件的基礎上，采用層次分析和模糊評判相結合的方法（AHP FUZZY），對研究區(qū)的巖溶塌陷易發(fā)程度進行評估，在巖溶塌陷風險定量評價方法方面進行探索。首先確定巖溶塌陷評估因子及其權重值，評估因子劃分為溶洞發(fā)育條件、覆蓋層條件、地形地貌條件、水文地質條件4類，再將這4類評價因子分成7個亞級評價因子；其次劃分塌陷等級，將其分為4個等級，即穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、不穩(wěn)定；最后對研究區(qū)段進行巖溶穩(wěn)定性風險評估。

關鍵詞：巖溶；塌陷；層次分析法；風險評價

巖溶地貌在我國分布較廣，巖溶塌陷問題是最突出的地質災害，是巖溶地區(qū)因巖溶作用而發(fā)生的一種地面變形和破壞的現(xiàn)象，巖溶塌陷的發(fā)生不僅僅會給交通運輸、城市建設和人民生活帶來嚴重的危害，而且還會惡化生態(tài)環(huán)境，影響各種資源的開發(fā)和利用，造成嚴重的經濟損失和社會影響；因此，巖溶塌陷的風險性評估，對于防災減災具有重要的意義。近年來，有關巖溶塌陷這一地質災害的調查研究成果很多。蔣小珍［1］運用GIS的空間分析等功能，從地貌類型、鹽酸鹽巖類型、水文地質條件、人類活動和土地利用等方面對全國巖溶塌陷災害進行了危險性評價；何書等［2］運用模糊貼近度理論，結合研究區(qū)巖溶塌陷的特點及影響因素，建立巖溶塌陷易發(fā)性分級評價模型，有效地對江西瑞昌的武山銅礦區(qū)進行了巖溶塌陷易發(fā)性評估；趙德君等［3］采用層次分析法構建了巖溶塌陷危險性模型，對武漢市阮家巷至陸家街區(qū)一帶進行了塌陷危險性評價。國外的塌陷研究相對國內而言進展較快并多針對塌陷機理進行分析。Koutepov等［4］利用GIS技術結合多種地質數(shù)據(jù)繪制了塌陷專題圖，并對俄羅斯捷爾任斯克的巖溶塌陷產生原因進行分析；Heidari等［5］對伊朗西部哈馬丹地區(qū)中部平原進行了水文地質研究，分析了引發(fā)該區(qū)巖溶塌陷的致災因素；Galve等［6］利用地質地貌圖和航片資料，評估了西班牙薩拉戈薩市塌陷區(qū)塌陷情況，并對塌陷災害成因機理進行了分析。由此可以看出，目前對巖溶塌陷的相關研究已經取得顯著進展，但尚須對已有研究成果進行完善。首先應當完善巖溶塌陷風險定量評價方法，巖溶塌陷實際上是一個受自然和人為因素共同影響的地質災害，仍須在定量評價上繼續(xù)研究；其次是巖溶塌陷風險等級評價標準。目前國內外對于巖溶塌陷風險評價標準的問題，研究成果相對還是比較少。在已有研究的基礎上，本文以昌栗高速公路K48+040-K53+582段為研究對象，嘗試在巖溶塌陷風險定量評價方法方面進行探索，將模糊評價方法和層次分析方法結合起來對巖溶地面塌陷做出綜合評估。

1　評價區(qū)域地質環(huán)境條件

1.1自然地理條件

江西省可溶巖出露面積9 928km2，隱伏面積4 000km2，約占全省總面積的8.75％。根據(jù)巖溶分布狀況，江西省全境內可劃分為“三帶”和“三塊”發(fā)育區(qū)。昌栗高速公路位于巖溶發(fā)育的萍鄉(xiāng)至樂平發(fā)育帶上，該地區(qū)處于亞熱帶季風區(qū)域，氣候濕潤溫和，雨量充沛，盛夏至中秋前晴熱干燥；冬季陰冷但霜凍期短，春秋季短，冬夏季長。年平均氣溫17～17.7℃，極端最高氣溫40.9℃，極端最低氣溫-15.2℃。年降雨量1 600～1 700 mm，降水日為147～157 d，年平均暴雨日5.6 d，年平均相對濕度為78.5％。

1.2地形地貌及地層巖性特征

南昌至上栗高速公路主要路線走廊帶位于揚子準地臺與華南褶皺系交接的江西省著名地質構造：萍鄉(xiāng)至樂平近東西向拗陷帶內的西北邊緣，區(qū)內地層結構和巖性復雜，地質構造發(fā)育，如圖1所示。

圖1　昌栗高速公路沿線地質圖Fig.1 Geological map along Nanchang-Shangli freeway

地質構造跨越兩大單元，隆起與拗陷復雜；構造運動變質及沉積作用，外加巖漿運動等具有多旋回性，多階段性和不平衡性，繼而形成了不同時期的碎屑物質和沉積環(huán)境，故產生不盡相同的碳酸鹽可溶巖類。受地區(qū)復雜地質條件的控制，區(qū)內不良地質和特殊性巖土非常發(fā)育，區(qū)內大面積分布多個年代的灰?guī)r，其穩(wěn)定性比較差，灰?guī)r風化成因的紅粘土多為高液限不良路基土。同時，受地質構造控制，區(qū)內地層近東西走向，與路線呈小角度相交，部分路段存在順向坡。另外，起點段花崗巖區(qū)風化巖體組成的邊坡穩(wěn)定性較差，加上特殊的滲透和水理特性，洼地基本發(fā)育厚層軟土。

地形地貌對于巖溶發(fā)育的作用則是主要影響了地下水的補、徑、排條件，從山嶺到盆地，地下水由補給轉向排泄，由垂向運動轉向水平運動。巖溶作用由垂向轉向水平為主，巖溶發(fā)育由弱變強；因此，谷地對巖溶的影響最大，其巖溶最發(fā)育。

2　巖溶發(fā)育特征

2.1巖溶發(fā)育特征

根據(jù)鉆孔資料，表層填土主要由松散的粉質黏土和灰?guī)r碎石組成，呈現(xiàn)紅褐色。覆蓋層主要由含礫粉質黏土和細角礫土組成，并還有少量的紅黏土和灰?guī)r，粉質黏性土呈黃褐色，可塑。細角礫土則呈灰褐色略帶黃褐色，顆粒以灰?guī)r、砂巖為主，粘性土填充。巖溶頂板埋深8.90～21.70m。路線內巖溶分布地段16個鉆孔中有7個鉆孔揭露溶洞，鉆孔見洞率為43.75％，頂層溶洞埋深8.90～18.60m，頂板灰?guī)r厚度0.10～3.30m，洞高1.10～5.90m，溶洞多為半填充至填充狀態(tài)，填充物紅粘性土、角礫土及粗圓礫為主。

2.2巖溶地質條件

工程沿線巖溶區(qū)土層巖性以粉質黏土為主，粉土和粗砂次之，其下灰?guī)r發(fā)育有溶洞。區(qū)內地下水類型為松散巖類孔隙水和巖溶水，兩者水力聯(lián)系密切，在較多抽取巖溶水條件下，地下水徑流速度快，地下水位下降變化大，易淘空灰?guī)r上部松散土層形成土洞，土洞不斷發(fā)育，頂板逐漸變薄，當頂板承載力小于上部土層自重或荷載時，會發(fā)生巖溶地面塌陷。

3　巖溶地面塌陷穩(wěn)定性評價

巖溶地面塌陷是一種突發(fā)性的地質災害，具有難于預測和突發(fā)性的特點。其穩(wěn)定性與溶洞發(fā)育程度、覆蓋層條件、地形地貌條件、水文地質條件等因素有關，在考慮主要影響因素的基礎上，適當簡化評價過程，同時要降低評價的任意性和模糊性，提高評價結果的科學性；因此，評價區(qū)域采用層次分析－模糊綜合評判方法（AHP FUZZY）對巖溶地面塌陷做出綜合評判，并依據(jù)評判結果進行巖溶地面塌陷發(fā)育強弱分區(qū)，進而對未來巖溶塌陷發(fā)展趨勢做出預測與評價。

3.1評價因子的確定

評價區(qū)域地質環(huán)境錯綜復雜，難以十分準確地把握巖溶塌陷的主要因素；因此選擇巖溶塌陷產生和形成的主要因素，且充分利用野外實際調查的資料和鉆探資料，將影響巖溶塌陷穩(wěn)定性的影響因素（通?？捎梅€(wěn)定系數(shù)Fs表示）表示成一系列影響參數(shù)的函數(shù)。不同的因素對地質災害的影響程度是不同的，既不可能全部考慮所有的影響因素，又必須反映工程范圍內的地質環(huán)境條件；因此，選取其中4個重要的影響因素作評價因子，如下：

Fs＝｛U1，U2，U3，U4｝＝｛溶洞條件、覆蓋層條件、地形地貌條件、水文地質條件｝。

該評估多級模糊多級目標決策方法將4個子因素集用二級因素表示如下：

溶洞條件U1＝｛X11｝＝｛溶洞發(fā)育程度｝；

覆蓋層條件U2＝｛X21，X22｝＝｛覆蓋層厚度、覆蓋層巖性和結構｝；

地形地貌條件U3＝｛X31｝＝｛地面地貌特征｝；

水文地質條件U4＝｛X41，X42，X43｝＝｛巖溶地下水位及動態(tài)變化、巖溶水鉆孔單口井涌水量、巖溶水位降深｝。

由此得出溶洞發(fā)育程度、覆蓋層厚度、覆蓋層巖性與結構、地面地貌特征、巖溶地下水位及動態(tài)變化、巖溶水鉆孔單口井涌水量、巖溶水位降深7個亞級評價因子。

3.2評價因子對巖溶塌陷穩(wěn)定性的權重分析

影響因子對巖溶塌陷地質災害影響的權重指各因子對地質災害影響的重要程度，因于影響因素關系復雜，難以直接地確定而量化；因此，根據(jù)評價區(qū)域以往影響塌陷形成的控制因素重要性不同，并且考慮巖溶區(qū)域評價的經驗，采用“九標度”層次分析法，即對兩個因子相比較，1，3，5，7，9分別表示第一個因子比第二個因子同等重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要、極端重要，而2，4，6，8則表示上述兩相鄰判斷的中間值，比較結果見表1。

計算判斷矩陣A的最大的特征值λmax

1）計算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi：

表1　評價因子的判斷矩陣Tab.1 Judgment matrix of evaluation factors

則w＝［w1，w2，…，wn］T即為所求的特征向量，且最大特征值λmax為

從上述分析得到巖溶塌陷危險性評價的影響因子的權重向量，即

從以上權重向量可以得出，各評價因子對巖溶塌陷穩(wěn)定性具有不同的影響程度，其中以溶洞發(fā)育程度類型的影響為最大，地面地貌特征為最小。該結論與實際已發(fā)生的地面塌陷成因分析結論一致。

若要判斷矩陣求出的權重值是否合理，還必須進行一致性的檢驗，因為該判斷帶有主觀性，在每次進行兩兩比較判斷時具有比較判斷的不一致性。當判斷偏移一致性過大時，把判斷矩陣的權向量計算結果作為決策依據(jù)將是不可靠的。為此在求得λmax后需進行一致性指標CI檢驗，其中

再計算一致性比率

其中RI的取值［18］如表2所示。

表2　平均隨機一致性指標Tab.2 Mean random consistency index

當n＝7時，RI＝1.36，所以得到一致性檢驗的結果為：CR＝0.113 2/1.36＝0.083 2＜0.10

當時CR＜0.10時，則認為該判斷矩陣一致性好。否則，就應當重新進行兩兩比較再次得出權重向量矩陣，直至判斷矩陣具有滿意的一致性為止。這時從判斷矩陣中計算出的最大特征根所對應的特征向量經標準化后，才可以作為層次分析的權值。

3.3穩(wěn)定性的確定

由于影響巖溶塌陷的因素繁多而復雜，評價因素指標之間也有著不確定性，考慮到資料精度和評價的實際價值，將巖溶塌陷的穩(wěn)定性等級劃分為4個等級（如表3），即穩(wěn)定（不塌陷）、基本穩(wěn)定（不易塌陷）、較不穩(wěn)定（易塌陷）、不穩(wěn)定（極易塌陷）4個等級。

表3　巖溶地面塌陷穩(wěn)定性預測評價要素表Tab.3 Prediction and evaluation of the stability of karst ground subsidence

為了滿足定性-半定量評價要求，對各個影響因子進行對應評語的數(shù)值化；因此用層次分析法來確定其穩(wěn)定性是行之有效的方法之一。其基本公式為

式中，F(xiàn)S為穩(wěn)定性指數(shù)；ai為權值；Xi為危險性級別量化指標，其值按表3取值。根據(jù)FS值，按表4劃分巖溶塌陷穩(wěn)定性等級。

表4　巖溶地面塌陷穩(wěn)定性分級表Tab.4 Stability classification of karst ground collapse

3.4巖溶塌陷穩(wěn)定性評價結果

線路劃分為4個里程段，各段統(tǒng)計結果見表5

由表中可看出，評價區(qū)內各里程段巖溶地面塌陷穩(wěn)定性指數(shù)Fs在3.41～6.97之間，根據(jù)表4分級原則，巖溶地面塌陷穩(wěn)定性為穩(wěn)定（不塌陷）、基本穩(wěn)定（易塌陷）、較不穩(wěn)定（易塌陷）、不穩(wěn)定（極易塌陷）4個級別。其中線路K53+373-K53+440里程段巖溶地面塌陷穩(wěn)定性為不穩(wěn)定（極易塌陷），線路K48+040-K48+190，K50+905-K50+980和K195+505-K195+620里程段巖溶地面塌陷穩(wěn)定性為較不穩(wěn)定（易塌陷）。

表5　評價因子權重分析結果及評價表Tab.5 Analysis results and evaluation of evaluation factors weight

4　結論

以昌栗高速公路K48+040-K53+582段為研究對象，在已有研究的基礎上，在巖溶塌陷風險定量評價方法方面進行探索，將模糊評價方法和層次分析方法相結合對巖溶地面塌陷做出綜合評估，由此可得出以下結論：

1）總結了江西省的自然地理條件、昌栗高速公路沿線的地形地貌及巖性特征；選取巖溶的發(fā)育程度、覆蓋層、地形地貌及水文地質條件等評價因子進行巖溶塌陷風險評價，并將評價區(qū)巖溶地面塌陷穩(wěn)定等級分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定4個級別，該評價方法更能反映影響因素的全面性，使穩(wěn)定性判斷結果更加符合工程實際；

2）根據(jù)昌栗高速公路的地質環(huán)境狀況，結合巖溶塌陷評估因子的分級和取值，采用模糊層次分析法對研究區(qū)的巖溶塌陷易發(fā)程度進行評估，得到巖溶塌陷易發(fā)區(qū)分布在K53+373-K53+440路段，處于不穩(wěn)定（極易塌陷）狀態(tài)，主要原因為水文地質條件差及巖溶發(fā)育強烈，對實際工程可以起到一定的借鑒和指導作用。

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（責任編輯王建華）

Stability Evaluation of Karst Roadbed Along K48+040-K53+582 of Nanchang-Shangli Freeway

Zou Changwen，Zheng Mingxin
（School of Civil Engineering and Architectural，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Abstract：Based on the research example in a section of Chang-Li highway which is located in the karst areas，the probable occurrence level of karst collapse was evaluated in the study by using the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method（AHP FUZZY），combined with the geological conditions. It makes an exploration in terms of karst collapse risk through quantitative evaluation method. Firstly，the karst collapse evaluation factors and their weights are determined. The evaluation factors are divided into 4 categories：karst condition，overburden condition，topography and geomorphology condition，hydrogeology condition. Then，these four kinds of evaluation factors are divided into 7 subevaluation factors. Secondly，the collapse level is divided into four levels，namely: stable，basic stable，the more unstable，unstable. Finally，the study area is evaluated and predicted.

Key words：karst；collapse；the analytic hierarchy process；risk evaluation.

中圖分類號：U416

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）02-0015-07

收稿日期：2016－01－06

基金項目：國家自然科學基金項目（51568022）；江西省高?？萍悸涞赜媱濏椖浚↘JLD13036）

作者簡介：鄒長文（1989—），女，碩士研究生，研究方向為道路與鐵道工程。

通訊作者：鄭明新（1966—），男，教授，博士生導師，研究方向為巖土工程和道路工程。