基于層次分析法的爐霍地震滑坡觸發(fā)因素分析

鄒雪晴，母劍橋，石 思

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

基于層次分析法的爐霍地震滑坡觸發(fā)因素分析

鄒雪晴，母劍橋，石 思

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

1973年?duì)t霍縣發(fā)生的7.9級(jí)地震造成了179個(gè)滑坡，基于這179個(gè)地震滑坡，利用統(tǒng)計(jì)的方法分析了觸發(fā)爐霍縣地震滑坡的6個(gè)主要因素為：地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、臨空條件、地形地貌和海拔高程，并用層次分析法的3種計(jì)算方法(幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法)綜合分析這6個(gè)因素影響爐霍地震滑坡發(fā)生的重要程度。結(jié)果顯示：地質(zhì)構(gòu)造因素是最為重要的因素，高出了排在第二的地形地貌因素的1.7倍；再其次是水文條件、地層巖性、臨空條件，最次為海拔高程。

爐霍地震滑坡；觸發(fā)因素；層次分析法

爐霍縣位于四川省甘孜州中北部，地處青藏高原東緣，位于龍門山—錦屏山構(gòu)造帶以西、阿尼瑪卿帶以南、甘孜—理塘結(jié)合帶以北的三角地帶，構(gòu)造復(fù)雜。北西向的鮮水河斷裂帶橫亙綿延350 km，沿著鮮水河河谷展布，自西起甘孜縣，向東南延伸直至瀘定磨西，橫穿爐霍縣，有著強(qiáng)烈的活動(dòng)性。

地震活動(dòng)往往會(huì)觸發(fā)滑坡，特別是在高山地區(qū)，2008年汶川地震觸發(fā)了近20萬處的滑坡[1-2]，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；2010年青海玉樹發(fā)生的7.1級(jí)地震也超過了2 000處的滑坡[3-4]，2013年4月蘆山地震也觸發(fā)了3 883處滑坡[5-6]。地震觸發(fā)產(chǎn)生的大規(guī)?；氯簩?duì)災(zāi)區(qū)群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的威脅，所以對(duì)于有著強(qiáng)烈活動(dòng)性的鮮水河斷裂帶的地震滑坡研究相當(dāng)必要。

1973年2月6日在爐霍縣雅德發(fā)生了7.9級(jí)的地震，就是由于鮮水河斷裂帶活動(dòng)引起的，之后的40 a中也經(jīng)常發(fā)生大大小小的地震。爐霍縣所處的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件惡劣，地震觸發(fā)滑坡頻頻發(fā)生，嚴(yán)重影響了藏區(qū)牧民的生活，還可能會(huì)影響社會(huì)安定。故研究爐霍縣的地震滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律及影響因素有極其重要的意義。本文主要通過提取野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的結(jié)果，總結(jié)爐霍7.9級(jí)地震滑坡的發(fā)育觸發(fā)因素，并通過層次分析法分析研究區(qū)地震滑坡各觸發(fā)因素的影響相關(guān)程度，為今后對(duì)鮮水河斷裂帶爐霍地震災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供必要的借鑒和依據(jù)。

1 地震滑坡發(fā)育規(guī)律

1.1 研究區(qū)概況

鮮水河斷裂帶是一條橫亙?cè)谒拇ìF(xiàn)今活動(dòng)性強(qiáng)烈的大型走滑斷裂帶，由爐霍斷裂、道孚斷裂、乾寧斷裂3條次級(jí)剪切斷裂組合構(gòu)成，其中爐霍斷裂活動(dòng)性尤其強(qiáng)烈，自全新世以來具有(15±5)mm/a的滑動(dòng)速率，是道孚斷裂和乾寧斷裂的2～3倍。

自有歷史記載以來，爐霍斷裂發(fā)生了大大小小地震百余次，其中1973年2月6日發(fā)生在雅德鄉(xiāng)的7.9級(jí)地震，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，且產(chǎn)生了長(zhǎng)達(dá)90 km的地表裂縫[7]，引發(fā)了滑坡179個(gè)[8]，山石滾落遍地。

據(jù)調(diào)查資料顯示[9]，1973年的爐霍地震誘發(fā)的滑坡具有群發(fā)性，而地震滑坡不僅與地震烈度有關(guān)，還與坡體的地層巖性、地形地貌、水文條件、臨空條件和海拔高程有關(guān)。統(tǒng)計(jì)這179個(gè)滑坡的參數(shù)，綜合分析各因素對(duì)滑坡的影響程度。

1.2 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)的地層從二疊系上統(tǒng)到第四系均有出露。二疊系主要為玄武巖和玄武質(zhì)火山角礫巖，零星分布在斷裂帶附近；三疊系地層完整地出露在研究區(qū)內(nèi)，以變質(zhì)砂巖和砂質(zhì)板巖為主，有84.4%的滑坡都是發(fā)生在此套地層中，在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)烈風(fēng)化后，巖體強(qiáng)度降低明顯，容易發(fā)生斜坡的失穩(wěn)。在第四系堆積層中發(fā)育的滑坡也很多，主要是在第四系鮮水河兩岸的老洪積物組成的陡坡地段和黃土、類黃土陡坡地段，這種黃土、類黃土斜坡結(jié)構(gòu)松散，具有垂直裂隙，并且易發(fā)育力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)低的滑面，為滑坡的發(fā)育提供了條件，顯示出了軟弱界面對(duì)滑坡發(fā)育的影響[9]。

圖1 爐霍地質(zhì)特征及地震滑坡分布圖

圖2 滑坡發(fā)育與巖性的關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震烈度

調(diào)查資料中的大多數(shù)滑坡均發(fā)生在爐霍1973年7.9級(jí)地震等烈度線的Ⅹ度區(qū)內(nèi)，并且發(fā)育滑坡數(shù)量和距斷裂帶的距離呈正相關(guān)[8]。在Ⅹ度區(qū)內(nèi)更容易發(fā)育體積較大的滑坡，隨著烈度的增大，區(qū)內(nèi)滑坡的面積也有增大的趨勢(shì)(表1)。由于研究區(qū)受到了來自地殼的構(gòu)造應(yīng)力作用，巖體受到了強(qiáng)烈的擠壓，不連續(xù)結(jié)構(gòu)面和褶皺發(fā)育，特別是在鮮水河斷裂帶附近表現(xiàn)明顯，故其巖體的完整性被削弱了，更有利于滑坡的發(fā)育。

1.4 水系與公路

爐霍地震滑坡統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)滑坡均發(fā)育于鮮水河的兩岸河谷，或者在鮮水河的支流的溝谷，或者為川藏公路邊坡(圖1)。處于這些地帶的斜坡有著極好的臨空條件，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，沒有山體阻擋的斜坡更容易被拋射出去。

表1 不同烈度區(qū)與滑坡發(fā)育統(tǒng)計(jì)

且在河谷兩岸的坡體淺表層較為松散，坡表多為較厚的第四系堆積層，對(duì)于地震來臨時(shí)坡體無抵抗能力，隨之形成滑坡。而公路邊坡也是經(jīng)過工程擾動(dòng)，坡體原有結(jié)構(gòu)被破壞，坡表較為松散，更容易形成滑坡。

1.5 地形地貌

地形地貌對(duì)滑坡的發(fā)生有很大的影響，而地形地貌就是通過斜坡的坡度、相對(duì)高程、坡向反映出來的。

將所調(diào)查的斜坡按坡度進(jìn)行分帶統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的滑坡多發(fā)育在35°～40°，達(dá)到了48個(gè)，占總數(shù)的26.7%。這與一般發(fā)生滑坡的斜坡坡度一致，大多數(shù)都發(fā)育在具有滑動(dòng)空間的斜坡上。

區(qū)內(nèi)調(diào)查的斜坡高程為3 100～4 100 m范圍內(nèi)，研究區(qū)屬于高原的邊緣地帶，但由于研究區(qū)內(nèi)的高山經(jīng)過了夷平作用，出現(xiàn)了丘狀高原地貌，地形緩、相對(duì)高差小。對(duì)于斜坡相對(duì)高程的統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)滑坡通常發(fā)生在相對(duì)高差不大的斜坡上，在相對(duì)高差30～90 m的斜坡上共發(fā)育了115個(gè)滑坡，占總數(shù)的64.2%，而僅有2.23%的滑坡發(fā)育在高差達(dá)到了大于300 m的斜坡上。

圖3 滑坡發(fā)育與坡度的關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖

2 層次分析法

層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，再對(duì)各層次各因子進(jìn)行定性定量分析，從而做出決策。

層次分析法有3種求解因子權(quán)重的方法，分別是幾何平均法、算術(shù)平均法和特征向量法，3種方法求得的權(quán)重向量一般比較接近，但又有細(xì)微的差別[10]，而這些細(xì)微的差別可能在解決實(shí)際問題時(shí)會(huì)影響到我們最終的判斷，所以本文嘗試用3種方法求解因子權(quán)重向量，相互比較綜合考慮，從而得出最科學(xué)的結(jié)論。

根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)得出觸發(fā)區(qū)內(nèi)地震滑坡發(fā)育的因素主要為地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文條件、臨空條件和海拔高程，采用層次分析法對(duì)這些觸發(fā)因子進(jìn)行定性和定量的分析，以得出各因素對(duì)滑坡的發(fā)育敏感程度，將這種復(fù)雜的問題數(shù)學(xué)化，并提供更簡(jiǎn)便的決策手段[11]。

2.1 建立因子層次結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)過對(duì)地震滑坡的調(diào)查統(tǒng)計(jì)工作，提取了區(qū)內(nèi)滑坡發(fā)育的觸發(fā)因素，以構(gòu)建地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣象等6個(gè)因素作為指標(biāo)(圖4)，

兩兩之間相互作用，以此來建立研究區(qū)觸發(fā)地震滑坡發(fā)育因素的敏感度體系，構(gòu)建各因子相互作用關(guān)系矩陣(表2)，在野外調(diào)查定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對(duì)各因子進(jìn)行定量分析。

圖4 觸發(fā)地震滑坡發(fā)育的層次結(jié)構(gòu)模型

地層巖性B1構(gòu)造作用對(duì)各種巖性的巖體都有很大的影響,巖體強(qiáng)度不同影響也不同花崗巖等巖體的斜坡易形成陡峭的地形巖性軟弱的斜坡在降雨等因素的誘發(fā)下易發(fā)生滑坡巖性軟弱強(qiáng)度較低的斜坡易向臨空方向失穩(wěn)巖體在高海拔地區(qū)經(jīng)歷凍融循環(huán)后,巖體強(qiáng)度降低地震構(gòu)造活動(dòng)使得巖體碎裂,與母體分離,向下滑落地質(zhì)構(gòu)造B2在地震活動(dòng)過后在一定坡度范圍內(nèi)的斜坡極易形成滑坡災(zāi)害構(gòu)造活動(dòng)與降雨過程都可以誘發(fā)滑坡的形成臨空條件好的斜坡在地震活動(dòng)中更容易失穩(wěn)高程對(duì)地震活動(dòng)產(chǎn)生的破壞有一定的影響坡度和相對(duì)坡高在一定范圍內(nèi)的時(shí)候易在軟弱巖體中形成滑坡斜坡在地震活動(dòng)中極易發(fā)生滑坡地形地貌B3降雨可以誘發(fā)一定坡度范圍內(nèi)的斜坡失穩(wěn)斜坡的坡度在一定范圍內(nèi)的時(shí)候易向臨空方向失穩(wěn)海拔高程和地形坡度同時(shí)影響著斜坡的穩(wěn)定性在降雨等因素的誘發(fā)下斜坡易發(fā)生滑坡構(gòu)造活動(dòng)與降雨過程都可以誘發(fā)滑坡的形成降雨和積雪融化可以誘發(fā)一定坡度范圍內(nèi)的斜坡失穩(wěn)水文條件B4臨空條件好的斜坡往往臨近河流在高海拔地區(qū)在積雪融化的時(shí)候易形成水流觸發(fā)斜坡失穩(wěn)臨空條件為巖性軟弱強(qiáng)度較低的斜坡提供了滑坡條件臨空條件好的斜坡在地震活動(dòng)的誘發(fā)下很容易失穩(wěn)下滑斜坡的坡度在一定范圍內(nèi)的時(shí)候易向臨空方向失穩(wěn)臨近河流的斜坡在降雨觸發(fā)下易產(chǎn)生滑坡臨空條件B5斜坡的坡表凍融風(fēng)化物易向臨空方向失穩(wěn)高海拔使得巖體產(chǎn)生凍融風(fēng)化作用,坡表巖體破碎經(jīng)過凍融循環(huán)的巖體在地震活動(dòng)中易失穩(wěn)海拔高程和地形坡度同時(shí)影響著斜坡的穩(wěn)定性經(jīng)歷凍融循環(huán)的坡表破碎巖體在降雨作用下易失穩(wěn)高海拔地區(qū)的斜坡植被稀少,易向臨空方向失穩(wěn)海拔高程B6

2.2 構(gòu)建判別矩陣求解因子權(quán)重

兩兩因子進(jìn)行定性比較的數(shù)量標(biāo)度值為1～9，代表著兩因素相比的敏感程度(表3)。逐項(xiàng)對(duì)任意兩個(gè)指標(biāo)按數(shù)量標(biāo)度法參考專家的意見進(jìn)行比較，確定它們的敏感度，并對(duì)其附以相應(yīng)的值，可得出矩陣A。

表3 判定因子相互作用關(guān)系矩陣賦值

分別用幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法對(duì)判定矩陣進(jìn)行特征向量Wi求解。

2.2.1 幾何平均法

(1)

按照式(1)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行歸一化處理，在Matlab中進(jìn)行計(jì)算，求得各因子的權(quán)重向量(表4)。

2.2.2 算術(shù)平均法

由于判定矩陣A中的每一列都近似地反映了權(quán)重的分配情況，故可采用全部列向量的算術(shù)平均值來估計(jì)權(quán)向量，即采用式(2)在Matlab中計(jì)算，得出權(quán)重向量(表4)：

(2)

2.2.3 特征向量法

AW=λmaxW。

(3)

根據(jù)式(3)分別求出矩陣的特征根和特征向量。式(3)中，λmax為A的最大特征根，W為對(duì)應(yīng)于λmax的特征向量，W的分量Wi就是對(duì)應(yīng)元素單排序的權(quán)重值，在Matlab中進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果見表4。

為了避免其他因素對(duì)判定因子矩陣，降低結(jié)果會(huì)產(chǎn)生的較大誤差，以保證判定矩陣排序的準(zhǔn)確性以及可信度[11]，要對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。即是根據(jù)式(4)計(jì)算CI值以及式(5)和表5計(jì)算CR值，當(dāng)CR值小于0.1時(shí)即通過了一次性檢驗(yàn)：

(4)

式中n表示判別矩陣的階數(shù)。

(5)表4 區(qū)域地震滑坡觸發(fā)因子判定矩陣A的權(quán)重系數(shù)

注：bi表示各因子，同表2。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

2.3 綜合分析

為了更直觀地反映出各因子的重要程度，將3種方法計(jì)算所得各因子的權(quán)重結(jié)果繪制于圖5。

圖5 各因子權(quán)重值對(duì)比圖

從圖5中可以看出，3種方法計(jì)算的各因子對(duì)地震滑坡的發(fā)生影響敏感度差別不大，敏感程度最高的是地質(zhì)構(gòu)造因素，其次依次為地形地貌、水文條件、地層巖性以及臨空條件，最后為海拔高程。且地質(zhì)構(gòu)造因素相對(duì)于其他因素的重要性要高很多，由特征向量法計(jì)算出的結(jié)果尤為顯著，是地形地貌因子的1.75倍，幾何平均算法和算術(shù)平均算法的計(jì)算結(jié)果均高出地形地貌因子的1.71倍。

3種算法結(jié)合計(jì)算分析比只采用單一方法計(jì)算所得結(jié)果更具有說服力，更能展示各因子對(duì)爐霍地震滑坡發(fā)育的重要程度的客觀性。

3 結(jié)語(yǔ)

鮮水河斷裂帶爐霍段1973年2月7.9級(jí)地震后誘發(fā)滑坡的觸發(fā)因子有很多，選取了其中最重要的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、臨空條件以及海拔高程6個(gè)因素，并采用層次分析法來將定性的因子定量分析，可以得出以下結(jié)論：

1)3種層次分析法計(jì)算權(quán)重的方法所得結(jié)果差別不大，采用3種方法共同得出的結(jié)果可以克服單一方法之間細(xì)微差別的影響；

2)6個(gè)因子對(duì)爐霍地震滑坡觸發(fā)最為敏感的是地質(zhì)構(gòu)造因素，其次依次是地形地貌、水文條件、地層巖性、臨空條件以及海拔高程；

3)地質(zhì)構(gòu)造因素的重要程度比其他因素高得多，是排位于第二的地形地貌因素的1.7倍。

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The Influencing Factors Analysis of Earthquake Landslides of Luhuo Based on Analytic Hierarchy Process

ZOU Xue-qing，et al.

(StateKeyLaboratoryofGeologicalHazardPrevention&GeologicalEnvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China)

In 1973，7.9 earthquake occurred in Luhuo county China caused 179 landslides.Based on the 179 earthquake landslides by using statistical method，this article makes an analysis of the six main factors：that triggered landslides Luhuo county earthquake：lithology，tectonics，hydrological conditions，spatial superiority，the type of landform and the altitude.The article also takes three algorithms of (geometric mean method arithmetic mean method，eigenvector method) by using analytic hierarchy process to make comprehensive analysis of the importance to Luhuo earthquake landslide by six factors.This study results show that：the most important factor is tectonics，which is 1.7 times higher than the second topography factor.Then followed by the hydrological conditions，lithology，spatial superiority，and the last one is the altitude.

earthquake landslides of Luhuo；triggers；analytic hierarchy process

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.013

2016-09-08

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318800020)

鄒雪晴(1991—)，女(漢)，四川瀘州，碩士 主要研究地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)工作。

P642.22

A

1009-8984(2017)01-0052-05