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    奧布公路泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

    2019-09-10 07:22:44尚彥軍李坤陳全君
    新疆地質(zhì) 2019年3期
    關(guān)鍵詞:層次分析法危險(xiǎn)性泥石流

    尚彥軍 李坤 陳全君

    摘? ?要:作為喀喇昆侖公路的重要組成部分,奧依塔克-布倫口(簡(jiǎn)稱奧布)公路受到沿線數(shù)量眾多且規(guī)模較大的泥石流影響,常導(dǎo)致行車中斷,人員和車輛安全受到威脅。在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)考察和走訪基礎(chǔ)上,依據(jù)ArcGIS工具對(duì)奧布公路段的15條典型泥石流溝開展了重點(diǎn)調(diào)查和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。首先對(duì)匯流面積、縱坡度、面積寬度比、堆積區(qū)面積和距公路距離等5個(gè)評(píng)價(jià)因子屬性進(jìn)行歸一化處理;然后采用兩層結(jié)構(gòu)的層次分析法計(jì)算得到影響因子的權(quán)重,隨后將屬性函數(shù)與權(quán)重乘積加和,得到災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)(DFRD);最后對(duì)泥石流危險(xiǎn)度(DRFR)進(jìn)行計(jì)算分析和危險(xiǎn)程度分級(jí)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),高-中度危險(xiǎn)的11條泥石流主要分布在布倫口峽谷上游、蓋孜檢查站和加水溝之間,構(gòu)成了泥石流災(zāi)害發(fā)育較為集中且危害性較大的路段。工程上相應(yīng)采用隧道、高架橋等繞避措施,取得較好成效。

    關(guān)鍵詞:奧布公路;泥石流;歸一化;層次分析法;危險(xiǎn)性

    位于塔里木盆地西南緣的帕米爾地區(qū)受印度板塊和塔里木板塊向該區(qū)雙向俯沖影響,形成了喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)。該西構(gòu)造結(jié)是古亞洲構(gòu)造體系和特提斯構(gòu)造體系唯一直接對(duì)接的地方,是喜馬拉雅造山帶中地殼縮短最強(qiáng)烈、震源深度最大和隆升最快的地區(qū)。地震層析資料揭示,在喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)部位,印度巖石圈板片向北深入俯沖到興都庫什之下500 km深度,亞洲大陸巖石圈板片向東南俯沖于帕米爾之下300 km 深處[1-5]。雙向深俯沖導(dǎo)致亞洲大陸在該地發(fā)生了300~700 km 地殼縮短,縮短速率達(dá)10~20 mm/yr [6,7]。研究表明,在深入俯沖過程中,興都庫什巖石圈板片受印度大陸西北緣兩條剪切運(yùn)動(dòng)方向相反的走滑斷裂帶(恰曼左行走滑斷裂和喀喇昆侖右行走滑斷裂) 制約,發(fā)生巖石圈板片撕裂[8]。從本區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)作用角度看,該地區(qū)大規(guī)模構(gòu)造隆升和側(cè)向擠壓仍在繼續(xù),且外動(dòng)力作用所呈現(xiàn)的物理風(fēng)化和剝蝕夷平作用也十分顯著。

    受上述復(fù)雜地質(zhì)條件影響,中巴公路周邊地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。我國部分研究學(xué)者開展了對(duì)中巴公路沿線地質(zhì)災(zāi)害的研究并取得一定成果。王景榮對(duì)中巴公路喀什至塔什庫爾干路段泥石流災(zāi)害開展了研究[9],認(rèn)為此段泥石流暴發(fā)的主要原因是固體物質(zhì)堵塞而形成突發(fā)性冰雪消融洪水。張學(xué)進(jìn)對(duì)中巴喀喇昆侖公路沿線7 種類型地質(zhì)災(zāi)害做了粗略統(tǒng)計(jì)及分布特征研究[10]。胡進(jìn)、廖麗萍、朱穎彥等對(duì)中巴公路穿西喀喇昆侖-喜馬拉雅山系冰緣地帶沿線地形、地貌、冰川特征以及冰川災(zāi)害給公路施工及交通運(yùn)行帶來的危害進(jìn)行了分析[11-14],將與冰川有關(guān)的災(zāi)害分為冰川災(zāi)害(冰雪崩、冰水潰決、冰川躍進(jìn)、冰舌波動(dòng)、冰川涌水)與冰川地質(zhì)災(zāi)害(冰湖潰決、冰川泥石流、冰川滑坡、冰川巖崩、堵江),并對(duì)冰川及冰川地質(zhì)災(zāi)害分布特征進(jìn)行總結(jié)。方成杰針對(duì)奧布公路某泥石流做了室內(nèi)模擬試驗(yàn),研究泥石流的起動(dòng)成因[15]。鄧恩松以奧布公路段26條泥石流為例,采用灰色系統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[16]。

    雖然前人對(duì)中巴公路地質(zhì)災(zāi)害做了研究并取得一定成果,但大多數(shù)文獻(xiàn)未對(duì)中巴公路全線地質(zhì)災(zāi)害分布進(jìn)行詳細(xì)分段。無論是在中巴公路,還是在各地地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)研究中[16],在評(píng)價(jià)因子選取及分級(jí)時(shí),很少考慮災(zāi)害點(diǎn)與各因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系,尤其在因子權(quán)重的確定方法上,綜合考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)空間分布特征的較為少見。

    本文在奧依塔克-布倫口(奧布)公路段82個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(這里的災(zāi)害點(diǎn)包括崩塌、滑坡、泥石流,多個(gè)災(zāi)害點(diǎn)可能在同一條大型泥石流堆積范圍內(nèi))調(diào)查工作的基礎(chǔ)上1,選取15條典型泥石流溝,考慮多種因素對(duì)泥石流溝發(fā)育的影響,采用層次分析法對(duì)奧布公路段泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

    1? 研究區(qū)地理地質(zhì)條件

    研究區(qū)地勢(shì)西南高東北低,以蓋孜檢查站為界,西南以高山地貌為主,海拔3 000 m以上,公格爾山和慕士塔格峰海拔分別為7 649 m和7 546 m,東北部則以中山地貌為主,地形相對(duì)平坦(圖1)。奧依塔克以南區(qū)域以高海拔山地為主,溝谷縱坡降大,動(dòng)力條件充足,對(duì)泥石流發(fā)育極有利,大型坡面泥石流及溝谷泥石流分布廣泛,危害較大。全長 70 km的奧依塔克至布倫口的奧布公路段沿蓋孜河谷修建,溝谷狹窄,水流湍急,兩側(cè)山體陡峭,是中巴公路國內(nèi)段地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率最高、規(guī)模及破壞性最大的地段。

    研究區(qū)位于青藏高原西北部,喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)(帕米爾構(gòu)造結(jié))東北緣,是西南天山-西昆侖山-塔里木盆地三大系統(tǒng)的結(jié)合部位,同時(shí)也是青藏高原塊體邊緣地帶,是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與變形最強(qiáng)烈地帶之一[17]。

    奧布公路段是中巴公路國內(nèi)段地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性最強(qiáng)、災(zāi)害規(guī)模最大、影響最為嚴(yán)重的區(qū)段,此段地質(zhì)災(zāi)害中主要為泥石流災(zāi)害且影響最嚴(yán)重。認(rèn)識(shí)泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性程度,是泥石流災(zāi)害防治、避災(zāi)甚至搶險(xiǎn)救災(zāi)的重要基礎(chǔ)。本文選取奧布公路段15條典型泥石流(圖2),對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文所說的泥石流危險(xiǎn)性是指泥石流發(fā)生時(shí)對(duì)奧布公路正常安全運(yùn)行構(gòu)成的潛在危害程度,對(duì)奧布公路段泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的目的就是闡明泥石流對(duì)該公路段安全運(yùn)行的潛在危害程度。圖2中3種不同顏色表示3個(gè)等級(jí)的危險(xiǎn)性程度,不同區(qū)塊泥石流的流域范圍等屬性參數(shù)見表1。不同顏色的區(qū)塊表示各泥石流匯流范圍,未專門表示堆積區(qū),但在后續(xù)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)中實(shí)際考慮了堆積區(qū)面積。

    2? 評(píng)價(jià)因子指標(biāo)選取及定性分析

    影響泥石流危險(xiǎn)性的因素復(fù)雜多樣,可用于泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的因子指標(biāo)眾多,且不同地區(qū)相同指標(biāo)的影響程度不同,需選取研究區(qū)規(guī)律性明顯、能代表泥石流歷史活動(dòng)情況和潛在形成條件的指標(biāo)。牛岑岑對(duì)13篇文獻(xiàn)中研究泥石流危險(xiǎn)性所選用的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn),采用的指標(biāo)數(shù)量4~9個(gè)不等,其中使用較多的前5個(gè)依次是縱坡降、流域面積、巖性、植被覆蓋和坡向[17]。本文泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)目的主要服務(wù)于交通工程,考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及遙感影響分析結(jié)果,選取泥石流流域面積、溝縱坡度、沖出溝口寬度、堆積區(qū)面積、沖出口到公路線距離這5個(gè)主要評(píng)價(jià)因子,形成泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。據(jù)奧布公路段冰雪融水型和暴雨型泥石流特點(diǎn)和泥石流物源供給的充足程度,暫不考慮研究區(qū)泥石流物源區(qū)覆蓋層厚度、降水量、地質(zhì)構(gòu)造、泥石流發(fā)生頻率、泥石流補(bǔ)給長度、植被覆蓋率、溝谷彎曲程度等影響因素,僅就上述5個(gè)泥石流災(zāi)害形成的基本條件對(duì)研究區(qū)段泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。這5個(gè)評(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)目標(biāo)(泥石流危險(xiǎn)性)構(gòu)成了如圖3所示的3個(gè)層次關(guān)系(層次模型),分別是:最上面目標(biāo)層,最下面方案層,中間指標(biāo)層。

    2.1? 泥石流流域面積

    對(duì)于同一區(qū)域地質(zhì)條件的研究區(qū)來說,覆蓋層厚度相同條件下,泥石流匯流區(qū)面積越大,則泥石流物源體積和匯入水量越大,泥石流發(fā)生規(guī)模和影響力就越大。本區(qū)山高坡陡,流通區(qū)不很發(fā)育。因此,認(rèn)為泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性與匯流面積呈正相關(guān)。

    2.2? 泥石流溝縱坡度

    據(jù)經(jīng)典動(dòng)能定理:物體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量,其數(shù)值上等于物體質(zhì)量與其運(yùn)動(dòng)速度平方乘積的二分之一,即:

    Ek=[12]mv2[…………………](1)

    式中:EK——運(yùn)動(dòng)物質(zhì)攜帶的動(dòng)能,m——運(yùn)動(dòng)物質(zhì)質(zhì)量,v——物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度。

    泥石流運(yùn)動(dòng)攜帶的動(dòng)能與泥石流運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比。據(jù)能量守恒定律可認(rèn)為,在運(yùn)動(dòng)物質(zhì)質(zhì)量、地形粗糙度及水平距離相同的條件下,泥石流的運(yùn)動(dòng)速度與其運(yùn)移的垂直落差呈一定正相關(guān)關(guān)系。水平距離相同,垂直落差越大,坡度越大。因此,認(rèn)為泥石流的危險(xiǎn)性與泥石流溝縱坡度呈正相關(guān)關(guān)系。

    2.3? 流域面積和出口寬度比

    在泥石流體積總量及縱坡降不變情況下,泥石流流出口斷面面積越大,則流出速度越慢,其動(dòng)能就越小。因此可認(rèn)為,泥石流的危險(xiǎn)性與泥石流流域面積和泥石流出口寬度二者的比值(簡(jiǎn)稱面積寬度比)呈一定正相關(guān)關(guān)系。

    2.4? 泥石流堆積區(qū)面積

    一般來說,泥石流流出后會(huì)呈扇形散開,在流出口附近堆積。在泥石流物質(zhì)總量一定的條件下,堆積扇面積越大,則扇緣部位能量分量越小,造成的沖擊力越弱。奧布公路穿越泥石流發(fā)育區(qū)路段大多在泥石流堆積扇扇緣附近,且一些當(dāng)?shù)卮迩f也建在較大沖洪積扇緣部位,溝谷分化已基本定型。因此,可認(rèn)為泥石流危險(xiǎn)性與泥石流堆積區(qū)面積大小呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。

    2.5? 泥石流流出口到公路線距離

    泥石流通過流出口進(jìn)入堆積區(qū),即進(jìn)入了減速堆積過程。在相同地表粗糙度和垂直落差條件下,泥石流在堆積區(qū)的運(yùn)動(dòng)距離越長,其能量損失越大。因此可認(rèn)為,泥石流對(duì)奧布公路的危險(xiǎn)程度與泥石流流出口到公路線的距離呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。

    3? 評(píng)價(jià)因子指標(biāo)量化

    通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和遙感影像解譯,得到奧布公路段15條典型泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的5個(gè)因子屬性值? ?(表1)。

    為消除不同因子屬性量綱不統(tǒng)一對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成的不均衡影響,使不同因子的數(shù)據(jù)具可比性,便于統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)分析,需對(duì)各因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理。量化方法需據(jù)系統(tǒng)評(píng)價(jià)目標(biāo)、區(qū)域特征、因子屬性特征、因子與目標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定。常見的因子量化方法為歸一化處理和等級(jí)劃分。

    常見歸一化公式如下:

    Ai=a+[(b-a)(xi-min(xi))max(xi)-min(xi) ………](2)

    式中:Ai——?dú)w一化處理后的數(shù)據(jù),a、b——?dú)w一化范圍下限(本文取0)和上限(本文取1);min(xi)、max(xi)——因子量化的最小值和最大值。在影響因素與系統(tǒng)評(píng)價(jià)目標(biāo)正相關(guān)時(shí),式(2)適用,若影響因素與系統(tǒng)評(píng)價(jià)目標(biāo)負(fù)相關(guān),則計(jì)算時(shí)需用歸一化上限減去歸一化值。

    因子影響值歸一化方法適用于因子屬性值與系統(tǒng)評(píng)價(jià)目標(biāo)呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的情況,歸一化處理較便捷。對(duì)于因子屬性值與系統(tǒng)評(píng)價(jià)目標(biāo)不呈線性關(guān)系或不呈一定遞增(遞減)規(guī)律的,則歸一化方法不適用。如:坡度大于或小于一定角度,則發(fā)生泥石流可能性較小。鑒于此,有些因子的量化需要采用因子標(biāo)準(zhǔn)量化處理。

    對(duì)評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)量化的方法為:①據(jù)因子屬性特征,對(duì)其進(jìn)行定性描述,或劃分其屬性值區(qū)間,如地形坡度區(qū)間劃分;②據(jù)因子與評(píng)價(jià)目標(biāo)的相關(guān)關(guān)系,將評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度做定性分級(jí) (如影響強(qiáng)、中、弱等);③按評(píng)價(jià)因子的定性分級(jí),將因子影響值定量化分為(0,1)區(qū)間內(nèi)的遞增數(shù)值(如分為4級(jí),則最小級(jí)別和遞增區(qū)間都為1/4=0.25的影響值,即:0.25,0.5,0.75,1)。研究區(qū)各泥石流評(píng)價(jià)因子量化結(jié)果見表2。

    4? 因子權(quán)重確定

    據(jù)本區(qū)泥石流特點(diǎn),采用層次分析法對(duì)本研究區(qū)泥石流評(píng)價(jià)所選取的5個(gè)影響因子對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)? ? (泥石流危險(xiǎn)性)的貢獻(xiàn)大?。ㄓ绊懗潭龋┻M(jìn)行兩兩比較[18],比較時(shí)取1~9排定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣順序。各影響因子對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)影響相對(duì)重要程度的兩兩比較值(1,1/2,2)的確定在于:1表示兩個(gè)因子同等重要,1/2表示A不如B重要,2表示A比B重要。建立泥石流危險(xiǎn)性影響因子的權(quán)重判斷矩陣見表3。計(jì)算判斷矩陣A各行各因子mi的和;將A的各行元素的和進(jìn)行歸一化;該向量即為所求權(quán)重向量,從而得到各因子權(quán)重值W(A/B)。

    5? 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

    各泥石流的歸一化(或標(biāo)準(zhǔn)化)的各影響因子量化值fij(表2),與各因子對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度(權(quán)重Wi,等于表3中 W(A/B))按式(3)進(jìn)行乘積疊加,得出中巴公路沿線泥石流危險(xiǎn)度(Debris flow risk degree,DFRD)指標(biāo)值。

    DFRDj = [i=15Wi?fij][……………](3)

    式中,下標(biāo)j=1,2,…,15,代表研究區(qū)15個(gè)泥石流的編號(hào)(圖2);下標(biāo)i=1,2,…,5,代表所選取的5個(gè)泥石流影響因子的序號(hào)(表3)。據(jù)式(3)計(jì)算得到15條泥石流的危險(xiǎn)度(圖4)。

    由圖4可見,盡管1、2和3號(hào)泥石流流域面積較大,但由于泥石流溝坡度較緩、距離公路相對(duì)較遠(yuǎn)等原因,其對(duì)公路的危險(xiǎn)性相對(duì)較小。而10-14號(hào)泥石流雖然流域面積相對(duì)不大,但距離公路較近,坡度較陡,泥石流發(fā)生后積蓄能量較大,對(duì)公路影響的危險(xiǎn)性較大。

    按15條泥石流危險(xiǎn)度DFRD,初步對(duì)研究區(qū)泥石流的危險(xiǎn)性進(jìn)行分級(jí)。這里采用3個(gè)等級(jí)劃分:相對(duì)弱危險(xiǎn)(小于0.41)、中等危險(xiǎn)(0.41~0.53)、高危險(xiǎn)(大于0.53)(圖2中用不同顏色區(qū)分)。高危險(xiǎn)泥石流編號(hào)為4、6和14的3條泥石流,中等危險(xiǎn)的泥石流編號(hào)為5、7~13的8條泥石流。這11條泥石流主要分布在布倫口峽谷上游(公格爾山峰下)、蓋孜檢查站和克魯格阿特村(托卡依托一橋)之間的路段,構(gòu)成了奧布公路泥石流災(zāi)害發(fā)育集中且危險(xiǎn)性較大的路段。

    位于蓋孜檢查站下游的6號(hào)泥石流出口走向約160,堆積扇坡度小,南北長400 m、東西寬340 m,可見堆積厚4 m(圖5)。老路在新路以南19 m,低于新路路面2 m。在這些溝谷較開闊的路段,工程上采用提高路基、提高橋梁凈空等工程措施來避開泥石流的不利影響,但1年后仍出現(xiàn)了橋涵淤積的問題。

    此處向上游溝谷開始變?yōu)閸{谷區(qū),在冰雪融水型泥石流分布較集中、溝谷狹窄而冰磧物堆積發(fā)育的路段采用了較長距離的高架橋(克勒克大橋等)、隧道(公格爾隧道)方式通過,避開泥石流堆積區(qū)。

    以2015年11月6日建成、2017年通車、全長? ? 2 635 m的公格爾隧道為例。該隧道位于蓋孜村上游4 km,設(shè)計(jì)為雙線單洞,凈寬10 m,凈高5 m,設(shè)計(jì)時(shí)速60 km。該隧道規(guī)劃設(shè)計(jì),即采用了避讓冰雪融水型泥石流及該隧道南側(cè)溝谷左岸段厚層狀變質(zhì)細(xì)粒巖屑砂巖夾薄層千枚巖組成的高陡的“老虎嘴”崩塌災(zāi)害段(圖6)。該段公路位于高出溝底8~12 m的I級(jí)堆積階地上,隧道位于高出溝底20 m的II級(jí)階地上,蓋孜村位于高出溝底130 m的高冰磧臺(tái)地上。從空間避讓角度,該路段工程較有效地預(yù)防了公格爾冰川泥石流的危害。從現(xiàn)有公路安全角度,這里未將該泥石流列入上述15條泥石流中。

    6? 結(jié)論

    受暴雨和冰雪融水影響,奧布公路段以泥石流為主的地質(zhì)災(zāi)害極發(fā)育。在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上,借助ArcGIS工具選取奧布公路段15條較大匯流面積的典型泥石流,據(jù)其匯流面積、溝縱坡度、流域面積與出口寬度比、堆積區(qū)面積、離開公路距離等5個(gè)影響因子屬性,采用層次分析法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。然后對(duì)泥石流對(duì)公路的危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià),并將危險(xiǎn)程度分為3個(gè)等級(jí)。

    在選出的15條泥石流中,危險(xiǎn)性程度中—高的11條泥石流主要分布在布倫口峽谷上游、蓋孜檢查站和克魯格阿特村(托卡依托一橋)之間的路段,構(gòu)成了泥石流災(zāi)害發(fā)育集中且危險(xiǎn)性較大的路段。除此之外,在蓋孜河溝谷上游長近30 km的峽谷段,運(yùn)移距離短、縱坡降大的冰雪融水型泥石流集中,工程采用了高架橋、隧道等方式避讓,取得了一定成效。

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