金江農(nóng)田灌渠邊坡穩(wěn)定性模糊綜合評價分析*

郭延輝，楊 溢，楊志全，孔志軍

(1.昆明理工大學 公共安全與應(yīng)急管理學院，云南 昆明 650093；2.云南農(nóng)業(yè)大學 建筑工程學院，云南 昆明 650201)

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，耕地面積達到1 432 960 km2，但由于水資源分布不均，很多地區(qū)農(nóng)田灌溉難度較大。在農(nóng)田水利工程中，為了更好地滿足灌溉需求，很多灌渠工程不得不修建于山坡上，這些灌渠在使用過程中，由于年久失修、堵塞和滲漏等因素易引發(fā)滑坡和泥石流等次生災(zāi)害，嚴重影響灌渠邊坡的穩(wěn)定性和周邊居民的生命財產(chǎn)安全。鑒于此，開展農(nóng)田水利工程灌渠邊坡穩(wěn)定性分析和研究，確保灌渠的安全使用具有重要的實際意義。

截至目前，眾多學者針對邊坡穩(wěn)定性問題開展了大量研究，如分析了不同條件下的幾類建筑邊坡的穩(wěn)定性[1-3]；分析了幾種工況下路基路堤邊坡的穩(wěn)定性[4-6]；分別采用數(shù)值模擬和理論計算等方法研究了幾個典型礦山邊坡穩(wěn)定性[7-9]；分析了水利水電工程渠道邊坡穩(wěn)定性[10-13]?？梢钥闯觯耗壳皩τ诮ㄖ?、礦山、水電和交通等邊坡研究較多，而對于農(nóng)田水利工程灌渠的邊坡穩(wěn)定性研究則相對不足。

麗江古城區(qū)金江鄉(xiāng)境內(nèi)金江灌渠是龍開口水電站建設(shè)庫區(qū)內(nèi)的重點項目之一，2011 年5 月審核通過了《龍開口水電站移民工程古城區(qū)金江灌渠技施報告》，2011 年11 月完成招標，并于同年12 月開工建設(shè)。金江灌渠原設(shè)計新渠建設(shè)長度14 762 m，設(shè)計流量0.47 m3/s，主要是為了解決金江村3 個小組移民搬遷后淹沒線上剩余土地的灌溉用水，因外出務(wù)工人員增多，退耕還林面積增加，耕地面積有所減少，灌溉土地面積超過66.67 hm2。本研究以麗江古城區(qū)金江鄉(xiāng)境內(nèi)龍開口水電站移民工程金江農(nóng)田灌渠邊坡為研究背景，在現(xiàn)場調(diào)研基礎(chǔ)上，采用層次分析與模糊綜合評價建立評價模型，對農(nóng)田灌渠邊坡穩(wěn)定性進行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

1.1.1地形地貌

研究區(qū)位于云貴高原和青藏高原連接處，也是滇西高原與橫斷山脈結(jié)合部。項目區(qū)所在地屬構(gòu)造侵蝕的中山斜坡地貌，山勢陡峻，坡度為25°～35°。沿線地形總體較陡，坡度為30°～50°，局部為陡壁和臺地，多見基巖出露，部分為覆蓋層，覆蓋層主要為崩坡積碎石土。渠道整體地形南高北低，溝谷切割中等，沿線海拔標高1 705～1 440 m，地形地貌復雜程度屬簡單類型?，F(xiàn)場灌渠邊坡地形地貌見圖1。

圖1 現(xiàn)場灌渠邊坡地形地貌圖Fig.1 Topographic map of on-site irrigation canal slope

1.1.2地層條件

區(qū)域分布地層主要有二疊系上統(tǒng)(P2h)石灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)(P?3)玄武巖、三疊系下統(tǒng)(T1)玄武質(zhì)礫巖、第四系泥石流堆積層碎石土、殘坡積層紅粘土、崩坡積層塊碎石土和沖洪積層砂卵礫石土。

1.1.3區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

渠道全線基本位于山坡上，地形起伏較小，稍陡，坡度25°～35°，無沖溝發(fā)育，零星分布灌木等植物。地層巖性為第四系崩坡積碎塊石土，成分為弱風化玄武巖，碎石的粒徑多為3～15 cm，塊石為25～40 cm，部分可達50～70 cm，碎塊石含量75%～85%，結(jié)構(gòu)松散～稍密，呈次棱角～棱角狀，厚度4～15 m，渠道局部位于陡崖頂部，覆蓋層厚度0.5～2 m，場地50 年超越概率10%的地震動峰值加速為181.8 gal，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

1.2 農(nóng)田灌渠地質(zhì)災(zāi)害風險分析

通過現(xiàn)場工程踏勘、調(diào)研和量測等方法對金江灌渠沿線工程地質(zhì)及潛在的地質(zhì)災(zāi)害進行調(diào)研和分析。認為金江灌渠邊坡工程地質(zhì)災(zāi)害風險主要有以下3 個方面。

(1)金江灌渠沿線沖溝發(fā)育，沖溝兩側(cè)松散崩坡積覆蓋層分布廣泛，暴雨時易引發(fā)滑坡和形成泥石流地質(zhì)災(zāi)害。灌渠沿線崩坡積覆蓋層與基巖相間出現(xiàn)，雨季也易產(chǎn)生局部滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

(2)灌渠沿線崩積體結(jié)構(gòu)松散，灌渠平臺邊坡坡度較陡，自然狀態(tài)下穩(wěn)定性較差?；鶐r裸露區(qū)地形坡度較陡，表層巖體以強風化為主，局部呈弱風化，巖體較破碎，以弱卸荷為主，局部呈強卸荷。強卸荷區(qū)巖體松動破碎，穩(wěn)定性較差。

(3)灌渠沿線地質(zhì)條件復雜，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，地表主要為粉質(zhì)黏土夾碎石、碎石夾粉質(zhì)黏土以及砂卵礫石層，水對巖土體力學強度的影響較大，且設(shè)計采用的三面光水渠容易發(fā)生堵塞，堵塞后水體下滲，會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

1.3 評價方法及指標體系構(gòu)建

1.3.1模糊綜合評價

模糊綜合評價是一種將定性問題量化分析的數(shù)學方法，其基本思想源于模糊數(shù)學。通過對評價因素兩兩對比，將評價因素與評價值的關(guān)系定量化，建立函數(shù)關(guān)系。該法具有獨特的優(yōu)勢，在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其評價步驟為：根據(jù)評價目標確定評價因素，采用層次分析法，構(gòu)建評價指標系統(tǒng)，計算權(quán)重并構(gòu)造判斷矩陣，檢驗矩陣一致性，最后計算隸屬度向量，確定隸屬度，評價邊坡穩(wěn)定性[14]。

1.3.2評價指標體系的構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)場勘察、調(diào)研和量測結(jié)果，在考慮評價體系建立原則基礎(chǔ)上，確定工程地質(zhì)特性、地形地貌、氣象水文地質(zhì)條件和人為及其他外在因素等4 個評價準則及14 個下屬二級指標(表1)。

表1 評價指標體系Tab.1 Evaluation index system

2 結(jié)果與分析

2.1 權(quán)重及一致性檢驗

評價過程中需通過計算各因素權(quán)重量化分析，各因素權(quán)重大小直接影響著評價結(jié)果。本研究采用層次分析法[15]，綜合專家判斷賦值，根據(jù)賦值結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，標度含義如表2 所示。基于“根法”確定因素權(quán)重，進行一致性檢驗，檢驗方法為：

表2 標度的含義Tab.2 Meaning of scale

其中，CI 為一致性指標，λmax為判斷矩陣最大特征值，n為判斷矩陣階數(shù)，CR 為一致性比率，RI 為隨機性指標。若CR＜0.1，說明判斷矩陣滿足要求，能較好反映實際指標間關(guān)系，若CR≥0.1，則需對矩陣進行調(diào)整。RI 取值見表3。

表3 隨機性指標RI 取值Tab.3 Values of RI

(1)根據(jù)前述評價指標體系，通過評估專家對準則層指標進行兩兩比較，得到準則層各指標間相對重要性，確定判斷矩陣。目標層安全風險評價指標判斷矩陣A如下：

式(2)按照式(1)對目標層判斷矩陣進行一致性檢驗，得出CR=0.080 38＜0.1，說明該矩陣滿足要求，評分相對準確，采用“根法”計算權(quán)重，得到目標層權(quán)重為ω=(0.51,0.10,0.16,0.23)T。

同理，計算并通過一致性檢驗，得到各一級指標的權(quán)重：A1=(0.13,0.11,0.33,0.33,0.10)；A2=(0.25,0.25,0.50)；A3=(0.14,0.43,0.43)。

由于施工平臺開挖與灌渠開挖的指標層人為及其他外在因素A4的下屬指標間相對重要性有所不同，因此分2 個方案進行。方案一：金江灌渠工程項目施工平臺開挖；方案二：施工平臺開挖結(jié)束后，繼續(xù)進行灌渠開挖。2種方案的指標層A4計算結(jié)果分別如下。

方案一：金江灌渠工程項目施工平臺開挖后，指標層A4權(quán)重計算得：

A4=(0.64,0.26,0.10)。

方案二：施工平臺開挖結(jié)束，繼續(xù)進行灌區(qū)開挖后，指標層人為及其他外在因素A4權(quán)重計算得：

A4=(0.76,0.17,0.07)。

2.2 評價指標隸屬函數(shù)確定

目前，對邊坡安全等級的劃分沒有統(tǒng)一的標準，因此，在金江灌渠現(xiàn)場調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外專家研究標準，將該工程邊坡安全等級劃分為5 個等級：很穩(wěn)定(Ⅰ)、穩(wěn)定(Ⅱ)、基本穩(wěn)定(Ⅲ)、不穩(wěn)定(Ⅳ)、極不穩(wěn)定(Ⅴ)，并給出了15 項評價指標的分級評價標準量值(表4)。

(1)連續(xù)型指標因子隸屬函數(shù)

考慮的風險評價連續(xù)型指標有6 個：內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、邊坡坡度、邊坡高度、年平均降雨量和地震烈度。對于連續(xù)型指標因子，采用“降半梯形”分布和梯形分布描述其隸屬函數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘和技施報告等資料，確定金江灌渠工程幾個連續(xù)型指標分別為：內(nèi)聚力15 kPa，內(nèi)摩擦角21°，坡高300 m，邊坡坡度60°，年平均降雨量900 mm，地震烈度Ⅷ度。

(2)離散型指標因子隸屬函數(shù)

對表4 中的巖體結(jié)構(gòu)特性、坡向與巖層產(chǎn)狀關(guān)系、巖土抗水性、縱向坡面特性、降雨的沖刷作用、地下水對邊坡體的影響、邊坡及灌渠施工平臺開挖和邊坡排水情況等離散型指標因子，按表5 進行評分，并取其平均值作為指標數(shù)，確定隸屬度與指標數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系，即為隸屬函數(shù)。

表4 作用因素穩(wěn)定等級劃分表Tab.4 Classification table of stable grades of action factors

表5 等級評分表Tab.5 Rating table

通過計算，金江灌渠工程項目平臺開挖形成后各二級和一級指標評價因子隸屬度及極值分配見表6。金江灌渠工程項目灌渠開挖形成后各二級和一級指標評價因子隸屬度及極值分配見表7。

表6 平臺形成后各離散型一、二級指標評價因子隸屬度及極值分配表Tab.6 Membership degree and extreme value distribution table of evaluation factors of the discrete first and second indicators after the platform formation

表7 灌渠開挖形成后各離散型一、二級指標評價因子隸屬度及極值分配表Tab.7 Membership degree and extreme value distribution table of the evaluation factors of the discrete first and second indicators after the excavation of the canal

2.3 金江灌渠工程項目邊坡安全風險綜合評價

應(yīng)用模糊評價方法，邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家對本研究指標評分，得出二級指標層的模糊矩陣，通過以下公式對施工平臺開挖后邊坡穩(wěn)定性進行評價，計算灌渠邊坡安全風險等級。

二級因素評價結(jié)果：

進一步得到一級因素評價結(jié)果：S1=A·S2。

S1=(0.030 8,0.133 9,0.420 3,0.217 9,0.197 1)

由表5 確定評語集為：

U={u1,u2,u3,u4,u5}={100,90,80,70,60}，

則項目總風險評價：

F=S1×U=(0.030 8，0.133 9，0.402 3，0.217 9，0.197 1)×(100,90,80,70,60)=75.834。

對照判斷標準，金江灌渠工程項目平臺開挖后安全風險等級處于＜80～70 之間，屬于基本穩(wěn)定風險級別。

采用相同方法，對施工平臺開挖后灌渠開挖條件下的邊坡穩(wěn)定性進行模糊綜合評價分析，經(jīng)過計算，該條件下F=68.500，安全風險等級處于＜70～60 之間，處于不穩(wěn)定風險級別。

3 討論

根據(jù)金江灌渠項目模糊綜合評價分析結(jié)果，提出以下建議措施：

(1)金江灌渠項目所處區(qū)域地質(zhì)條件復雜，環(huán)境脆弱，巖土體松散破碎，沿線地質(zhì)災(zāi)害風險較大，建議開展灌渠沿線地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查，對滑坡風險較大的區(qū)域進行編錄，并建議對沿線開展地質(zhì)災(zāi)害風險評估。

(2)根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害詳細統(tǒng)計編錄結(jié)果，對危險性較大區(qū)域的邊坡，特別是平臺邊坡進行素噴混凝土和錨網(wǎng)噴等支護，并做好相應(yīng)的排水工作。

(3)三面光灌渠在運維的過程中，受其周圍巖土體的影響容易堵塞，且堵塞后容易下滲至邊坡平臺內(nèi)部且不易被發(fā)現(xiàn)。一旦滲漏至平臺邊坡內(nèi)部，引起邊坡內(nèi)部巖土體抗剪強度降低，當下滑力大于抗滑力的時候，邊坡容易發(fā)生滑坡和泥石流等次生災(zāi)害。因此建議考慮變更設(shè)計方案，考慮采用管道輸水方案。

4 結(jié)論

本研究在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用層次分析法確定了金江灌渠工程項目安全的主要影響因素，建立了金江灌渠邊坡穩(wěn)定性的評價模型。計算各級指標的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建連續(xù)型指標和離散型指標的隸屬函數(shù)，并采用模糊綜合評判的方法，分析了平臺開挖形成后和灌渠開挖形成后金江灌渠工程項目邊坡安全風險等級。施工平臺開挖后以及后續(xù)灌渠開挖后風險安全等級分別為75.834 和68.500，認為平臺施工完成后邊坡屬于基本穩(wěn)定風險級別，而繼續(xù)開挖灌渠，灌渠形成后的邊坡屬于不穩(wěn)定級別。