基于層次分析法和GIS的CSNS工程地質(zhì)適宜度評價

李 坤，尚彥軍，何萬通

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；3.水電水利規(guī)劃研究總院，北京 100120)

重大基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)場地的優(yōu)劣，很大程度上影響了工程設(shè)施的布設(shè)、建設(shè)成敗和全壽命期內(nèi)安全高效運行[1-2]。國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施會涉及大量非標(biāo)設(shè)備，具有技術(shù)綜合、復(fù)雜以及對工程建設(shè)場地和工程布設(shè)要求精細化的特點[3]，因此對工程建設(shè)場地進行適宜度評價并對工程設(shè)施進行合理布設(shè)，是重大工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成敗的基礎(chǔ)和前提條件，而工程建設(shè)場地的工程地質(zhì)條件又是影響工程建設(shè)和運行安全的關(guān)鍵因素之一。

從《中國工程地質(zhì)分區(qū)原則》[4]的發(fā)表開始，到后來的“地質(zhì)基礎(chǔ)理論”[5]、“巖體結(jié)構(gòu)控制論”[6-8]、“安全島理論”[9-10]和“多因素相互作用關(guān)系矩陣”[11]等場址條件評價基礎(chǔ)理論經(jīng)過幾十年的發(fā)展和應(yīng)用，在實際工作中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計算機和模糊數(shù)學(xué)的迅速發(fā)展及其在地學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為工程地質(zhì)條件評價從單因素到多因素、從定性到定量的發(fā)展，提供了強大的理論支撐，如：層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[12-13]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[14]、變權(quán)模型[15]、熵權(quán)模型[16]和突變理論[17]等。其中，以層次分析法(AHP)應(yīng)用最為廣泛，它是一種將一個復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則，進而分解為多指標(biāo)的若干層次的定性與定量相互結(jié)合的多準(zhǔn)則決策(評價)方法，具有層次清晰、計算方便、實用性強的特點，可充分反映決策者對決策問題的認識，大大增加了決策的有效性。

本文擬通過采用層次分析法對CSNS場地地基穩(wěn)定性、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性及工程地質(zhì)適宜度進行評價，并對工程布設(shè)方案和場地建設(shè)提出針對性建議，為CSNS建設(shè)和運行提供幫助。

1 工程概況

中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS)[18-19]是國內(nèi)首座基于強流質(zhì)子加速器的高科技大裝置平臺，是國家“十一五”期間重點建設(shè)的大科學(xué)裝置，是位于國際前沿的高科技、多學(xué)科應(yīng)用的大型研究平臺。CSNS是作為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源進入世界四大散裂中子源行列，其建設(shè)將大大提高我國的科學(xué)地位。

CSNS裝置建設(shè)主體包括1臺強流質(zhì)子直線加速器、1臺快循環(huán)同步加速器、1個靶站、5臺中子譜儀等設(shè)施和科學(xué)實驗測試系統(tǒng)，需建筑面積400畝。其中，加速器應(yīng)安置于帶有屏蔽墻的四周有土層封閉的地面下5.2m的隧道內(nèi)，以達到屏蔽輻射和減少用于屏蔽的混凝土用量。

中子散射大廳內(nèi)包括靶站和譜儀設(shè)施。除靶站外，作用在地基上平均壓強約10t/m2(0.1MPa)，部分區(qū)域壓強20 t/m2(0.2MPa)，靶站最重點壓強約100 t/m2(1MPa)，見表1；隧道底板不均勻沉降應(yīng)小于0.5mm/a，沉降量應(yīng)小于1mm/a，隧道建基面最大累計沉降量應(yīng)小于20mm。這就要求地基的承載力需足夠大，不允許產(chǎn)生不均勻沉降和大變形。因此，靶站和譜儀大廳要建在地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為簡單、巖石強度較高、性質(zhì)均一的巖體上。

表1 CSNS裝置尺寸及重量[5]

2 擬建場址基本條件

經(jīng)過前期勘察和比選[11]，確定擬建場址為位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)水平村南，北距莞佛高速公路約100m，其中規(guī)劃的400畝裝置區(qū)位于擬建場址崩嶺以西的中部。崩嶺山體走向NEE，山體海拔140～184m。規(guī)劃400畝地內(nèi)裝置區(qū)東西長525.752m，南北寬367.427m。高程28～153.6m，大部分在50m以上。經(jīng)現(xiàn)場勘察和分析，認為規(guī)劃400畝主場地有可能因為高邊坡不穩(wěn)定對CSNS工程設(shè)施的建設(shè)和運行帶來安全隱患，經(jīng)建議將400畝裝置區(qū)做一定的調(diào)整，如圖1所示。

圖1 擬建場址平面地質(zhì)圖(據(jù)文獻[3]修改)

場址有兩大類巖石：燕山期J2花崗閃長巖和花崗斑巖，加里東期Z 變粒巖，兩者界限向北陡傾穿插接觸，接觸帶局部破碎富水。大的基巖出露有兩處：400 畝地NE向的塊狀花崗斑巖和白灰廠溝采石坑的整體-塊狀黑云變粒巖。

場址區(qū)出露斷層和節(jié)理，以NEE 和NNW 向為主，較大的有F2和F6 條，F(xiàn)2斷層在白灰溝采石坑出露，走向 350°，傾向SE，傾角52°，壓扭性，長約400m，影響帶寬約10m。其西側(cè)有一平行節(jié)理面，東側(cè)有6 條平行節(jié)理。F6斷層位于 400 畝地NE，沿著70°～90°方向延伸，其斷面有分叉和波狀起伏，影響帶寬度不大于50m，長100 多米，近直立。分為南北兩小支，南支以節(jié)理密集帶為特征，北支以彎曲的壓扭面為特征。

3 400畝主場地工程地質(zhì)適宜度評價

3.1 影響因素確定

主場地地表主要被第四系松散堆積土覆蓋，其下基巖存在不同程度的風(fēng)化。為查明場地工程地基穩(wěn)定性，對主裝置區(qū)進行了鉆探并取芯，如圖2所示，通過對所獲取巖芯的的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)合地球物理勘探數(shù)據(jù)，確定第四系和各風(fēng)化層厚度。

圖2 現(xiàn)場鉆探及巖芯(照片來源：林達明2009)

根據(jù)對擬選場址內(nèi)地形的測量，以及物探解釋和鉆探資料的分析，選取第四系厚度C1、全風(fēng)化層厚度C2、強風(fēng)化層厚度C3、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗次數(shù)C4和主要地層巖性分布C5作為影響因素評價工程場地穩(wěn)定性。選擇巖性C5、地形坡度C6和構(gòu)造C7作為影響因素評價場地災(zāi)害易發(fā)性。

3.2 影響因素量化

為了消除由于不同影響因素屬性量綱的不統(tǒng)一對評價結(jié)果造成的不均衡影響，使數(shù)據(jù)具有可比性，根據(jù)系統(tǒng)評價目標(biāo)、系統(tǒng)評價區(qū)域特征、評價因素屬性特征、因素與目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系，采用歸一化處理和等級劃分對各因素屬性進行處理。

歸一化公式如下：

(1)

式中，Ai—歸一化處理后的數(shù)據(jù);a、b—歸一化范圍的下限(0)和上限(1)；min(xi)、max(xi)—影響因素量化的最小值和最大值。

值得注意的是，在影響因素與系統(tǒng)評價目標(biāo)正相關(guān)時，公式(1)適用，若影響因素系統(tǒng)評價目標(biāo)負相關(guān)，則進行系統(tǒng)計算時需用歸一化上限(1)減去歸一化值。

對于因素屬性值與系統(tǒng)評價目標(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。因此，本文對無法歸一化公式處理的因素屬性進行標(biāo)準(zhǔn)化。

標(biāo)準(zhǔn)化的方法為：①根據(jù)因素屬性特征，對其進行定性描述，或劃分其屬性值區(qū)間。如：巖性強度(軟弱/松散、低、中、強)分類和地形坡度區(qū)間劃分。②根據(jù)評價因素跟評價目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，對評價因素定性化分級(如：影響強、中、弱等)。③按評價因素定性分級，將其影響值定量化分為(0，1]區(qū)間內(nèi)遞增數(shù)值(如分為4級，則最小級別和遞增區(qū)間都為0.25的影響值，即：0.25，0.5，0.75，1。

根據(jù)上述量化原則，對第四系層厚、全風(fēng)化層厚、強風(fēng)化層厚、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、地形坡度等因素進行歸一化處理，對地層巖性和構(gòu)造因素進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，本文中構(gòu)造主要為斷層，因此將構(gòu)造專題中斷層帶賦值為1，其余賦值為0，各因素專題圖(斷層分布如圖3所示)。

圖3 影響因素量化專題圖

3.3 影響因素權(quán)重計算

層次分析法的使用一般分為4個步驟，即：①建立風(fēng)險事件的遞階層次結(jié)構(gòu)。建立目標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)的過程中，各個評價因素應(yīng)充分體現(xiàn)出它的科學(xué)性、系統(tǒng)性和普遍適用性。②構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。判斷矩陣的目的是對各因素的相對重要性進行兩兩比較，一般采用1—9及其倒數(shù)作為標(biāo)度。③通過判別矩陣計算各層次內(nèi)不同影響因素的相對權(quán)重，即：各因素在系統(tǒng)評價中的重要程度的量化；④計算各層影響因素在整個系統(tǒng)評價中的組合權(quán)重。層次分析法對CSNS 400畝裝置區(qū)工程地質(zhì)適宜度評價，AHP層次分析法模型如圖4所示。

圖4 CSNS主場地地質(zhì)適宜度AHP評價模型

400畝裝置區(qū)淺表地層巖性基本一致，主要為第四系松散層和花崗巖，區(qū)內(nèi)僅有F6斷層和F7斷層，不存在巖溶，因此，本評價中災(zāi)害易發(fā)性主要為邊坡失穩(wěn)的可能性。

根據(jù)圖5中AHP層次分析法評價模型，構(gòu)建判斷矩陣，見表2—4。

表2 判斷矩陣A～Bi(i=1～2)

λmax=2，CI0=0.0，CR0=0.0<0.1

表3 判斷矩陣B1～Ci(i=1～4)

λmax1=5.15594，CI1=0.03899，CR1=0.03481<0.1

表4 判斷矩陣B2～Ci(i=5～7)

λmax2=3.05362，CI2=0.02681，CR2=0.04623<0.1

表5 各因素在工程地質(zhì)適宜度評價中的權(quán)重

CI=0.03493，RI=0.94，CR=0.03716<0.1

各組矩陣計算出最大特征向量λmax，一致性指標(biāo)CI、平均一致性指標(biāo)RI與一致性比率CR。根據(jù)計算結(jié)果，準(zhǔn)則層和方案層的一致性比率CR<0.1，證明判斷矩陣和層次排序具有令人滿意的一致性，可接受該分析結(jié)果。

3.4 工程場地評價

應(yīng)用ArcGIS軟件對各影響因素專題圖的繪制和子專題圖的疊加，給出CSNS場址400畝裝置區(qū)地基穩(wěn)定性分區(qū)圖和災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖，如圖5所示。

根據(jù)圖5(a)，裝置區(qū)北半部相較于南半部處于不穩(wěn)定區(qū)域，主要是因為北部第四系和全風(fēng)化層較厚，而第四系和全風(fēng)化層的力學(xué)強度較低；風(fēng)化囊部位巖石風(fēng)化嚴(yán)重、較為破碎、強度較低，因此風(fēng)化囊分布集中區(qū)是較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定區(qū)；裝置區(qū)南半部海拔較高，部分基巖出露，雖然強風(fēng)化層相對較厚，但第四系和全風(fēng)化層較薄，強風(fēng)化層的力學(xué)強度要比第四系、風(fēng)化囊集中區(qū)和全風(fēng)化層的強度要高，因此南半部工程地基穩(wěn)定性明顯優(yōu)于北半部。

裝置區(qū)坡度較大、地層巖性比較松軟破碎的區(qū)域較容易發(fā)生邊坡災(zāi)害(圖5(b))；北半部雖然分布有較厚第四系松散層，但地形較為平坦，故發(fā)生邊坡災(zāi)害的可能性較小。

圖5 主場地地基穩(wěn)定性及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖

擬選場址工程地質(zhì)適宜度指數(shù)為：

=0.1834×f1(x，y)+0.1489×f2(x，y)+

0.1419×f3(x，y)+0.0650×f4(x，y)+

0.1927×f5(x，y)+ 0.1645×f6(x，y)+

0.1036×f7(x，y)

(2)

式中，Wi—各因素的影響權(quán)重；fi(x，y)—各影響因素的屬性函數(shù)，為歸一化后0～1之間的值；(x，y)—地理坐標(biāo)。

將裝置區(qū)地基穩(wěn)定性分區(qū)圖和災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖進行復(fù)合疊加，共將裝置區(qū)劃分為12086個不同形狀和規(guī)模的單元，如圖6所示，每個單元對應(yīng)各自的工程地質(zhì)適宜度指數(shù)，根據(jù)單元個數(shù)和各單元適宜度指數(shù)的相對大小，對裝置區(qū)進行工程地質(zhì)適宜度分區(qū)，分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)采用ArcGIS中Natural Breaks(Jenks)方法進行分級，此分類方法使得類內(nèi)差異最小，類間差異最大[20]。

圖6 工程地質(zhì)適宜度指數(shù)專題圖

通過對各影響因素專題圖的疊加和分析，完成工程地質(zhì)適宜度分區(qū)圖，如圖7所示，工程地質(zhì)適宜度分區(qū)圖既考慮了裝置區(qū)的地基穩(wěn)定性又考慮了裝置區(qū)災(zāi)害易發(fā)性，可以更好地為裝置的布置和建設(shè)提供指導(dǎo)性意見。從工程地質(zhì)適宜度分區(qū)圖來看，裝置區(qū)北部適宜度差，不適合靶站的布設(shè)；中南部和東南部工程地質(zhì)適宜度較好。

圖7 主場地工程地質(zhì)適宜度分區(qū)及裝置布置圖

根據(jù)工程地質(zhì)適宜度分區(qū)及評價，建議將CSNS環(huán)形加速器和靶區(qū)裝置布置在中部位置，如圖8所示，調(diào)整前后的400畝場地和場地內(nèi)主裝置的布設(shè)都有了比較大的調(diào)整，如圖8所示：最終確定的環(huán)形加速器位置向北東方向調(diào)整了150m左右。原規(guī)劃的靶站在高邊坡位置，位置為最終確定裝置區(qū)的東南緣，而重新布置的靶站位于最終裝置區(qū)的中北部，位置上有了較大變動，調(diào)整后的靶站位置更加穩(wěn)定安全，有利于設(shè)備的穩(wěn)定運行。

圖8 調(diào)整前后主場地及CSNS裝置布設(shè)對比圖

4 工程施工建議

盡管調(diào)整后的場址相對安全穩(wěn)定，但是為了工程的順利進行和大科學(xué)裝置的順利運行，提出如下建議：

(1)400畝裝置區(qū)南部有高邊坡，倘若發(fā)生邊坡失穩(wěn)可能會影響到工程的順利進行，因此建議對邊坡進行削坡和邊坡支護處理。

(2)擬選場址有風(fēng)化殼存在，且風(fēng)化殼厚度和風(fēng)化程度不同，可能導(dǎo)致地基力學(xué)性質(zhì)不均一性。建議對風(fēng)化殼中風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶進行巖石力學(xué)實驗，并對地下水位的變化做實時的監(jiān)測。根據(jù)場址內(nèi)風(fēng)化殼厚度及風(fēng)化程度，對地基進行相應(yīng)的加固處理，嚴(yán)防因風(fēng)化殼和地下水的作用造成地基不均勻沉降。

(3)在對建設(shè)場地進行巖石工程開挖過程中，必須防止因大爆破作用導(dǎo)致大范圍巖體松動，所以應(yīng)采用光面爆破、預(yù)裂爆破技術(shù)。

5 結(jié)論

(1)選取第四系厚度、全風(fēng)化層厚度、強風(fēng)化層厚度、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)、主要地層巖性分布、構(gòu)造和地形作為評價擬選場址工程地基穩(wěn)定性和災(zāi)害易發(fā)性的主控因素；應(yīng)用AHP層次分析法和ArcGIS空間分析功能，完成400畝裝置區(qū)地基穩(wěn)定性和災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)和評價。

(2)在地基穩(wěn)定性和災(zāi)害易發(fā)性評價及分區(qū)的基礎(chǔ)上，完成400畝主場地工程地質(zhì)適宜度分區(qū)和評價。結(jié)合適宜度分區(qū)結(jié)果以及CSNS工程建設(shè)要求，對CSNS裝置中環(huán)形加速器、靶站區(qū)和直線加速器等重要設(shè)備的布設(shè)位置及方向提出調(diào)整的建議。

(3)工程方接受了對裝置區(qū)位置及裝置布設(shè)方案調(diào)整的建議，按照建議方案進行施工。自2011年開工建設(shè)，2018年通過國家驗收，于2021年01月26日8時39分，多物理譜儀成功出束，中子束流與預(yù)期相符[21]。充分證明了選址的成功以及工程地質(zhì)適宜度評價及工程布設(shè)方案的科學(xué)性、合理性和適用性，可為類似工程的場地評價及工程布設(shè)方案設(shè)計提供參考。