基于層次分析法的水庫蓄水后滑坡易發(fā)性評價

周秀全，黃海波，鄭 寧，施曉旺

浙江泰達安全技術有限公司，浙江 杭州 310000

0 引言

現(xiàn)階段我國部分水庫在蓄水后發(fā)生了一體系列次生地質(zhì)災害，對當?shù)丨h(huán)境和生產(chǎn)生活安全造成較大影響.根據(jù)現(xiàn)有文獻研究［1-3］，由于水庫蓄水造成的滑坡、崩塌地質(zhì)災害已經(jīng)成為庫區(qū)地質(zhì)災害的主要來源，并且這類地質(zhì)災害受當?shù)亟涤晏卣骱蛶焖蛔儎佑绊?，具有復發(fā)性和周期性的特點.另外，由于滑坡、崩塌等地質(zhì)災害發(fā)生機理復雜，傳統(tǒng)的勘察手段和分析方法無法精確預測滑坡破壞機理，主流的滑坡防治手段仍然以預警和預防為主.滑坡一旦發(fā)生，其量能巨大，無法通過人工干預阻止其繼續(xù)發(fā)展，因此提前規(guī)避滑坡災害及其影響區(qū)是最為經(jīng)濟的方案［4-8］.

針對庫水位滑坡地質(zhì)災害的發(fā)生特點，本文依托于層次分析法，以某水庫滑坡體為研究對象，在對其地形地質(zhì)和水文地質(zhì)條件分析的基礎上，開展滑坡至滑因子研究并建立滑坡易發(fā)性定量化評價方法.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)水庫位于山西省呂梁山脈西麓的南川河上，是一座以防洪灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖的年調(diào)節(jié)中型水庫，控制流域面積309 km2.隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水庫下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)、工礦企業(yè)的數(shù)量、規(guī)模迅速擴大，城市生活、工業(yè)用水量驟增，而且需水方式也發(fā)生了明顯的變化，要求水庫的調(diào)節(jié)方式必須適應發(fā)展的需要.由于庫區(qū)水位變動幅度增大，現(xiàn)狀條件下水庫周邊巖體穩(wěn)定性受到一定程度影響，部分區(qū)域已經(jīng)發(fā)生明顯的崩塌滑坡跡象，一方面可能影響水庫正常運行，另一方面威脅到附近居民的安全.

1.1 區(qū)域地質(zhì)

在區(qū)域地質(zhì)構造上，研究區(qū)跨越呂梁-太行斷塊之次級構造單元呂梁塊隆的離石-中陽復向斜.該復向斜大致呈菱形，南北向展布，位于呂梁塊隆中西部，西鄰興縣-石樓南北向褶皺帶，東接關帝山穹狀隆起.該菱形復向斜大部分被第四系覆蓋，基巖一般只出露于溝谷，向斜軸部地層為石炭系—二疊系，翼部地層為寒武系—奧陶系.

研究區(qū)出露的地層主要有太古宇呂梁群、寒武系中統(tǒng)徐莊組及新生界第四系.巖性包括變粒巖、混合花崗巖、黑云斜長片麻巖和角閃斜長片麻巖，總厚度大于1000 m，在區(qū)內(nèi)大面積出露，是構成基巖山體的主要地層.第四系地層是庫周及庫底的主要上部巖土層，分布于河道及溝谷，主要有棕紅色低液限黏土、灰黃色低液限粉土、低液限粉土、級配不良砂及卵石混合土層，一般具二元結構，厚度5～30 m.

1.2 庫區(qū)地質(zhì)

水庫壩址位于南川河上，壩址以上河流長30.2 km，河道縱坡15.4%，壩址附近河道縱坡12.2‰，河道穩(wěn)定.南川河庫區(qū)段整體走向334°，河床寬80～350 m.兩岸發(fā)育有漫灘及Ⅰ級階地，在近壩區(qū)寬30～60 m.庫區(qū)沿河兩岸除局部覆蓋有第四系中、上更新統(tǒng)黃土外，基本是由呂梁群混合花崗巖、變粒巖、混合巖化黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖構成基巖山體，山頂高程均在1200 m以上.

庫區(qū)發(fā)育的地層主要為太古宇呂梁群、寒武系徐莊組及第四系.庫區(qū)主要淤積物為級配不良砂、低液限黏土及低液限粉土，厚1～17.5 m，主要分布于近壩庫岸.壩體堆積物為低液限粉土、低液限黏土，偶含小礫石，結構松散，厚0～36.5 m.

研究區(qū)地質(zhì)構造較為簡單，主要發(fā)育兩條主要斷層：F1逆斷層位于庫區(qū)中廟附近，走向北北東并橫跨河床，傾向南東東，地表處傾角約75°，東岸廟后溝口可見斷層上下盤均為太古宇變質(zhì)巖，垂直斷距大于50 m；F2逆斷層位于壩軸線下游600 m處，走向北西并橫跨河床，傾向西南，地表處傾角62°，上盤為太古宇變質(zhì)巖，下盤為寒武系頁巖，接觸處有角礫巖，斷層帶寬約1 m，垂直斷距大于50 m.

庫區(qū)內(nèi)地下水可分為變質(zhì)巖類裂隙水及松散巖類孔隙水兩種類型.變質(zhì)巖類裂隙水貯存于巖層風化帶及裂隙中，補給主要為大氣降水.排泄為向下游的徑流或向溝谷的側向徑流.松散巖類孔隙水含水層巖性主要為全新統(tǒng)低液限粉土及卵石混合土，大氣降水及兩岸山體地下水是主要的補給來源，地下水徑流方向與地形傾斜方向基本一致，向下游河谷低凹地帶徑流.

1.3 庫區(qū)滑坡地質(zhì)災害

庫區(qū)兩岸支流和沖溝眾多，庫盆呈樹枝狀.

上游庫段總體為較開闊的峽谷型庫盆，正常蓄水位高程以上岸坡多較陡，覆蓋層厚度變化比較大，基巖出露普遍，但風化強烈.庫岸以巖質(zhì)岸坡為主，局部為土質(zhì)岸坡.兩岸沖溝較多，且比較寬長.庫尾（江邊寨）、河流急轉彎凸岸、支流和沖溝的出口交匯處等部位河谷谷底一般比較寬闊，形成比較開闊的庫盆，沉積有較厚土層.該庫段岸邊村寨眾多，居民房屋較多；同時，有多條高速公路及鐵路通過庫區(qū)，庫岸失穩(wěn)的危害性較大.

下游庫段為比較狹窄的峽谷型庫盆，正常蓄水位高程910 m以上基本為陡峻基巖岸坡，覆蓋層較薄，基本為巖質(zhì)岸坡.兩岸沖溝少且短，右岸發(fā)育有谷頂河.河流急轉彎凸岸、支流和沖溝的出口交匯處等部位不存在寬闊谷底.該庫段的村寨多分布在兩岸山頂，岸坡上居民房屋極少，也沒有高速公路、鐵路等通過，庫岸失穩(wěn)的危害性很小.

綜合判斷庫區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生的庫岸失穩(wěn)形式主要為塌岸、塌滑體，局部基巖陡壁存在小規(guī)模崩塌的可能.

2 基于層次分析法的評價思路

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）首先應用于安全與系統(tǒng)工程中的風險分析，其主要思路是將決策某事件發(fā)生的因素進行劃分并量化，在此基礎上進行決策分析［9-10］.層次分析法每一級矩陣代表一個影響事件發(fā)生的因子，通過實地調(diào)研分析對每個因子賦予權重值，然后進行打分從而得到事件發(fā)生的概率.層次分析法的基本工作流程如圖1.

圖1 層次分析法工作流程Fig.1 Workflow of analytic hierarchy process

通過對該水庫基本地形地質(zhì)條件分析認為，影響滑坡穩(wěn)定的災害因素包括地形地貌、地質(zhì)、氣象、水文、構造以及水位變化等，其中庫水位變化過程是影響研究區(qū)滑坡危險性的重要考量因素［11-15］.綜合分析，庫區(qū)主要的滑坡致害因子分為災害發(fā)育程度、地形地質(zhì)情況和誘發(fā)因子3個大類（分別用B1、B2、B3表示）.其中，災害發(fā)育程度包括災害點密度和災害發(fā)展面積；地形地質(zhì)情況包括庫區(qū)地層巖性、分布高程、坡向、坡度；誘發(fā)因子包括庫水消落高度、地震、降雨強度（由C1—C9表示，見圖2）.

圖2 基于層次分析法的滑坡災害因子指標Fig.2 Landslide hazard factor index based on AHP

3 基于層次分析法的庫內(nèi)滑坡穩(wěn)定性評價

3.1 評價指標的確定

合理的評價指標是確保層次分析法精確度的重要前提.通過研究大量文獻中有關庫水位變動過程中的滑坡穩(wěn)定性問題［16］，綜合確定了影響庫水位變動下滑坡災害發(fā)生的9種主要因子并對其等級進行劃分（表1）.

表1 致滑因子及其量化指標綜合分類表Table 1 Comprehensive classification of landslide factors and their quantitative indexes

3.2 評價矩陣構建

本研究采用兩層判斷矩陣法，即構造A-B和BC.每個判斷矩陣之間的相互關系通過以往水庫區(qū)滑坡災害的研究認識和遙感解譯的統(tǒng)計分析成果來綜合判斷.為了直觀反映判斷各個子因素C1—C9之間的關聯(lián)過程，采用運籌學的標度法［17-20］（表2）.

表2 運籌標度指標Table 2 Scale indexes of logistics operation research

通過對災害發(fā)育程度、地形地質(zhì)和誘發(fā)因素3個B矩陣與危險性A之間的關聯(lián)度分析，建立了A-B矩陣如下：

然后，分別將B1—B3矩陣與C之間的關系采用同樣方法建立B-C矩陣：

其中，B1-C表示災害發(fā)育程度與災害點分布、災害點密度之間的相關性；B2-C表示地形地質(zhì)因素與地貌、巖性、坡度和坡向之間的相關性；B3-C表示誘發(fā)因素與地震、降雨和庫水變動之間的相關性.

為了證明該矩陣的合理性，通過單層排序法計算每個判斷矩陣所產(chǎn)生的特征根及其特征向量，然后利用特征向量建立由C到B、由B到A的層次單排序計算.最后，依據(jù)計算結果對每個判斷矩陣進行一致性檢驗，若結果小于0.1，表明該判斷矩陣是合理可信的，若不滿足小于0.1則重新調(diào)整矩陣結構和判斷方式，直至完成一致性檢驗.具體步驟如下.

1）對矩陣C采用和積法對每列向量進行歸一化處理：

2）對歸一化后得到的矩陣Cg相加求和：

3）將求和的Ch矩陣再次歸一化得到特征向量：

4）利用特征向量W獲取特征根：

5）進行一致性檢驗，其判別公式如下：

其中，Rc表示一致性檢驗計算比率，R表示隨機一致性指標，其取值參考表3.

表3 隨機一致性指標R取值Table 3 Random consistency index R value

通過以上分析步驟得到10個判斷矩陣之間的特征向量和特征根如下：

A-B矩陣中，W1＝（0.122，0.503，0.347），λ＝2.97，計算求得其Rc值為0.01，滿足一致性檢驗條件；

B1-C矩陣中，W2＝（0.45，0.45），λ＝1.99，計算得Rc＝0.02，滿足一致性檢驗標準；

B1-C矩陣中，W3＝（1.66，0.99，0.99，0.50），λ＝3.99，計算的Rc＝0.004，滿足一致性檢驗標準；

B1-C矩陣中，W1＝（1.82，0.66，0.35），λ＝3.97，計算求得Rc＝0.03，同樣滿足一致性檢驗標準.

一致性檢驗合格后綜合層次分析成果，獲取在危險性分析過程中B1—B3和C1—C9的權重值，見表4.

從表4可以看出，對庫區(qū)滑坡影響最大的權重因子分別為C1（地災點密度）、C3（地層巖性）和C8（庫水變動幅度），其權重值分別為0.27、0.21和0.33.這一規(guī)律在滑坡地災分析的宏觀文獻上能夠得到驗證.

表4 水庫滑坡區(qū)至滑因子權重評估成果Table 4 Weight evaluation results of landslide factors in reservoir landslide area

3.3 滑坡危險性分區(qū)

為了分析庫區(qū)蓄水后不同滑坡的危險性，建立基于層次分析權重的危險性定量評估模型：

其中，Mi表示庫區(qū)不同部位的滑坡危險性評估值；Ci表示不同因子的權重值；λi表示不同影響因子的災害危險性賦值.

為了進一步提高庫區(qū)滑坡危險性評估成果的直觀可視化程度，建立庫區(qū)基于滑坡危險性等級的指標，庫區(qū)滑坡發(fā)生概率分為極高、高、中等、低共4個等級，然后利用MapGIS疊加功能生成滑坡區(qū)危險性分區(qū)圖（圖3）.從圖3可以發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)左岸中游與右岸中游為滑坡地質(zhì)災害極高危險地區(qū)；水庫中上游和庫尾段為滑坡易發(fā)高危區(qū)，庫區(qū)上游兩側為滑坡地質(zhì)災害低發(fā)區(qū).

圖3 基于層次分析法的庫區(qū)滑坡危險性分區(qū)Fig.3 Landslide risk zoning in reservoir area based on AHP

為了驗證計算模型設計的合理性，調(diào)取研究區(qū)衛(wèi)星遙感圖像的地質(zhì)災害點解譯成果（見圖4），可以看出，研究區(qū)滑坡地質(zhì)災害極高危地段（圖中紅色部位）均存在地質(zhì)災害發(fā)生點，說明滑坡危險性區(qū)劃圖能夠較好地反映現(xiàn)狀條件下庫區(qū)潛在滑坡體可能的分布范圍.建議重點關注紅色和黃色區(qū)域的地質(zhì)災害問題，加強巡查并落實合理的滑坡治理措施.

圖4 研究區(qū)遙感解譯地質(zhì)災害發(fā)生點分布圖Fig.4 Distribution map of geohazard sites in the study area interpreted by remote sensing

4 結論

為研究和分析水庫蓄水后的庫內(nèi)滑坡地質(zhì)災害潛在危險性和易發(fā)程度，開展了基于層次分析法的庫區(qū)滑坡易發(fā)性評價研究，結論如下.

1）庫區(qū)上游庫段總體為較開闊的峽谷型庫盆，正常蓄水位高程以上岸坡多較陡，覆蓋層厚度變化比較大，基巖出露普遍，但風化強烈.下游庫段為比較狹窄的峽谷型庫盆，村寨多分布在兩岸山頂，岸坡上居民房屋極少，也沒有高速公路、鐵路等通過，庫岸失穩(wěn)的危害性很小.綜合判斷庫區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生的庫岸失穩(wěn)形式主要為塌岸、塌滑體.

2）庫區(qū)左岸中游與右岸中游為滑坡地質(zhì)災害極高危險地區(qū)，水庫中上游和庫尾段為滑坡易發(fā)高危區(qū)，庫區(qū)上游兩側為滑坡地質(zhì)災害低發(fā)區(qū).研究區(qū)衛(wèi)星遙感圖像的地質(zhì)災害點解譯成果表明滑坡地質(zhì)災害極高危地段均存在地質(zhì)災害發(fā)生點，說明本研究獲得的滑坡危險性區(qū)劃圖能夠較好地反映現(xiàn)狀條件下庫區(qū)潛在滑坡體可能的分布范圍.

3）本研究為庫區(qū)蓄水條件下的滑坡地質(zhì)災害易發(fā)性半定量化研究提供了一定參考和借鑒，今后的研究中將進一步細化滑坡因子數(shù)量和權重值的計算合理性，為滑坡易發(fā)性評價提供更為豐富的計算參考.