三峡库区涉水重点滑坡危险性评价方法及防治对策
——以白家包滑坡为例

王春燕 王 力

(1.三峡大学科技学院,湖北宜昌 443002;2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

我国地质灾害频发,全国地质灾害大调查结果表明,受潜在地质灾害困扰的县级城镇达400多个,有1万多个村庄收到滑坡等灾害的威胁.其中,三峡库区因地理位置、气候条件等因素的影响,加剧了该地区滑坡灾害的发生,据统计,截止2003年11月,三峡库区滑坡已查证滑坡约4 683处,其中涉水滑坡达2 000余处.尚有数以千计的滑坡未加治理,其中体积大于100万m3的重大涉水滑坡有400余处[1-2],如何有效的降低滑坡灾害导致的经济损失和人员伤亡损失是其中的重要工作[3],因此对三峡库区重点滑坡进行危险性评价显得十分迫切,有效的危险性评价可针对性的进行防灾减灾工作,由此减轻库区滑坡带来的各项损失.

滑坡危险性评价是考虑滑坡孕灾环境、诱发因素等数据基础上,综合考虑滑坡的空间位置、灾害强度和时间频率等因素,确定研究区域一定时期内滑坡发生的强度及可能性.近年来,滑坡危险性评价和预测的研究愈发被重视,各种评价模型也陆续被应用进来.蔺力等以三峡库区丰都-涪陵段为例,对研究区滑坡发育特征及规律进行分析,对增大库水日降幅条件下滑坡稳定性作评价,探索滑坡危险性预测模型[4];刘磊等以三峡库区万州区岸库段内的滑坡灾害为研究对象,基于不同库水位下降速率及不同的降雨工况,展开了基于确定性模型的库岸段内滑坡灾害的易损性、危险性及风险评估[5];门梦飞等以白家包滑坡为研究对象,依据地质勘查,降雨及库水位资料,运用专业监测数据与数值模拟相结合的分析方法,研究滑坡的成因及变形机制[6];彭令等以三峡库区秭归县为例,通过灾害致灾轻度与抗灾能力分析了人口、建筑物、和土地资源的易损性,并在深入分析滑坡孕灾环境、诱发因素等基础上,对滑坡危险性做分析评价[7].石菊松等提倡实用性技术方法和GIS技术应用于滑坡易发性评价,从数据获取与更新、风险评估方法与制图、风险准则与技术方法体系和结果的验证等方面进行论述[8].黄发明等对滑坡灾害危险性空间预测进行研究,提出定量评价的信息分析模型、多因素回归分析模型、模糊判别分析模型等[9].

各种模型陆续被应用到该领域中来,包括突变理论模型、神经网络模型、模糊综合评价和灰色关联分析模型等[10].以上研究为目前各类滑坡危险性评价中评价因素的选取及评价方法提供了参考和尝试,然而,对评价指标的选取及其权重的确定主观性较强,对评价指标间的相互影响程度也暂未形成较系统的量化计算,且由于滑坡灾害影响的主导因素较多且相互关联,具有模糊性的特点,滑坡危险性评价的模型选取也需具有一定的综合性和层次性;引起滑坡灾害的因素很多,各评价指标对滑坡危险性的贡献程度及权重大小也不一样,需确定各因素数据作用机制的复杂性和数据取得的精确性.

综上,模糊数学具有模型简单、多层次和定量化的特点,模糊评价法可充分考虑滑坡地质灾害模糊性这一特点.定性和定量相结合的层次分析法可解决确定权重的问题,采用层次分析法克服模糊综合评价依靠经验和主观性确定权重的特点,将层次分析法和模糊理论结合起来,运用层次分析法确定评价指标的权重.鉴于此,本文以三峡库区的众多重点涉水滑坡为研究对象,提取基于滑坡的成因和实际影响因素为评价指标,构建滑坡危险性评价指标体系,应用层次分析法确定各评价指标的权重,构建模糊综合评价模型,并以三峡库区白家包滑坡为例,应用模糊综合评价法进行危险性综合评价,验证该方法的可行性.

1 危险性评价指标的选取

滑坡是指岩体或土体在重力作用下沿一定的软弱结构面整体下滑的现象,是在地质地貌条件和人为作用内外因素的影响下,共同作用产生的.由于滑坡稳定性影响因素繁多,因素之间错综复杂,因此,在作危险性评价时,首要进行评价指标的选取及量化[11].

滑坡的成因首先跟地形特征有关,同时还包括地层岩性、地质构造、水文气象条件、岸坡结构类型及社会经济条件.影响滑坡灾害危险性的因素很多,因素间的相互作用导致滑坡灾害的发生,首先遵循综合选取评价指标的原则;同时,本文的研究对象是单体滑坡,评价指标也需考虑评价对象的层次性;再次,各因素的影响程度又不尽相同,从各因素的影响程度出发,将影响程度小的评价指标筛除,避免因指标过多而分散主要指标的作用.

对单体滑坡进行危险性评价时,评价指标的选取需具有一定的全面性和系统科学性,本文参照国内外的常用影响因素[3,6,10-11],综合考虑三峡库区内重点滑坡成因和地质结构等特征,能够反映岩土体的相关性质和内部构造,分析滑坡的下滑力和抗滑力和以力学中的变形破坏理论为基础,提取7项14个因素作为评价指标,见表1.

表1 三峡库区重点滑坡危险性评价指标

2 危险性评价模型

由于地质灾害系统的复杂性,滑坡灾害危险性评价作用机制复杂,在对滑坡灾害进行描述时,其状况都具有模糊性,可能在某一范围内,不能给出精确的数值.三峡库区滑坡灾害频发,影响因素也很多,如表1所示,进行危险性评价时需综合考虑这些因素之间的关系及他们的模糊性,模糊评价法可有效解决这一问题[6,12].由于表1中各指标对滑坡危险性的贡献程度大小不一,即模糊评价法还需确定各指标的权重,本文采用层次分析法确定各指标的权重,即将评价指标分层简化,建立各因素的层次结构,通过主观判断和两两比较,以得到各评价因素的重要性排序[13-14].

2.1 模糊综合评价法

模糊综合评价法将研究对象的可能的结果区间划分为多个等级,同时将评价指标与研究对象的隶属度划分,将两项等级结果进行综合,得到较全面合理的评判结果.

1)评价指标数据处理

分析表1可发现,数据的类型主要有连续性数据、离散数据、定量化数据、半定量化数据及定型化数据,数据多样且复杂,因此对各指标进行量化处理.数据量化的过程,就是以地质分析为前提,大量搜集数据资料,并结合专业人员对评价指标给出的确定的数值和等级,对单因子作危险性评价,确定其对滑坡地质灾害的贡献程度的大小.

在完成评价数据的提取处理和量化后,为使地质数据采取统一的量纲,且评价指标不因数量差异过大而造成评价结果不合理,对数据进行归一化或无量纲处理[15].

2)确定影响因素集和评价结果集

设U={u1,u2,…,u m}为影响因素集,V={v1,v2,…,v m}为滑坡灾害危险性等级评价结果集,同时建立两者之间的模糊关键矩阵R.

式中,r ij(0≤r ij≤1),表示因素u i对v j的隶属度;矩阵R中第i行R i=(r i1,r i2,…,r in)为第i个评价因素u i的单因素评判,是V的模糊子集.

令A=(a1,a2,…,a m)(a1+a2+…+a m=1)为反映因素权重的模糊集,即权向量,则a1,a2,…,a m分别为评价因素u1,u2,…,u m的权重.综合隶属度B=(b1,b2,…,b m)(0≤b≤1),则是由权向量与模糊矩阵合成得到,即：

3)隶属度的确定

隶属度的确定就是单因素的评判,即各因素不同状态处于某一危害等级的评判,对每个评价指标的每个状态都进行每个等级的对应评判.本文的评价指标分为定性和定量两种,定量指标的数据特征为实数,即确定指标隶属函数的分界阙值;定性指标的数据为特征值,可通过德尔菲法和经验法来确定隶属度.

本文将险性分为4个等级,{低度危险,轻度危险,高度危险,极度危险}.

定性指标以岸坡结构类型的隶属度取值为例,说明指标隶属度的确定.

表2 岸坡结构隶属度取值

对于定量指标,滑坡危险性等级的隶属度可通过梯形隶属函数来实现.

偏小型模糊分布：

中间型模糊分布：

偏大型模糊分布：

2.2 应用层次分析法确定权重

在进行滑坡危险性评价时,由于各因素的复杂性和数据需要的精确性,采用定性定量相结合的方法,即通过层次分析法确定各因素的权重[16].具体步骤如下：

1)构造判断矩阵

设U={u1,u2,…,u m}为影响因素集,V={v1,v2,…,v m}表示滑坡危险性评价等级,v1表示“好”,v2表示“较好”,v3表示“较差”,v4表示“危险”.则u ij表示u i对u j的相对重要性数值,采用1～9标度来确定u ij的取值,则可得判断矩阵T：

2)采用和积法计算权重

第1步,把判断矩阵T的列元素归一化处理：

第2步,行向量元素求和处理：

则,A=(a1,a2,…,a m)T.

第4步,计算最大特征值λmax：

其中,(TA)i表示向量TA的第i个元素.

若一致性比率CR＜0.10,则认为判断矩阵的一致性可以接受,所得权重合理可用;否则,调整判断矩阵,指导一致性比率取值满足要求为止.

特征向量(权值)是否符合实际情况,需要进行一致性检验：CR=CI/RI,式中,CR为一致性比率;CI为判断一致性指标为随机性指标.

3 基于模糊评价法的白家包滑坡危险性评价及防治对策

3.1 白家包滑坡工程概况

三峡库区位于北纬28°32'～31°44',东经105°44'～111°39',干流回水总长662.9 km,其中包含长江流域的秭归县.秭归县位于湖北省西部,长江西陵峡两岸,地跨东经110°18'～111°0',北纬30°38'～31°11',东邻宜昌,南连长阳,西接巴东,背靠兴山,国土面积2 427 km2.白家包位于秭归县归州镇向家店村,距香溪河入江口2.5 km.

白家包滑坡展布于香溪右岸,滑坡剪出口位于高程135 m,滑坡后缘以基岩为界,高程275 m.滑坡坡面坡度10～15°,前缘临江段坡度20°,中部平缓,坡度10～12°,滑坡平均坡度约15°.滑坡左侧边界为山脊下部基岩,右侧以山梁为界,宽300～500 m,均宽400 m,纵长约550 m,滑坡面积22万m2.滑坡平面形态呈短舌状.深层滑体前缘厚20～30 m,中部厚47 m,后缘厚10～40 m,滑体平均厚度45 m,滑体体积990万m3.浅层滑体前缘厚10～20 m,中部厚35 m,后缘厚10～40 m,滑体平均厚度30 m,滑体体积660×104m3.

滑体土物质主要为粉质粘土夹块碎石及碎块石土,分布于整个滑坡体,钻探揭露厚32.3～50.0 m.

滑带土主要为粉质粘土夹碎石角砾.滑移带的厚度一般0.2 cm.深层滑带土镜面现象不明显,但含角砾较少,多呈可塑状.

滑床物质主要为侏罗系巴东组的长石石英砂岩及泥岩,仅前缘有第四系土层滑床.基岩产状260°∠30°.从剖面看,基岩面起伏不大,与地面近一致.从地层产状看,该坡体属逆向坡.

滑坡区地下水排线通道为香溪河,滑坡地表的两条冲沟,为滑坡体地表水排泄通道.因滑坡变形,滑坡体上部有两处水池,因开裂而报废.滑坡区未见地下水露头,地下水的主要类型为坡积物孔隙水,且坡积物为滑坡区内主要含水地层,地下水的主要补给源为大气降雨.

白家包滑坡体上原共居住着56户165人,房屋56栋,建筑面积17 450 m2,水果地约300余亩.目前多数已在政府指导下临时搬迁.滑坡坡面已有变形,如遇持续强降雨极有可能诱发滑坡灾害,滑体上居住财产将遭受重大损失,从滑体中前部通过的秭兴公路也将因滑坡而中断,入江土石将对香溪河航运及航行的船舶构成危害.

白家包滑坡变形主要发生在雨季,变形方式为坡面坍塌和拉裂.滑坡地表变形主要集中在滑坡中部公路附近,表现为公路路面拉裂下沉、塌坡以及民房开裂,总体方向显示坡体物质下滑变形.2003年6月三峡水库蓄水后,滑坡变形加剧.在滑坡两侧边公路明显被拉裂,形成2条大的剪切裂缝,裂缝宽1～2 cm,延伸长约10～30 cm.

3.2 建立评价指标判断矩阵

结合白家包滑坡的工程概况,筛选出危险性评价指标所需的数据,建立评价指标判断矩阵,计算步骤如下.

滑坡坡面坡度10～15°,根据上述隶属度确定方法,可得：

同理,可得：

3.3 建立权重矩阵

根据3.2中所述层次分析法的步骤,并根据公式(5)～(8),确定n-u权重矩阵如下：

同理,可得A n3-u=[0.5 0.5];A n4-u=[0.25 0.25 0.5];A n5-u=[0.5 0.5];A n6-u=[0.50.5];A n7-u=[0.75 0.25].则,确定A-n的矩阵如下,A=[0.117,0.062 1,0.304 8,0.117,0.117,0.241 1,0.041],其中,CI=0.017 26＜1.32.

3.4 单因素模糊运算

根据公式R n=A·R n-u完成模糊运算,结果如下：R n1=[0.8 0.2 0 0],R n2=[0 0.1 0.7 0.2],R n3=[0 0.1 0.7 0.2],R n4=[0.25 0.425 0.275

0.05],R n5=[0 0.1 0.7 0.2],R n6=[0.1 0.7 0.2 0],R n7=[0.275 0.575 0.15 0].

3.5 模糊综合评价及结果

根据综合隶属度的确定公式(1),可得：

以上结果表明,根据最大隶属度原则,白家包滑坡处于“高度危险”高的概率最高,危险性评价等级为“高度危险”.

据资料显示[16],随着地下水和库水位的长期作用,滑坡的稳定性将逐渐下降,在一定时间和条件下将失稳下滑.滑坡一旦失稳,将毁坏300余亩果田,给当地人民造成巨大的经济损失;将冲毁秭兴公路近400 m的路段,中断交通,给地方经济造成较大的损失;还有最大的危险就是造成香溪河堵塞,影响地方航运.

以上分析表明,基于层次分析法的模糊综合评价在通过一致性检验的前提下,计算各评价因子的权重,克服主观性强的特点,计算精度高.模糊综合评判作为定性与定量相结合的方法,在确定了评语集等级标准后,针对单个滑坡的稳定性进行量化评价,与文献[17]数值模拟计算结果基本一致.同时,本文的评价结果和白家包滑坡的实际地质灾害情况吻合,可为三峡库区涉水重点滑坡的危险性评价提供一种思路和依据.

3.6 防治对策

按照评价结果,白家包滑坡的危险性等级较高,根据工程的成本效益原则,采用工程防治的代价高、可实施性较低,因此,采取搬迁避让的防治对策.白家滑坡体上原共居住着56户165人,房屋56栋,建筑面积17 450 m2,水果地约300余亩.目前多数已在政府指导下临时搬迁,村民存在回迁迹象.本文的评价方法对滑坡的防灾减灾工作有一定的现实指导意义,可推广应用.

4 结 论

本文针对三峡库区涉水重点滑坡的特点,从理论和实例的角度进行滑坡危险性评价的分析研究,分析影响因素并考虑因素间的关联性,提取重要因素,构建评价指标体系;提出结合层次分析法的模糊综合评价模型,并以白家包滑坡为例,进行危险性综合评价,并给出防治对策,进行了实例验证.

1)针对三峡库区滑坡的特点,提出适合该研究对象的,包括地形特征、结构特征、岸坡结构、水文条件、滑面形态特征、地形变形特征、人类工程活动等因素在内的危险性评价指标体系.

2)滑坡危险性评价影响因素众多,彼此之间又有着错综复杂的关系,应用层次分析法确定各评价指标的权重,建立模糊综合评价模型.

层次分析法可以克服模糊综合评价依靠经验和主观性确定权重的特点;模糊数学具有模型简单、多层次和定量化的特点,综合评价模型可充分考虑滑坡地质灾害综合评价模糊性这一特点.采用层次分析法确定评价因素权重,建立模糊综合评价模型,可较好的实现评价功能.

3)评价结果显示,三峡库区白家包滑坡的危险性等级较高,应采取搬迁避让的防治对策,应高度重视并加强防灾意识.同时,评价结果表明采用定性定量相结合的方法,权重赋值更科学合理,模糊综合评价的结果也更符合实际情况,可以为滑坡危险性评价提供依据,并指导防灾减灾工作.