層次分析法在西太平山崩塌穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的應(yīng)用

張成兵 趙激光 張 鵬

(1.河北省第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 滄州 061000;2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 石家莊 050000)

0 引言

張家口市是冀西北中心城市，西太平山崩塌危巖帶全長(zhǎng)約1380 m，高60 m～100 m，位于橋西區(qū)城區(qū)內(nèi)，大境門至快速路北環(huán)線西太平山隧道西出口陡崖和陡坡之上。經(jīng)調(diào)查核實(shí)，自2007年以來(lái)，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)2次崩塌地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)鼐用裨斐梢欢ǖ膿p失。因此開(kāi)展西太平山的崩塌穩(wěn)定性研究是必要的和緊迫的。近年來(lái)，對(duì)崩塌滑坡的穩(wěn)定性研究由定性到定量，由對(duì)單一巖體評(píng)判到區(qū)域評(píng)判[1]，由模糊定性評(píng)價(jià)到精確數(shù)值模擬。模糊數(shù)學(xué)穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)的方法主要有多級(jí)模糊評(píng)判法，層次分析法。模糊數(shù)學(xué)用于對(duì)多因素、多層次問(wèn)題的評(píng)判，可操作性較強(qiáng)。影響斜坡穩(wěn)定性的因素多而復(fù)雜，各因素影響程度不同，劃分穩(wěn)定性級(jí)別的各因素的界限不明確，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法把各種定性的資料判斷轉(zhuǎn)化為模糊語(yǔ)言，對(duì)斜坡穩(wěn)定性識(shí)別和判斷，將會(huì)得到更合理的解答[2]。

目前對(duì)崩塌模糊的評(píng)價(jià)研究工作較少，對(duì)影響崩塌穩(wěn)定性因子的選取以及因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定都存在主觀性。針對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題，本文以地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、外力因素三個(gè)主要因素分二級(jí)對(duì)危巖區(qū)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判。對(duì)其中一些因子在參考大量資料的基礎(chǔ)上采用抽樣的方法評(píng)價(jià)該危巖區(qū)的穩(wěn)定性，一定程度上客觀的反映危巖體的真實(shí)情況。

1 模糊綜合評(píng)判的基本原理

模糊數(shù)學(xué)中是以隸屬度來(lái)刻畫事物的界限的。對(duì)于離散性函數(shù)的隸屬度，通過(guò)抽樣的方法建立。以樣本中穩(wěn)定、不穩(wěn)定、較不穩(wěn)定所占的概率來(lái)反映總體的穩(wěn)定、不穩(wěn)定、較不穩(wěn)定。對(duì)于連續(xù)性函數(shù)隸屬度的建立采用公式法確定，本文采用“降半梯形”分布[3]，如式(1)所示:

其中，S1，S2，S3均為崩塌穩(wěn)定性分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值;X為實(shí)際測(cè)得值。

對(duì)影響崩塌穩(wěn)定性的每一個(gè)因素進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，因素ui(i=1，2，3…)，評(píng)價(jià)等級(jí) vj(j=1，2，3…)。從因素 ui著眼該事物對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vj的隸屬度rij，可以得到第i個(gè)因素ui的單因素評(píng)判集rij=(ri1，ri2，…，rin)。構(gòu)造出一個(gè)總的評(píng)價(jià)矩陣R，顯示從因素集u到評(píng)判集v的關(guān)系。

引入權(quán)重模糊子集A=(a1，a2，…，am)，其中ai＞0，且∑ai=1表示評(píng)價(jià)因素集的各因素在評(píng)價(jià)目標(biāo)中有不同的地位和作用。引入評(píng)語(yǔ)模糊子集B=(b1，b2，…，bm)，一般B=A*R(* 為算子符號(hào))表示該被評(píng)事物總體上對(duì)各等級(jí)的隸屬程度。

2 崩塌穩(wěn)定性評(píng)判因素集

目前，對(duì)于滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)選取的因素很多，結(jié)合滑坡因素的采用，針對(duì)崩塌選取了三種因素:地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、外力因素。每個(gè)因素又包括多個(gè)因子層。

2.1 地質(zhì)特征

1)地層巖性:地層巖性是危巖體的基礎(chǔ)條件，中生界侏羅系上統(tǒng)張家口組火山巖出露于張家口市區(qū)外圍，面積約500 km2。其下伏地層及盆地四周皆為太古界桑干群變質(zhì)巖，火成巖直接不整合覆蓋于桑干群變質(zhì)巖之上。火山巖主要由一套酸性—中酸性偏堿性陸相火山巖組合構(gòu)成，主要巖石類型為粗面巖、流紋巖、堿流巖及相應(yīng)成分的火山角礫巖、集塊巖和熔結(jié)凝灰?guī)r等，屬晚侏羅世(J3)火山噴發(fā)產(chǎn)物。火山巖層中的沉積夾層大多屬河流和湖相沉積，層序穩(wěn)定。粗面巖局部風(fēng)化蝕變嚴(yán)重呈黃綠色、棕紅色，與火山巖中的沉積夾層共同形成軟弱夾層。巖石表層經(jīng)長(zhǎng)年累月的風(fēng)吹日曬，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育。裸露于地表的軟弱夾層在風(fēng)化、雨蝕等作用下逐步流失，使部分巖體出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，穩(wěn)定性極差。2)結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度:結(jié)構(gòu)面對(duì)工程巖體的完整性，滲透性，物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力傳遞等都有顯著影響[4]。結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度根據(jù)節(jié)理組數(shù)和間距判別。3)結(jié)構(gòu)面傾向與坡向的關(guān)系:結(jié)構(gòu)面傾向與坡向相同，容易發(fā)生滑坡崩塌。反向則能抑制滑坡崩塌發(fā)生。4)危巖坡度、危巖高程:為巖體的坡度、高程，是形成崩塌的內(nèi)部條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)多數(shù)崩塌發(fā)生于坡度大于45°～50°的陡峻邊坡上，反坡更容易發(fā)生，且坡高多在20 m以上，越高幾率越大[5]。

2.2 巖體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

取巖樣9組，8組巖樣從風(fēng)化探槽取得，1組從微風(fēng)化的西太平山工程硐室內(nèi)部取得作為參照組。取9組巖樣的平均值作為該區(qū)的巖體強(qiáng)度值，如表1所示。

表1 該區(qū)巖體強(qiáng)度指標(biāo) MPa

2.3 外力誘發(fā)因素

1)降雨:大氣降雨對(duì)崩塌的產(chǎn)生具有兩方面的作用:a.降雨后坡面水流及所夾帶石塊的沖擊作用，破壞巖石的穩(wěn)定性;b.暴雨或長(zhǎng)時(shí)間降雨產(chǎn)生的洪流把部分已松動(dòng)的石塊下部支撐其穩(wěn)定的物質(zhì)沖掉。

2)風(fēng)化程度:風(fēng)化作用致使巖體表面產(chǎn)生節(jié)理裂隙、裂隙擴(kuò)張和貫通。

3)植被覆蓋:植被對(duì)地震崩塌滑坡的發(fā)生具有雙重作用，茂密的植被根系固土能力較強(qiáng)，能抑制或削弱斜坡變形，降低滑坡的概率。植被根系深入土體，相當(dāng)于錨桿的作用，將土體錨固，增強(qiáng)土體的完整性。

4)人類工程活動(dòng):張家口城區(qū)是一個(gè)歷史悠久的老城區(qū)，由于其所處地形限制，許多民房依山而建，甚至切坡建房，部分房屋建于陡崖下部，極易遭受巖體崩塌地質(zhì)災(zāi)害的威脅。道路、隧道工程硐室的建設(shè)對(duì)崩塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生起到了促進(jìn)作用，上述工程施工時(shí)爆破產(chǎn)生的震動(dòng)，使原已不穩(wěn)定的巖體更加松動(dòng)，甚至直接失穩(wěn)、墜落。

5)地震:地震對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響較大，強(qiáng)烈地震時(shí)由于水平地震力的作用，常引起山崩、滑坡等斜坡破壞現(xiàn)象。此外，強(qiáng)烈地震的震動(dòng)，使地震帶附近巖土體結(jié)構(gòu)松動(dòng)，也給斜坡穩(wěn)定帶來(lái)潛在威脅。

2.4 各因素等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

將12個(gè)方面分成2個(gè)層次:第1層為3大因素;第2層為每個(gè)大因素下的多個(gè)因子。

各因素的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 各因素的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 權(quán)重的確定與評(píng)價(jià)

權(quán)重的確定通常有兩種方法，一是專家估計(jì)法，二是層次分析法。本文采用層次分析法確定。層次分析法確定權(quán)重，首先根據(jù)標(biāo)度將影響因素兩兩比較得到一個(gè)判斷矩陣:

將判斷矩陣每一列歸一化得各因素的權(quán)重W=(w1，w2，…，wn)。根據(jù)標(biāo)度進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)計(jì)算，得到單因素模糊評(píng)價(jià)的結(jié)果如表3所示。

通過(guò)二級(jí)權(quán)重計(jì)算，得到西太平山區(qū):穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、不穩(wěn)定的隸屬度為0.049，0.486，0.465。因此本區(qū)處于較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要對(duì)崩塌災(zāi)害進(jìn)行治理。

表3 崩塌穩(wěn)定性單因素模糊評(píng)價(jià)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)層次分析法對(duì)張家口西太平區(qū)的崩塌穩(wěn)定性進(jìn)行了模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該區(qū)處于較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定的狀態(tài)，與調(diào)查結(jié)果基本一致。但由于某些因子的權(quán)值確定存在主觀性和不確定性，仍需要進(jìn)一步研究。

[1]陳曉利，祁生文，葉 洪.基于GIS的地震滑坡危險(xiǎn)性的模糊綜合評(píng)價(jià)研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，44(3):434-438.

[2]張 駿.劉家峽水庫(kù)庫(kù)岸穩(wěn)定性兩級(jí)模糊綜合評(píng)判[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1992，14(1):67-73.

[3]張永波.斜坡穩(wěn)定性分析的模糊綜合評(píng)判方法[J].太原工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，27(1):59-63.

[4]劉佑榮，唐輝明.巖體力學(xué)[M].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1999.

[5]陳洪凱，歐陽(yáng)仲春，廖世榮.三峽庫(kù)區(qū)危巖綜合治理技術(shù)及應(yīng)用[J].地下空間，2009，22(2):97-101.