昌栗高速公路K48+040-K53+582段巖溶塌陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

鄒長(zhǎng)文，鄭明新（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

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昌栗高速公路K48+040-K53+582段巖溶塌陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

鄒長(zhǎng)文，鄭明新
（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

摘要：以昌栗高速公路某段的巖溶發(fā)育為研究對(duì)象，在查明研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，采用層次分析和模糊評(píng)判相結(jié)合的方法（AHP FUZZY），對(duì)研究區(qū)的巖溶塌陷易發(fā)程度進(jìn)行評(píng)估，在巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)方法方面進(jìn)行探索。首先確定巖溶塌陷評(píng)估因子及其權(quán)重值，評(píng)估因子劃分為溶洞發(fā)育條件、覆蓋層條件、地形地貌條件、水文地質(zhì)條件4類，再將這4類評(píng)價(jià)因子分成7個(gè)亞級(jí)評(píng)價(jià)因子；其次劃分塌陷等級(jí)，將其分為4個(gè)等級(jí)，即穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、不穩(wěn)定；最后對(duì)研究區(qū)段進(jìn)行巖溶穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

關(guān)鍵詞：巖溶；塌陷；層次分析法；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

巖溶地貌在我國(guó)分布較廣，巖溶塌陷問(wèn)題是最突出的地質(zhì)災(zāi)害，是巖溶地區(qū)因巖溶作用而發(fā)生的一種地面變形和破壞的現(xiàn)象，巖溶塌陷的發(fā)生不僅僅會(huì)給交通運(yùn)輸、城市建設(shè)和人民生活帶來(lái)嚴(yán)重的危害，而且還會(huì)惡化生態(tài)環(huán)境，影響各種資源的開(kāi)發(fā)和利用，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響；因此，巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。近年來(lái)，有關(guān)巖溶塌陷這一地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查研究成果很多。蔣小珍［1］運(yùn)用GIS的空間分析等功能，從地貌類型、鹽酸鹽巖類型、水文地質(zhì)條件、人類活動(dòng)和土地利用等方面對(duì)全國(guó)巖溶塌陷災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；何書(shū)等［2］運(yùn)用模糊貼近度理論，結(jié)合研究區(qū)巖溶塌陷的特點(diǎn)及影響因素，建立巖溶塌陷易發(fā)性分級(jí)評(píng)價(jià)模型，有效地對(duì)江西瑞昌的武山銅礦區(qū)進(jìn)行了巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)估；趙德君等［3］采用層次分析法構(gòu)建了巖溶塌陷危險(xiǎn)性模型，對(duì)武漢市阮家巷至陸家街區(qū)一帶進(jìn)行了塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。國(guó)外的塌陷研究相對(duì)國(guó)內(nèi)而言進(jìn)展較快并多針對(duì)塌陷機(jī)理進(jìn)行分析。Koutepov等［4］利用GIS技術(shù)結(jié)合多種地質(zhì)數(shù)據(jù)繪制了塌陷專題圖，并對(duì)俄羅斯捷爾任斯克的巖溶塌陷產(chǎn)生原因進(jìn)行分析；Heidari等［5］對(duì)伊朗西部哈馬丹地區(qū)中部平原進(jìn)行了水文地質(zhì)研究，分析了引發(fā)該區(qū)巖溶塌陷的致災(zāi)因素；Galve等［6］利用地質(zhì)地貌圖和航片資料，評(píng)估了西班牙薩拉戈薩市塌陷區(qū)塌陷情況，并對(duì)塌陷災(zāi)害成因機(jī)理進(jìn)行了分析。由此可以看出，目前對(duì)巖溶塌陷的相關(guān)研究已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，但尚須對(duì)已有研究成果進(jìn)行完善。首先應(yīng)當(dāng)完善巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)方法，巖溶塌陷實(shí)際上是一個(gè)受自然和人為因素共同影響的地質(zhì)災(zāi)害，仍須在定量評(píng)價(jià)上繼續(xù)研究；其次是巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，研究成果相對(duì)還是比較少。在已有研究的基礎(chǔ)上，本文以昌栗高速公路K48+040-K53+582段為研究對(duì)象，嘗試在巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)方法方面進(jìn)行探索，將模糊評(píng)價(jià)方法和層次分析方法結(jié)合起來(lái)對(duì)巖溶地面塌陷做出綜合評(píng)估。

1　評(píng)價(jià)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件

1.1自然地理?xiàng)l件

江西省可溶巖出露面積9 928km2，隱伏面積4 000km2，約占全省總面積的8.75％。根據(jù)巖溶分布狀況，江西省全境內(nèi)可劃分為“三帶”和“三塊”發(fā)育區(qū)。昌栗高速公路位于巖溶發(fā)育的萍鄉(xiāng)至樂(lè)平發(fā)育帶上，該地區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)域，氣候濕潤(rùn)溫和，雨量充沛，盛夏至中秋前晴熱干燥；冬季陰冷但霜凍期短，春秋季短，冬夏季長(zhǎng)。年平均氣溫17～17.7℃，極端最高氣溫40.9℃，極端最低氣溫-15.2℃。年降雨量1 600～1 700 mm，降水日為147～157 d，年平均暴雨日5.6 d，年平均相對(duì)濕度為78.5％。

1.2地形地貌及地層巖性特征

南昌至上栗高速公路主要路線走廊帶位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)與華南褶皺系交接的江西省著名地質(zhì)構(gòu)造：萍鄉(xiāng)至樂(lè)平近東西向拗陷帶內(nèi)的西北邊緣，區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)和巖性復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，如圖1所示。

圖1　昌栗高速公路沿線地質(zhì)圖Fig.1 Geological map along Nanchang-Shangli freeway

地質(zhì)構(gòu)造跨越兩大單元，隆起與拗陷復(fù)雜；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變質(zhì)及沉積作用，外加巖漿運(yùn)動(dòng)等具有多旋回性，多階段性和不平衡性，繼而形成了不同時(shí)期的碎屑物質(zhì)和沉積環(huán)境，故產(chǎn)生不盡相同的碳酸鹽可溶巖類。受地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件的控制，區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)和特殊性巖土非常發(fā)育，區(qū)內(nèi)大面積分布多個(gè)年代的灰?guī)r，其穩(wěn)定性比較差，灰?guī)r風(fēng)化成因的紅粘土多為高液限不良路基土。同時(shí)，受地質(zhì)構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)地層近東西走向，與路線呈小角度相交，部分路段存在順向坡。另外，起點(diǎn)段花崗巖區(qū)風(fēng)化巖體組成的邊坡穩(wěn)定性較差，加上特殊的滲透和水理特性，洼地基本發(fā)育厚層軟土。

地形地貌對(duì)于巖溶發(fā)育的作用則是主要影響了地下水的補(bǔ)、徑、排條件，從山嶺到盆地，地下水由補(bǔ)給轉(zhuǎn)向排泄，由垂向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向水平運(yùn)動(dòng)。巖溶作用由垂向轉(zhuǎn)向水平為主，巖溶發(fā)育由弱變強(qiáng)；因此，谷地對(duì)巖溶的影響最大，其巖溶最發(fā)育。

2　巖溶發(fā)育特征

2.1巖溶發(fā)育特征

根據(jù)鉆孔資料，表層填土主要由松散的粉質(zhì)黏土和灰?guī)r碎石組成，呈現(xiàn)紅褐色。覆蓋層主要由含礫粉質(zhì)黏土和細(xì)角礫土組成，并還有少量的紅黏土和灰?guī)r，粉質(zhì)黏性土呈黃褐色，可塑。細(xì)角礫土則呈灰褐色略帶黃褐色，顆粒以灰?guī)r、砂巖為主，粘性土填充。巖溶頂板埋深8.90～21.70m。路線內(nèi)巖溶分布地段16個(gè)鉆孔中有7個(gè)鉆孔揭露溶洞，鉆孔見(jiàn)洞率為43.75％，頂層溶洞埋深8.90～18.60m，頂板灰?guī)r厚度0.10～3.30m，洞高1.10～5.90m，溶洞多為半填充至填充狀態(tài)，填充物紅粘性土、角礫土及粗圓礫為主。

2.2巖溶地質(zhì)條件

工程沿線巖溶區(qū)土層巖性以粉質(zhì)黏土為主，粉土和粗砂次之，其下灰?guī)r發(fā)育有溶洞。區(qū)內(nèi)地下水類型為松散巖類孔隙水和巖溶水，兩者水力聯(lián)系密切，在較多抽取巖溶水條件下，地下水徑流速度快，地下水位下降變化大，易淘空灰?guī)r上部松散土層形成土洞，土洞不斷發(fā)育，頂板逐漸變薄，當(dāng)頂板承載力小于上部土層自重或荷載時(shí)，會(huì)發(fā)生巖溶地面塌陷。

3　巖溶地面塌陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

巖溶地面塌陷是一種突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，具有難于預(yù)測(cè)和突發(fā)性的特點(diǎn)。其穩(wěn)定性與溶洞發(fā)育程度、覆蓋層條件、地形地貌條件、水文地質(zhì)條件等因素有關(guān)，在考慮主要影響因素的基礎(chǔ)上，適當(dāng)簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過(guò)程，同時(shí)要降低評(píng)價(jià)的任意性和模糊性，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性；因此，評(píng)價(jià)區(qū)域采用層次分析－模糊綜合評(píng)判方法（AHP FUZZY）對(duì)巖溶地面塌陷做出綜合評(píng)判，并依據(jù)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行巖溶地面塌陷發(fā)育強(qiáng)弱分區(qū)，進(jìn)而對(duì)未來(lái)巖溶塌陷發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。

3.1評(píng)價(jià)因子的確定

評(píng)價(jià)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，難以十分準(zhǔn)確地把握巖溶塌陷的主要因素；因此選擇巖溶塌陷產(chǎn)生和形成的主要因素，且充分利用野外實(shí)際調(diào)查的資料和鉆探資料，將影響巖溶塌陷穩(wěn)定性的影響因素（通常可用穩(wěn)定系數(shù)Fs表示）表示成一系列影響參數(shù)的函數(shù)。不同的因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度是不同的，既不可能全部考慮所有的影響因素，又必須反映工程范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境條件；因此，選取其中4個(gè)重要的影響因素作評(píng)價(jià)因子，如下：

Fs＝｛U1，U2，U3，U4｝＝｛溶洞條件、覆蓋層條件、地形地貌條件、水文地質(zhì)條件｝。

該評(píng)估多級(jí)模糊多級(jí)目標(biāo)決策方法將4個(gè)子因素集用二級(jí)因素表示如下：

溶洞條件U1＝｛X11｝＝｛溶洞發(fā)育程度｝；

覆蓋層條件U2＝｛X21，X22｝＝｛覆蓋層厚度、覆蓋層巖性和結(jié)構(gòu)｝；

地形地貌條件U3＝｛X31｝＝｛地面地貌特征｝；

水文地質(zhì)條件U4＝｛X41，X42，X43｝＝｛巖溶地下水位及動(dòng)態(tài)變化、巖溶水鉆孔單口井涌水量、巖溶水位降深｝。

由此得出溶洞發(fā)育程度、覆蓋層厚度、覆蓋層巖性與結(jié)構(gòu)、地面地貌特征、巖溶地下水位及動(dòng)態(tài)變化、巖溶水鉆孔單口井涌水量、巖溶水位降深7個(gè)亞級(jí)評(píng)價(jià)因子。

3.2評(píng)價(jià)因子對(duì)巖溶塌陷穩(wěn)定性的權(quán)重分析

影響因子對(duì)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害影響的權(quán)重指各因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響的重要程度，因于影響因素關(guān)系復(fù)雜，難以直接地確定而量化；因此，根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)域以往影響塌陷形成的控制因素重要性不同，并且考慮巖溶區(qū)域評(píng)價(jià)的經(jīng)驗(yàn)，采用“九標(biāo)度”層次分析法，即對(duì)兩個(gè)因子相比較，1，3，5，7，9分別表示第一個(gè)因子比第二個(gè)因子同等重要、稍微重要、明顯重要、強(qiáng)烈重要、極端重要，而2，4，6，8則表示上述兩相鄰判斷的中間值，比較結(jié)果見(jiàn)表1。

計(jì)算判斷矩陣A的最大的特征值λmax

1）計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi：

表1　評(píng)價(jià)因子的判斷矩陣Tab.1 Judgment matrix of evaluation factors

則w＝［w1，w2，…，wn］T即為所求的特征向量，且最大特征值λmax為

從上述分析得到巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的影響因子的權(quán)重向量，即

從以上權(quán)重向量可以得出，各評(píng)價(jià)因子對(duì)巖溶塌陷穩(wěn)定性具有不同的影響程度，其中以溶洞發(fā)育程度類型的影響為最大，地面地貌特征為最小。該結(jié)論與實(shí)際已發(fā)生的地面塌陷成因分析結(jié)論一致。

若要判斷矩陣求出的權(quán)重值是否合理，還必須進(jìn)行一致性的檢驗(yàn)，因?yàn)樵撆袛鄮в兄饔^性，在每次進(jìn)行兩兩比較判斷時(shí)具有比較判斷的不一致性。當(dāng)判斷偏移一致性過(guò)大時(shí)，把判斷矩陣的權(quán)向量計(jì)算結(jié)果作為決策依據(jù)將是不可靠的。為此在求得λmax后需進(jìn)行一致性指標(biāo)CI檢驗(yàn)，其中

再計(jì)算一致性比率

其中RI的取值［18］如表2所示。

表2　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.2 Mean random consistency index

當(dāng)n＝7時(shí)，RI＝1.36，所以得到一致性檢驗(yàn)的結(jié)果為：CR＝0.113 2/1.36＝0.083 2＜0.10

當(dāng)時(shí)CR＜0.10時(shí)，則認(rèn)為該判斷矩陣一致性好。否則，就應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行兩兩比較再次得出權(quán)重向量矩陣，直至判斷矩陣具有滿意的一致性為止。這時(shí)從判斷矩陣中計(jì)算出的最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后，才可以作為層次分析的權(quán)值。

3.3穩(wěn)定性的確定

由于影響巖溶塌陷的因素繁多而復(fù)雜，評(píng)價(jià)因素指標(biāo)之間也有著不確定性，考慮到資料精度和評(píng)價(jià)的實(shí)際價(jià)值，將巖溶塌陷的穩(wěn)定性等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí)（如表3），即穩(wěn)定（不塌陷）、基本穩(wěn)定（不易塌陷）、較不穩(wěn)定（易塌陷）、不穩(wěn)定（極易塌陷）4個(gè)等級(jí)。

表3　巖溶地面塌陷穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)要素表Tab.3 Prediction and evaluation of the stability of karst ground subsidence

為了滿足定性-半定量評(píng)價(jià)要求，對(duì)各個(gè)影響因子進(jìn)行對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)的數(shù)值化；因此用層次分析法來(lái)確定其穩(wěn)定性是行之有效的方法之一。其基本公式為

式中，F(xiàn)S為穩(wěn)定性指數(shù)；ai為權(quán)值；Xi為危險(xiǎn)性級(jí)別量化指標(biāo)，其值按表3取值。根據(jù)FS值，按表4劃分巖溶塌陷穩(wěn)定性等級(jí)。

表4　巖溶地面塌陷穩(wěn)定性分級(jí)表Tab.4 Stability classification of karst ground collapse

3.4巖溶塌陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

線路劃分為4個(gè)里程段，各段統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5

由表中可看出，評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)各里程段巖溶地面塌陷穩(wěn)定性指數(shù)Fs在3.41～6.97之間，根據(jù)表4分級(jí)原則，巖溶地面塌陷穩(wěn)定性為穩(wěn)定（不塌陷）、基本穩(wěn)定（易塌陷）、較不穩(wěn)定（易塌陷）、不穩(wěn)定（極易塌陷）4個(gè)級(jí)別。其中線路K53+373-K53+440里程段巖溶地面塌陷穩(wěn)定性為不穩(wěn)定（極易塌陷），線路K48+040-K48+190，K50+905-K50+980和K195+505-K195+620里程段巖溶地面塌陷穩(wěn)定性為較不穩(wěn)定（易塌陷）。

表5　評(píng)價(jià)因子權(quán)重分析結(jié)果及評(píng)價(jià)表Tab.5 Analysis results and evaluation of evaluation factors weight

4　結(jié)論

以昌栗高速公路K48+040-K53+582段為研究對(duì)象，在已有研究的基礎(chǔ)上，在巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)方法方面進(jìn)行探索，將模糊評(píng)價(jià)方法和層次分析方法相結(jié)合對(duì)巖溶地面塌陷做出綜合評(píng)估，由此可得出以下結(jié)論：

1）總結(jié)了江西省的自然地理?xiàng)l件、昌栗高速公路沿線的地形地貌及巖性特征；選取巖溶的發(fā)育程度、覆蓋層、地形地貌及水文地質(zhì)條件等評(píng)價(jià)因子進(jìn)行巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)區(qū)巖溶地面塌陷穩(wěn)定等級(jí)分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定4個(gè)級(jí)別，該評(píng)價(jià)方法更能反映影響因素的全面性，使穩(wěn)定性判斷結(jié)果更加符合工程實(shí)際；

2）根據(jù)昌栗高速公路的地質(zhì)環(huán)境狀況，結(jié)合巖溶塌陷評(píng)估因子的分級(jí)和取值，采用模糊層次分析法對(duì)研究區(qū)的巖溶塌陷易發(fā)程度進(jìn)行評(píng)估，得到巖溶塌陷易發(fā)區(qū)分布在K53+373-K53+440路段，處于不穩(wěn)定（極易塌陷）狀態(tài)，主要原因?yàn)樗牡刭|(zhì)條件差及巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，對(duì)實(shí)際工程可以起到一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

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（責(zé)任編輯王建華）

Stability Evaluation of Karst Roadbed Along K48+040-K53+582 of Nanchang-Shangli Freeway

Zou Changwen，Zheng Mingxin
（School of Civil Engineering and Architectural，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Abstract：Based on the research example in a section of Chang-Li highway which is located in the karst areas，the probable occurrence level of karst collapse was evaluated in the study by using the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method（AHP FUZZY），combined with the geological conditions. It makes an exploration in terms of karst collapse risk through quantitative evaluation method. Firstly，the karst collapse evaluation factors and their weights are determined. The evaluation factors are divided into 4 categories：karst condition，overburden condition，topography and geomorphology condition，hydrogeology condition. Then，these four kinds of evaluation factors are divided into 7 subevaluation factors. Secondly，the collapse level is divided into four levels，namely: stable，basic stable，the more unstable，unstable. Finally，the study area is evaluated and predicted.

Key words：karst；collapse；the analytic hierarchy process；risk evaluation.

中圖分類號(hào)：U416

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-0523（2016）02-0015-07

收稿日期：2016－01－06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51568022）；江西省高校科技落地計(jì)劃項(xiàng)目（KJLD13036）

作者簡(jiǎn)介：鄒長(zhǎng)文（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榈缆放c鐵道工程。

通訊作者：鄭明新（1966—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閹r土工程和道路工程。