貴州省某復(fù)合式山體滑坡主要成因分析

肖劍

(湖南三和通信交通工程有限公司，湖南 長沙 410003)

在項目的建設(shè)和后期運(yùn)營的過程中，不可避免地會因為某些難以預(yù)料的原因，導(dǎo)致原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞，帶來各種地質(zhì)災(zāi)害。在山區(qū)開展大量建設(shè)工作和人類活動后，很容易導(dǎo)致山體滑坡[1]。而山體滑坡不僅具有自然屬性，還具有社會經(jīng)濟(jì)屬性[2]。對滑坡發(fā)生的原因，勘察、設(shè)計、施工、業(yè)主、保險及地方政府往往會各執(zhí)一詞。如：貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣發(fā)生山體滑坡災(zāi)害后，當(dāng)?shù)鼐用裾J(rèn)為是施工方的原因造成了此次滑坡并要求賠償，而施工方則認(rèn)為與自己無關(guān)。因此，作者以該山體滑坡為例，擬通過層次分析法和yaahp 層次分析軟件對該滑坡發(fā)生的成因進(jìn)行分析，并在現(xiàn)場調(diào)查的資料和工程技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取5 種最可能導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生的因素進(jìn)行綜合評價，劃分該滑坡責(zé)任歸屬，以期為此類滑坡的鑒定提供借鑒。

1 滑坡成因調(diào)查

貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣發(fā)生山體滑坡災(zāi)害后，到事故發(fā)生地(如圖1 所示)進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，收集了當(dāng)?shù)氐臍庀蟆⑺募暗孛驳认嚓P(guān)資料[3]。

1.1 水文地質(zhì)

滑坡土體為殘坡積和滑塌堆積體，結(jié)構(gòu)較松散且厚度較大，下部頁巖層為“易滑地層”，又為相對隔水層。降雨和生活用水等下滲匯集，軟化巖土交界面土體。土體強(qiáng)度降低，形成相對軟弱的滑動帶，導(dǎo)致其上坡體順軟弱帶失穩(wěn)滑動。

滑坡區(qū)基巖傾向SEE，傾角15°，而邊坡傾向NEE，二者呈小角度相交。基巖構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，三組節(jié)理密集分布，間距最小僅10 cm。結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，巖層極為破碎。結(jié)構(gòu)面組合形成一系列的小三角錐形結(jié)構(gòu)體，且節(jié)理面陡達(dá)傾角50°～85°。因此，該基巖結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性差，由于上覆第四系的重力作用，較易發(fā)生向下滑落。

圖1 災(zāi)害區(qū)位置Fig.1 Location of disaster area

1.2 地形地貌

災(zāi)害區(qū)構(gòu)造綱要圖如圖2 所示。場區(qū)中部和前緣地貌為凹形坡面，極易導(dǎo)致雨水的匯集，從而為滑坡的形成創(chuàng)造了條件[4]。

圖2 災(zāi)害區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.2 Structural outline of disaster area

本次現(xiàn)場調(diào)查的滑坡區(qū)在地質(zhì)歷史上曾為一處中等規(guī)模的古滑坡，現(xiàn)滑坡為古滑坡的部分“復(fù)活”。

1.3 氣候條件

根據(jù)調(diào)查，該地區(qū)3～4 月份多為小到中雨。因連續(xù)的降雨天氣，致使地表徑流較小，絕大多數(shù)降水未形成地表水排出邊坡，卻滲入到了坡體內(nèi)。

由于坡體下部建筑物多，且整個山坡亦無完善的地表排水系統(tǒng)，使得地表水入滲，增加了山坡土體的含水量，降低了土體的強(qiáng)度，導(dǎo)致抗滑力隨之下降[5]，加劇了潛在滑坡的變形。

1.4 人類活動

災(zāi)害區(qū)現(xiàn)場情況如圖3 所示。

圖3 災(zāi)害區(qū)現(xiàn)場Fig.3 Scene of disaster area

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該縣第三中學(xué)背后進(jìn)行了危巖清理工程，因邊坡發(fā)生蠕滑而導(dǎo)致停工，且清除的土石方堆放于滑坡坡頂?shù)挠覀?cè)(即清除的土石方堆積場地在現(xiàn)滑坡范圍以外，堆載邊界距滑坡邊界的最小距離為1.6 m)。考慮到應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，經(jīng)過驗算，堆載對滑坡剖面的安全系數(shù)無影響。

1.5 工程爆破

本邊坡石方施工采用了爆破方法，因為本次責(zé)任糾紛是針對施工方或自然因素影響而產(chǎn)生的，所以對施工方的爆破施工著重進(jìn)行了調(diào)查研究。

通過調(diào)查，取得現(xiàn)場爆破的相關(guān)資料，并進(jìn)行了分析。

1) 爆破與本次滑坡的因果關(guān)系進(jìn)行分析

一般的爆破工程都要進(jìn)行爆破振動距離的安全校核，因此，只分析石方爆破過程中爆破振動與滑坡的因果關(guān)系。

①振動速度判別

式中：V為質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；Q為微差爆破中的最大一段藥量或瞬發(fā)爆破中的總藥量，kg；R為爆心距，m；K為與地形地質(zhì)條件有關(guān)的場地系數(shù)；d為與地形地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù)。

參照《爆破安全規(guī)程(GB 6722—2014)》[6]，選取場地系數(shù)K和衰減系數(shù)d，見表1。本研究取場地系數(shù)K為200，衰減系數(shù)d為1.65。

表1 爆區(qū)不同巖性的場地系數(shù)和衰減系數(shù)Table 1 The site coefficient and the attenuation coefficient of different lithologies in the blasting area

藥量Q按所統(tǒng)計的爆破數(shù)據(jù)中的最大藥量1 kg取值。考慮到爆區(qū)在滑坡體后緣的上方，離后緣的距離30 m 以上，爆心距R分別取30,40,50,60,70,80和100 m 將其代入式(1)，經(jīng)計算，得到距離爆區(qū)不同處的地面爆破振動速度分別為0.73,0.45,0.31,0.23,0.18,0.14 和0.10。

按照《爆破安全規(guī)程(GB 6722-2014)》的規(guī)定，對永久巖石高邊坡有安全允許振動速度的要求，其爆破振動頻率在50 Hz 以上，安全允許振動速度為10 cm/s。根據(jù)《交通土建工程爆破工程師手冊》[7]可知邊坡穩(wěn)定性差的地段，其安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度建議值≤22 cm/s。邊坡巖體裂隙發(fā)育，風(fēng)化嚴(yán)重，構(gòu)造弱面較大，穩(wěn)定系數(shù)不大于1.08。并且，根據(jù)《爆破地震烈度表》，地面最大爆破振動速度≤2.5 cm/s 時，地表是不會出現(xiàn)異常。計算結(jié)果得到質(zhì)點(diǎn)振動速度為0.73 cm/s 遠(yuǎn)小于規(guī)范和調(diào)查資料中的安全允許振動速度。表明：小藥量的爆破與滑坡體的滑移沒有因果關(guān)系。

②振動加速度判別

爆破引起邊坡巖體質(zhì)點(diǎn)振動的加速度為：

式中：a為巖體中地面爆破引起的加速度，m/s2；Cp為縱波傳播速度，m/s。

獲得巖體中地面爆破引起的加速度后，根據(jù)《中國地震烈度表(GB/T 17742-2008)》得到地震烈度，以此判斷爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響。當(dāng)爆破振動加速度為68～134 cm/s2時，對應(yīng)的地震烈度為 6 度；當(dāng)爆破振動加速度為 135～266(0.23gcm/s2)時，對應(yīng)的地震烈度為7～9 度。地震烈度邊坡整體的穩(wěn)定性通過邊坡形心處的加速度來判別[8]。

式(2)中，炸藥量取1 kg；計算爆破中心點(diǎn)距離取30 m；白云巖、灰?guī)r的縱波傳播速度3 000 m/s。將其代入式(2)，得爆破振動加速度為17 cm/s2。將振動加速度的計算結(jié)果17 cm/s2對照地震烈度，可知爆破引起的地震烈度小于6 度，即低于鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣地震設(shè)防烈度(6 度)，表明：爆破與滑坡沒有因果關(guān)系。

2) 爆破與民房損壞的因果關(guān)系進(jìn)行分析

房屋到山體爆破區(qū)域的直線距離大于100 m，最短50 m。通過計算可知，據(jù)爆區(qū)50～100 m 處的地面振動速度為0.31～0.10 cm/s。一般民用建筑物爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)為2.0～2.5 cm/s。表明：爆破引起的房屋地面振動速度也遠(yuǎn)低于一般民用建筑物振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)。因此，爆破與民房損壞沒有因果關(guān)系。

通過調(diào)查分析，影響該邊坡破壞的因素較多。為確定各個因素對該滑坡影響的大小及最主要成因，采取層次分析法對可能引起滑坡產(chǎn)生的因素進(jìn)行了判斷分析。

2 利用層次分析法進(jìn)行分析

層次分析法(the analytic hierarchy process，簡稱為AHP)是定性與定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化的分析方法[9]，是一種比較人性化的思維方式，通過人為的客觀角度來判斷各要素的重要性[10]，該方法經(jīng)常被運(yùn)用于技術(shù)、方案及經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域內(nèi)問題的系統(tǒng)分析[11]。本研究將層次分析法用于滑坡成因的分析上，通過模型的建立與分析為滑坡成因的判斷提供依據(jù)。滑坡產(chǎn)生的原因有很多種，如：排水不暢、土層結(jié)構(gòu)破壞、植被破壞及巖層結(jié)構(gòu)等。

1) 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

構(gòu)建模型的目的是把復(fù)雜問題分解、簡化。層次結(jié)構(gòu)包括：最高層、中間層和最底層。

2) 判斷矩陣的建立

建立層次分析模型后，將各層元素進(jìn)行比較，構(gòu)造成判斷矩陣[12]。該判斷矩陣為：

利用層次分析法，把選擇判斷定量化，并轉(zhuǎn)化為一定的數(shù)值，并對不同因素的相對重要性進(jìn)行比較。本次研究使用“1～9 及其倒數(shù)”標(biāo)度。

3) 對判斷矩陣進(jìn)行排序及一致性檢驗

式中：B為判斷矩陣；M為各因素之間相對重要性的權(quán)重向量；λmax為B的最大特征值；W為λmax的特征向量。

判斷矩陣的最大特征根：

一致性檢驗：

判斷矩陣具有唯一非0 的，即最大特征根λmax=n。

假如矩陣偏離一致性，那么特征根也會發(fā)生相應(yīng)的變化，這一變化可以用來檢驗判斷矩陣的一致性程度，用一致性指標(biāo)CI進(jìn)行一致性的檢驗。

CI越小，λmax與n相差也越小，那么判斷矩陣也越接近完全一致性。

4) 層次總排序

Ak(k＝1,2,…,m)為上層因素，Bj(j＝1,2,…,n)為下層因素，bj的總排序為：

式中：ak(k=1,2,…,m)為上層因素的總排序；為下層因素bj相對于Ak的單排序。

遞推后，進(jìn)行一致性檢驗。得出B層次總排序的隨機(jī)一致性比率為：

當(dāng)CR＜0.01 時，表明該層次總排序所得到的結(jié)果有滿意的一致性。

3 應(yīng)用yaahp 軟件進(jìn)行成因選擇

3.1 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，得到5 種成因。并利用軟件，建立的模型如圖4 所示。

圖4 滑坡成因?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)Fig.4 Hierarchy chart of landslide genesis

3.2 判斷矩陣的建立

將現(xiàn)場的調(diào)查情況及相關(guān)資料分別給5 位專家，對各層因素設(shè)定權(quán)重。

將下層準(zhǔn)則層兩兩比較，得出相對于目標(biāo)層的相對重要度。

由式(5)或式(7)計算第1,2 層n=7，RI=1.36 的一致性檢驗。

CR=＜0.10 通過一致性檢驗，同理，依次計算各判斷矩陣。

3.3 數(shù)據(jù)的輸入

建立判斷矩陣后，將數(shù)據(jù)輸入yaahp 軟件。

表2 專家群體決策層分配給各因素的權(quán)重Table 2 The weight of each factor using in the decision-making level of expert group

3.4 權(quán)重的計算

數(shù)據(jù)輸入后，用yaahp 軟件對判斷矩陣執(zhí)行進(jìn)行一致性檢驗，得出專家群體決策層各因素的權(quán)重，見表2。

將表2 中專家對各因素所打的分進(jìn)行加權(quán)平均，得到專家群體決策層對因素C1～C5的總排序權(quán)重分別為：0.085 4,0.117 1,0.524 4,0.183 6和0.089 5。因此，因素C3(氣候降雨)為該滑坡的主要成因。

4 結(jié)論

以貴州東部山區(qū)典型滑坡為研究對象，通過收集大量相關(guān)資料，對該地區(qū)的滑坡成因進(jìn)行了分析。根據(jù)層次分析法的計算結(jié)果，得出的結(jié)論為：

1) 該滑坡為一個復(fù)合式滑坡。滑坡體是由于重力作用和持續(xù)強(qiáng)降雨產(chǎn)生的靜水壓力及滲流力作用下形成的。

2) 滑坡成因由主到次的排序為：氣候降雨、地形地貌、工程爆破、人類活動和水文地質(zhì)。該滑坡最主要的成因是氣候降雨。

3) 利用層次分析法，得出滑坡的最主要成因是降雨。該結(jié)果可用作項目參建各方權(quán)責(zé)歸屬、責(zé)任劃分及保險索賠的依據(jù)，具體實(shí)施方案還需要進(jìn)一步探討。