基于GIS和AHP的邊坡穩(wěn)定性分析方法研究★

袁曉萍 秦淑文 何 濤 孫曉娟 權(quán)赫春

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

基于GIS和AHP的邊坡穩(wěn)定性分析方法研究★

袁曉萍 秦淑文 何 濤 孫曉娟 權(quán)赫春*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

以延邊大學(xué)美術(shù)學(xué)院后的某一邊坡為例，通過實(shí)驗(yàn)以及測量的方法得出相關(guān)數(shù)據(jù)，繼而使用AHP法對(duì)致災(zāi)因子進(jìn)行權(quán)重分析，并利用GIS技術(shù)對(duì)滑坡的易發(fā)程度進(jìn)行劃分，通過柵格數(shù)據(jù)重疊法研究得出最不穩(wěn)定區(qū)域，為該邊坡穩(wěn)定分析及防治提供科學(xué)依據(jù)。

AHP，GIS，斜坡穩(wěn)定性，致災(zāi)因子

滑坡災(zāi)害是近年來我國多遇的一種自然災(zāi)害，每一次的滑坡都對(duì)國民的安全以及經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p害，所以邊坡的穩(wěn)定性分析是我們必須進(jìn)行的工作，AHP和GIS相結(jié)合能夠很好的通過對(duì)致災(zāi)因子(高程、坡度、坡向、含水率、塑性指數(shù))的分析，合理的對(duì)邊坡進(jìn)行滑坡易發(fā)程度劃分，以便做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。GIS技術(shù)是以地理空間為基礎(chǔ)采用地理模型分析方法，實(shí)時(shí)的提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，基本功能是將表格型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理圖形顯示，黃波林等人基于GIS技術(shù)進(jìn)行滑坡涌浪災(zāi)害的分析，并通過三峽庫區(qū)巫峽茅草坡滑坡實(shí)例，分析滑坡涌災(zāi)危害，涌浪爬高，并提出建議[1]；張?jiān)曝S等也利用GIS技術(shù)對(duì)長白山地區(qū)的滑坡易發(fā)程度進(jìn)行研究分析，且通過AHP進(jìn)行權(quán)重分析，得出長白山地區(qū)滑坡影響較大的致災(zāi)因子為坡度、地質(zhì)和土壤，進(jìn)一步確定最危險(xiǎn)區(qū)域[2]。本文采用的柵格數(shù)據(jù)疊置分析法就是GIS技術(shù)中的一種常用方法，可以將不同主題的各個(gè)數(shù)據(jù)層面進(jìn)行疊置產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)層面，疊置產(chǎn)生的結(jié)果綜合了原來兩個(gè)或多個(gè)層面要素所具有的屬性，本文中是五個(gè)層面要素(致災(zāi)因子)所具有的性質(zhì)。AHP也就是層次分析法，它是對(duì)定性問題進(jìn)行定量分析的一種簡便、靈活實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法，利用AHP法能夠得出致災(zāi)因子的權(quán)重，進(jìn)而分析各致災(zāi)因子對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 研究區(qū)狀況

本文研究的邊坡位于吉林延邊大學(xué)美術(shù)學(xué)院后，此坡的坡度較大，橫跨長度十幾米以上，平均高度約為7 m，若發(fā)生滑坡現(xiàn)象會(huì)影響一條主干線路的正常通行。該邊坡的土質(zhì)分樣可以分為五類，分別為表層土、二層泥土、堆積土、黃沙及紅土，但是隨著海拔的提高邊坡的土層類型逐漸減少。每層土樣的含水率都有明顯降低，且逐漸為大顆粒石塊狀，為預(yù)防滑坡災(zāi)害的發(fā)生，學(xué)校采用擋土墻及種植植被的方式。

2 邊坡穩(wěn)定性分析相關(guān)因子

2.1 高程

高程是某點(diǎn)沿鉛垂線方向到絕對(duì)基面的距離。數(shù)字高程模型也就是DEM，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面數(shù)字化模擬(即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá))，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，簡稱DTM)的一個(gè)分支，能夠很清晰的反映一個(gè)地區(qū)的高程信息。高程圖見圖1。

2.2 坡度

坡度表示的是地表單元陡緩的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距離的比值叫做坡度，坡度越大的邊坡越容易發(fā)生滑坡現(xiàn)象。坡度圖見圖2。

2.3 坡向

坡向是坡面法線在水平面上的投影方向。坡向會(huì)對(duì)一個(gè)邊坡的日照、降水量有影響，也就會(huì)間接的影響滑坡的易發(fā)程度。坡向圖見圖3。

2.4 含水率

含水率是指土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值，是土的基本性質(zhì)，一般情況下含水率越高的地方越容易發(fā)生滑坡。含水率分布圖見圖4。

2.5 塑性指數(shù)

塑性是表征細(xì)粒土物理性能的一個(gè)重要特征，一般用塑性指數(shù)來表示；液限與塑限的差值稱為塑性指數(shù)。塑性指數(shù)能反映土的很多重要性質(zhì)，現(xiàn)在經(jīng)常用塑性指數(shù)對(duì)黏性土進(jìn)行分類，塑性指數(shù)越大說明該土樣的黏性越高，也就越不容易發(fā)生滑坡現(xiàn)象。塑性指數(shù)圖見圖5。

3 研究方法

本文先利用AHP法來計(jì)算所選取邊坡的5種致災(zāi)因子的權(quán)重?cái)?shù)，然后用Arcgis中重分類的功能根據(jù)內(nèi)部相對(duì)重要度對(duì)5種致災(zāi)因子的內(nèi)部因子進(jìn)行重分類，再利用Arcgis中柵格數(shù)據(jù)疊加功能，把每種賦予相應(yīng)權(quán)重的致災(zāi)因子相互疊加，最后得出邊坡穩(wěn)定性分析圖。

3.1 AHP分析法

層次分析法(AHP)是由美國T.L.Saaty教授提出的對(duì)定性問題進(jìn)行定量分析的一種簡便、靈活而又實(shí)用的多指標(biāo)決策方法。本文通過AHP法確定各個(gè)致災(zāi)因子的權(quán)重。

T.L.Saaty教授提出一致矩陣法，為了使各個(gè)因素之間相對(duì)重要性加以量化，引入的標(biāo)度方法如表1所示。

表1 AHP法判斷矩陣的標(biāo)度方法

通過以上的標(biāo)度，可對(duì)因素層中的各個(gè)因素的相對(duì)重要性做出判斷，從而構(gòu)建判斷矩陣，并算出權(quán)重大小，如表2所示。

3.2 基于GIS技術(shù)的滑坡易發(fā)程度劃分

用AHP法計(jì)算出來的各個(gè)致災(zāi)因子的權(quán)重，采用柵格數(shù)據(jù)疊置分析法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和分析，在柵格數(shù)據(jù)內(nèi)部，疊加運(yùn)算是通過像元之間的各種運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)x1，x2，…，xn分別為第1層至第n層上同一坐標(biāo)屬性值，f函數(shù)為各層上屬性與用戶需求之間的關(guān)系，E為疊置后屬性輸出層的屬性值，則E=f(x1，x2，…，xn)。在Arcgis軟件中打開模型構(gòu)建器，然后將柵格計(jì)算器和重分類功能放入其中，再把數(shù)據(jù)添加其中后就可以進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的重分類和疊置分析，結(jié)果如圖6所示。圖6中用黑色表示的部分就是整個(gè)研究區(qū)域中最為不穩(wěn)定的區(qū)域。

表2 不同因子的判斷矩陣和權(quán)重

4 結(jié)語

1)致災(zāi)因子的權(quán)重越大，對(duì)于滑坡的易發(fā)程度的影響也就越大，通過分析可知，權(quán)重為0.44的坡度和0.24的塑性指標(biāo)對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性影響較大。2)通過柵格數(shù)據(jù)疊置分析數(shù)據(jù)可知，分析得出的最不穩(wěn)定區(qū)域分布與實(shí)際地形中的不穩(wěn)定區(qū)域是比較吻合的，說明上述分析方法是可行的。3)坡向的權(quán)重在5個(gè)致災(zāi)因子中最小，可以看出坡向?qū)碌陌l(fā)生影響最小，只有日照和降水的間接影響。

[1] 黃波林,殷躍平,王世昌，等.GIS技術(shù)支持下的滑坡涌浪災(zāi)害分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013(z2):3844-3851.

[2] 張?jiān)曝S,金素月,安懷德，等.基于GIS的長白山地區(qū)山體滑坡易發(fā)程度分析[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(4):285-288.

[3] 華國斌,王向東.基于GIS考慮有水作用的土坡穩(wěn)定性分析[J].西部探礦工程,2007,19(8):206-208.

[4] 蘭恒星,伍法權(quán),周成虎，等.基于GIS的云南小江流域滑坡因子敏感性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(10):1500-1506.

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[6] 李 軍,周成虎.基于柵格GIS滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法中格網(wǎng)大小選取分析[J].遙感學(xué)報(bào),2003,7(2):86-92.

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Slope stability analysis based on GIS and AHP method★

Yuan Xiaoping Qin Shuwen He Tao Sun Xiaojuan Quan Hechun*

(CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

Based on a certain slope besides the Yanbian University Academy of Fine Arts as an example,in this paper,we obtained the related data through the experiment and the method of measuring,then we use the AHP method to make an analysis of the weight to the disaster-causing factors,at last we make use of GIS technology to divide the degree of landslide prone,through deleting lattice data overlapping method to study the most unstable regions.The conclusion of this article is to provide scientific basis for prevention and cure of slope stability analysis.

AHP,GIS,slope stability,disaster-causing factors

1009-6825(2016)29-0047-02

2016-08-03★：延邊大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：ydbksky2016007)

袁曉萍(1995- )，女，在讀本科生

權(quán)赫春(1979- )，男，博士，副教授

P694

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