滑坡災(zāi)害防治工程效果評價(jià)方法初探

宋 軍， 尉壯巖， 程英建， 張 勇

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 3.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083； 4.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734)

滑坡災(zāi)害防治工程效果評價(jià)方法初探

宋 軍1,2， 尉壯巖2,3， 程英建2,4， 張 勇2,4

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 3.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083； 4.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734)

滑坡防治工程效果評價(jià)是一項(xiàng)綜合判斷與分析的系統(tǒng)工程。通過開展大量滑坡災(zāi)害防治工程現(xiàn)場調(diào)研，建立了包括滑坡基本要素、治理設(shè)計(jì)、施工組織、穩(wěn)定狀況、治理效益5項(xiàng)一級評價(jià)指標(biāo)和11項(xiàng)二級指標(biāo)的評價(jià)體系?；诰C合模糊層次評價(jià)法確定各指標(biāo)權(quán)重并計(jì)算防治效果最大隸屬度。以三峽庫區(qū)劉家包滑坡為例，計(jì)算表明防治工程效果為優(yōu)秀，與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了此方法的可靠性。

地質(zhì)災(zāi)害；滑坡；防治工程；評價(jià)體系；綜合模糊層次理論；隸屬度；效果評價(jià)

0 引言

滑坡是最普遍的地質(zhì)災(zāi)害之一。在地質(zhì)條件復(fù)雜、氣象環(huán)境惡劣地區(qū)為了避免滑坡造成的人民生命財(cái)產(chǎn)損失，通常采取防治工程開展滑坡治理。目前，我國滑坡的防治工程多依賴于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)輔以計(jì)算，理論發(fā)展滯后于工程實(shí)踐[1]，大多數(shù)規(guī)范和報(bào)告在防治工程設(shè)計(jì)和施工方面的內(nèi)容較多，針對滑坡防治工程的適宜性、有效性研究較少[2]。并且國內(nèi)外學(xué)者主要采用模糊數(shù)學(xué)、效果評估指數(shù)法、層次分析法等對滑坡治理工程進(jìn)行效果評價(jià)[3-6]，評價(jià)指標(biāo)的選取集中在防治工程的工程結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場監(jiān)測手段、工程試驗(yàn)等方面[7-9]，針對滑坡從災(zāi)害基本要素到設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測及后期效益的全面性效果評價(jià)的研究較少。

影響滑坡穩(wěn)定性的因素很多，加上防治工程設(shè)計(jì)、施工的復(fù)雜性以及后期的工程效益難以準(zhǔn)確計(jì)算，導(dǎo)致評價(jià)因素具模糊性，從而影響人們使用直接的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行具體判斷。采用模糊數(shù)學(xué)理論，運(yùn)用模糊變換原理和隸屬度的原則，考慮評價(jià)因素與目標(biāo)的聯(lián)系，結(jié)合層次分析法將滑坡防治工程效果的評估問題分解成不同層次的組合問題，進(jìn)行定量或半定量的描述，能夠很好的反應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的估計(jì)結(jié)果，從而解決評價(jià)指標(biāo)的模糊性問題。

本文以三峽庫區(qū)的滑坡治理工程為研究對象，通過大量現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)滑坡防治工程特點(diǎn)，建立了一套從勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、效益分析的各階段滑坡防治效果評價(jià)體系，利用綜合模糊層次理論原理為指導(dǎo)，進(jìn)而根據(jù)各子項(xiàng)的評價(jià)結(jié)果建立綜合評價(jià)模型?；贏HP(層次分析法)法確定各指標(biāo)權(quán)重，由最大隸屬原則確定防治效果分級，對滑坡防治工程效果從整體上進(jìn)行評價(jià)。

1 防治工程效果評價(jià)體系

地質(zhì)災(zāi)害防治工程效果的評價(jià)目標(biāo)是判斷防治工程的合理性、適宜性，使防治工程最大程度地滿足人類工程活動。而防治工程效果評價(jià)的可靠性首先取決于評價(jià)因子的選擇，因此首先需要建立一套全面、有效的防治工程評價(jià)指標(biāo)體系。通過對三峽庫區(qū)滑坡的現(xiàn)場調(diào)查和資料分析，構(gòu)建了三峽庫區(qū)滑坡災(zāi)害防治工程資料庫。選取以“滑坡基本要素”、“治理設(shè)計(jì)”、“施工組織”、“穩(wěn)定狀況”，“治理效益”作為一級指標(biāo)，并將五大方面因子按評價(jià)內(nèi)容選取11項(xiàng)具體影響因素作為二級指標(biāo)，建立防治工程效果評價(jià)結(jié)構(gòu)圖(見圖1)。

圖1 滑坡防治效果評價(jià)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)建立的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合多個(gè)滑坡防治工程現(xiàn)場調(diào)研和資料分析的結(jié)果，參考前人研究[2-6，10-14]，將防治效果分為4個(gè)等級：優(yōu)秀、良好、一般、差，并且對每一項(xiàng)二級指標(biāo)提出分級標(biāo)準(zhǔn)，其中經(jīng)濟(jì)效益常利用相對收益比來表征，F(xiàn)=∑fc/∑fy(∑fc為防治工程在有效期內(nèi)成本投入，∑fy為在有效期內(nèi)的各種收益)。詳見表1。

2 滑坡災(zāi)害防治效果評價(jià)模型

2.1 研究思路

綜合模糊層次理論是針對上述評價(jià)指標(biāo)建立層次結(jié)構(gòu)模型，確定各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合專家評分與實(shí)踐調(diào)研給出各指標(biāo)隸屬函數(shù)，根據(jù)最大隸屬度原則，完成工程效果評判，從整體上把握滑坡性質(zhì)、防治工程與經(jīng)濟(jì)效益，對防治工程效果做出客觀評價(jià)，總體思路如圖2所示。

圖2 綜合模糊層次原理結(jié)構(gòu)圖

2.2 評價(jià)數(shù)學(xué)模型

2.2.1 建立模糊集合

(1)設(shè)評價(jià)集合(防治效果等級)為V：

V={V1，V2，V3，V4}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}

式中：V1——優(yōu)秀；V2——良好；V3——一般；V4——差。

(2)確定參評要素(評價(jià)指標(biāo))集U：

U={U1，U2，U3，U4，U5}

式中：U1——滑坡基本要素；U2——治理設(shè)計(jì)；U3——施工組織；U4——穩(wěn)定狀況；U5——治理效益。

(3)選擇參評要素的評價(jià)因子集：

2.2.2 隸屬函數(shù)與模糊矩陣的確定

(1)隸屬函數(shù)的確定。隸屬度的確定實(shí)際上是單因素評判問題。評價(jià)指標(biāo)根據(jù)它的數(shù)據(jù)特征可分為定量因素和定性因素。針對評價(jià)體系中的11項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，針對每項(xiàng)指標(biāo)的不同評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依次給出各項(xiàng)因子的相應(yīng)的隸屬函數(shù)。以F11經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會效益為例，k1：經(jīng)濟(jì)效益突出，F(xiàn)<0.2，順應(yīng)區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)開展，達(dá)到社會生態(tài)環(huán)境和諧；k2：有較好的經(jīng)濟(jì)效益，0.2≤F<0.5，有利于區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，施工帶來社會環(huán)境影響較??；k3：有一定的經(jīng)濟(jì)效益，0.5≤F<1，不影響區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，可能存在施工噪聲、棄渣和一定生態(tài)破壞；k4：可能存在工程浪費(fèi)，F(xiàn)≥1，防治工程設(shè)置有礙經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展，存在較大生態(tài)破壞。給出隸屬函數(shù)：

表1 防治效果評價(jià)體系

式中：V1——優(yōu)秀；V2——良好；V3——一般；V4——差。

對隸屬函數(shù)的取值依據(jù)防治工程點(diǎn)的專家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，防治工程若經(jīng)濟(jì)效益突出、利于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)，施工、維護(hù)成本低，與人居環(huán)境融為一體，則取值偏向于防治效果優(yōu)秀的方面。

(2)因子集與評價(jià)集(評價(jià)標(biāo)準(zhǔn))之間的模糊關(guān)系可以用模糊關(guān)系矩陣R來表示：

2.2.3 權(quán)重的確定

在確定評估體系后，還需要確定一個(gè)權(quán)向量表示各因子對評價(jià)目標(biāo)所起的作用。依照分層體系，根據(jù)專家打分，構(gòu)造相關(guān)判斷矩陣，經(jīng)過計(jì)算其特征向量、歸一法處理、一致性檢驗(yàn)得到標(biāo)準(zhǔn)特征向量，即可作為該層次指標(biāo)的權(quán)重向量。

以D-E層次為例，由專家評分，兩兩因素比較，各層中的因子對上一層次目標(biāo)的相對重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷實(shí)對稱矩陣：

經(jīng)歸一法處理后得，標(biāo)準(zhǔn)特征向量ωDE′=(0.17，0.17，0.19，0.41，0.06)，通過計(jì)算，滿足一致性檢驗(yàn)。

針對每一層建立一系列比較判斷矩陣，最終得到所有指標(biāo)權(quán)重。本文利用此方法求出防治工程效果評價(jià)的11項(xiàng)評價(jià)因素權(quán)重指標(biāo)見表2。

3 應(yīng)用實(shí)例

以三峽庫區(qū)劉家包滑坡為例，應(yīng)用該評價(jià)模型進(jìn)行評價(jià)，并與現(xiàn)場傳統(tǒng)定性判定的結(jié)果相對比，以驗(yàn)證模型的可靠性。

劉家包滑坡為庫區(qū)不涉水堆積層滑坡，位于奉節(jié)縣城三馬山社區(qū)李家大溝右岸，呈南北向展布，滑坡范圍約6.5×104m2，規(guī)模約235×104m3。由于滑坡所處移民安置重點(diǎn)區(qū)域，緊鄰交通局、環(huán)衛(wèi)局、老干局等政府職能機(jī)構(gòu)，災(zāi)害危險(xiǎn)性突出。

表2 各項(xiàng)因子權(quán)重表

該滑坡防治工程為了順應(yīng)城市建設(shè)，以“坡改梯”的設(shè)計(jì)思想，選擇了“削坡回填+多級護(hù)坡工程+地表系統(tǒng)排水”的防治方案：坡體前緣按1∶2的坡比分層碾壓回填；斜坡中上部坡面按1.75的坡比平整，每10m高差為一級臺坎，共7級，臺坎間設(shè)2m寬馬道。土方回填工程完成后，坡面采用漿砌塊石格構(gòu)護(hù)坡和地表截排水系統(tǒng)。通過走訪調(diào)查，防治工程布置較為合理，與城市建設(shè)相協(xié)調(diào)(未影響到下部交通道路和房產(chǎn)開發(fā))，工程主體結(jié)構(gòu)(護(hù)坡格構(gòu)和排水系統(tǒng))完整、無破壞，僅滑坡后緣和兩側(cè)邊溝砼梁受潮表面有輕微腐蝕?，F(xiàn)今坡體上部修路建房(后緣加載)，人類工程活動頻繁,但位移監(jiān)測未見異常(在合理波動范圍內(nèi))，滑坡災(zāi)害治理至今坡表未發(fā)現(xiàn)明顯變形跡象。

為了驗(yàn)證本模型的可靠性，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和查閱設(shè)計(jì)施工資料、監(jiān)測位移數(shù)據(jù)后，運(yùn)用本文構(gòu)筑的評價(jià)模型，通過隸屬函數(shù)求出每一個(gè)評價(jià)結(jié)果相對應(yīng)的各個(gè)評判因素對的隸屬度，可得R(U×V上的模糊子集)：

由表2可知，特大滑坡災(zāi)害防治后效果評價(jià)的11項(xiàng)評價(jià)因素權(quán)向量：

A =ωDF′

= (0.043，0.043，0.085，0.065，0.029，0.075，

0.063，0.127，0.275，0.135，0.060)

因此，B=A·R=(0.6656，0.6055，0.5186，0.3274)

由模糊判斷最大隸屬原則可知，劉家包特大滑坡防治工程防治效果為優(yōu)秀。與現(xiàn)場傳統(tǒng)定性判別結(jié)果相吻合，說明該模型具有較好的適用性，為三峽庫區(qū)類似特大滑坡災(zāi)害的防治工程效果的評價(jià)提供了一定的參考作用。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合三峽庫區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)，提出了滑坡防治工程效果評價(jià)的11項(xiàng)指標(biāo)因子與評價(jià)體系，包括滑坡基本要素、治理設(shè)計(jì)、施工組織、穩(wěn)定狀況、治理效益5大方面，并將評價(jià)結(jié)果分為優(yōu)秀、良好、一般、差4個(gè)等級。

(2)構(gòu)建了防治工程效果評價(jià)模型，采用AHP法確定了各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并且利用綜合模糊評價(jià)方法獲取模糊關(guān)系矩陣，由權(quán)向量與模糊矩陣進(jìn)行“合成”得到綜合隸屬度。

(3)以三峽庫區(qū)劉家包滑坡防治工程為典型實(shí)例，采用上述評價(jià)模型，得出滑坡防治效果為優(yōu)秀，與現(xiàn)場判別相吻合。

滑坡防治工程效果評價(jià)是一個(gè)涉及多門學(xué)科的系統(tǒng)研究課題，并且開展滑坡防治效果評價(jià)方法的研究還是一個(gè)探索的過程，尤其在評價(jià)模型的建立以及隸屬函數(shù)的選擇方面還有待于進(jìn)一步的研究。

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Study on Evaluation Approach to the Effect of Landslide Hazards Prevention and Control Engineering/

SONGJun1,2,YUZhuang-yan2,3,CHENGYing-jian2,4,ZHANGYong2,4

(1.Chengdu University of Technology, Chengdu Sichuan 610059, China; 2.Institute of Exploration Technology, CAGS, Chengdu Sichuan 611734, China; 3.China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 4.Technical Center for Geological Hazard Prevention and Control, CGS, Chengdu Sichuan 611734, China)

The evaluation of the effect of landslide hazards prevention and control is a systematic project. Based on a great deal of field survey, an evaluation index system including 5 first-level indexes (basic element of landslide, control design, construction organization, stability and treatment benefit) and 11 second-level indexes are established. Based on the comprehensive fuzzy hierarchy estimation, the weight of each index is determined and the maximum subordinate degree of control effect is calculated. Taking the case of Liujiabao landslide in the Three Gorges Reservoir as an example, the calculation shows that the effect of control engineering is excellent; this is consistent with the actual situation, and the reliability of this method is verified.

geological hazard; landslide; prevention and control engineering; evaluation system; comprehensive fuzzy hierarchy theory; subordinate degree; effect assessment

2017-03-10

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目專題“三峽庫區(qū)特大滑坡災(zāi)害防治技術(shù)與示范”(編號：2012BAK10B02-3)

宋軍，男，漢族，1963年生，教授級高級工程師，成都理工大學(xué)在讀博士，長期從事地質(zhì)鉆探技術(shù)和地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研究工作，四川省成都市郫縣成都現(xiàn)代工業(yè)港港華路139號，songjun801@163.com。

P642.22

A

1672-7428(2017)04-0080-05