基于層次分析法的杭長高速巖溶塌陷易發(fā)性評價

曾 斌,楊木易,邵長杰,陳植華,彭丁茂,鄭束寧

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074；2.建設綜合勘察研究設計院有限公司巖土二公司，北京 100007；3.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310000)

浙江省以覆蓋型巖溶為主，巖溶區(qū)內(nèi)地面塌陷地質(zhì)災害具有極強的隱蔽性和突發(fā)性，主要的巖溶現(xiàn)象以地下埋藏空洞、溶蝕溝槽、洞穴溶隙和暗河等為主[1-4]。浙江省已建的杭金衢高速、黃衢南高速、杭徽高速、紹諸高速、杭新景高速、杭長高速北延、杭寧高速等高速公路，由于部分段穿越覆蓋型巖溶地區(qū)，在建設中遇到了不少地面塌陷或橋梁施工時的塌孔和漏漿問題，直接影響和威脅到了高速公路工程的安全穩(wěn)定、施工難度及工程造價。如2001年1月杭金衢高速公路衢州段建設過程中，常山港特大橋施工中遇到溶洞，3 m高的鋼護筒突然下沉，地表出現(xiàn)了一個直徑6 m多、深3 m的大洞；衢南高速公路某段于2010年發(fā)生路面塌陷，塌坑平面呈8.3 m×7 m橢圓形，深約6 m，對公路的運營安全產(chǎn)生了直接影響。

鑒于覆蓋型巖溶區(qū)塌陷的隱蔽性及危害性，諸多學者對巖溶塌陷的易發(fā)性進行了研究。如Gao等[5]通過建立評估模型，量化了基巖巖性、基巖覆蓋層厚度、巖溶塌陷密度及鄰域的影響，并利用GIS技術評價了明尼蘇達州東南地域的巖溶塌陷易發(fā)性；Taheri等[6]對伊朗Hamadan省的巖溶塌陷易發(fā)性進行了評價；Doctor等[7]應用地質(zhì)權重回歸分析GWR法對西弗吉尼亞Jefferson縣的巖溶塌陷易發(fā)性進行了評價；曾曉燕等[8]、康厚榮等[9]、潘宗源等[10]將層次分析法與GIS技術相結合，對研究區(qū)進行了巖溶塌陷易發(fā)性評價；谷永磊等[11]、毛邦燕[12]、魏愛華等[13]以灰色模糊集合理論為基礎，建立了巖溶塌陷灰色模糊綜合評判模型，對隧道區(qū)進行了巖溶塌陷危險性評價；陳靜等[14]、金江軍等[15]分別采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型對唐山市和鞍山城區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進行了區(qū)劃[16]；周國清等[16]使用邏輯回歸模型對來賓市的巖溶塌陷進行了敏感性評價。

綜上可見，在過去的研究中對于區(qū)域性的巖溶塌陷易發(fā)性研究較多。但由于線性工程本身對于所經(jīng)過路段地下水流場會有所影響，同時對于工程建設或管理部門而言，線性工程通過地段的塌陷易發(fā)性評價成果將更具有針對性與實用性。鑒于此，本文擬通過對影響浙江省公路建設的巖溶環(huán)境因素的分析，建立合理的評價指標體系，并基于層次分析法，以浙江省在建杭長高速公路為例，完成該線路段巖溶塌陷易發(fā)性評價，以為浙江省公路工程的規(guī)劃、建設與防災減災管理提供有益參考。

1 項目基本概況

在建杭長高速公路北延段以杭長高速公路泗安至安城段與申蘇浙皖高速公路交叉點(泗安樞紐)為起點，向北經(jīng)二界嶺、白峴，終于浙蘇界至江蘇宜興茗嶺鎮(zhèn)，線路全長30.42 km。在地質(zhì)勘察過程中，該線路多個路段均揭露了不同程度的巖溶現(xiàn)象。

1. 1 氣象水文條件

研究區(qū)多年平均降雨量為1 100～1 350 mm，其中5～6月份為梅雨季節(jié)，降雨量小而持續(xù)時間長，有利于地下水補給，7～10月份受熱帶風暴及臺風影響，常降大雨或暴雨。

研究區(qū)流域范圍內(nèi)較大河流為泗安港、合溪等，注入太湖，均屬長江水系，河流呈山溪間歇性特征，源短流急，谷地狹小，河床比降大，水位、水量受大氣降水的季節(jié)性變化影響顯著，洪水暴漲暴落，洪水期發(fā)生在5、6月份和8、9月份期間，水位變化幅度達4～10 m，大暴雨過后易形成山洪，在枯水季節(jié)常以排泄地下水來維持其徑流。

1. 2 地形地貌條件

研究區(qū)位于浙江省北部，地形起伏較大，地貌單元多，受構造影響，山脈、溝谷總體呈北東走向，地勢上總體北高南低。研究區(qū)南部屬長興—泗安盆地，地貌上以地形平坦開闊的沖積、沖洪積平原和低緩丘陵為主；北部多呈丘陵間夾溝谷地貌，地形起伏大，一般地面高程為70～500 m，線路影響范圍內(nèi)最高點為與江蘇省分界的黃塔頂，海拔高程為611.5 m。

1. 3 區(qū)域地質(zhì)條件

1.3.1 地層巖性

研究區(qū)地層發(fā)育較齊全，自寒武系至第四系地層均有出露。第四系地層主要包括殘坡積層、上更新統(tǒng)坡沖積、沖洪積層和全新統(tǒng)沖積層。第四系下伏基巖為碳酸鹽巖,出露的地層主要包括震旦系西峰寺組，寒武系大陳嶺組、楊柳崗組、華嚴寺組、西陽山組，奧陶系硯瓦山組，石炭系黃龍組、船山組，二疊系棲霞組、茅口組，三疊系青龍組。

1.3.2 地質(zhì)構造

研究區(qū)所處大地構造位置為揚子準地臺之錢塘臺褶帶，三疊紀印支運動以北東向褶皺構造為主，伴有斷裂發(fā)生，形成本區(qū)的構造雛形；侏羅紀燕山運動早期以斷裂為主，伴有巖漿活動，奠定了本區(qū)構造的基本輪廓，晚期表現(xiàn)為斷陷沉積；喜山期以差異沉降運動為特征，北東向和北西向斷裂構成了本區(qū)構造的基本格局。對本區(qū)影響較大的斷裂有湖州-嘉善大斷裂、長興-奉化大斷裂，褶皺構造有杭垓-長興復向斜。

2 高速公路巖溶塌陷易發(fā)性評價指標體系的構建

2. 1 評價精度的選擇

在運用GIS進行巖溶塌陷易發(fā)性評價時，需要先統(tǒng)一各評價因子的精度。評價因子的精度越高，評價結果越準確，但是處理的數(shù)據(jù)就越多，花費的時間也越長，對計算機硬件的要求越高；評價因子的精度越低，評價結果的可信度就越差。

GIS中能夠用于空間分析和疊加分析的主要有柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩種類型。由于影響因子中除了地形地貌因子是柵格數(shù)據(jù)外，其余均為矢量數(shù)據(jù)，因此DEM空間分辨率可作為單元尺度選擇的參考。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)精度為30 m，綜合考慮評價的精度和硬件設施條件，將評價單元柵格大小定為30 m，即每個像元代表30 m×30 m的工作區(qū)面積。由于本次研究區(qū)的面積較大、范圍較廣，出圖比例尺為1∶50萬，比例尺較小，而且是研究塌陷易發(fā)區(qū)，因此30 m精度可滿足要求。矢量文件以廣德幅、臨安幅、建德幅、諸暨幅、杭州幅、蘇州幅、旌德幅、衢縣幅、屯溪幅、和金華幅1∶20萬區(qū)域地質(zhì)圖為底圖進行矢量化。

2. 2 指標選取原則

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是將評價模型分為目標層、準則層、方案層等不同層次，通過相同層次兩兩因素之間的對比，逐層比較多種關聯(lián)因素之間的重要性，最后確定其整體影響特征的方法。評價巖溶地面塌陷易發(fā)性的指標眾多，并且每一種評價指標中均包含了多個不同的評價因子，雖然各單因素對巖溶塌陷易發(fā)性的重要程度難以直接確定并加以量化，但是根據(jù)對基礎資料的分析，并結合野外調(diào)查結果，兩個因素之間的相對重要性還是比較容易確定的。因此，可以利用層次分析法確定各單因素對巖溶地面塌陷影響的重要程度。

而在進行覆蓋型巖溶塌陷易發(fā)性評價時，評價指標的選取必須遵循綜合性、客觀性、重要性、類比性和實用性原則。

2. 3 指標的篩選及量化

巖溶塌陷是多因素共同作用形成的，浙西北覆蓋型巖溶塌陷的影響因素主要有巖溶發(fā)育條件、覆蓋層條件、區(qū)域構造、地下水活動和工程建設等。其中，巖溶發(fā)育條件是發(fā)生巖溶塌陷的最基本條件，是地下水和塌陷物質(zhì)的存儲場所和物質(zhì)轉(zhuǎn)移通道；覆蓋層條件是巖溶塌陷的物質(zhì)來源，也是巖溶塌陷發(fā)生的主要控制因素，其與巖溶發(fā)育條件共同構成了浙西北覆蓋型巖溶塌陷形成的內(nèi)因；地下水活動、地形地貌和工程建設控制水文條件，是巖溶塌陷發(fā)生的主要動力條件。據(jù)此分層次建立了浙西北在建杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性評價指標體系的層次結構模型，見圖1。

圖1 杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性評價指標體系層次 結構模型Fig.1 Hierarchy index model of karst collapse suscepti- bility index system for Hangchang expressway

依據(jù)圖1中層次分析的思想，可以初步確定如下8個影響因子：巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況、鉆孔遇洞率、覆蓋層巖性、覆蓋層厚度、地下水水位埋深、地下水流向與高速公路的空間關系、地形坡度和距斷層距離。但這僅僅是從巖溶塌陷機理分析的角度來看待影響因子的，即因子與巖溶塌陷是否有關；從另一個方面，即利用影響因素進行巖溶塌陷易發(fā)性評價的角度來看，還必須考慮到因子是否具備大規(guī)模區(qū)域采集和進行數(shù)字化的可能性，基于這一考慮，本文對初步選定的8個影響因子再逐一進行進一步的篩選，并根據(jù)篩選后評價因子對巖溶塌陷易發(fā)性的影響程度，以數(shù)值“1～7”按照等差數(shù)列對評價因子進行賦值，賦值越大，代表對巖溶塌陷易發(fā)性的影響程度越大。

2.3.1 巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況

第四系下伏基巖為碳酸鹽巖是巖溶塌陷形成的物質(zhì)基礎，直接影響巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況。碳酸鹽巖純度是直接控制巖溶發(fā)育強度的內(nèi)在因素，巖性不同的碳酸鹽巖其所含可溶性礦物成分含量不同，即碳酸鹽巖純度不同。碳酸鹽巖中可溶性礦物主要為方解石(CaCO3)和白云石兩類，方解石含量越高，巖石溶解性越強，巖溶越可能發(fā)育，因此巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況可以由第四系下伏基巖巖性反映。據(jù)中國巖溶學研究，碳酸鹽巖的可溶性可以分為5個等級：灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)云灰?guī)r，灰質(zhì)白云巖、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r，泥質(zhì)灰云巖、泥質(zhì)白云巖，非可溶巖。據(jù)此將研究區(qū)下伏基巖分為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和白云巖三類。

該指標無法從1∶20萬地質(zhì)圖上直接獲取，地質(zhì)圖上只可以獲取裸露的碳酸鹽巖區(qū)域的巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況，但是該指標可以根據(jù)地質(zhì)圖上第四系兩側碳酸鹽巖地層界線的走向趨勢、碳酸鹽巖地層的傾向以及利用斷層作為地層界線進行判斷推測，通過人工圈畫進行采集。巖溶圖層采集完畢之后，運用ArcGIS將得到的矢量圖件轉(zhuǎn)化為柵格圖件。

根據(jù)不同碳酸鹽巖巖性對巖溶塌陷的影響程度不同，對研究區(qū)下伏碳酸鹽巖區(qū)域巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況進行賦值(見表1)，賦值越大，表示對巖溶塌陷的影響程度就越大，其分區(qū)圖見圖2。

表1 研究區(qū)巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況賦值表

圖2 研究區(qū)巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況分區(qū)圖Fig.2 Map of karst development and dissolution of the study area

2.3.2 鉆孔遇洞率

根據(jù)杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性評價指標體系可知，鉆孔遇洞率與巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況共同控制巖溶發(fā)育條件，通過杭長高速的鉆孔資料可以獲取鉆孔遇洞率，通過對鉆孔遇洞率分區(qū)進行人工圈畫，運用ArcGIS將圈畫的矢量圖件轉(zhuǎn)化為柵格圖件。對研究區(qū)鉆孔遇洞率進行賦值見表2，賦值越大，表示對巖溶塌陷的影響程度就越大，其分區(qū)圖見圖3。

表2 研究區(qū)鉆孔遇洞率賦值表

圖3 研究區(qū)鉆孔遇洞率分區(qū)圖Fig.3 Map of drilling hole rate of the study area

2.3.3 覆蓋層巖性

在浙西北地區(qū)，當覆蓋層巖性為粉砂及砂礫石時最容易發(fā)生巖溶塌陷，其次為粉質(zhì)黏土和黏土地區(qū)。而黏性土中新黏性土(Q4)比老黏性土(Q2-3)容易發(fā)生塌陷，粉質(zhì)黏土比黏土容易發(fā)生塌陷。

杭長高速公路位于1∶20萬廣德幅地質(zhì)圖中，通過地質(zhì)圖中的綜合地層柱狀剖面圖和鉆孔數(shù)據(jù)可知，上覆第四系的巖性均為亞黏土，而新黏性土(Q4)比老黏性土(Q2-3)容易塌陷，因此在本次巖溶塌陷易發(fā)性評價中可以將覆蓋層巖性指標轉(zhuǎn)化為覆蓋層時代指標，由覆蓋層時代來判斷巖溶塌陷易發(fā)性程度，即根據(jù)地層時代將覆蓋層劃分為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)三類。

該指標可以通過矢量化1∶20萬廣德幅地質(zhì)圖上的第四系地層進行提取，提取之后運用ArcGIS將提取到的覆蓋層性質(zhì)矢量圖件轉(zhuǎn)化為柵格圖件。

由于不同的覆蓋層時代對巖溶塌陷的影響程度不同，因此對研究區(qū)覆蓋層時代進行賦值見表3，賦值越大，表示對巖溶塌陷的影響程度就越大，其分區(qū)圖見圖4。

表3 研究區(qū)覆蓋層時代賦值表

圖4 研究區(qū)覆蓋層時代分區(qū)圖Fig.4 Map of cover lithology of the study area

2.3.4 覆蓋層厚度

由于對在建高速公路進行易發(fā)性評價時擁有大量的鉆孔數(shù)據(jù)，因此覆蓋層厚度可以通過對杭長高速公路的鉆孔數(shù)據(jù)進行插值獲取，插值方法選用反向距離權重法(IDW)，插值范圍與公路緩沖區(qū)范圍一致。

由于杭長高速公路穿越地區(qū)覆蓋層厚度較薄，均小于20 m，因此對研究區(qū)覆蓋層厚度進行賦值見表4，賦值越大，表示對巖溶塌陷的影響程度就越大，其分區(qū)圖見圖5。

表4 研究區(qū)覆蓋層厚度賦值表

圖5 研究區(qū)覆蓋層厚度分區(qū)圖Fig.5 Map of cover thickness of the study area

2.3.5 地下水水位埋深

地下水水位埋深越淺，地下水水位越容易波動，從而更可能發(fā)生巖溶塌陷。因此地下水水位空間分布及水位變幅可以由地下水水位埋深指標來反映。

地下水水位埋深的數(shù)據(jù)可以通過對杭長高速公路鉆孔數(shù)據(jù)進行插值獲取，插值方法選用反向距離權重法(IDW)，插值范圍與公路緩沖區(qū)范圍一致。

由于地下水水位埋深不同對巖溶塌陷的影響程度也不同，因此對研究區(qū)地下水水位埋深進行賦值見表5，賦值越大，表示對巖溶塌陷的影響程度就越大，其分區(qū)圖見圖6。

表5 地下水水位埋深賦值表

圖6 研究區(qū)地下水水位埋深分區(qū)圖Fig.6 Map of groundwater level of the study area

2.3.6 地下水流向與高速公路的空間關系

當路基與地下水流向正交時，第四系地層主要為黏性土，路基填筑高度較大時，對上部第四系土層有壓密作用，影響其滲透性，由于路幅寬度較大，路基兩側水頭差增大，水力梯度變大，導致巖溶地下水系統(tǒng)發(fā)生改變，需要尋找一種新的平衡，這種情況下往往容易發(fā)生巖溶塌陷。

當路基與地下水流向平行時，一般不會對巖溶地下水系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的影響，對場地的穩(wěn)定性影響較小，但這時要注意線路不要位于主要的徑流帶，若處于巖溶水管道強烈發(fā)育路段，則亦可能對巖溶地下水系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的影響。

當路基與地下水流向斜交時，雖然沒有正交型影響強烈，但也較大地改變了巖溶地下水系統(tǒng)，也有可能對巖溶水系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

通過ArcGIS的AHGW(Arc Hydro Groundwater Tools)模塊得到地下水流向后，對地下水流向與高速公路的空間關系進行人工圈畫，運用ArcGIS將圈畫的矢量圖件轉(zhuǎn)化為柵格圖件。對研究區(qū)地下水流向與高速公路的空間關系進行賦值見表6，賦值越大，表示對巖溶塌陷的影響程度就越大，其分區(qū)圖見圖7。

表6 研究區(qū)地下水流向與高速公路的空間關系賦值表

圖7 研究區(qū)地下水流向與高速公路的空間關系分區(qū)圖Fig.7 Map of the space relationship between groundwater flow directions and the trend of the expressway of the study area

2.3.7 地形坡度

地下水徑流條件主要受區(qū)域地貌的控制，地貌是影響地下水循壞交替的重要因素之一，直接影響降水滲入量的多少，從而影響地下水的徑流條件和巖溶發(fā)育情況。地貌對巖溶塌陷的影響大小可體現(xiàn)為地形坡度的大小。地形坡度較小時，地表徑流緩慢，降雨入滲量大，促進了地下水的循環(huán)交替，巖溶相對較發(fā)育；而在地形坡度較大時，地表水流為快速徑流，難以形成下滲過程，降雨入滲量較小，地下水徑流較弱，巖溶發(fā)育較差。

將研究區(qū)地形坡度劃分為0～10°、10°～25°、25°～45°和>45°四類，研究區(qū)地形坡度可以通過30 m精度的DEM數(shù)據(jù)運用ArcGIS的空間計算功能進行提取。由于不同的地形坡度對巖溶塌陷影響程度不同，因此對研究區(qū)地形坡度進行了賦值(見表7)，賦值越大，表示對巖溶塌陷的影響程度就越大，其分區(qū)圖見圖8。

表7 研究區(qū)地形坡度賦值表

圖8 研究區(qū)地形坡度分區(qū)圖Fig.8 Map of terrain slope of the study area

2.3.8 距斷層距離

地質(zhì)構造對于巖溶塌陷的影響可轉(zhuǎn)化為斷層對巖溶塌陷的影響，并且斷層對巖溶塌陷的影響程度可以體現(xiàn)在距離上，距離斷層越近，巖體越破碎，對巖溶塌陷的影響程度越大。

該指標可以通過矢量化1∶20萬廣德幅區(qū)域地質(zhì)圖上的斷層進行提取。提取時應注意對不連續(xù)的斷層進行合理的推測，尤其是當?shù)谒南祬^(qū)域兩側均存在走向一致的斷層時，需要在第四系區(qū)域內(nèi)勾畫出推測的斷層。由于1∶20萬廣德幅區(qū)域地質(zhì)圖上斷層數(shù)量較多，如果對所有斷層進行緩沖區(qū)分析，計算量較大。杭長高速公路緩沖區(qū)范圍為2 km，因此可以選取該緩沖區(qū)范圍內(nèi)的斷層進行緩沖區(qū)分析，緩沖區(qū)距離選擇0～600 m、600～1 200 m，1 200～1 500 m以及>1 500 m四類，運用ArcGIS的融合功能將得到的不同緩沖區(qū)的圖層融合在同一個圖層后，再將該圖層轉(zhuǎn)化為柵格圖件。

由于距離斷層的遠近對巖溶塌陷影響程度不同，因此對研究區(qū)距斷層的距離進行了賦值(見表8)，賦值越大，表示對巖溶塌陷的影響程度就越大，其分區(qū)圖見圖9。

表8 研究區(qū)距斷層距離賦值表

圖9 研究區(qū)距斷層距離分區(qū)圖Fig.9 Map of the distance from fault of the study area

3 杭長高速公路塌陷易發(fā)性評價與防治對策

根據(jù)前文分析可知，對于在建杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性評價指標體系也可以分為巖溶發(fā)育條件、覆蓋層條件、水文條件和地貌及構造條件四大類。其中，巖溶發(fā)育條件可以分解為巖溶發(fā)育情況和溶蝕情況以及鉆孔遇洞率；覆蓋層條件可以分解為覆蓋層巖性和覆蓋層厚度；水文條件可以分解為地下水水位埋深和地下水流向與高速公路的空間關系；地貌及構造條件可以分解為地形坡度和距斷層距離。浙西北杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性評價指標體系層次結構模型，見圖1。

3. 1 指標權重計算

各評價因子的權重需要通過構造判斷矩陣來確定。判斷矩陣表示針對上一層某因素，本層與之有關的各因素之間的相對重要性的比較。為了使各因素的相對重要性定量化，本文采用A.L.Satty引入的標度方法，其含義見表9[17]。

表9 標度方法含義[17]

判斷矩陣及其標度含義確定了每一層中各因素的相對重要性，本文按照該標度方法建立的判斷矩陣見表10至表14。

表10 目標層與條件層的判斷矩陣

注：一致性檢驗結果CR=0.005 4。

表11 條件層B1(巖溶發(fā)育條件)與因子層(C1、C2)的 判斷矩陣

注：一致性檢驗結果CR=0.000 0。

表12 條件層B2(覆蓋層條件)與因子層(C3、C4)的 判斷矩陣

注：一致性檢驗結果CR=0.000 0。

表13 條件層B3(水文條件)與因子層(C5、C6)的判斷矩陣

注：一致性檢驗結果CR=0.000 0。

表14 條件層B4(地貌及構造條件)與因子層(C7、C8)的 判斷矩陣

注：一致性檢驗結果CR=0.000 0。

通過計算各判斷矩陣的特征向量，歸一化后即可得到各評價因子的相對權重值。從判斷矩陣得出的因子權重值是否合理還需要進行一致性檢驗，若檢驗結果CR<0.1時才認為權重分配是合理的。經(jīng)過計算及反復調(diào)試，得到各評價因子的權重分配，見表15。

表15 各評價因子權重分配表

3. 2 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)

巖溶塌陷易發(fā)性評價模型釆用加權平均法，模型綜合考慮各種影響因素的重要性，并根據(jù)評價指標的相對重要程度來分配不同的權值，該模型數(shù)學形式如下:

H=n1C1+n2C2+…+nnCn

式中：H為評價結果；Ci為各評價指標值；ni為指標權重。

根據(jù)前文評價因子權重值的計算，可以得到浙西北杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性評價的數(shù)學表達式為

H=0.130 8×C1+0.026 2×C2+0.204 0×C3+0.068 0×C4+0.402 3×C5+0.080 5×C6+0.044 1×C7+0.044 1×C8

運用ArcGIS的模型計算功能，對杭長高速公路進行巖溶塌陷易發(fā)性評價。按照層次分析法建立的評價模型將巖溶塌陷易發(fā)性評價各因子的單因素影響分區(qū)圖進行疊加計算，得到了研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性評價結果，此時研究區(qū)中最大像元值為6.864 7，各柵格像元中便儲存有反映其評價結果的屬性信息，該值越大，表明更容易發(fā)生巖溶塌陷；再按照自然斷點法對評價區(qū)像元值進行分級，將其劃分為4.100 9～5.221 3、5.221 3～6.150 5和6.102 7～6.864 7三個等級，分別對應巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)，從而得到研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖，見圖10。

圖10 杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖Fig.10 Zoning map of karst collapse susceptibility of Hangchang expressway

通過GIS空間分析功能及數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能可得，杭長高速公路全長30.42 km，分別有1.978 3 km、0.404 0 km和0.382 4 km穿越巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)，分別占線路全長的6.50%、1.30%和1.26%。杭長高速公路穿過不同程度巖溶塌陷易發(fā)性區(qū)域的長度分別列于表16。

表16 杭長高速公路穿過不同程度巖溶塌陷易發(fā)性 區(qū)域的長度統(tǒng)計表

由表16可見，杭長高速公路中經(jīng)過巖溶塌陷易發(fā)區(qū)的路段主要有6段，其中K99+555～K99+700、K115+134.5～K115+809.9和K116+663.3～K117+308.2路段只經(jīng)過巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)，長度分別為0.145 0 km、0.675 4 km和0.644 9 km；K113+0～K113+319和K119+396.8～K120+373.2路段分別經(jīng)過巖溶塌陷的高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)。

3. 3 防治對策與建議

根據(jù)杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性程度分區(qū)，這三個區(qū)域在進行路基施工時需要采用不同的處理方法：

(1) 巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)：采用注漿等方法進行巖溶處理，路基填方中增加土工格柵等加筋材料增加路基的整體性；加強泉水的引排工作，地下水埋深淺、上部土層性質(zhì)差時，采用卵礫石等透水性材料換填；加強涵洞處基礎的處理，防止涵管開裂漏水；禁止在路基附近大規(guī)模開采地下水。

(2) 巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)：對地基土普遍采用強夯方法進行處理，在路基填方中增加土工格柵等加筋材料增加路基的整體性；加強涵洞處基礎的處理，防止涵管開裂漏水；禁止在路基附近大規(guī)模開采地下水。

(3) 巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)：對地基土普遍采用強夯方法進行處理，若有異常，根據(jù)情況增加處理措施；若無異常，則直接填筑路基。

巖溶區(qū)道路在運營期間需要進行安全監(jiān)測，在監(jiān)測時以人工日常觀測、巖溶區(qū)水文專項觀測為主，地質(zhì)雷達定期檢測為輔，并根據(jù)巖溶塌陷易發(fā)性等級的不同進行分級管理，采用不同的巡查和監(jiān)測方法，確定不同的巡查和監(jiān)測頻率。其中，人工日常觀測主要包括：路基、路面的沉降、裂縫觀測，不同構筑物的表觀觀測，線路附近重點工程的觀測和監(jiān)測范圍內(nèi)地表塌陷的觀測，對新發(fā)生裂縫進行即時連續(xù)觀測。水文專項觀測包括：井、泉等地下水露頭的觀測；重點路段的地下水水位自動連續(xù)監(jiān)測，井、泉等觀測點可以反映巖溶水環(huán)境的變化，地下水水位自動連續(xù)監(jiān)測可以反映巖溶塌陷的即時變化。地質(zhì)雷達監(jiān)測精度高，定期檢測可防范短時間內(nèi)巖溶塌陷的突然發(fā)生。

4 結 論

本文在對浙西北在建杭長高速公路基礎地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件調(diào)查認知以及勘察資料系統(tǒng)收集整理和總結分析的基礎上，對研究區(qū)巖溶發(fā)育形態(tài)及空間分布、巖溶發(fā)育控制因素和巖溶塌陷影響因素進行了系統(tǒng)研究，構建了針對覆蓋型巖溶區(qū)高速公路工程建設的評價指標體系，運用層次分析法建立了巖溶塌陷易發(fā)性預測模型，實現(xiàn)了杭長高速公路巖溶塌陷易發(fā)性評價，并針對不同巖溶塌陷易發(fā)程度進行分區(qū)，提出了可行的施工處理及監(jiān)測方案。該研究結果可為浙江省及臨近省份覆蓋型巖溶區(qū)高速公路工程的規(guī)劃、建設與防災減災管理提供參考。

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