基于層次分析法的涇陽南塬黃土滑坡影響因素綜合研究

何光洪，梁 燕，鄧炎倩，鄭 甜，陳 晨，劉栓栓

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064)

涇陽南塬位于我國(guó)陜西省咸陽市涇陽縣涇河南岸，臺(tái)塬主要以黃土為主。也正是由于區(qū)域內(nèi)的黃土具有大孔隙、結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理顯著、遇水極易濕陷的特點(diǎn)，再加上該地區(qū)近四十年來農(nóng)業(yè)灌溉水量的增加，導(dǎo)致涇陽南塬黃土滑坡頻繁發(fā)生，造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

目前關(guān)于涇陽南塬黃土滑坡主要集中在類型劃分[1-2]、穩(wěn)定性研究[3-5]和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[6-7]等方面。關(guān)于滑坡的形成機(jī)理，雷祥義[8]分析了人類不合理的引用地表水灌溉，改變了地下水文條件，從而降低了土體的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致黃土滑坡形成。王德耀等[1]通過對(duì)涇陽南塬黃土滑坡災(zāi)害的分布特征和形成規(guī)律進(jìn)行研究，得出了該地區(qū)的滑坡災(zāi)害形成的基礎(chǔ)是活動(dòng)構(gòu)造、地震、地貌、地層巖土、河流侵蝕等因素，而人類過度擾動(dòng)及農(nóng)業(yè)灌溉是災(zāi)害形成的誘發(fā)因素。許領(lǐng)等[9]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作，初步分析了地下水位上升誘發(fā)高速遠(yuǎn)程滑坡機(jī)制、塬邊地裂縫成因機(jī)制、滑坡高陡后壁成因機(jī)制及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法及黃土滑坡演化機(jī)制與演化平衡等工程地質(zhì)問題。段釗等[10]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)涇陽南塬滑坡的多序次成因機(jī)制進(jìn)行了初步探討，得出了地下水上升是滑坡形成的主要因素，前序次滑坡為后序次滑坡的孕育和發(fā)展提供了滑動(dòng)條件。郭晨等[11]基于無人機(jī)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)含水率試驗(yàn)以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)蔣劉4#滑坡進(jìn)行分析研究，得出大面積灌溉以及引水渠漏水嚴(yán)重造成大量水體下滲，下滲水體在古土壤層上停滯，造成古土壤層上鄰近土體接近飽和，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降。許強(qiáng)等[12]利用無人機(jī)航測(cè)和三維激光掃描，得出了長(zhǎng)期引水灌溉是涇陽南塬滑坡發(fā)生的基本條件；坡腳滯水軟化作用、與灌溉渠較短的滲透距離、坡腳凍結(jié)黃土春季解凍是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的直接原因。馬鵬輝等[13]通過研究蔣劉村附近的滑坡-泥流，發(fā)現(xiàn)滑坡區(qū)古土壤的隔水效應(yīng)很強(qiáng)導(dǎo)致古土壤層形成滯水層，黃土層開始積水形成高含水量帶，從而形成易滑層。馬鵬輝等[14]通過詳細(xì)的野外調(diào)查、測(cè)量、勘探等工作，分析了“5.26”滑坡的誘發(fā)因素，得出了該滑坡的主要激發(fā)因子為持續(xù)灌溉，但是地表顯式裂縫和土體深部裂隙在地表徑流優(yōu)勢(shì)入滲中發(fā)揮了重要作用，導(dǎo)致地下水位持續(xù)抬升，也為滑坡失穩(wěn)創(chuàng)造了條件。

在涇陽南塬黃土滑坡的形成機(jī)理的眾多研究中，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉、降雨、凍融、土層巖性、地形地貌、坡高、坡腳等因素都與滑坡的發(fā)生存在關(guān)系。但是，關(guān)于這些因子在滑坡孕育和發(fā)展過程中分別占據(jù)多大的作用并不明朗，也沒一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)。因此，本研究主要運(yùn)用層次分析法，選取農(nóng)業(yè)灌溉、降雨、凍融、土層巖性、地形地貌、坡高、坡腳等指標(biāo)，得到各影響因子在滑坡過程中所占的貢獻(xiàn)值，從而為涇陽南塬以及同類型的滑坡災(zāi)害預(yù)警和防治提供一定的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

涇陽南塬位于陜西省涇陽縣涇河南岸，自1976年以來，該區(qū)域黃土滑坡頻繁發(fā)生，其中以蔣劉村至廟店村段滑坡災(zāi)害最為密集(見圖1)。塬面高程處于440 m～490 m之間，塬邊陡坡坡度約40°～80°，邊坡垂直高度位于40 m～90 m之間(見圖2)。南塬地層較為復(fù)雜，從塬面往下依次分布著Q3黃土、Q2黃土以及Q1黃土，其間還分布著多層古土壤層(見圖3)。

圖1 研究區(qū)滑坡分布圖

圖2 南塬滑坡圖

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

2 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種可以有效分解復(fù)雜實(shí)際問題，并將其描述為一個(gè)多層次結(jié)構(gòu)的決策方法。涇陽南塬滑坡影響因子眾多，評(píng)估各滑坡因子在滑坡形成過程中的貢獻(xiàn)值是一個(gè)復(fù)雜的體系，運(yùn)用層次分析法可以很好的得出各因子對(duì)滑坡的影響程度。

2.1 評(píng)價(jià)因子的選取

根據(jù)野外勘探和查詢文獻(xiàn)資料，總結(jié)出了研究區(qū)滑坡形成的13個(gè)主要因子。分別為邊坡高度、坡度、坡向、坡形、黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度、地下水位、灌溉、降雨、坡腳開挖、凍融以及地震因子。

2.2 層次模型的構(gòu)建

層次分析模型主要由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層構(gòu)建起來的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，定量確定涇陽南塬各滑坡因子在滑坡孕育和發(fā)展的過程中所發(fā)揮的作用是一個(gè)復(fù)雜的體系，根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)研讀和實(shí)地考察，本文層次模型的構(gòu)建如圖4所示。

圖4 層次分析模型

2.3 判斷矩陣的構(gòu)建

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、查閱資料和聽取專家意見，根據(jù)圖4層次模型指標(biāo)層中滑坡影響因子兩兩之間的重要性程度，進(jìn)行判斷矩陣的構(gòu)建。在進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的比對(duì)時(shí)，采用九標(biāo)度法[15]。所構(gòu)造的判斷矩陣如下：

2.4 一致性檢驗(yàn)

求解出的判斷矩陣最大特征根λmax，當(dāng)最大的特征根大于判斷矩陣的階數(shù)時(shí)，說明判斷矩陣出現(xiàn)了一定的偏差。為了確保判斷矩陣的準(zhǔn)確性和可信性，就需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)主要通過CI和CR值進(jìn)行判斷，其計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，通過表1得到，然后根據(jù)式(1)、式(2)得到CI值和CR值。當(dāng)CR<0.1時(shí)，判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)，滿足一致性要求，證明判斷矩陣可用作涇陽南塬黃土滑坡的各影響因子的貢獻(xiàn)值的確定。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

3 結(jié)果分析

根據(jù)層次分析法計(jì)算準(zhǔn)則層的貢獻(xiàn)值，其結(jié)果如表2所示。由表2可知，在涇陽南塬黃土滑坡的形成過程中，誘發(fā)因子占據(jù)十分重要的作用，其貢獻(xiàn)值達(dá)到64.8%，這說明涇陽南塬黃土滑坡受外部因素影響顯著，這也符合近40年來滑坡次數(shù)增多，是與農(nóng)業(yè)灌溉量的增加以及人類活動(dòng)頻繁密切相關(guān)。而地形地貌和地質(zhì)條件屬于內(nèi)部因素，在滑坡的形成過程中，所占的比重相對(duì)較小，貢獻(xiàn)值分別為23.0%和12.2%。根據(jù)一致性檢驗(yàn)結(jié)果(見表2)，CR=0.004<0.1，判斷矩陣通過檢驗(yàn)，因此層次分析結(jié)果準(zhǔn)確有效。

根據(jù)地形地貌的指標(biāo)層因子貢獻(xiàn)值計(jì)算結(jié)果(見表3)，邊坡的角度是滑坡孕育和發(fā)展過程中的最主要的因素，其貢獻(xiàn)值為52.8%。涇陽南塬邊坡的坡度范圍為50°～80°,且坡度越高的地方滑坡的可能性越大，滑坡的次數(shù)也最頻繁，邊坡的高度位于40 m～90 m之間[16]，坡度越高的地方滑坡概率越大，坡度對(duì)滑坡的貢獻(xiàn)值達(dá)到35.1%。涇陽南塬黃土滑坡受坡向和坡形的影響相對(duì)較小，其貢獻(xiàn)值分別為4.6%和7.5%。

表2 準(zhǔn)則層AHP層次分析結(jié)果

表3 地形地貌AHP層次分析結(jié)果

由地質(zhì)條件各影響因子貢獻(xiàn)值計(jì)算結(jié)果(見表4)可知，涇陽南塬黃土滑坡的地質(zhì)條件對(duì)滑坡的形成影響最大的是黏聚力和內(nèi)摩擦角，其貢獻(xiàn)值為36.4%。土性參數(shù)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，而黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，重度γ對(duì)滑坡影響不顯著[3]。一般的，土體中黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的值越大，則該土體的抗剪強(qiáng)度也就越大，邊坡的安全系數(shù)也就越大，穩(wěn)定性程度也就越高，發(fā)生滑坡的概率也就越小。此外，地下水位的變化也是滑坡形成的重要原因，貢獻(xiàn)值達(dá)到20.7%。近四十年來南塬地下水位不斷升高[14]，導(dǎo)致土壤中孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力變小，有效應(yīng)力也相應(yīng)變小，土體抗剪強(qiáng)度減弱，滑坡發(fā)生概率也就隨之升高。

表4 地質(zhì)條件AHP層次分析結(jié)果

根據(jù)表5誘發(fā)因素在滑坡形成過程中的貢獻(xiàn)值計(jì)算結(jié)果可知，農(nóng)業(yè)灌溉是滑坡形成的最主要的誘發(fā)因素，其貢獻(xiàn)值達(dá)到44.6%。此外，降雨貢獻(xiàn)值也達(dá)到29.6%。農(nóng)業(yè)灌溉和降雨是地下水的主要來源，根據(jù)雷祥義[8]的研究得知，南塬地下水補(bǔ)給量，灌溉占比為59%，降雨補(bǔ)給量占比為41%。由于古土壤層具有良好的不透水性，農(nóng)業(yè)灌溉水和降雨從地表下滲，并停滯在古土壤層上，黃土在水體的浸泡之下軟化，抗剪強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[17]。地震也是誘發(fā)南塬滑坡的一項(xiàng)重要因素，貢獻(xiàn)值為12.8%，在地震的作用下，黃土極易液化，土體中的孔隙水壓力增大，抗剪強(qiáng)度驟降，從而導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的形成。而根據(jù)歷史地震相關(guān)文獻(xiàn)，陜西境內(nèi)多次發(fā)生大型地震，并且近年來，受5.12汶川地震和青海玉樹地震的影響，研究區(qū)均有較為強(qiáng)烈的震感[18-20]。坡腳開挖是滑坡形成的重要原因，由于人們開挖窯洞以及不合理的公路修筑等活動(dòng)，改變了坡體原有的結(jié)構(gòu)性，因此降低了坡體穩(wěn)定性。此外，根據(jù)歷史上該區(qū)域內(nèi)的氣溫顯示，最低溫度可以達(dá)到-20.8℃，最高溫度可達(dá)到41.4℃，具備凍融型滑坡的發(fā)育條件[21]。

對(duì)準(zhǔn)則層的貢獻(xiàn)值結(jié)果和指標(biāo)層的貢獻(xiàn)值結(jié)果進(jìn)行乘積運(yùn)算，就可以得到各因子的總貢獻(xiàn)值，并對(duì)各因子的總貢獻(xiàn)值進(jìn)行大小排序，其結(jié)果見表6。根據(jù)表6可知，涇陽南塬滑坡影響因子中，農(nóng)業(yè)灌溉是最主要的誘發(fā)因子，其貢獻(xiàn)值達(dá)到28.9%，其次是貢獻(xiàn)值為19.2%的降雨因子，邊坡的坡度貢獻(xiàn)值位居第三位，其值為12.1%，對(duì)滑坡的形成貢獻(xiàn)最小的為土體重度，其貢獻(xiàn)值為0.8%。

表5 誘發(fā)因素AHP層次分析結(jié)果

表6 AHP層次分析結(jié)果匯總

4 結(jié) 論

通過野外調(diào)查和查閱文獻(xiàn)資料，總結(jié)出涇陽南塬滑坡的13個(gè)影響因子，運(yùn)用層次分析對(duì)所有滑坡因子進(jìn)行貢獻(xiàn)值計(jì)算，其結(jié)果如下:

(1) 涇陽南塬導(dǎo)致黃土滑坡發(fā)生的因素眾多，總體上可以概括為地形地貌、地質(zhì)條件和外部誘發(fā)因素三類。根據(jù)層次分析法計(jì)算結(jié)果得知，外部誘發(fā)因素是滑坡發(fā)生的重要原因，貢獻(xiàn)值為64.8%。地形地貌對(duì)滑坡的貢獻(xiàn)度大于地質(zhì)條件，二者的貢獻(xiàn)值分別為23.0%和12.2%。

(2) 根據(jù)所有影響因子對(duì)滑坡發(fā)育的總貢獻(xiàn)值可以得出，農(nóng)業(yè)灌溉和降雨在滑坡的形成過程中占據(jù)重要作用，二者貢獻(xiàn)值總和達(dá)到48.1%。此外，邊坡的坡度(12.1%)、坡高(8.1%)以及地震因素(8.3%)，均在滑坡的孕育和發(fā)展過程中扮演重要作用。