郭延輝，楊 溢，楊志全，孔志軍

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650201)

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地面積達(dá)到1 432 960 km2，但由于水資源分布不均，很多地區(qū)農(nóng)田灌溉難度較大。在農(nóng)田水利工程中，為了更好地滿足灌溉需求，很多灌渠工程不得不修建于山坡上，這些灌渠在使用過(guò)程中，由于年久失修、堵塞和滲漏等因素易引發(fā)滑坡和泥石流等次生災(zāi)害，嚴(yán)重影響灌渠邊坡的穩(wěn)定性和周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。鑒于此，開(kāi)展農(nóng)田水利工程灌渠邊坡穩(wěn)定性分析和研究，確保灌渠的安全使用具有重要的實(shí)際意義。

截至目前，眾多學(xué)者針對(duì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，如分析了不同條件下的幾類建筑邊坡的穩(wěn)定性[1-3]；分析了幾種工況下路基路堤邊坡的穩(wěn)定性[4-6]；分別采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算等方法研究了幾個(gè)典型礦山邊坡穩(wěn)定性[7-9]；分析了水利水電工程渠道邊坡穩(wěn)定性[10-13]?？梢钥闯觯耗壳皩?duì)于建筑、礦山、水電和交通等邊坡研究較多，而對(duì)于農(nóng)田水利工程灌渠的邊坡穩(wěn)定性研究則相對(duì)不足。

麗江古城區(qū)金江鄉(xiāng)境內(nèi)金江灌渠是龍開(kāi)口水電站建設(shè)庫(kù)區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，2011 年5 月審核通過(guò)了《龍開(kāi)口水電站移民工程古城區(qū)金江灌渠技施報(bào)告》，2011 年11 月完成招標(biāo)，并于同年12 月開(kāi)工建設(shè)。金江灌渠原設(shè)計(jì)新渠建設(shè)長(zhǎng)度14 762 m，設(shè)計(jì)流量0.47 m3/s，主要是為了解決金江村3 個(gè)小組移民搬遷后淹沒(méi)線上剩余土地的灌溉用水，因外出務(wù)工人員增多，退耕還林面積增加，耕地面積有所減少，灌溉土地面積超過(guò)66.67 hm2。本研究以麗江古城區(qū)金江鄉(xiāng)境內(nèi)龍開(kāi)口水電站移民工程金江農(nóng)田灌渠邊坡為研究背景，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研基礎(chǔ)上，采用層次分析與模糊綜合評(píng)價(jià)建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)農(nóng)田灌渠邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

1.1.1地形地貌

研究區(qū)位于云貴高原和青藏高原連接處，也是滇西高原與橫斷山脈結(jié)合部。項(xiàng)目區(qū)所在地屬構(gòu)造侵蝕的中山斜坡地貌，山勢(shì)陡峻，坡度為25°～35°。沿線地形總體較陡，坡度為30°～50°，局部為陡壁和臺(tái)地，多見(jiàn)基巖出露，部分為覆蓋層，覆蓋層主要為崩坡積碎石土。渠道整體地形南高北低，溝谷切割中等，沿線海拔標(biāo)高1 705～1 440 m，地形地貌復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單類型。現(xiàn)場(chǎng)灌渠邊坡地形地貌見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)灌渠邊坡地形地貌圖Fig.1 Topographic map of on-site irrigation canal slope

1.1.2地層條件

區(qū)域分布地層主要有二疊系上統(tǒng)(P2h)石灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)(P?3)玄武巖、三疊系下統(tǒng)(T1)玄武質(zhì)礫巖、第四系泥石流堆積層碎石土、殘坡積層紅粘土、崩坡積層塊碎石土和沖洪積層砂卵礫石土。

1.1.3區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

渠道全線基本位于山坡上，地形起伏較小，稍陡，坡度25°～35°，無(wú)沖溝發(fā)育，零星分布灌木等植物。地層巖性為第四系崩坡積碎塊石土，成分為弱風(fēng)化玄武巖，碎石的粒徑多為3～15 cm，塊石為25～40 cm，部分可達(dá)50～70 cm，碎塊石含量75%～85%，結(jié)構(gòu)松散～稍密，呈次棱角～棱角狀，厚度4～15 m，渠道局部位于陡崖頂部，覆蓋層厚度0.5～2 m，場(chǎng)地50 年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速為181.8 gal，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

1.2 農(nóng)田灌渠地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程踏勘、調(diào)研和量測(cè)等方法對(duì)金江灌渠沿線工程地質(zhì)及潛在的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)研和分析。認(rèn)為金江灌渠邊坡工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)主要有以下3 個(gè)方面。

(1)金江灌渠沿線沖溝發(fā)育，沖溝兩側(cè)松散崩坡積覆蓋層分布廣泛，暴雨時(shí)易引發(fā)滑坡和形成泥石流地質(zhì)災(zāi)害。灌渠沿線崩坡積覆蓋層與基巖相間出現(xiàn)，雨季也易產(chǎn)生局部滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

(2)灌渠沿線崩積體結(jié)構(gòu)松散，灌渠平臺(tái)邊坡坡度較陡，自然狀態(tài)下穩(wěn)定性較差?；鶐r裸露區(qū)地形坡度較陡，表層巖體以強(qiáng)風(fēng)化為主，局部呈弱風(fēng)化，巖體較破碎，以弱卸荷為主，局部呈強(qiáng)卸荷。強(qiáng)卸荷區(qū)巖體松動(dòng)破碎，穩(wěn)定性較差。

(3)灌渠沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，地表主要為粉質(zhì)黏土夾碎石、碎石夾粉質(zhì)黏土以及砂卵礫石層，水對(duì)巖土體力學(xué)強(qiáng)度的影響較大，且設(shè)計(jì)采用的三面光水渠容易發(fā)生堵塞，堵塞后水體下滲，會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

1.3 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)體系構(gòu)建

1.3.1模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)是一種將定性問(wèn)題量化分析的數(shù)學(xué)方法，其基本思想源于模糊數(shù)學(xué)。通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)因素兩兩對(duì)比，將評(píng)價(jià)因素與評(píng)價(jià)值的關(guān)系定量化，建立函數(shù)關(guān)系。該法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其評(píng)價(jià)步驟為：根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)確定評(píng)價(jià)因素，采用層次分析法，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)，計(jì)算權(quán)重并構(gòu)造判斷矩陣，檢驗(yàn)矩陣一致性，最后計(jì)算隸屬度向量，確定隸屬度，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性[14]。

1.3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察、調(diào)研和量測(cè)結(jié)果，在考慮評(píng)價(jià)體系建立原則基礎(chǔ)上，確定工程地質(zhì)特性、地形地貌、氣象水文地質(zhì)條件和人為及其他外在因素等4 個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及14 個(gè)下屬二級(jí)指標(biāo)(表1)。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system

2 結(jié)果與分析

2.1 權(quán)重及一致性檢驗(yàn)

評(píng)價(jià)過(guò)程中需通過(guò)計(jì)算各因素權(quán)重量化分析，各因素權(quán)重大小直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果。本研究采用層次分析法[15]，綜合專家判斷賦值，根據(jù)賦值結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，標(biāo)度含義如表2 所示?；凇案ā贝_定因素權(quán)重，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法為：

表2 標(biāo)度的含義Tab.2 Meaning of scale

其中，CI 為一致性指標(biāo)，λmax為判斷矩陣最大特征值，n為判斷矩陣階數(shù)，CR 為一致性比率，RI 為隨機(jī)性指標(biāo)。若CR＜0.1，說(shuō)明判斷矩陣滿足要求，能較好反映實(shí)際指標(biāo)間關(guān)系，若CR≥0.1，則需對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整。RI 取值見(jiàn)表3。

表3 隨機(jī)性指標(biāo)RI 取值Tab.3 Values of RI

(1)根據(jù)前述評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)評(píng)估專家對(duì)準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，得到準(zhǔn)則層各指標(biāo)間相對(duì)重要性，確定判斷矩陣。目標(biāo)層安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣A如下：

式(2)按照式(1)對(duì)目標(biāo)層判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得出CR=0.080 38＜0.1，說(shuō)明該矩陣滿足要求，評(píng)分相對(duì)準(zhǔn)確，采用“根法”計(jì)算權(quán)重，得到目標(biāo)層權(quán)重為ω=(0.51,0.10,0.16,0.23)T。

同理，計(jì)算并通過(guò)一致性檢驗(yàn)，得到各一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重：A1=(0.13,0.11,0.33,0.33,0.10)；A2=(0.25,0.25,0.50)；A3=(0.14,0.43,0.43)。

由于施工平臺(tái)開(kāi)挖與灌渠開(kāi)挖的指標(biāo)層人為及其他外在因素A4的下屬指標(biāo)間相對(duì)重要性有所不同，因此分2 個(gè)方案進(jìn)行。方案一：金江灌渠工程項(xiàng)目施工平臺(tái)開(kāi)挖；方案二：施工平臺(tái)開(kāi)挖結(jié)束后，繼續(xù)進(jìn)行灌渠開(kāi)挖。2種方案的指標(biāo)層A4計(jì)算結(jié)果分別如下。

方案一：金江灌渠工程項(xiàng)目施工平臺(tái)開(kāi)挖后，指標(biāo)層A4權(quán)重計(jì)算得：

A4=(0.64,0.26,0.10)。

方案二：施工平臺(tái)開(kāi)挖結(jié)束，繼續(xù)進(jìn)行灌區(qū)開(kāi)挖后，指標(biāo)層人為及其他外在因素A4權(quán)重計(jì)算得：

A4=(0.76,0.17,0.07)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)確定

目前，對(duì)邊坡安全等級(jí)的劃分沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，在金江灌渠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外專家研究標(biāo)準(zhǔn)，將該工程邊坡安全等級(jí)劃分為5 個(gè)等級(jí)：很穩(wěn)定(Ⅰ)、穩(wěn)定(Ⅱ)、基本穩(wěn)定(Ⅲ)、不穩(wěn)定(Ⅳ)、極不穩(wěn)定(Ⅴ)，并給出了15 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)量值(表4)。

(1)連續(xù)型指標(biāo)因子隸屬函數(shù)

考慮的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)連續(xù)型指標(biāo)有6 個(gè)：內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、邊坡坡度、邊坡高度、年平均降雨量和地震烈度。對(duì)于連續(xù)型指標(biāo)因子，采用“降半梯形”分布和梯形分布描述其隸屬函數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和技施報(bào)告等資料，確定金江灌渠工程幾個(gè)連續(xù)型指標(biāo)分別為：內(nèi)聚力15 kPa，內(nèi)摩擦角21°，坡高300 m，邊坡坡度60°，年平均降雨量900 mm，地震烈度Ⅷ度。

(2)離散型指標(biāo)因子隸屬函數(shù)

對(duì)表4 中的巖體結(jié)構(gòu)特性、坡向與巖層產(chǎn)狀關(guān)系、巖土抗水性、縱向坡面特性、降雨的沖刷作用、地下水對(duì)邊坡體的影響、邊坡及灌渠施工平臺(tái)開(kāi)挖和邊坡排水情況等離散型指標(biāo)因子，按表5 進(jìn)行評(píng)分，并取其平均值作為指標(biāo)數(shù)，確定隸屬度與指標(biāo)數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系，即為隸屬函數(shù)。

表4 作用因素穩(wěn)定等級(jí)劃分表Tab.4 Classification table of stable grades of action factors

表5 等級(jí)評(píng)分表Tab.5 Rating table

通過(guò)計(jì)算，金江灌渠工程項(xiàng)目平臺(tái)開(kāi)挖形成后各二級(jí)和一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)因子隸屬度及極值分配見(jiàn)表6。金江灌渠工程項(xiàng)目灌渠開(kāi)挖形成后各二級(jí)和一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)因子隸屬度及極值分配見(jiàn)表7。

表6 平臺(tái)形成后各離散型一、二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)因子隸屬度及極值分配表Tab.6 Membership degree and extreme value distribution table of evaluation factors of the discrete first and second indicators after the platform formation

表7 灌渠開(kāi)挖形成后各離散型一、二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)因子隸屬度及極值分配表Tab.7 Membership degree and extreme value distribution table of the evaluation factors of the discrete first and second indicators after the excavation of the canal

2.3 金江灌渠工程項(xiàng)目邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

應(yīng)用模糊評(píng)價(jià)方法，邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域的專家對(duì)本研究指標(biāo)評(píng)分，得出二級(jí)指標(biāo)層的模糊矩陣，通過(guò)以下公式對(duì)施工平臺(tái)開(kāi)挖后邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算灌渠邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

二級(jí)因素評(píng)價(jià)結(jié)果：

進(jìn)一步得到一級(jí)因素評(píng)價(jià)結(jié)果：S1=A·S2。

S1=(0.030 8,0.133 9,0.420 3,0.217 9,0.197 1)

由表5 確定評(píng)語(yǔ)集為：

U={u1,u2,u3,u4,u5}={100,90,80,70,60}，

則項(xiàng)目總風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)：

F=S1×U=(0.030 8，0.133 9，0.402 3，0.217 9，0.197 1)×(100,90,80,70,60)=75.834。

對(duì)照判斷標(biāo)準(zhǔn)，金江灌渠工程項(xiàng)目平臺(tái)開(kāi)挖后安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處于＜80～70 之間，屬于基本穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

采用相同方法，對(duì)施工平臺(tái)開(kāi)挖后灌渠開(kāi)挖條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算，該條件下F=68.500，安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處于＜70～60 之間，處于不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

3 討論

根據(jù)金江灌渠項(xiàng)目模糊綜合評(píng)價(jià)分析結(jié)果，提出以下建議措施：

(1)金江灌渠項(xiàng)目所處區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境脆弱，巖土體松散破碎，沿線地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，建議開(kāi)展灌渠沿線地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查，對(duì)滑坡風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域進(jìn)行編錄，并建議對(duì)沿線開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(2)根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)統(tǒng)計(jì)編錄結(jié)果，對(duì)危險(xiǎn)性較大區(qū)域的邊坡，特別是平臺(tái)邊坡進(jìn)行素噴混凝土和錨網(wǎng)噴等支護(hù)，并做好相應(yīng)的排水工作。

(3)三面光灌渠在運(yùn)維的過(guò)程中，受其周圍巖土體的影響容易堵塞，且堵塞后容易下滲至邊坡平臺(tái)內(nèi)部且不易被發(fā)現(xiàn)。一旦滲漏至平臺(tái)邊坡內(nèi)部，引起邊坡內(nèi)部巖土體抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)下滑力大于抗滑力的時(shí)候，邊坡容易發(fā)生滑坡和泥石流等次生災(zāi)害。因此建議考慮變更設(shè)計(jì)方案，考慮采用管道輸水方案。

4 結(jié)論

本研究在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用層次分析法確定了金江灌渠工程項(xiàng)目安全的主要影響因素，建立了金江灌渠邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)模型。計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建連續(xù)型指標(biāo)和離散型指標(biāo)的隸屬函數(shù)，并采用模糊綜合評(píng)判的方法，分析了平臺(tái)開(kāi)挖形成后和灌渠開(kāi)挖形成后金江灌渠工程項(xiàng)目邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。施工平臺(tái)開(kāi)挖后以及后續(xù)灌渠開(kāi)挖后風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)分別為75.834 和68.500，認(rèn)為平臺(tái)施工完成后邊坡屬于基本穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，而繼續(xù)開(kāi)挖灌渠，灌渠形成后的邊坡屬于不穩(wěn)定級(jí)別。