基于層次分析法的水庫蓄水后滑坡易發性評價

周秀全，黃海波，鄭 寧，施曉旺

浙江泰達安全技術有限公司，浙江 杭州 310000

0 引言

現階段我國部分水庫在蓄水后發生了一體系列次生地質災害，對當地環境和生產生活安全造成較大影響.根據現有文獻研究［1-3］，由于水庫蓄水造成的滑坡、崩塌地質災害已經成為庫區地質災害的主要來源，并且這類地質災害受當地降雨特征和庫水位變動影響，具有復發性和周期性的特點.另外，由于滑坡、崩塌等地質災害發生機理復雜，傳統的勘察手段和分析方法無法精確預測滑坡破壞機理，主流的滑坡防治手段仍然以預警和預防為主.滑坡一旦發生，其量能巨大，無法通過人工干預阻止其繼續發展，因此提前規避滑坡災害及其影響區是最為經濟的方案［4-8］.

針對庫水位滑坡地質災害的發生特點，本文依托于層次分析法，以某水庫滑坡體為研究對象，在對其地形地質和水文地質條件分析的基礎上，開展滑坡至滑因子研究并建立滑坡易發性定量化評價方法.

1 研究區概況

研究區水庫位于山西省呂梁山脈西麓的南川河上，是一座以防洪灌溉為主，兼顧發電、養殖的年調節中型水庫，控制流域面積309 km2.隨著社會經濟的發展，水庫下游鄉鎮、工礦企業的數量、規模迅速擴大，城市生活、工業用水量驟增，而且需水方式也發生了明顯的變化，要求水庫的調節方式必須適應發展的需要.由于庫區水位變動幅度增大，現狀條件下水庫周邊巖體穩定性受到一定程度影響，部分區域已經發生明顯的崩塌滑坡跡象，一方面可能影響水庫正常運行，另一方面威脅到附近居民的安全.

1.1 區域地質

在區域地質構造上，研究區跨越呂梁-太行斷塊之次級構造單元呂梁塊隆的離石-中陽復向斜.該復向斜大致呈菱形，南北向展布，位于呂梁塊隆中西部，西鄰興縣-石樓南北向褶皺帶，東接關帝山穹狀隆起.該菱形復向斜大部分被第四系覆蓋，基巖一般只出露于溝谷，向斜軸部地層為石炭系—二疊系，翼部地層為寒武系—奧陶系.

研究區出露的地層主要有太古宇呂梁群、寒武系中統徐莊組及新生界第四系.巖性包括變粒巖、混合花崗巖、黑云斜長片麻巖和角閃斜長片麻巖，總厚度大于1000 m，在區內大面積出露，是構成基巖山體的主要地層.第四系地層是庫周及庫底的主要上部巖土層，分布于河道及溝谷，主要有棕紅色低液限黏土、灰黃色低液限粉土、低液限粉土、級配不良砂及卵石混合土層，一般具二元結構，厚度5～30 m.

1.2 庫區地質

水庫壩址位于南川河上，壩址以上河流長30.2 km，河道縱坡15.4%，壩址附近河道縱坡12.2‰，河道穩定.南川河庫區段整體走向334°，河床寬80～350 m.兩岸發育有漫灘及Ⅰ級階地，在近壩區寬30～60 m.庫區沿河兩岸除局部覆蓋有第四系中、上更新統黃土外，基本是由呂梁群混合花崗巖、變粒巖、混合巖化黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖構成基巖山體，山頂高程均在1200 m以上.

庫區發育的地層主要為太古宇呂梁群、寒武系徐莊組及第四系.庫區主要淤積物為級配不良砂、低液限黏土及低液限粉土，厚1～17.5 m，主要分布于近壩庫岸.壩體堆積物為低液限粉土、低液限黏土，偶含小礫石，結構松散，厚0～36.5 m.

研究區地質構造較為簡單，主要發育兩條主要斷層：F1逆斷層位于庫區中廟附近，走向北北東并橫跨河床，傾向南東東，地表處傾角約75°，東岸廟后溝口可見斷層上下盤均為太古宇變質巖，垂直斷距大于50 m；F2逆斷層位于壩軸線下游600 m處，走向北西并橫跨河床，傾向西南，地表處傾角62°，上盤為太古宇變質巖，下盤為寒武系頁巖，接觸處有角礫巖，斷層帶寬約1 m，垂直斷距大于50 m.

庫區內地下水可分為變質巖類裂隙水及松散巖類孔隙水兩種類型.變質巖類裂隙水貯存于巖層風化帶及裂隙中，補給主要為大氣降水.排泄為向下游的徑流或向溝谷的側向徑流.松散巖類孔隙水含水層巖性主要為全新統低液限粉土及卵石混合土，大氣降水及兩岸山體地下水是主要的補給來源，地下水徑流方向與地形傾斜方向基本一致，向下游河谷低凹地帶徑流.

1.3 庫區滑坡地質災害

庫區兩岸支流和沖溝眾多，庫盆呈樹枝狀.

上游庫段總體為較開闊的峽谷型庫盆，正常蓄水位高程以上岸坡多較陡，覆蓋層厚度變化比較大，基巖出露普遍，但風化強烈.庫岸以巖質岸坡為主，局部為土質岸坡.兩岸沖溝較多，且比較寬長.庫尾（江邊寨）、河流急轉彎凸岸、支流和沖溝的出口交匯處等部位河谷谷底一般比較寬闊，形成比較開闊的庫盆，沉積有較厚土層.該庫段岸邊村寨眾多，居民房屋較多；同時，有多條高速公路及鐵路通過庫區，庫岸失穩的危害性較大.

下游庫段為比較狹窄的峽谷型庫盆，正常蓄水位高程910 m以上基本為陡峻基巖岸坡，覆蓋層較薄，基本為巖質岸坡.兩岸沖溝少且短，右岸發育有谷頂河.河流急轉彎凸岸、支流和沖溝的出口交匯處等部位不存在寬闊谷底.該庫段的村寨多分布在兩岸山頂，岸坡上居民房屋極少，也沒有高速公路、鐵路等通過，庫岸失穩的危害性很小.

綜合判斷庫區范圍內產生的庫岸失穩形式主要為塌岸、塌滑體，局部基巖陡壁存在小規模崩塌的可能.

2 基于層次分析法的評價思路

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）首先應用于安全與系統工程中的風險分析，其主要思路是將決策某事件發生的因素進行劃分并量化，在此基礎上進行決策分析［9-10］.層次分析法每一級矩陣代表一個影響事件發生的因子，通過實地調研分析對每個因子賦予權重值，然后進行打分從而得到事件發生的概率.層次分析法的基本工作流程如圖1.

圖1 層次分析法工作流程Fig.1 Workflow of analytic hierarchy process

通過對該水庫基本地形地質條件分析認為，影響滑坡穩定的災害因素包括地形地貌、地質、氣象、水文、構造以及水位變化等，其中庫水位變化過程是影響研究區滑坡危險性的重要考量因素［11-15］.綜合分析，庫區主要的滑坡致害因子分為災害發育程度、地形地質情況和誘發因子3個大類（分別用B1、B2、B3表示）.其中，災害發育程度包括災害點密度和災害發展面積；地形地質情況包括庫區地層巖性、分布高程、坡向、坡度；誘發因子包括庫水消落高度、地震、降雨強度（由C1—C9表示，見圖2）.

圖2 基于層次分析法的滑坡災害因子指標Fig.2 Landslide hazard factor index based on AHP

3 基于層次分析法的庫內滑坡穩定性評價

3.1 評價指標的確定

合理的評價指標是確保層次分析法精確度的重要前提.通過研究大量文獻中有關庫水位變動過程中的滑坡穩定性問題［16］，綜合確定了影響庫水位變動下滑坡災害發生的9種主要因子并對其等級進行劃分（表1）.

表1 致滑因子及其量化指標綜合分類表Table 1 Comprehensive classification of landslide factors and their quantitative indexes

3.2 評價矩陣構建

本研究采用兩層判斷矩陣法，即構造A-B和BC.每個判斷矩陣之間的相互關系通過以往水庫區滑坡災害的研究認識和遙感解譯的統計分析成果來綜合判斷.為了直觀反映判斷各個子因素C1—C9之間的關聯過程，采用運籌學的標度法［17-20］（表2）.

表2 運籌標度指標Table 2 Scale indexes of logistics operation research

通過對災害發育程度、地形地質和誘發因素3個B矩陣與危險性A之間的關聯度分析，建立了A-B矩陣如下：

然后，分別將B1—B3矩陣與C之間的關系采用同樣方法建立B-C矩陣：

其中，B1-C表示災害發育程度與災害點分布、災害點密度之間的相關性；B2-C表示地形地質因素與地貌、巖性、坡度和坡向之間的相關性；B3-C表示誘發因素與地震、降雨和庫水變動之間的相關性.

為了證明該矩陣的合理性，通過單層排序法計算每個判斷矩陣所產生的特征根及其特征向量，然后利用特征向量建立由C到B、由B到A的層次單排序計算.最后，依據計算結果對每個判斷矩陣進行一致性檢驗，若結果小于0.1，表明該判斷矩陣是合理可信的，若不滿足小于0.1則重新調整矩陣結構和判斷方式，直至完成一致性檢驗.具體步驟如下.

1）對矩陣C采用和積法對每列向量進行歸一化處理：

2）對歸一化后得到的矩陣Cg相加求和：

3）將求和的Ch矩陣再次歸一化得到特征向量：

4）利用特征向量W獲取特征根：

5）進行一致性檢驗，其判別公式如下：

其中，Rc表示一致性檢驗計算比率，R表示隨機一致性指標，其取值參考表3.

表3 隨機一致性指標R取值Table 3 Random consistency index R value

通過以上分析步驟得到10個判斷矩陣之間的特征向量和特征根如下：

A-B矩陣中，W1＝（0.122，0.503，0.347），λ＝2.97，計算求得其Rc值為0.01，滿足一致性檢驗條件；

B1-C矩陣中，W2＝（0.45，0.45），λ＝1.99，計算得Rc＝0.02，滿足一致性檢驗標準；

B1-C矩陣中，W3＝（1.66，0.99，0.99，0.50），λ＝3.99，計算的Rc＝0.004，滿足一致性檢驗標準；

B1-C矩陣中，W1＝（1.82，0.66，0.35），λ＝3.97，計算求得Rc＝0.03，同樣滿足一致性檢驗標準.

一致性檢驗合格后綜合層次分析成果，獲取在危險性分析過程中B1—B3和C1—C9的權重值，見表4.

從表4可以看出，對庫區滑坡影響最大的權重因子分別為C1（地災點密度）、C3（地層巖性）和C8（庫水變動幅度），其權重值分別為0.27、0.21和0.33.這一規律在滑坡地災分析的宏觀文獻上能夠得到驗證.

表4 水庫滑坡區至滑因子權重評估成果Table 4 Weight evaluation results of landslide factors in reservoir landslide area

3.3 滑坡危險性分區

為了分析庫區蓄水后不同滑坡的危險性，建立基于層次分析權重的危險性定量評估模型：

其中，Mi表示庫區不同部位的滑坡危險性評估值；Ci表示不同因子的權重值；λi表示不同影響因子的災害危險性賦值.

為了進一步提高庫區滑坡危險性評估成果的直觀可視化程度，建立庫區基于滑坡危險性等級的指標，庫區滑坡發生概率分為極高、高、中等、低共4個等級，然后利用MapGIS疊加功能生成滑坡區危險性分區圖（圖3）.從圖3可以發現，庫區左岸中游與右岸中游為滑坡地質災害極高危險地區；水庫中上游和庫尾段為滑坡易發高危區，庫區上游兩側為滑坡地質災害低發區.

圖3 基于層次分析法的庫區滑坡危險性分區Fig.3 Landslide risk zoning in reservoir area based on AHP

為了驗證計算模型設計的合理性，調取研究區衛星遙感圖像的地質災害點解譯成果（見圖4），可以看出，研究區滑坡地質災害極高危地段（圖中紅色部位）均存在地質災害發生點，說明滑坡危險性區劃圖能夠較好地反映現狀條件下庫區潛在滑坡體可能的分布范圍.建議重點關注紅色和黃色區域的地質災害問題，加強巡查并落實合理的滑坡治理措施.

圖4 研究區遙感解譯地質災害發生點分布圖Fig.4 Distribution map of geohazard sites in the study area interpreted by remote sensing

4 結論

為研究和分析水庫蓄水后的庫內滑坡地質災害潛在危險性和易發程度，開展了基于層次分析法的庫區滑坡易發性評價研究，結論如下.

1）庫區上游庫段總體為較開闊的峽谷型庫盆，正常蓄水位高程以上岸坡多較陡，覆蓋層厚度變化比較大，基巖出露普遍，但風化強烈.下游庫段為比較狹窄的峽谷型庫盆，村寨多分布在兩岸山頂，岸坡上居民房屋極少，也沒有高速公路、鐵路等通過，庫岸失穩的危害性很小.綜合判斷庫區范圍內產生的庫岸失穩形式主要為塌岸、塌滑體.

2）庫區左岸中游與右岸中游為滑坡地質災害極高危險地區，水庫中上游和庫尾段為滑坡易發高危區，庫區上游兩側為滑坡地質災害低發區.研究區衛星遙感圖像的地質災害點解譯成果表明滑坡地質災害極高危地段均存在地質災害發生點，說明本研究獲得的滑坡危險性區劃圖能夠較好地反映現狀條件下庫區潛在滑坡體可能的分布范圍.

3）本研究為庫區蓄水條件下的滑坡地質災害易發性半定量化研究提供了一定參考和借鑒，今后的研究中將進一步細化滑坡因子數量和權重值的計算合理性，為滑坡易發性評價提供更為豐富的計算參考.