金江農(nóng)田灌渠邊坡穩(wěn)定性模糊綜合評(píng)價(jià)分析

　　摘要: 【目的】研究麗江古城區(qū)金江鄉(xiāng)境內(nèi)龍開(kāi)口水電站移民工程金江農(nóng)田灌渠沿線邊坡的穩(wěn)定性。【方法】在現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)，構(gòu)建了包括工程地質(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 4 個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及 14 個(gè)下屬指標(biāo)的農(nóng)田灌渠邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型。【結(jié)果】該工程項(xiàng)目平臺(tái)開(kāi)挖后安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分值為 75.834，屬于基本穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，施工平臺(tái)完成后灌渠開(kāi)挖條件下安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分值為 68.500，安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。【結(jié)論】根據(jù)分析結(jié)果，提出了相應(yīng)的建議措施，研究成果對(duì)確保金江農(nóng)田灌渠邊坡穩(wěn)定性及輸水方案的優(yōu)化具有重要意義，可為類(lèi)似工程提供參考。

　　郭延輝; 楊溢; 楊志全; 孔志軍， 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)) 發(fā)表時(shí)間：2021-10-13

　　關(guān)鍵詞: 農(nóng)田灌渠;邊坡;穩(wěn)定性;層次分析法;模糊綜合評(píng)價(jià)

　　中 國(guó) 是 一 個(gè) 農(nóng) 業(yè) 大 國(guó) ， 耕 地 面 積 達(dá) 到 1432 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(lèi)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]。可以看出：目前對(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(lèi)型。現(xiàn)場(chǎng)灌渠邊坡地形地貌見(jiàn)圖 1。

　　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) (Pß3 ) 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。基巖裸露區(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)。

　　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(zhuān)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。基于“根法”確定因素權(quán)重，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法為：

　　CI = (λmax −n) / (n−1); CR = CI/RI (1) 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。

　　(1) 根據(jù)前述評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)評(píng)估專(zhuān)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： A = ?????????????????? 1 3 4 3 1/3 1 1/3 1/2 1/4 3 1 1/2 1/3 2 2 1 ?????????????????? (2) 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=0.08038<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(zhuān)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)。

　　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。

　　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(zhuān)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：

　　S2 = ???????????? 0.020 0.137 0.376 0.137 0.330 0.000 0.250 0.300 0.200 0.250 0.129 0.172 0.430 0.245 0.024 0.000 0.050 0.564 0.386 0.000 ???????????? (3) 進(jìn)一步得到一級(jí)因素評(píng)價(jià)結(jié)果：S1=A·S2。 S1=(0.0308, 0.1339, 0.4203, 0.2179, 0.1971) 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=(0.0308，0.1339，0.4023，0.2179， 0.1971)×(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?chē)鷰r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。