基于层次分析法的泾阳南塬黄土滑坡影响因素综合研究

2021-05-13何光洪邓炎倩刘栓栓

水利与建筑工程学报 2021年2期

何光洪，梁燕，邓炎倩，郑甜，陈晨，刘栓栓

(长安大学公路学院特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西西安 710064)

泾阳南塬位于我国陕西省咸阳市泾阳县泾河南岸，台塬主要以黄土为主。也正是由于区域内的黄土具有大孔隙、结构疏松、垂直节理显著、遇水极易湿陷的特点，再加上该地区近四十年来农业灌溉水量的增加，导致泾阳南塬黄土滑坡频繁发生，造成了重大的财产损失和人员伤亡。

目前关于泾阳南塬黄土滑坡主要集中在类型划分[1-2]、稳定性研究[3-5]和危险性评价[6-7]等方面。关于滑坡的形成机理，雷祥义[8]分析了人类不合理的引用地表水灌溉，改变了地下水文条件，从而降低了土体的抗剪强度，导致黄土滑坡形成。王德耀等[1]通过对泾阳南塬黄土滑坡灾害的分布特征和形成规律进行研究，得出了该地区的滑坡灾害形成的基础是活动构造、地震、地貌、地层岩土、河流侵蚀等因素，而人类过度扰动及农业灌溉是灾害形成的诱发因素。许领等[9]结合现场工作，初步分析了地下水位上升诱发高速远程滑坡机制、塬边地裂缝成因机制、滑坡高陡后壁成因机制及其稳定性评价方法及黄土滑坡演化机制与演化平衡等工程地质问题。段钊等[10]通过现场调查、室内试验、数值仿真实验，对泾阳南塬滑坡的多序次成因机制进行了初步探讨，得出了地下水上升是滑坡形成的主要因素，前序次滑坡为后序次滑坡的孕育和发展提供了滑动条件。郭晨等[11]基于无人机技术，现场含水率试验以及室内实验，对蒋刘4#滑坡进行分析研究，得出大面积灌溉以及引水渠漏水严重造成大量水体下渗，下渗水体在古土壤层上停滞，造成古土壤层上邻近土体接近饱和，从而导致边坡稳定性下降。许强等[12]利用无人机航测和三维激光扫描，得出了长期引水灌溉是泾阳南塬滑坡发生的基本条件；坡脚滞水软化作用、与灌溉渠较短的渗透距离、坡脚冻结黄土春季解冻是导致滑坡发生的直接原因。马鹏辉等[13]通过研究蒋刘村附近的滑坡-泥流，发现滑坡区古土壤的隔水效应很强导致古土壤层形成滞水层，黄土层开始积水形成高含水量带，从而形成易滑层。马鹏辉等[14]通过详细的野外调查、测量、勘探等工作，分析了“5.26”滑坡的诱发因素，得出了该滑坡的主要激发因子为持续灌溉，但是地表显式裂缝和土体深部裂隙在地表径流优势入渗中发挥了重要作用，导致地下水位持续抬升，也为滑坡失稳创造了条件。

在泾阳南塬黄土滑坡的形成机理的众多研究中，发现农业灌溉、降雨、冻融、土层岩性、地形地貌、坡高、坡脚等因素都与滑坡的发生存在关系。但是，关于这些因子在滑坡孕育和发展过程中分别占据多大的作用并不明朗，也没一个量化的标准。因此，本研究主要运用层次分析法，选取农业灌溉、降雨、冻融、土层岩性、地形地貌、坡高、坡脚等指标，得到各影响因子在滑坡过程中所占的贡献值，从而为泾阳南塬以及同类型的滑坡灾害预警和防治提供一定的理论指导。

1 研究区概况

泾阳南塬位于陕西省泾阳县泾河南岸，自1976年以来，该区域黄土滑坡频繁发生，其中以蒋刘村至庙店村段滑坡灾害最为密集(见图1)。塬面高程处于440 m～490 m之间，塬边陡坡坡度约40°～80°，边坡垂直高度位于40 m～90 m之间(见图2)。南塬地层较为复杂，从塬面往下依次分布着Q3黄土、Q2黄土以及Q1黄土，其间还分布着多层古土壤层(见图3)。

图1 研究区滑坡分布图

图2 南塬滑坡图

图3 工程地质剖面图

2 层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一种可以有效分解复杂实际问题，并将其描述为一个多层次结构的决策方法。泾阳南塬滑坡影响因子众多，评估各滑坡因子在滑坡形成过程中的贡献值是一个复杂的体系，运用层次分析法可以很好的得出各因子对滑坡的影响程度。

2.1 评价因子的选取

根据野外勘探和查询文献资料，总结出了研究区滑坡形成的13个主要因子。分别为边坡高度、坡度、坡向、坡形、黏聚力、内摩擦角、重度、地下水位、灌溉、降雨、坡脚开挖、冻融以及地震因子。

2.2 层次模型的构建

层次分析模型主要由目标层、准则层和指标层构建起来的评价系统，定量确定泾阳南塬各滑坡因子在滑坡孕育和发展的过程中所发挥的作用是一个复杂的体系，根据相关的文献研读和实地考察，本文层次模型的构建如图4所示。

图4 层次分析模型

2.3 判断矩阵的构建

通过现场调查、查阅资料和听取专家意见，根据图4层次模型指标层中滑坡影响因子两两之间的重要性程度，进行判断矩阵的构建。在进行评价指标的比对时，采用九标度法[15]。所构造的判断矩阵如下：

2.4 一致性检验

求解出的判断矩阵最大特征根λmax，当最大的特征根大于判断矩阵的阶数时，说明判断矩阵出现了一定的偏差。为了确保判断矩阵的准确性和可信性，就需要进行一致性检验。一致性检验主要通过CI和CR值进行判断，其计算公式如下：

(1)

(2)

RI为随机一致性指标，通过表1得到，然后根据式(1)、式(2)得到CI值和CR值。当CR<0.1时，判断矩阵通过了一致性检验，满足一致性要求，证明判断矩阵可用作泾阳南塬黄土滑坡的各影响因子的贡献值的确定。

表1 平均随机一致性指标RI值

3 结果分析

根据层次分析法计算准则层的贡献值，其结果如表2所示。由表2可知，在泾阳南塬黄土滑坡的形成过程中，诱发因子占据十分重要的作用，其贡献值达到64.8%，这说明泾阳南塬黄土滑坡受外部因素影响显著，这也符合近40年来滑坡次数增多，是与农业灌溉量的增加以及人类活动频繁密切相关。而地形地貌和地质条件属于内部因素，在滑坡的形成过程中，所占的比重相对较小，贡献值分别为23.0%和12.2%。根据一致性检验结果(见表2)，CR=0.004<0.1，判断矩阵通过检验，因此层次分析结果准确有效。

根据地形地貌的指标层因子贡献值计算结果(见表3)，边坡的角度是滑坡孕育和发展过程中的最主要的因素，其贡献值为52.8%。泾阳南塬边坡的坡度范围为50°～80°,且坡度越高的地方滑坡的可能性越大，滑坡的次数也最频繁，边坡的高度位于40 m～90 m之间[16]，坡度越高的地方滑坡概率越大，坡度对滑坡的贡献值达到35.1%。泾阳南塬黄土滑坡受坡向和坡形的影响相对较小，其贡献值分别为4.6%和7.5%。

表2 准则层AHP层次分析结果

表3 地形地貌AHP层次分析结果

由地质条件各影响因子贡献值计算结果(见表4)可知，泾阳南塬黄土滑坡的地质条件对滑坡的形成影响最大的是黏聚力和内摩擦角，其贡献值为36.4%。土性参数对边坡的稳定性影响显著，而黏聚力c和内摩擦角φ是影响边坡稳定性的主要因素，重度γ对滑坡影响不显著[3]。一般的，土体中黏聚力c和内摩擦角φ的值越大，则该土体的抗剪强度也就越大，边坡的安全系数也就越大，稳定性程度也就越高，发生滑坡的概率也就越小。此外，地下水位的变化也是滑坡形成的重要原因，贡献值达到20.7%。近四十年来南塬地下水位不断升高[14]，导致土壤中孔隙水压力增大，基质吸力变小，有效应力也相应变小，土体抗剪强度减弱，滑坡发生概率也就随之升高。

表4 地质条件AHP层次分析结果

根据表5诱发因素在滑坡形成过程中的贡献值计算结果可知，农业灌溉是滑坡形成的最主要的诱发因素，其贡献值达到44.6%。此外，降雨贡献值也达到29.6%。农业灌溉和降雨是地下水的主要来源，根据雷祥义[8]的研究得知，南塬地下水补给量，灌溉占比为59%，降雨补给量占比为41%。由于古土壤层具有良好的不透水性，农业灌溉水和降雨从地表下渗，并停滞在古土壤层上，黄土在水体的浸泡之下软化，抗剪强度降低，从而导致边坡失稳[17]。地震也是诱发南塬滑坡的一项重要因素，贡献值为12.8%，在地震的作用下，黄土极易液化，土体中的孔隙水压力增大，抗剪强度骤降，从而导致滑坡等地质灾害的形成。而根据历史地震相关文献，陕西境内多次发生大型地震，并且近年来，受5.12汶川地震和青海玉树地震的影响，研究区均有较为强烈的震感[18-20]。坡脚开挖是滑坡形成的重要原因，由于人们开挖窑洞以及不合理的公路修筑等活动，改变了坡体原有的结构性，因此降低了坡体稳定性。此外，根据历史上该区域内的气温显示，最低温度可以达到-20.8℃，最高温度可达到41.4℃，具备冻融型滑坡的发育条件[21]。

对准则层的贡献值结果和指标层的贡献值结果进行乘积运算，就可以得到各因子的总贡献值，并对各因子的总贡献值进行大小排序，其结果见表6。根据表6可知，泾阳南塬滑坡影响因子中，农业灌溉是最主要的诱发因子，其贡献值达到28.9%，其次是贡献值为19.2%的降雨因子，边坡的坡度贡献值位居第三位，其值为12.1%，对滑坡的形成贡献最小的为土体重度，其贡献值为0.8%。