三峽水庫塌岸危險度評價指標(biāo)體系研究

三峽水庫塌岸危險度評價指標(biāo)體系研究

三峽水庫蓄水運行水庫前的水位下降至30m。庫水位的頻繁上升將不可避免地導(dǎo)致不同程度和規(guī)模的庫兩側(cè)坍塌。三峽水庫指揮庫總面積約650公里。沿線14多個縣市、100多個區(qū)和直轄市的城市將受到水庫洪水和坍塌的影響。三峽庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃階段,湖北、重慶兩省市上報需要工程治理的庫岸總共363km,三期規(guī)劃地質(zhì)調(diào)查庫岸787段358.8km,工程治理的庫岸407段,總長169.5km,現(xiàn)已實施應(yīng)急項目160段,約82km。實際大多數(shù)塌岸的治理僅僅是基于對塌岸災(zāi)害的簡單調(diào)查和預(yù)測,比如塌岸預(yù)測范圍大小、塌岸可能危害對象的經(jīng)濟、人文指標(biāo)統(tǒng)計等,對塌岸災(zāi)害本身的危險性或危險度很少進行專門評價。危險性的定量表達即危險度,“度”即度量衡,危險度是危險程度的簡稱。同時作為與滑坡、泥石流相比受關(guān)注程度較低的塌岸災(zāi)害危險度評價,國內(nèi)外也鮮有人問津,研究程度相對較低。而忽略這方面的工作帶來的是對塌岸危險程度評價和塌岸防治工程經(jīng)濟合理性評價的不足,導(dǎo)致的直接后果是造成工程投資浪費或留下安全隱患。本文基于層次分析法,根據(jù)三峽水庫塌岸地質(zhì)條件、塌岸機理和成災(zāi)特點,構(gòu)建了以三峽為典型代表的山區(qū)河道型水庫塌岸危險度評價多級評價指標(biāo),進行了權(quán)重量化分析,建立了評價模型和方法,最后進行了塌岸危險度評價的實例分析。1巖石混合岸坡(1)三峽庫區(qū)地處我國地勢第二級階梯的東緣,全國地貌區(qū)劃為板內(nèi)隆升蝕余帶的中低山地,橫跨不同的地貌單元和大地構(gòu)造單元,整個地勢西高東低,趨勢明顯。大致以奉節(jié)白帝城為界,可分為東西兩大地貌單元。宜昌—奉節(jié)白帝城庫岸段為三峽隆起中低山區(qū);白帝城至江津庫岸段為四川盆地低山丘陵區(qū)。庫區(qū)發(fā)育如下幾種地貌單元:侵蝕堆積地貌、構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌、河谷地貌、平壩地貌和階地地貌。(2)庫區(qū)地層分布總體具有以黃陵結(jié)晶巖為中界,分別向東、向西漸新的展布規(guī)律。東側(cè)主要分布變質(zhì)巖、碳酸鹽巖,而巖漿巖則分布于庫首一帶;西側(cè)主要分布碎屑巖,局部出露碳酸巖。(3)庫區(qū)岸坡形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地形條件復(fù)雜多變。岸坡按照平面地形條件可分為凸形岸坡、凹形岸坡和S形岸坡;按照剖面地形條件可分為直線形岸坡、折線形岸坡和弧線形岸坡;根據(jù)岸坡的巖性特征,又可劃分為土質(zhì)庫岸、巖質(zhì)庫岸和巖土混合庫岸。重點庫岸段調(diào)查統(tǒng)計得出庫區(qū)土質(zhì)岸坡占實際調(diào)查總長度434.41km的34.49%,巖質(zhì)岸坡占43.08%,巖土混合質(zhì)岸坡占22.43%,其分布特征如下:①第四系堆積層發(fā)育厚度和分布規(guī)模不大,零星分布于河谷階地、山間盆地和斜坡坡腳。②巫山“黃土狀”粉質(zhì)粘土和花崗巖全強風(fēng)化帶岸坡是三峽庫區(qū)內(nèi)發(fā)育的兩種特殊的第四系松散堆積物。巫山“黃土狀”土主要分布于巫山北門附近,奉節(jié)、云陽、豐都、涪陵等也有分布?；◢弾r全強風(fēng)化帶岸坡主要分布于壩前附近的夷陵和秭歸的部分庫岸段。③沖洪積土質(zhì)岸坡在三峽庫區(qū)皆有分布,但主要發(fā)育于支流沖溝附近和沿江階地一帶,在寬緩河谷附近尤為發(fā)育,主要為沖積粉質(zhì)粘土、粉砂土、砂礫石、含土卵礫石等,多具下粗、上細的二元結(jié)構(gòu)。④殘(崩)坡積土質(zhì)岸坡和滑坡堆積岸坡主要發(fā)育于岸坡坡度較陡的庫岸段,主要為殘積、重力堆積的含碎塊石土、粘土、粉質(zhì)粘土。庫首宜昌—巴東一帶庫岸段相比庫尾重慶市庫岸段較為發(fā)育。⑤人工填土主要分布于重慶和其它區(qū)、縣、城鎮(zhèn)所在地以及礦區(qū)。⑥紅層巖性軟弱、抗風(fēng)化能力差且遇水易崩解。在庫水的浸泡軟化作用下,較易產(chǎn)生塌岸后退。庫區(qū)紅層分布較廣,巴東、奉節(jié)、云陽、萬州、開縣、石柱、忠縣、豐都、涪陵、長壽以及庫尾的重慶市區(qū)及周邊皆有大面積分布。(4)據(jù)調(diào)查,庫區(qū)存在如下幾種主要的塌岸模式:①沖蝕磨蝕型;②坍塌型(坍塌后退型、沖刷浪坎型、鈣殼護坡型);③崩塌型(節(jié)理裂隙型、下軟上硬型、下硬上軟型、軟硬互層型);④滑移型(淺表層滑移、深層堆積體滑坡、牽引式滑移、順層滑移);⑤流土型。通過調(diào)查統(tǒng)計得出,沖蝕磨蝕型塌岸占實際調(diào)查總長度434.41km的31.74%,坍(崩)塌型塌岸占51.15%,滑移型塌岸占17.11%。(5)調(diào)查顯示,三峽庫區(qū)塌岸主要分布于土質(zhì)岸坡、侏羅系紅色巖層為主的紅層岸坡和巖土混合岸坡中,其發(fā)育特征如下:①土質(zhì)岸坡,由于土的巖土力學(xué)性狀較弱,容易發(fā)生塌岸。主要發(fā)生在沖洪積土、殘(崩)坡積土、滑坡堆積土、巫山“黃土狀”土和花崗巖強風(fēng)化帶中。②紅層岸坡,主要指較為軟弱的紫紅色泥巖與紫紅色泥質(zhì)粉砂巖,以及灰白色黑灰色砂巖構(gòu)成的岸坡,其強度低、質(zhì)地較松散。主要為泥質(zhì)膠結(jié),遇水較易崩解,而且抗風(fēng)化能力較弱。上硬下軟時,由于紅層被剝蝕,形成凹巖腔,容易造成上部岸坡崩塌、錯落,產(chǎn)生塌岸;當(dāng)紅層岸坡坡度較緩時,由于坡體表面強風(fēng)化,抗沖刷能力較弱,極易形成沖蝕磨蝕型塌岸。③沖蝕磨蝕型塌岸一般發(fā)育于土質(zhì)岸坡(沖洪積層、殘坡積層、滑坡堆積層和人工填土層)或紅層岸坡的全強風(fēng)化帶,地形坡度小于28°,巖土體結(jié)構(gòu)松散—稍密。坍塌型塌岸一般發(fā)育于厚層土質(zhì)岸坡或紅層岸坡的全強風(fēng)化帶,松散堆積物岸坡,平均厚度大于5m,地形坡度大于45°,巖土體結(jié)構(gòu)松散—較松散。崩塌型塌岸一般發(fā)育于巖質(zhì)或紅層岸坡的強風(fēng)化帶或強卸荷帶,外傾節(jié)理裂隙發(fā)育,呈楔形體或塊裂狀,地形坡度大于45°?；菩退兑话惆l(fā)育于土質(zhì)淺表部、沖洪積層或土巖復(fù)合岸坡中;深厚堆積層整體滑移型塌岸主要發(fā)育于厚層坡殘積或滑坡堆積岸坡中;基巖順層滑移型塌岸主要發(fā)育于緩傾坡外的薄層砂、泥巖互層岸坡中。2塌岸危險度評價的調(diào)查方法和評價指標(biāo)根據(jù)三峽水庫塌岸地質(zhì)條件、塌岸機理和過程,選取能夠綜合反映塌岸災(zāi)害危險度的評價指標(biāo),采用層次分析法(AHP法)建立評價指標(biāo)體系,即將目標(biāo)分解,直到認(rèn)為子目標(biāo)能夠用定量或定性的獨立指標(biāo)衡量為止。層次分析法是美國著名的運籌學(xué)專家匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代中期提出的,層次排序法(TheAnalyticHierarchyProcess,簡稱AHP)原理簡單,有較嚴(yán)格的數(shù)學(xué)依據(jù),廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的分析與決策。采用此方法建立塌岸危險度評價指標(biāo)體系,可以較好地解決這類問題。構(gòu)建的塌岸危險度評價遞階層次結(jié)構(gòu)分為3個層次:目標(biāo)層次(A),類指標(biāo)層次(B)和基礎(chǔ)指標(biāo)層次(C)。其中目標(biāo)層次指塌岸危險度的大小;類指標(biāo)層次表示塌岸危險度評價中的一級評價指標(biāo);基礎(chǔ)指標(biāo)層次表示塌岸危險度評價中的二級評價指標(biāo)。將與塌岸危險度評價有關(guān)的一級指標(biāo)分為如下7個同級指標(biāo),同時又將其細分14個二級同級指標(biāo)。塌岸危險度評價指標(biāo)體系見表1。3坍塌風(fēng)險評估指標(biāo)的量化3.1判斷矩陣的建立信息是系統(tǒng)分析中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù),任何系統(tǒng)分析都要掌握一定的信息才能進行,層次分析法也需要有相應(yīng)的信息作為分析的基礎(chǔ),其信息主要來源于人們對不同層次中各個因素之間的相對重要性所做出的判斷。通過引入適當(dāng)?shù)呐袛鄻?biāo)度將這些判斷用數(shù)值的形式表示出來,構(gòu)成判斷矩陣,以便比較本層次的各因素與某一因素之間的相對重要性。不同因子間的相互比較結(jié)果是根據(jù)美國著名運籌學(xué)家T.L.Saaty的1～9標(biāo)度方法進行打分,不同重要程度分別賦予不同的分值(表2)。構(gòu)造的一級指標(biāo)判斷矩陣如下:BB1B2B3B4B5B6B7B11521156B21/511/41/51/51/31/2B31/2411/31/245B41531156B51521134B61/531/41/51/312B71/621/51/61/41/21BB1B2B3B4B5B6B7B111/51/2111/51/6B25145532B321/41321/41/5B411/51/3111/51/6B511/51/2111/31/4B651/345311/2B761/2564213.2i的歸一化新的判斷矩陣根據(jù)判斷矩陣T,求解T的最大特征根所對應(yīng)的特征向量。所求特征向量即為各評價因素的重要性排序,歸一化后,也就是權(quán)重分配。第1步,計算判斷矩陣每一行元素的乘積Wi,Wi=m∏j=1uij?(i,j=1,2,?,m)。第2步,計算Wi的m次方根ˉWi=m√Wi。第3步,對向量ˉW=(ˉW1,ˉW2,?,ˉWm)作歸一化或正規(guī)化處理,即:ai=ˉWi/(m∑j=1ˉWj)。則,A=(a1,a2,…,am)T即為所求特征向量。第4步,計算判斷矩陣的最大特征根λmax:λmax=1mm∑i=1(ΤA)iai式中(TA)i表示向量TA的第i個元素。ΤA=[(ΤA)1(ΤA)2?(ΤA)m]=[u11u12?u1mu21u22?u2m????um1um2?umm]?[a1a2?am]求解特征向量,并作歸一化處理:A=(a1,a2,?,am)Τ=(0.2448?0.0345?0.1421?0.2594?0.2148?0.062?0.0423)計算判斷矩陣的最大特征根λmax:λmax=1mm∑i=1(ΤA)iai=7.28673.3山區(qū)河道型水庫塌岸危險度評價指標(biāo)體系的確定計算:CΙ=1m-1(λmax-m)=0.04779計算:CR=CI/RI=0.04779÷1.32=0.0362<0.1,判斷矩陣有很好的一致性,判斷合理。RI稱為判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo),由大量試驗給出。得出一級指標(biāo)權(quán)重:WBi=(0.2448,0.0345,0.1421,0.2594,0.2148,0.062,0.0423),各指標(biāo)排序WB4>WB1>WB5>WB3>WB6>WB7>WB2。從評價結(jié)果看出,7個指標(biāo)中岸坡類型和塌岸模式權(quán)重最大,是影響塌岸危險度的最重要因素;地形地貌次之;接下來依次為庫水位、地層巖性、風(fēng)(波)浪、降雨和地質(zhì)構(gòu)造;地質(zhì)構(gòu)造權(quán)重最輕。這一評價結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)研基本吻合。同理,可對二級指標(biāo)進行量化和權(quán)重確定。最終確定了三峽水庫這類山區(qū)河道型水庫塌岸危險度評價指標(biāo)體系,見表3。該山區(qū)河道型水庫塌岸危險度評價指標(biāo)體系是在4個典型山區(qū)河道型水庫(三峽、二灘、龔咀和寶珠寺)塌岸現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上,同時參考了相關(guān)研究成果和已有工作經(jīng)驗,采用上述方法建立的,基本反映了影響和控制山區(qū)河道型水庫塌岸可能發(fā)生程度的幾個方面因素。但需要明確的是由于塌岸地質(zhì)和水庫水動力條件的復(fù)雜性,該指標(biāo)體系還有待在實踐中不斷完善和修正。4不同指標(biāo)權(quán)重的確定對三峽水庫這類山區(qū)河道型水庫塌岸危險度評價可以通過14個二級指標(biāo)的權(quán)重和打分實現(xiàn),在評價過程中,將各個指標(biāo)按照以下標(biāo)準(zhǔn)進行打分(表4),再將各個指標(biāo)的賦值和相應(yīng)的權(quán)重(Wi)相乘,即可求出塌岸危險度值(R)。塌岸危險度評價的模型為:R=n∑i=1(CiWci)式中R為塌岸危險度值;Ci為各評價指標(biāo)的定量打分;Wci為各評價指標(biāo)的權(quán)重。對各評價指標(biāo)定量打分的標(biāo)準(zhǔn)為:將14個評價因子按照權(quán)重排序,從權(quán)重因子最小的指標(biāo)開始賦予1分,權(quán)重最高的指標(biāo)給予14分;中間依次從2分遞增到13分。根據(jù)各個指標(biāo)因子的分級標(biāo)準(zhǔn),若因子測量值屬于最低級,則統(tǒng)一打1分,如果屬于上一級,則根據(jù)它在14個因子中的排序位置加相應(yīng)的分值(如C5的權(quán)重在14個因子中排在第7位,其評價值就打為7分,若其測量值再上一個級別,則在原基礎(chǔ)上再加7分),之后向上按等差級數(shù)遞增,評分結(jié)果見表4。塌岸危險度的劃分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)R的綜合值來確定。為了能在定量打分的基礎(chǔ)上客觀地反映各因子對塌岸危險度影響的重要程度,將同一類別(n)中各因子的定量打分分別與其權(quán)重(m)相乘后求和,得出不同級別的分類值。其計算公式為:R0=14∑m=14∑n=1(m,n)式中R0為不同級別塌岸危險度閾值;m為各評價指標(biāo)的權(quán)重;n為分類評分。根據(jù)以上的計算公式,可得出類似三峽水庫的山區(qū)河道型水庫塌岸危險度的3個評價等級:R0<9塌岸危險度低;9≤R0<18塌岸危險度中等;R0≥18塌岸危險度高。同時,計算得出的塌岸危險度值(R)越大,則塌岸危險程度也相對越高。5型水庫塌岸危險度評價實例分析為了驗證所建立的三峽水庫這類山區(qū)河道型水庫塌岸危險度評價指標(biāo)體系和評價模型的適宜性與合理性,選取三峽庫區(qū)庫首、庫中和庫尾共3段塌岸進行實例分析。(1)庫岸形態(tài)特征三峽庫區(qū)重慶市南岸區(qū)納溪溝庫岸A段(雞冠石亞段),為巖土混合岸坡,下伏侏羅系中統(tǒng)珍珠沖組砂巖,巖層產(chǎn)狀95°∠42°。庫岸長約150m,寬70～110m,后緣位于礦泉水廠內(nèi)側(cè),高程約190m,前緣高程162m,前后緣相對高差28m。岸坡平面形態(tài)較順直;縱剖面形態(tài)呈折線形,岸坡上陡下緩,上部坡度約18°,下部坡度約7°。本段塌岸岸坡下部坡度較緩,為沖積堆積層,未見變形或破壞現(xiàn)象,可不采取護岸措施。(2)下伏巖石岸坡三峽庫區(qū)重慶市奉節(jié)縣南岸工業(yè)區(qū)萬家咀庫岸段,庫岸長100m,系土質(zhì)岸坡,為松散堆積的碎石粘土層,厚