三峡水库塌岸危险度评价指标体系研究

三峡水库塌岸危险度评价指标体系研究

三峡水库蓄水运行水库前的水位下降至30m。库水位的频繁上升将不可避免地导致不同程度和规模的库两侧坍塌。三峡水库指挥库总面积约650公里。沿线14多个县市、100多个区和直辖市的城市将受到水库洪水和坍塌的影响。三峡库区三期地质灾害防治规划阶段,湖北、重庆两省市上报需要工程治理的库岸总共363km,三期规划地质调查库岸787段358.8km,工程治理的库岸407段,总长169.5km,现已实施应急项目160段,约82km。实际大多数塌岸的治理仅仅是基于对塌岸灾害的简单调查和预测,比如塌岸预测范围大小、塌岸可能危害对象的经济、人文指标统计等,对塌岸灾害本身的危险性或危险度很少进行专门评价。危险性的定量表达即危险度,“度”即度量衡,危险度是危险程度的简称。同时作为与滑坡、泥石流相比受关注程度较低的塌岸灾害危险度评价,国内外也鲜有人问津,研究程度相对较低。而忽略这方面的工作带来的是对塌岸危险程度评价和塌岸防治工程经济合理性评价的不足,导致的直接后果是造成工程投资浪费或留下安全隐患。本文基于层次分析法,根据三峡水库塌岸地质条件、塌岸机理和成灾特点,构建了以三峡为典型代表的山区河道型水库塌岸危险度评价多级评价指标,进行了权重量化分析,建立了评价模型和方法,最后进行了塌岸危险度评价的实例分析。1岩石混合岸坡(1)三峡库区地处我国地势第二级阶梯的东缘,全国地貌区划为板内隆升蚀余带的中低山地,横跨不同的地貌单元和大地构造单元,整个地势西高东低,趋势明显。大致以奉节白帝城为界,可分为东西两大地貌单元。宜昌—奉节白帝城库岸段为三峡隆起中低山区;白帝城至江津库岸段为四川盆地低山丘陵区。库区发育如下几种地貌单元:侵蚀堆积地貌、构造剥蚀低山丘陵地貌、河谷地貌、平坝地貌和阶地地貌。(2)库区地层分布总体具有以黄陵结晶岩为中界,分别向东、向西渐新的展布规律。东侧主要分布变质岩、碳酸盐岩,而岩浆岩则分布于库首一带;西侧主要分布碎屑岩,局部出露碳酸岩。(3)库区岸坡形态结构复杂,地形条件复杂多变。岸坡按照平面地形条件可分为凸形岸坡、凹形岸坡和S形岸坡;按照剖面地形条件可分为直线形岸坡、折线形岸坡和弧线形岸坡;根据岸坡的岩性特征,又可划分为土质库岸、岩质库岸和岩土混合库岸。重点库岸段调查统计得出库区土质岸坡占实际调查总长度434.41km的34.49%,岩质岸坡占43.08%,岩土混合质岸坡占22.43%,其分布特征如下:①第四系堆积层发育厚度和分布规模不大,零星分布于河谷阶地、山间盆地和斜坡坡脚。②巫山“黄土状”粉质粘土和花岗岩全强风化带岸坡是三峡库区内发育的两种特殊的第四系松散堆积物。巫山“黄土状”土主要分布于巫山北门附近,奉节、云阳、丰都、涪陵等也有分布。花岗岩全强风化带岸坡主要分布于坝前附近的夷陵和秭归的部分库岸段。③冲洪积土质岸坡在三峡库区皆有分布,但主要发育于支流冲沟附近和沿江阶地一带,在宽缓河谷附近尤为发育,主要为冲积粉质粘土、粉砂土、砂砾石、含土卵砾石等,多具下粗、上细的二元结构。④残(崩)坡积土质岸坡和滑坡堆积岸坡主要发育于岸坡坡度较陡的库岸段,主要为残积、重力堆积的含碎块石土、粘土、粉质粘土。库首宜昌—巴东一带库岸段相比库尾重庆市库岸段较为发育。⑤人工填土主要分布于重庆和其它区、县、城镇所在地以及矿区。⑥红层岩性软弱、抗风化能力差且遇水易崩解。在库水的浸泡软化作用下,较易产生塌岸后退。库区红层分布较广,巴东、奉节、云阳、万州、开县、石柱、忠县、丰都、涪陵、长寿以及库尾的重庆市区及周边皆有大面积分布。(4)据调查,库区存在如下几种主要的塌岸模式:①冲蚀磨蚀型;②坍塌型(坍塌后退型、冲刷浪坎型、钙壳护坡型);③崩塌型(节理裂隙型、下软上硬型、下硬上软型、软硬互层型);④滑移型(浅表层滑移、深层堆积体滑坡、牵引式滑移、顺层滑移);⑤流土型。通过调查统计得出,冲蚀磨蚀型塌岸占实际调查总长度434.41km的31.74%,坍(崩)塌型塌岸占51.15%,滑移型塌岸占17.11%。(5)调查显示,三峡库区塌岸主要分布于土质岸坡、侏罗系红色岩层为主的红层岸坡和岩土混合岸坡中,其发育特征如下:①土质岸坡,由于土的岩土力学性状较弱,容易发生塌岸。主要发生在冲洪积土、残(崩)坡积土、滑坡堆积土、巫山“黄土状”土和花岗岩强风化带中。②红层岸坡,主要指较为软弱的紫红色泥岩与紫红色泥质粉砂岩,以及灰白色黑灰色砂岩构成的岸坡,其强度低、质地较松散。主要为泥质胶结,遇水较易崩解,而且抗风化能力较弱。上硬下软时,由于红层被剥蚀,形成凹岩腔,容易造成上部岸坡崩塌、错落,产生塌岸;当红层岸坡坡度较缓时,由于坡体表面强风化,抗冲刷能力较弱,极易形成冲蚀磨蚀型塌岸。③冲蚀磨蚀型塌岸一般发育于土质岸坡(冲洪积层、残坡积层、滑坡堆积层和人工填土层)或红层岸坡的全强风化带,地形坡度小于28°,岩土体结构松散—稍密。坍塌型塌岸一般发育于厚层土质岸坡或红层岸坡的全强风化带,松散堆积物岸坡,平均厚度大于5m,地形坡度大于45°,岩土体结构松散—较松散。崩塌型塌岸一般发育于岩质或红层岸坡的强风化带或强卸荷带,外倾节理裂隙发育,呈楔形体或块裂状,地形坡度大于45°。滑移型塌岸一般发育于土质浅表部、冲洪积层或土岩复合岸坡中;深厚堆积层整体滑移型塌岸主要发育于厚层坡残积或滑坡堆积岸坡中;基岩顺层滑移型塌岸主要发育于缓倾坡外的薄层砂、泥岩互层岸坡中。2塌岸危险度评价的调查方法和评价指标根据三峡水库塌岸地质条件、塌岸机理和过程,选取能够综合反映塌岸灾害危险度的评价指标,采用层次分析法(AHP法)建立评价指标体系,即将目标分解,直到认为子目标能够用定量或定性的独立指标衡量为止。层次分析法是美国著名的运筹学专家匹兹堡大学教授T.L.Saaty于20世纪70年代中期提出的,层次排序法(TheAnalyticHierarchyProcess,简称AHP)原理简单,有较严格的数学依据,广泛应用于复杂系统的分析与决策。采用此方法建立塌岸危险度评价指标体系,可以较好地解决这类问题。构建的塌岸危险度评价递阶层次结构分为3个层次:目标层次(A),类指标层次(B)和基础指标层次(C)。其中目标层次指塌岸危险度的大小;类指标层次表示塌岸危险度评价中的一级评价指标;基础指标层次表示塌岸危险度评价中的二级评价指标。将与塌岸危险度评价有关的一级指标分为如下7个同级指标,同时又将其细分14个二级同级指标。塌岸危险度评价指标体系见表1。3坍塌风险评估指标的量化3.1判断矩阵的建立信息是系统分析中最基础的数据,任何系统分析都要掌握一定的信息才能进行,层次分析法也需要有相应的信息作为分析的基础,其信息主要来源于人们对不同层次中各个因素之间的相对重要性所做出的判断。通过引入适当的判断标度将这些判断用数值的形式表示出来,构成判断矩阵,以便比较本层次的各因素与某一因素之间的相对重要性。不同因子间的相互比较结果是根据美国著名运筹学家T.L.Saaty的1～9标度方法进行打分,不同重要程度分别赋予不同的分值(表2)。构造的一级指标判断矩阵如下: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的归一化新的判断矩阵根据判断矩阵T,求解T的最大特征根所对应的特征向量。所求特征向量即为各评价因素的重要性排序,归一化后,也就是权重分配。第1步,计算判断矩阵每一行元素的乘积Wi,Wi=m∏j=1uij‚(i,j=1,2,⋯,m)。第2步,计算Wi的m次方根ˉWi=m√Wi。第3步,对向量ˉW=(ˉW1,ˉW2,⋯,ˉWm)作归一化或正规化处理,即:ai=ˉWi/(m∑j=1ˉWj)。则,A=(a1,a2,…,am)T即为所求特征向量。第4步,计算判断矩阵的最大特征根λmax:λmax=1mm∑i=1(ΤA)iai式中(TA)i表示向量TA的第i个元素。ΤA=[(ΤA)1(ΤA)2⋮(ΤA)m]=[u11u12⋯u1mu21u22⋯u2m⋮⋮⋮⋮um1um2⋯umm]⋅[a1a2⋮am]求解特征向量,并作归一化处理:A=(a1,a2,⋯,am)Τ=(0.2448‚0.0345‚0.1421‚0.2594‚0.2148‚0.062‚0.0423)计算判断矩阵的最大特征根λmax:λmax=1mm∑i=1(ΤA)iai=7.28673.3山区河道型水库塌岸危险度评价指标体系的确定计算:CΙ=1m-1(λmax-m)=0.04779计算:CR=CI/RI=0.04779÷1.32=0.0362<0.1,判断矩阵有很好的一致性,判断合理。RI称为判断矩阵的平均随机一致性指标,由大量试验给出。得出一级指标权重:WBi=(0.2448,0.0345,0.1421,0.2594,0.2148,0.062,0.0423),各指标排序WB4>WB1>WB5>WB3>WB6>WB7>WB2。从评价结果看出,7个指标中岸坡类型和塌岸模式权重最大,是影响塌岸危险度的最重要因素;地形地貌次之;接下来依次为库水位、地层岩性、风(波)浪、降雨和地质构造;地质构造权重最轻。这一评价结果与现场调研基本吻合。同理,可对二级指标进行量化和权重确定。最终确定了三峡水库这类山区河道型水库塌岸危险度评价指标体系,见表3。该山区河道型水库塌岸危险度评价指标体系是在4个典型山区河道型水库(三峡、二滩、龚咀和宝珠寺)塌岸现场调查的基础上,同时参考了相关研究成果和已有工作经验,采用上述方法建立的,基本反映了影响和控制山区河道型水库塌岸可能发生程度的几个方面因素。但需要明确的是由于塌岸地质和水库水动力条件的复杂性,该指标体系还有待在实践中不断完善和修正。4不同指标权重的确定对三峡水库这类山区河道型水库塌岸危险度评价可以通过14个二级指标的权重和打分实现,在评价过程中,将各个指标按照以下标准进行打分(表4),再将各个指标的赋值和相应的权重(Wi)相乘,即可求出塌岸危险度值(R)。塌岸危险度评价的模型为:R=n∑i=1(CiWci)式中R为塌岸危险度值;Ci为各评价指标的定量打分;Wci为各评价指标的权重。对各评价指标定量打分的标准为:将14个评价因子按照权重排序,从权重因子最小的指标开始赋予1分,权重最高的指标给予14分;中间依次从2分递增到13分。根据各个指标因子的分级标准,若因子测量值属于最低级,则统一打1分,如果属于上一级,则根据它在14个因子中的排序位置加相应的分值(如C5的权重在14个因子中排在第7位,其评价值就打为7分,若其测量值再上一个级别,则在原基础上再加7分),之后向上按等差级数递增,评分结果见表4。塌岸危险度的划分标准根据R的综合值来确定。为了能在定量打分的基础上客观地反映各因子对塌岸危险度影响的重要程度,将同一类别(n)中各因子的定量打分分别与其权重(m)相乘后求和,得出不同级别的分类值。其计算公式为:R0=14∑m=14∑n=1(m,n)式中R0为不同级别塌岸危险度阈值;m为各评价指标的权重;n为分类评分。根据以上的计算公式,可得出类似三峡水库的山区河道型水库塌岸危险度的3个评价等级:R0<9塌岸危险度低;9≤R0<18塌岸危险度中等;R0≥18塌岸危险度高。同时,计算得出的塌岸危险度值(R)越大,则塌岸危险程度也相对越高。5型水库塌岸危险度评价实例分析为了验证所建立的三峡水库这类山区河道型水库塌岸危险度评价指标体系和评价模型的适宜性与合理性,选取三峡库区库首、库中和库尾共3段塌岸进行实例分析。(1)库岸形态特征三峡库区重庆市南岸区纳溪沟库岸A段(鸡冠石亚段),为岩土混合岸坡,下伏侏罗系中统珍珠冲组砂岩,岩层产状95°∠42°。库岸长约150m,宽70～110m,后缘位于矿泉水厂内侧,高程约190m,前缘高程162m,前后缘相对高差28m。岸坡平面形态较顺直;纵剖面形态呈折线形,岸坡上陡下缓,上部坡度约18°,下部坡度约7°。本段塌岸岸坡下部坡度较缓,为冲积堆积层,未见变形或破坏现象,可不采取护岸措施。(2)下伏岩石岸坡三峡库区重庆市奉节县南岸工业区万家咀库岸段,库岸长100m,系土质岸坡,为松散堆积的碎石粘土层,厚