金江农田灌渠边坡稳定性模糊综合评价分析*

郭延辉，杨 溢，杨志全，孔志军

(1.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093；2.云南农业大学 建筑工程学院，云南 昆明 650201)

中国是一个农业大国，耕地面积达到1 432 960 km2，但由于水资源分布不均，很多地区农田灌溉难度较大。在农田水利工程中，为了更好地满足灌溉需求，很多灌渠工程不得不修建于山坡上，这些灌渠在使用过程中，由于年久失修、堵塞和渗漏等因素易引发滑坡和泥石流等次生灾害，严重影响灌渠边坡的稳定性和周边居民的生命财产安全。鉴于此，开展农田水利工程灌渠边坡稳定性分析和研究，确保灌渠的安全使用具有重要的实际意义。

截至目前，众多学者针对边坡稳定性问题开展了大量研究，如分析了不同条件下的几类建筑边坡的稳定性[1-3]；分析了几种工况下路基路堤边坡的稳定性[4-6]；分别采用数值模拟和理论计算等方法研究了几个典型矿山边坡稳定性[7-9]；分析了水利水电工程渠道边坡稳定性[10-13]。可以看出：目前对于建筑、矿山、水电和交通等边坡研究较多，而对于农田水利工程灌渠的边坡稳定性研究则相对不足。

丽江古城区金江乡境内金江灌渠是龙开口水电站建设库区内的重点项目之一，2011 年5 月审核通过了《龙开口水电站移民工程古城区金江灌渠技施报告》，2011 年11 月完成招标，并于同年12 月开工建设。金江灌渠原设计新渠建设长度14 762 m，设计流量0.47 m3/s，主要是为了解决金江村3 个小组移民搬迁后淹没线上剩余土地的灌溉用水，因外出务工人员增多，退耕还林面积增加，耕地面积有所减少，灌溉土地面积超过66.67 hm2。本研究以丽江古城区金江乡境内龙开口水电站移民工程金江农田灌渠边坡为研究背景，在现场调研基础上，采用层次分析与模糊综合评价建立评价模型，对农田灌渠边坡稳定性进行分析。

1 材料与方法

1.1 研究区工程地质概况

1.1.1地形地貌

研究区位于云贵高原和青藏高原连接处，也是滇西高原与横断山脉结合部。项目区所在地属构造侵蚀的中山斜坡地貌，山势陡峻，坡度为25°～35°。沿线地形总体较陡，坡度为30°～50°，局部为陡壁和台地，多见基岩出露，部分为覆盖层，覆盖层主要为崩坡积碎石土。渠道整体地形南高北低，沟谷切割中等，沿线海拔标高1 705～1 440 m，地形地貌复杂程度属简单类型。现场灌渠边坡地形地貌见图1。

图1 现场灌渠边坡地形地貌图Fig.1 Topographic map of on-site irrigation canal slope

1.1.2地层条件

区域分布地层主要有二叠系上统(P2h)石灰岩、二叠系下统(Pß3)玄武岩、三叠系下统(T1)玄武质砾岩、第四系泥石流堆积层碎石土、残坡积层红粘土、崩坡积层块碎石土和冲洪积层砂卵砾石土。

1.1.3区域地质构造

渠道全线基本位于山坡上，地形起伏较小，稍陡，坡度25°～35°，无冲沟发育，零星分布灌木等植物。地层岩性为第四系崩坡积碎块石土，成分为弱风化玄武岩，碎石的粒径多为3～15 cm，块石为25～40 cm，部分可达50～70 cm，碎块石含量75%～85%，结构松散～稍密，呈次棱角～棱角状，厚度4～15 m，渠道局部位于陡崖顶部，覆盖层厚度0.5～2 m，场地50 年超越概率10%的地震动峰值加速为181.8 gal，相应的地震基本烈度为Ⅷ度。

1.2 农田灌渠地质灾害风险分析

通过现场工程踏勘、调研和量测等方法对金江灌渠沿线工程地质及潜在的地质灾害进行调研和分析。认为金江灌渠边坡工程地质灾害风险主要有以下3 个方面。

(1)金江灌渠沿线冲沟发育，冲沟两侧松散崩坡积覆盖层分布广泛，暴雨时易引发滑坡和形成泥石流地质灾害。灌渠沿线崩坡积覆盖层与基岩相间出现，雨季也易产生局部滑坡和崩塌等地质灾害。

(2)灌渠沿线崩积体结构松散，灌渠平台边坡坡度较陡，自然状态下稳定性较差。基岩裸露区地形坡度较陡，表层岩体以强风化为主，局部呈弱风化，岩体较破碎，以弱卸荷为主，局部呈强卸荷。强卸荷区岩体松动破碎，稳定性较差。

(3)灌渠沿线地质条件复杂，生态环境非常脆弱，地表主要为粉质黏土夹碎石、碎石夹粉质黏土以及砂卵砾石层，水对岩土体力学强度的影响较大，且设计采用的三面光水渠容易发生堵塞，堵塞后水体下渗，会对边坡的稳定性产生较大影响。

1.3 评价方法及指标体系构建

1.3.1模糊综合评价

模糊综合评价是一种将定性问题量化分析的数学方法，其基本思想源于模糊数学。通过对评价因素两两对比，将评价因素与评价值的关系定量化，建立函数关系。该法具有独特的优势，在工程领域应用广泛。其评价步骤为：根据评价目标确定评价因素，采用层次分析法，构建评价指标系统，计算权重并构造判断矩阵，检验矩阵一致性，最后计算隶属度向量，确定隶属度，评价边坡稳定性[14]。

1.3.2评价指标体系的构建

根据现场勘察、调研和量测结果，在考虑评价体系建立原则基础上，确定工程地质特性、地形地貌、气象水文地质条件和人为及其他外在因素等4 个评价准则及14 个下属二级指标(表1)。

表1 评价指标体系Tab.1 Evaluation index system

2 结果与分析

2.1 权重及一致性检验

评价过程中需通过计算各因素权重量化分析，各因素权重大小直接影响着评价结果。本研究采用层次分析法[15]，综合专家判断赋值，根据赋值结果构造判断矩阵，标度含义如表2 所示。基于“根法”确定因素权重，进行一致性检验，检验方法为：

表2 标度的含义Tab.2 Meaning of scale

其中，CI 为一致性指标，λmax为判断矩阵最大特征值，n为判断矩阵阶数，CR 为一致性比率，RI 为随机性指标。若CR＜0.1，说明判断矩阵满足要求，能较好反映实际指标间关系，若CR≥0.1，则需对矩阵进行调整。RI 取值见表3。

表3 随机性指标RI 取值Tab.3 Values of RI

(1)根据前述评价指标体系，通过评估专家对准则层指标进行两两比较，得到准则层各指标间相对重要性，确定判断矩阵。目标层安全风险评价指标判断矩阵A如下：

式(2)按照式(1)对目标层判断矩阵进行一致性检验，得出CR=0.080 38＜0.1，说明该矩阵满足要求，评分相对准确，采用“根法”计算权重，得到目标层权重为ω=(0.51,0.10,0.16,0.23)T。

同理，计算并通过一致性检验，得到各一级指标的权重：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)。

由于施工平台开挖与灌渠开挖的指标层人为及其他外在因素A4的下属指标间相对重要性有所不同，因此分2 个方案进行。方案一：金江灌渠工程项目施工平台开挖；方案二：施工平台开挖结束后，继续进行灌渠开挖。2种方案的指标层A4计算结果分别如下。

方案一：金江灌渠工程项目施工平台开挖后，指标层A4权重计算得：

A4=(0.64,0.26,0.10)。

方案二：施工平台开挖结束，继续进行灌区开挖后，指标层人为及其他外在因素A4权重计算得：

A4=(0.76,0.17,0.07)。

2.2 评价指标隶属函数确定

目前，对边坡安全等级的划分没有统一的标准，因此，在金江灌渠现场调研基础上，结合国内外专家研究标准，将该工程边坡安全等级划分为5 个等级：很稳定(Ⅰ)、稳定(Ⅱ)、基本稳定(Ⅲ)、不稳定(Ⅳ)、极不稳定(Ⅴ)，并给出了15 项评价指标的分级评价标准量值(表4)。

(1)连续型指标因子隶属函数

考虑的风险评价连续型指标有6 个：内聚力、内摩擦角、边坡坡度、边坡高度、年平均降雨量和地震烈度。对于连续型指标因子，采用“降半梯形”分布和梯形分布描述其隶属函数。

根据现场踏勘和技施报告等资料，确定金江灌渠工程几个连续型指标分别为：内聚力15 kPa，内摩擦角21°，坡高300 m，边坡坡度60°，年平均降雨量900 mm，地震烈度Ⅷ度。

(2)离散型指标因子隶属函数

对表4 中的岩体结构特性、坡向与岩层产状关系、岩土抗水性、纵向坡面特性、降雨的冲刷作用、地下水对边坡体的影响、边坡及灌渠施工平台开挖和边坡排水情况等离散型指标因子，按表5 进行评分，并取其平均值作为指标数，确定隶属度与指标数值之间的函数关系，即为隶属函数。

表4 作用因素稳定等级划分表Tab.4 Classification table of stable grades of action factors

表5 等级评分表Tab.5 Rating table

通过计算，金江灌渠工程项目平台开挖形成后各二级和一级指标评价因子隶属度及极值分配见表6。金江灌渠工程项目灌渠开挖形成后各二级和一级指标评价因子隶属度及极值分配见表7。

表6 平台形成后各离散型一、二级指标评价因子隶属度及极值分配表Tab.6 Membership degree and extreme value distribution table of evaluation factors of the discrete first and second indicators after the platform formation

表7 灌渠开挖形成后各离散型一、二级指标评价因子隶属度及极值分配表Tab.7 Membership degree and extreme value distribution table of the evaluation factors of the discrete first and second indicators after the excavation of the canal

2.3 金江灌渠工程项目边坡安全风险综合评价

应用模糊评价方法，邀请相关领域的专家对本研究指标评分，得出二级指标层的模糊矩阵，通过以下公式对施工平台开挖后边坡稳定性进行评价，计算灌渠边坡安全风险等级。

二级因素评价结果：

进一步得到一级因素评价结果：S1=A·S2。

S1=(0.030 8,0.133 9,0.420 3,0.217 9,0.197 1)

由表5 确定评语集为：

U={u1,u2,u3,u4,u5}={100,90,80,70,60}，

则项目总风险评价：

F=S1×U=(0.030 8，0.133 9，0.402 3，0.217 9，0.197 1)×(100,90,80,70,60)=75.834。

对照判断标准，金江灌渠工程项目平台开挖后安全风险等级处于＜80～70 之间，属于基本稳定风险级别。

采用相同方法，对施工平台开挖后灌渠开挖条件下的边坡稳定性进行模糊综合评价分析，经过计算，该条件下F=68.500，安全风险等级处于＜70～60 之间，处于不稳定风险级别。

3 讨论

根据金江灌渠项目模糊综合评价分析结果，提出以下建议措施：

(1)金江灌渠项目所处区域地质条件复杂，环境脆弱，岩土体松散破碎，沿线地质灾害风险较大，建议开展灌渠沿线地质灾害详细调查，对滑坡风险较大的区域进行编录，并建议对沿线开展地质灾害风险评估。

(2)根据地质灾害详细统计编录结果，对危险性较大区域的边坡，特别是平台边坡进行素喷混凝土和锚网喷等支护，并做好相应的排水工作。

(3)三面光灌渠在运维的过程中，受其周围岩土体的影响容易堵塞，且堵塞后容易下渗至边坡平台内部且不易被发现。一旦渗漏至平台边坡内部，引起边坡内部岩土体抗剪强度降低，当下滑力大于抗滑力的时候，边坡容易发生滑坡和泥石流等次生灾害。因此建议考虑变更设计方案，考虑采用管道输水方案。

4 结论

本研究在现场调研的基础上，采用层次分析法确定了金江灌渠工程项目安全的主要影响因素，建立了金江灌渠边坡稳定性的评价模型。计算各级指标的权重，在此基础上构建连续型指标和离散型指标的隶属函数，并采用模糊综合评判的方法，分析了平台开挖形成后和灌渠开挖形成后金江灌渠工程项目边坡安全风险等级。施工平台开挖后以及后续灌渠开挖后风险安全等级分别为75.834 和68.500，认为平台施工完成后边坡属于基本稳定风险级别，而继续开挖灌渠，灌渠形成后的边坡属于不稳定级别。