基于层次分析法和GIS的CSNS工程地质适宜度评价

李 坤，尚彦军，何万通

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；3.水电水利规划研究总院，北京 100120)

重大基础设施工程建设场地的优劣，很大程度上影响了工程设施的布设、建设成败和全寿命期内安全高效运行[1-2]。国家重大科技基础设施会涉及大量非标设备，具有技术综合、复杂以及对工程建设场地和工程布设要求精细化的特点[3]，因此对工程建设场地进行适宜度评价并对工程设施进行合理布设，是重大工程基础设施建设成败的基础和前提条件，而工程建设场地的工程地质条件又是影响工程建设和运行安全的关键因素之一。

从《中国工程地质分区原则》[4]的发表开始，到后来的“地质基础理论”[5]、“岩体结构控制论”[6-8]、“安全岛理论”[9-10]和“多因素相互作用关系矩阵”[11]等场址条件评价基础理论经过几十年的发展和应用，在实际工作中得到了广泛的应用。随着计算机和模糊数学的迅速发展及其在地学领域的广泛应用，为工程地质条件评价从单因素到多因素、从定性到定量的发展，提供了强大的理论支撑，如：层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[12-13]、BP神经网络模型[14]、变权模型[15]、熵权模型[16]和突变理论[17]等。其中，以层次分析法(AHP)应用最为广泛，它是一种将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标的若干层次的定性与定量相互结合的多准则决策(评价)方法，具有层次清晰、计算方便、实用性强的特点，可充分反映决策者对决策问题的认识，大大增加了决策的有效性。

本文拟通过采用层次分析法对CSNS场地地基稳定性、地质灾害易发性及工程地质适宜度进行评价，并对工程布设方案和场地建设提出针对性建议，为CSNS建设和运行提供帮助。

1 工程概况

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS)[18-19]是国内首座基于强流质子加速器的高科技大装置平台，是国家“十一五”期间重点建设的大科学装置，是位于国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台。CSNS是作为发展中国家的第一台散裂中子源进入世界四大散裂中子源行列，其建设将大大提高我国的科学地位。

CSNS装置建设主体包括1台强流质子直线加速器、1台快循环同步加速器、1个靶站、5台中子谱仪等设施和科学实验测试系统，需建筑面积400亩。其中，加速器应安置于带有屏蔽墙的四周有土层封闭的地面下5.2m的隧道内，以达到屏蔽辐射和减少用于屏蔽的混凝土用量。

中子散射大厅内包括靶站和谱仪设施。除靶站外，作用在地基上平均压强约10t/m2(0.1MPa)，部分区域压强20 t/m2(0.2MPa)，靶站最重点压强约100 t/m2(1MPa)，见表1；隧道底板不均匀沉降应小于0.5mm/a，沉降量应小于1mm/a，隧道建基面最大累计沉降量应小于20mm。这就要求地基的承载力需足够大，不允许产生不均匀沉降和大变形。因此，靶站和谱仪大厅要建在地质结构较为简单、岩石强度较高、性质均一的岩体上。

表1 CSNS装置尺寸及重量[5]

2 拟建场址基本条件

经过前期勘察和比选[11]，确定拟建场址为位于广东省东莞市大朗镇水平村南，北距莞佛高速公路约100m，其中规划的400亩装置区位于拟建场址崩岭以西的中部。崩岭山体走向NEE，山体海拔140～184m。规划400亩地内装置区东西长525.752m，南北宽367.427m。高程28～153.6m，大部分在50m以上。经现场勘察和分析，认为规划400亩主场地有可能因为高边坡不稳定对CSNS工程设施的建设和运行带来安全隐患，经建议将400亩装置区做一定的调整，如图1所示。

图1 拟建场址平面地质图(据文献[3]修改)

场址有两大类岩石：燕山期J2花岗闪长岩和花岗斑岩，加里东期Z 变粒岩，两者界限向北陡倾穿插接触，接触带局部破碎富水。大的基岩出露有两处：400 亩地NE向的块状花岗斑岩和白灰厂沟采石坑的整体-块状黑云变粒岩。

场址区出露断层和节理，以NEE 和NNW 向为主，较大的有F2和F6 条，F2断层在白灰沟采石坑出露，走向 350°，倾向SE，倾角52°，压扭性，长约400m，影响带宽约10m。其西侧有一平行节理面，东侧有6 条平行节理。F6断层位于 400 亩地NE，沿着70°～90°方向延伸，其断面有分叉和波状起伏，影响带宽度不大于50m，长100 多米，近直立。分为南北两小支，南支以节理密集带为特征，北支以弯曲的压扭面为特征。

3 400亩主场地工程地质适宜度评价

3.1 影响因素确定

主场地地表主要被第四系松散堆积土覆盖，其下基岩存在不同程度的风化。为查明场地工程地基稳定性，对主装置区进行了钻探并取芯，如图2所示，通过对所获取岩芯的的数据统计，结合地球物理勘探数据，确定第四系和各风化层厚度。

图2 现场钻探及岩芯(照片来源：林达明2009)

根据对拟选场址内地形的测量，以及物探解释和钻探资料的分析，选取第四系厚度C1、全风化层厚度C2、强风化层厚度C3、标准贯入试验次数C4和主要地层岩性分布C5作为影响因素评价工程场地稳定性。选择岩性C5、地形坡度C6和构造C7作为影响因素评价场地灾害易发性。

3.2 影响因素量化

为了消除由于不同影响因素属性量纲的不统一对评价结果造成的不均衡影响，使数据具有可比性，根据系统评价目标、系统评价区域特征、评价因素属性特征、因素与目标对应关系，采用归一化处理和等级划分对各因素属性进行处理。

归一化公式如下：

(1)

式中，Ai—归一化处理后的数据;a、b—归一化范围的下限(0)和上限(1)；min(xi)、max(xi)—影响因素量化的最小值和最大值。

值得注意的是，在影响因素与系统评价目标正相关时，公式(1)适用，若影响因素系统评价目标负相关，则进行系统计算时需用归一化上限(1)减去归一化值。

对于因素属性值与系统评价目标不呈线性关系或不呈一定递增(递减)规律的，则归一化方法不适用。因此，本文对无法归一化公式处理的因素属性进行标准化。

标准化的方法为：①根据因素属性特征，对其进行定性描述，或划分其属性值区间。如：岩性强度(软弱/松散、低、中、强)分类和地形坡度区间划分。②根据评价因素跟评价目标的对应关系，对评价因素定性化分级(如：影响强、中、弱等)。③按评价因素定性分级，将其影响值定量化分为(0，1]区间内递增数值(如分为4级，则最小级别和递增区间都为0.25的影响值，即：0.25，0.5，0.75，1。

根据上述量化原则，对第四系层厚、全风化层厚、强风化层厚、标准贯入试验、地形坡度等因素进行归一化处理，对地层岩性和构造因素进行标准化处理，本文中构造主要为断层，因此将构造专题中断层带赋值为1，其余赋值为0，各因素专题图(断层分布如图3所示)。

图3 影响因素量化专题图

3.3 影响因素权重计算

层次分析法的使用一般分为4个步骤，即：①建立风险事件的递阶层次结构。建立目标体系层次结构的过程中，各个评价因素应充分体现出它的科学性、系统性和普遍适用性。②构造两两比较判断矩阵。判断矩阵的目的是对各因素的相对重要性进行两两比较，一般采用1—9及其倒数作为标度。③通过判别矩阵计算各层次内不同影响因素的相对权重，即：各因素在系统评价中的重要程度的量化；④计算各层影响因素在整个系统评价中的组合权重。层次分析法对CSNS 400亩装置区工程地质适宜度评价，AHP层次分析法模型如图4所示。

图4 CSNS主场地地质适宜度AHP评价模型

400亩装置区浅表地层岩性基本一致，主要为第四系松散层和花岗岩，区内仅有F6断层和F7断层，不存在岩溶，因此，本评价中灾害易发性主要为边坡失稳的可能性。

根据图5中AHP层次分析法评价模型，构建判断矩阵，见表2—4。

表2 判断矩阵A～Bi(i=1～2)

λmax=2，CI0=0.0，CR0=0.0<0.1

表3 判断矩阵B1～Ci(i=1～4)

λmax1=5.15594，CI1=0.03899，CR1=0.03481<0.1

表4 判断矩阵B2～Ci(i=5～7)

λmax2=3.05362，CI2=0.02681，CR2=0.04623<0.1

表5 各因素在工程地质适宜度评价中的权重

CI=0.03493，RI=0.94，CR=0.03716<0.1

各组矩阵计算出最大特征向量λmax，一致性指标CI、平均一致性指标RI与一致性比率CR。根据计算结果，准则层和方案层的一致性比率CR<0.1，证明判断矩阵和层次排序具有令人满意的一致性，可接受该分析结果。

3.4 工程场地评价

应用ArcGIS软件对各影响因素专题图的绘制和子专题图的叠加，给出CSNS场址400亩装置区地基稳定性分区图和灾害易发性分区图，如图5所示。

根据图5(a)，装置区北半部相较于南半部处于不稳定区域，主要是因为北部第四系和全风化层较厚，而第四系和全风化层的力学强度较低；风化囊部位岩石风化严重、较为破碎、强度较低，因此风化囊分布集中区是较不稳定和不稳定区；装置区南半部海拔较高，部分基岩出露，虽然强风化层相对较厚，但第四系和全风化层较薄，强风化层的力学强度要比第四系、风化囊集中区和全风化层的强度要高，因此南半部工程地基稳定性明显优于北半部。

装置区坡度较大、地层岩性比较松软破碎的区域较容易发生边坡灾害(图5(b))；北半部虽然分布有较厚第四系松散层，但地形较为平坦，故发生边坡灾害的可能性较小。

图5 主场地地基稳定性及地质灾害易发性分区图

拟选场址工程地质适宜度指数为：

=0.1834×f1(x，y)+0.1489×f2(x，y)+

0.1419×f3(x，y)+0.0650×f4(x，y)+

0.1927×f5(x，y)+ 0.1645×f6(x，y)+

0.1036×f7(x，y)

(2)

式中，Wi—各因素的影响权重；fi(x，y)—各影响因素的属性函数，为归一化后0～1之间的值；(x，y)—地理坐标。

将装置区地基稳定性分区图和灾害易发性分区图进行复合叠加，共将装置区划分为12086个不同形状和规模的单元，如图6所示，每个单元对应各自的工程地质适宜度指数，根据单元个数和各单元适宜度指数的相对大小，对装置区进行工程地质适宜度分区，分区标准采用ArcGIS中Natural Breaks(Jenks)方法进行分级，此分类方法使得类内差异最小，类间差异最大[20]。

图6 工程地质适宜度指数专题图

通过对各影响因素专题图的叠加和分析，完成工程地质适宜度分区图，如图7所示，工程地质适宜度分区图既考虑了装置区的地基稳定性又考虑了装置区灾害易发性，可以更好地为装置的布置和建设提供指导性意见。从工程地质适宜度分区图来看，装置区北部适宜度差，不适合靶站的布设；中南部和东南部工程地质适宜度较好。

图7 主场地工程地质适宜度分区及装置布置图

根据工程地质适宜度分区及评价，建议将CSNS环形加速器和靶区装置布置在中部位置，如图8所示，调整前后的400亩场地和场地内主装置的布设都有了比较大的调整，如图8所示：最终确定的环形加速器位置向北东方向调整了150m左右。原规划的靶站在高边坡位置，位置为最终确定装置区的东南缘，而重新布置的靶站位于最终装置区的中北部，位置上有了较大变动，调整后的靶站位置更加稳定安全，有利于设备的稳定运行。

图8 调整前后主场地及CSNS装置布设对比图

4 工程施工建议

尽管调整后的场址相对安全稳定，但是为了工程的顺利进行和大科学装置的顺利运行，提出如下建议：

(1)400亩装置区南部有高边坡，倘若发生边坡失稳可能会影响到工程的顺利进行，因此建议对边坡进行削坡和边坡支护处理。

(2)拟选场址有风化壳存在，且风化壳厚度和风化程度不同，可能导致地基力学性质不均一性。建议对风化壳中风化带和微风化带进行岩石力学实验，并对地下水位的变化做实时的监测。根据场址内风化壳厚度及风化程度，对地基进行相应的加固处理，严防因风化壳和地下水的作用造成地基不均匀沉降。

(3)在对建设场地进行岩石工程开挖过程中，必须防止因大爆破作用导致大范围岩体松动，所以应采用光面爆破、预裂爆破技术。

5 结论

(1)选取第四系厚度、全风化层厚度、强风化层厚度、标准贯入试验击数、主要地层岩性分布、构造和地形作为评价拟选场址工程地基稳定性和灾害易发性的主控因素；应用AHP层次分析法和ArcGIS空间分析功能，完成400亩装置区地基稳定性和灾害易发性分区和评价。

(2)在地基稳定性和灾害易发性评价及分区的基础上，完成400亩主场地工程地质适宜度分区和评价。结合适宜度分区结果以及CSNS工程建设要求，对CSNS装置中环形加速器、靶站区和直线加速器等重要设备的布设位置及方向提出调整的建议。

(3)工程方接受了对装置区位置及装置布设方案调整的建议，按照建议方案进行施工。自2011年开工建设，2018年通过国家验收，于2021年01月26日8时39分，多物理谱仪成功出束，中子束流与预期相符[21]。充分证明了选址的成功以及工程地质适宜度评价及工程布设方案的科学性、合理性和适用性，可为类似工程的场地评价及工程布设方案设计提供参考。