金江農田灌渠邊坡穩定性模糊綜合評價分析

　　摘要: 【目的】研究麗江古城區金江鄉境內龍開口水電站移民工程金江農田灌渠沿線邊坡的穩定性。【方法】在現場詳細調研的基礎上，基于層次分析法和模糊綜合評價，構建了包括工程地質特性、地形地貌、氣象水文地質條件和人為及其他外在因素 4 個評價準則及 14 個下屬指標的農田灌渠邊坡穩定性評價模型。【結果】該工程項目平臺開挖后安全風險等級分值為 75.834，屬于基本穩定風險級別，施工平臺完成后灌渠開挖條件下安全風險等級分值為 68.500，安全風險等級屬于不穩定風險級別。【結論】根據分析結果，提出了相應的建議措施，研究成果對確保金江農田灌渠邊坡穩定性及輸水方案的優化具有重要意義，可為類似工程提供參考。

　　郭延輝; 楊溢; 楊志全; 孔志軍， 云南農業大學學報(自然科學) 發表時間：2021-10-13

　　關鍵詞: 農田灌渠;邊坡;穩定性;層次分析法;模糊綜合評價

　　中 國 是 一 個 農 業 大 國 ， 耕 地 面 積 達 到 1432 960 km2，但由于水資源分布不均，很多地區農田灌溉難度較大。在農田水利工程中，為了更好地滿足灌溉需求，很多灌渠工程不得不修建于山坡上，這些灌渠在使用過程中，由于年久失修、堵塞和滲漏等因素易引發滑坡和泥石流等次生災害，嚴重影響灌渠邊坡的穩定性和周邊居民的生命財產安全。鑒于此，開展農田水利工程灌渠邊坡穩定性分析和研究，確保灌渠的安全使用具有重要的實際意義。

　　截至目前，眾多學者針對邊坡穩定性問題開展了大量研究，如分析了不同條件下的幾類建筑邊坡的穩定性[1-3];分析了幾種工況下路基路堤邊坡的穩定性[4-6];分別采用數值模擬和理論計算等方法研究了幾個典型礦山邊坡穩定性[7-9];分析了水利水電工程渠道邊坡穩定性[10-13]。可以看出：目前對于建筑、礦山、水電和交通等邊坡研究較多，而對于農田水利工程灌渠的邊坡穩定性研究則相對不足。

　　麗江古城區金江鄉境內金江灌渠是龍開口水電站建設庫區內的重點項目之一，2011 年 5 月審核通過了《龍開口水電站移民工程古城區金江灌渠技施報告》，2011 年 11 月完成招標，并于同年 12 月開工建設。金江灌渠原設計新渠建設長度 14 762 m，設計流量 0.47 m3 /s，主要是為了解決金江村 3 個小組移民搬遷后淹沒線上剩余土地的灌溉用水，因外出務工人員增多，退耕還林面積增加，耕地面積有所減少，灌溉土地面積超過 66.67 hm2。本研究以麗江古城區金江鄉境內龍開口水電站移民工程金江農田灌渠邊坡為研究背景，在現場調研基礎上，采用層次分析與模糊綜合評價建立評價模型，對農田灌渠邊坡穩定性進行分析。

　　1 材料與方法

　　1.1 研究區工程地質概況

　　1.1.1 地形地貌

　　研究區位于云貴高原和青藏高原連接處，也是滇西高原與橫斷山脈結合部。項目區所在地屬構造侵蝕的中山斜坡地貌，山勢陡峻，坡度為25°~35°。沿線地形總體較陡，坡度為 30°~50°，局部為陡壁和臺地，多見基巖出露，部分為覆蓋層，覆蓋層主要為崩坡積碎石土。渠道整體地形南高北低，溝谷切割中等，沿線海拔標高 1 705~ 1 440 m，地形地貌復雜程度屬簡單類型。現場灌渠邊坡地形地貌見圖 1。

　　1.1.2 地層條件

　　區域分布地層主要有二疊系上統 (P2h) 石灰巖、二疊系下統 (Pß3 ) 玄武巖、三疊系下統 (T1 ) 玄武質礫巖、第四系泥石流堆積層 ( ) 碎石土、殘坡積層 ( ) 紅粘土、崩坡積層 ( ) 塊碎石土和沖洪積層 ( ) 砂卵礫石土。

　　1.1.3 區域地質構造

　　渠道全線基本位于山坡上，地形起伏較小，稍陡，坡度 25°~35°，無沖溝發育，零星分布灌木等植物。地層巖性為第四系崩坡積碎塊石土，成分為弱風化玄武巖，碎石的粒徑多為 3~15 cm，塊石為 25~40 cm，部分可達 50~70 cm，碎塊石含量 75%~85%，結構松散~稍密，呈次棱角~棱角狀，厚度 4~15 m，渠道局部位于陡崖頂部，覆蓋層厚度 0.5~2 m，場地 50 年超越概率 10% 的地震動峰值加速為 181.8 gal，相應的地震基本烈度為Ⅷ度。

　　1.2 農田灌渠地質災害風險分析

　　通過現場工程踏勘、調研和量測等方法對金江灌渠沿線工程地質及潛在的地質災害進行調研和分析。認為金江灌渠邊坡工程地質災害風險主要有以下 3 個方面。

　　(1) 金江灌渠沿線沖溝發育，沖溝兩側松散崩坡積覆蓋層分布廣泛，暴雨時易引發滑坡和形成泥石流地質災害。灌渠沿線崩坡積覆蓋層與基巖相間出現，雨季也易產生局部滑坡和崩塌等地質災害。

　　(2) 灌渠沿線崩積體結構松散，灌渠平臺邊坡坡度較陡，自然狀態下穩定性較差。基巖裸露區地形坡度較陡，表層巖體以強風化為主，局部呈弱風化，巖體較破碎，以弱卸荷為主，局部呈強卸荷。強卸荷區巖體松動破碎，穩定性較差。

　　(3) 灌渠沿線地質條件復雜，生態環境非常脆弱，地表主要為粉質黏土夾碎石、碎石夾粉質黏土以及砂卵礫石層，水對巖土體力學強度的影響較大，且設計采用的三面光水渠容易發生堵塞，堵塞后水體下滲，會對邊坡的穩定性產生較大影響。

　　1.3 評價方法及指標體系構建

　　1.3.1 模糊綜合評價

　　模糊綜合評價是一種將定性問題量化分析的數學方法，其基本思想源于模糊數學。通過對評價因素兩兩對比，將評價因素與評價值的關系定量化，建立函數關系。該法具有獨特的優勢，在工程領域應用廣泛。其評價步驟為：根據評價目標確定評價因素，采用層次分析法，構建評價指標系統，計算權重并構造判斷矩陣，檢驗矩陣一致性，最后計算隸屬度向量，確定隸屬度，評價邊坡穩定性[14]。

　　1.3.2 評價指標體系的構建

　　根據現場勘察、調研和量測結果，在考慮評價體系建立原則基礎上，確定工程地質特性、地形地貌、氣象水文地質條件和人為及其他外在因素等 4 個評價準則及 14 個下屬二級指標 (表 1)。

　　2 結果與分析

　　2.1 權重及一致性檢驗

　　評價過程中需通過計算各因素權重量化分析，各因素權重大小直接影響著評價結果。本研究采用層次分析法[15]，綜合專家判斷賦值，根據賦值結果構造判斷矩陣，標度含義如表 2 所示。基于“根法”確定因素權重，進行一致性檢驗，檢驗方法為：

　　CI = (λmax −n) / (n−1); CR = CI/RI (1) 其中，CI 為一致性指標，λmax 為判斷矩陣最大特征值，n 為判斷矩陣階數，CR 為一致性比率， RI 為隨機性指標。若 CR<0.1，說明判斷矩陣滿足要求，能較好反映實際指標間關系，若 CR≥ 0.1，則需對矩陣進行調整。RI 取值見表 3。

　　(1) 根據前述評價指標體系，通過評估專家對準則層指標進行兩兩比較，得到準則層各指標間相對重要性，確定判斷矩陣。目標層安全風險評價指標判斷矩陣 A 如下： A = ?????????????????? 1 3 4 3 1/3 1 1/3 1/2 1/4 3 1 1/2 1/3 2 2 1 ?????????????????? (2) 式 (2) 按照式 (1) 對目標層判斷矩陣進行一致性檢驗，得出 CR=0.08038<0.1，說明該矩陣滿足要求，評分相對準確，采用“根法”計算權重，得到目標層權重為 ω=(0.51, 0.10, 0.16, 0.23)T。

　　同理，計算并通過一致性檢驗，得到各一級指 標 的 權 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)。

　　由于施工平臺開挖與灌渠開挖的指標層人為及其他外在因素 A4 的下屬指標間相對重要性有所不同，因此分 2 個方案進行。方案一：金江灌渠工程項目施工平臺開挖;方案二：施工平臺開挖結束后，繼續進行灌渠開挖。2 種方案的指標層 A4 計算結果分別如下。

　　方案一：金江灌渠工程項目施工平臺開挖后，指標層 A4 權重計算得： A4=(0.64, 0.26, 0.10)。方案二：施工平臺開挖結束，繼續進行灌區開挖后，指標層人為及其他外在因素 A4 權重計算得： A4=(0.76, 0.17, 0.07)。

　　2.2 評價指標隸屬函數確定

　　目前，對邊坡安全等級的劃分沒有統一的標準，因此，在金江灌渠現場調研基礎上，結合國內外專家研究標準，將該工程邊坡安全等級劃分為 5 個等級：很穩定 (Ⅰ)、穩定 (Ⅱ)、基本穩定 (Ⅲ)、不穩定 (Ⅳ)、極不穩定 (Ⅴ)，并給出了 15 項評價指標的分級評價標準量值 (表 4)。

　　(1) 連續型指標因子隸屬函數

　　考慮的風險評價連續型指標有 6 個：內聚力、內摩擦角、邊坡坡度、邊坡高度、年平均降雨量和地震烈度。對于連續型指標因子，采用 “降半梯形”分布和梯形分布描述其隸屬函數。

　　根據現場踏勘和技施報告等資料，確定金江灌渠工程幾個連續型指標分別為：內聚力 15 kPa，內摩擦角 21°，坡高 300 m，邊坡坡度 60°，年平均降雨量 900 mm，地震烈度Ⅷ度。

　　(2) 離散型指標因子隸屬函數

　　對表 4 中的巖體結構特性、坡向與巖層產狀關系、巖土抗水性、縱向坡面特性、降雨的沖刷作用、地下水對邊坡體的影響、邊坡及灌渠施工平臺開挖和邊坡排水情況等離散型指標因子，按表 5 進行評分，并取其平均值作為指標數，確定隸屬度與指標數值之間的函數關系，即為隸屬函數。

　　通過計算，金江灌渠工程項目平臺開挖形成后各二級和一級指標評價因子隸屬度及極值分配見表 6。金江灌渠工程項目灌渠開挖形成后各二級和一級指標評價因子隸屬度及極值分配見表 7。

　　2.3 金江灌渠工程項目邊坡安全風險綜合評價

　　應用模糊評價方法，邀請相關領域的專家對本研究指標評分，得出二級指標層的模糊矩陣，通過以下公式對施工平臺開挖后邊坡穩定性進行評價，計算灌渠邊坡安全風險等級。

　　二級因素評價結果：

　　S2 = ???????????? 0.020 0.137 0.376 0.137 0.330 0.000 0.250 0.300 0.200 0.250 0.129 0.172 0.430 0.245 0.024 0.000 0.050 0.564 0.386 0.000 ???????????? (3) 進一步得到一級因素評價結果：S1=A·S2。 S1=(0.0308, 0.1339, 0.4203, 0.2179, 0.1971) 由表 5 確定評語集為： U={u1 , u2 , u3 , u4 , u5}={100, 90, 80, 70, 60}，則項目總風險評價：F=S1×U=(0.0308，0.1339，0.4023，0.2179， 0.1971)×(100, 90, 80, 70, 60)=75.834。對照判斷標準，金江灌渠工程項目平臺開挖后安全風險等級處于<80~70 之間，屬于基本穩定風險級別。

　　采用相同方法，對施工平臺開挖后灌渠開挖條件下的邊坡穩定性進行模糊綜合評價分析，經過計算，該條件下 F=68.500，安全風險等級處于 <70~60 之間，處于不穩定風險級別。

　　3 討論

　　根據金江灌渠項目模糊綜合評價分析結果，提出以下建議措施：

　　(1) 金江灌渠項目所處區域地質條件復雜，環境脆弱，巖土體松散破碎，沿線地質災害風險較大，建議開展灌渠沿線地質災害詳細調查，對滑坡風險較大的區域進行編錄，并建議對沿線開展地質災害風險評估。

　　(2) 根據地質災害詳細統計編錄結果，對危險性較大區域的邊坡，特別是平臺邊坡進行素噴混凝土和錨網噴等支護，并做好相應的排水工作。

　　(3) 三面光灌渠在運維的過程中，受其周圍巖土體的影響容易堵塞，且堵塞后容易下滲至邊坡平臺內部且不易被發現。一旦滲漏至平臺邊坡內部，引起邊坡內部巖土體抗剪強度降低，當下滑力大于抗滑力的時候，邊坡容易發生滑坡和泥石流等次生災害。因此建議考慮變更設計方案，考慮采用管道輸水方案。

　　4 結論

　　本研究在現場調研的基礎上，采用層次分析法確定了金江灌渠工程項目安全的主要影響因素，建立了金江灌渠邊坡穩定性的評價模型。計算各級指標的權重，在此基礎上構建連續型指標和離散型指標的隸屬函數，并采用模糊綜合評判的方法，分析了平臺開挖形成后和灌渠開挖形成后金江灌渠工程項目邊坡安全風險等級。施工平臺開挖后以及后續灌渠開挖后風險安全等級分別為 75.834 和 68.500，認為平臺施工完成后邊坡屬于基本穩定風險級別，而繼續開挖灌渠，灌渠形成后的邊坡屬于不穩定級別。