何光洪，梁 燕，鄧炎倩，鄭 甜，陳 晨，劉栓栓

(長安大學 公路學院特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室, 陜西 西安 710064)

涇陽南塬位于我國陜西省咸陽市涇陽縣涇河南岸，臺塬主要以黃土為主。也正是由于區(qū)域內(nèi)的黃土具有大孔隙、結(jié)構(gòu)疏松、垂直節(jié)理顯著、遇水極易濕陷的特點，再加上該地區(qū)近四十年來農(nóng)業(yè)灌溉水量的增加，導(dǎo)致涇陽南塬黃土滑坡頻繁發(fā)生，造成了重大的財產(chǎn)損失和人員傷亡。

目前關(guān)于涇陽南塬黃土滑坡主要集中在類型劃分[1-2]、穩(wěn)定性研究[3-5]和危險性評價[6-7]等方面。關(guān)于滑坡的形成機理，雷祥義[8]分析了人類不合理的引用地表水灌溉，改變了地下水文條件，從而降低了土體的抗剪強度，導(dǎo)致黃土滑坡形成。王德耀等[1]通過對涇陽南塬黃土滑坡災(zāi)害的分布特征和形成規(guī)律進行研究，得出了該地區(qū)的滑坡災(zāi)害形成的基礎(chǔ)是活動構(gòu)造、地震、地貌、地層巖土、河流侵蝕等因素，而人類過度擾動及農(nóng)業(yè)灌溉是災(zāi)害形成的誘發(fā)因素。許領(lǐng)等[9]結(jié)合現(xiàn)場工作，初步分析了地下水位上升誘發(fā)高速遠程滑坡機制、塬邊地裂縫成因機制、滑坡高陡后壁成因機制及其穩(wěn)定性評價方法及黃土滑坡演化機制與演化平衡等工程地質(zhì)問題。段釗等[10]通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗、數(shù)值仿真實驗，對涇陽南塬滑坡的多序次成因機制進行了初步探討，得出了地下水上升是滑坡形成的主要因素，前序次滑坡為后序次滑坡的孕育和發(fā)展提供了滑動條件。郭晨等[11]基于無人機技術(shù)，現(xiàn)場含水率試驗以及室內(nèi)實驗，對蔣劉4#滑坡進行分析研究，得出大面積灌溉以及引水渠漏水嚴重造成大量水體下滲，下滲水體在古土壤層上停滯，造成古土壤層上鄰近土體接近飽和，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降。許強等[12]利用無人機航測和三維激光掃描，得出了長期引水灌溉是涇陽南塬滑坡發(fā)生的基本條件；坡腳滯水軟化作用、與灌溉渠較短的滲透距離、坡腳凍結(jié)黃土春季解凍是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的直接原因。馬鵬輝等[13]通過研究蔣劉村附近的滑坡-泥流，發(fā)現(xiàn)滑坡區(qū)古土壤的隔水效應(yīng)很強導(dǎo)致古土壤層形成滯水層，黃土層開始積水形成高含水量帶，從而形成易滑層。馬鵬輝等[14]通過詳細的野外調(diào)查、測量、勘探等工作，分析了“5.26”滑坡的誘發(fā)因素，得出了該滑坡的主要激發(fā)因子為持續(xù)灌溉，但是地表顯式裂縫和土體深部裂隙在地表徑流優(yōu)勢入滲中發(fā)揮了重要作用，導(dǎo)致地下水位持續(xù)抬升，也為滑坡失穩(wěn)創(chuàng)造了條件。

在涇陽南塬黃土滑坡的形成機理的眾多研究中，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉、降雨、凍融、土層巖性、地形地貌、坡高、坡腳等因素都與滑坡的發(fā)生存在關(guān)系。但是，關(guān)于這些因子在滑坡孕育和發(fā)展過程中分別占據(jù)多大的作用并不明朗，也沒一個量化的標準。因此，本研究主要運用層次分析法，選取農(nóng)業(yè)灌溉、降雨、凍融、土層巖性、地形地貌、坡高、坡腳等指標，得到各影響因子在滑坡過程中所占的貢獻值，從而為涇陽南塬以及同類型的滑坡災(zāi)害預(yù)警和防治提供一定的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

涇陽南塬位于陜西省涇陽縣涇河南岸，自1976年以來，該區(qū)域黃土滑坡頻繁發(fā)生，其中以蔣劉村至廟店村段滑坡災(zāi)害最為密集(見圖1)。塬面高程處于440 m～490 m之間，塬邊陡坡坡度約40°～80°，邊坡垂直高度位于40 m～90 m之間(見圖2)。南塬地層較為復(fù)雜，從塬面往下依次分布著Q3黃土、Q2黃土以及Q1黃土，其間還分布著多層古土壤層(見圖3)。

圖1 研究區(qū)滑坡分布圖

圖2 南塬滑坡圖

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

2 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種可以有效分解復(fù)雜實際問題，并將其描述為一個多層次結(jié)構(gòu)的決策方法。涇陽南塬滑坡影響因子眾多，評估各滑坡因子在滑坡形成過程中的貢獻值是一個復(fù)雜的體系，運用層次分析法可以很好的得出各因子對滑坡的影響程度。

2.1 評價因子的選取

根據(jù)野外勘探和查詢文獻資料，總結(jié)出了研究區(qū)滑坡形成的13個主要因子。分別為邊坡高度、坡度、坡向、坡形、黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度、地下水位、灌溉、降雨、坡腳開挖、凍融以及地震因子。

2.2 層次模型的構(gòu)建

層次分析模型主要由目標層、準則層和指標層構(gòu)建起來的評價系統(tǒng)，定量確定涇陽南塬各滑坡因子在滑坡孕育和發(fā)展的過程中所發(fā)揮的作用是一個復(fù)雜的體系，根據(jù)相關(guān)的文獻研讀和實地考察，本文層次模型的構(gòu)建如圖4所示。

圖4 層次分析模型

2.3 判斷矩陣的構(gòu)建

通過現(xiàn)場調(diào)查、查閱資料和聽取專家意見，根據(jù)圖4層次模型指標層中滑坡影響因子兩兩之間的重要性程度，進行判斷矩陣的構(gòu)建。在進行評價指標的比對時，采用九標度法[15]。所構(gòu)造的判斷矩陣如下：

2.4 一致性檢驗

求解出的判斷矩陣最大特征根λmax，當最大的特征根大于判斷矩陣的階數(shù)時，說明判斷矩陣出現(xiàn)了一定的偏差。為了確保判斷矩陣的準確性和可信性，就需要進行一致性檢驗。一致性檢驗主要通過CI和CR值進行判斷，其計算公式如下：

(1)

(2)

RI為隨機一致性指標，通過表1得到，然后根據(jù)式(1)、式(2)得到CI值和CR值。當CR<0.1時，判斷矩陣通過了一致性檢驗，滿足一致性要求，證明判斷矩陣可用作涇陽南塬黃土滑坡的各影響因子的貢獻值的確定。

表1 平均隨機一致性指標RI值

3 結(jié)果分析

根據(jù)層次分析法計算準則層的貢獻值，其結(jié)果如表2所示。由表2可知，在涇陽南塬黃土滑坡的形成過程中，誘發(fā)因子占據(jù)十分重要的作用，其貢獻值達到64.8%，這說明涇陽南塬黃土滑坡受外部因素影響顯著，這也符合近40年來滑坡次數(shù)增多，是與農(nóng)業(yè)灌溉量的增加以及人類活動頻繁密切相關(guān)。而地形地貌和地質(zhì)條件屬于內(nèi)部因素，在滑坡的形成過程中，所占的比重相對較小，貢獻值分別為23.0%和12.2%。根據(jù)一致性檢驗結(jié)果(見表2)，CR=0.004<0.1，判斷矩陣通過檢驗，因此層次分析結(jié)果準確有效。

根據(jù)地形地貌的指標層因子貢獻值計算結(jié)果(見表3)，邊坡的角度是滑坡孕育和發(fā)展過程中的最主要的因素，其貢獻值為52.8%。涇陽南塬邊坡的坡度范圍為50°～80°,且坡度越高的地方滑坡的可能性越大，滑坡的次數(shù)也最頻繁，邊坡的高度位于40 m～90 m之間[16]，坡度越高的地方滑坡概率越大，坡度對滑坡的貢獻值達到35.1%。涇陽南塬黃土滑坡受坡向和坡形的影響相對較小，其貢獻值分別為4.6%和7.5%。

表2 準則層AHP層次分析結(jié)果

表3 地形地貌AHP層次分析結(jié)果

由地質(zhì)條件各影響因子貢獻值計算結(jié)果(見表4)可知，涇陽南塬黃土滑坡的地質(zhì)條件對滑坡的形成影響最大的是黏聚力和內(nèi)摩擦角，其貢獻值為36.4%。土性參數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，而黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，重度γ對滑坡影響不顯著[3]。一般的，土體中黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的值越大，則該土體的抗剪強度也就越大，邊坡的安全系數(shù)也就越大，穩(wěn)定性程度也就越高，發(fā)生滑坡的概率也就越小。此外，地下水位的變化也是滑坡形成的重要原因，貢獻值達到20.7%。近四十年來南塬地下水位不斷升高[14]，導(dǎo)致土壤中孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力變小，有效應(yīng)力也相應(yīng)變小，土體抗剪強度減弱，滑坡發(fā)生概率也就隨之升高。

表4 地質(zhì)條件AHP層次分析結(jié)果

根據(jù)表5誘發(fā)因素在滑坡形成過程中的貢獻值計算結(jié)果可知，農(nóng)業(yè)灌溉是滑坡形成的最主要的誘發(fā)因素，其貢獻值達到44.6%。此外，降雨貢獻值也達到29.6%。農(nóng)業(yè)灌溉和降雨是地下水的主要來源，根據(jù)雷祥義[8]的研究得知，南塬地下水補給量，灌溉占比為59%，降雨補給量占比為41%。由于古土壤層具有良好的不透水性，農(nóng)業(yè)灌溉水和降雨從地表下滲，并停滯在古土壤層上，黃土在水體的浸泡之下軟化，抗剪強度降低，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[17]。地震也是誘發(fā)南塬滑坡的一項重要因素，貢獻值為12.8%，在地震的作用下，黃土極易液化，土體中的孔隙水壓力增大，抗剪強度驟降，從而導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的形成。而根據(jù)歷史地震相關(guān)文獻，陜西境內(nèi)多次發(fā)生大型地震，并且近年來，受5.12汶川地震和青海玉樹地震的影響，研究區(qū)均有較為強烈的震感[18-20]。坡腳開挖是滑坡形成的重要原因，由于人們開挖窯洞以及不合理的公路修筑等活動，改變了坡體原有的結(jié)構(gòu)性，因此降低了坡體穩(wěn)定性。此外，根據(jù)歷史上該區(qū)域內(nèi)的氣溫顯示，最低溫度可以達到-20.8℃，最高溫度可達到41.4℃，具備凍融型滑坡的發(fā)育條件[21]。

對準則層的貢獻值結(jié)果和指標層的貢獻值結(jié)果進行乘積運算，就可以得到各因子的總貢獻值，并對各因子的總貢獻值進行大小排序，其結(jié)果見表6。根據(jù)表6可知，涇陽南塬滑坡影響因子中，農(nóng)業(yè)灌溉是最主要的誘發(fā)因子，其貢獻值達到28.9%，其次是貢獻值為19.2%的降雨因子，邊坡的坡度貢獻值位居第三位，其值為12.1%，對滑坡的形成貢獻最小的為土體重度，其貢獻值為0.8%。

表5 誘發(fā)因素AHP層次分析結(jié)果

表6 AHP層次分析結(jié)果匯總

4 結(jié) 論

通過野外調(diào)查和查閱文獻資料，總結(jié)出涇陽南塬滑坡的13個影響因子，運用層次分析對所有滑坡因子進行貢獻值計算，其結(jié)果如下:

(1) 涇陽南塬導(dǎo)致黃土滑坡發(fā)生的因素眾多，總體上可以概括為地形地貌、地質(zhì)條件和外部誘發(fā)因素三類。根據(jù)層次分析法計算結(jié)果得知，外部誘發(fā)因素是滑坡發(fā)生的重要原因，貢獻值為64.8%。地形地貌對滑坡的貢獻度大于地質(zhì)條件，二者的貢獻值分別為23.0%和12.2%。

(2) 根據(jù)所有影響因子對滑坡發(fā)育的總貢獻值可以得出，農(nóng)業(yè)灌溉和降雨在滑坡的形成過程中占據(jù)重要作用，二者貢獻值總和達到48.1%。此外，邊坡的坡度(12.1%)、坡高(8.1%)以及地震因素(8.3%)，均在滑坡的孕育和發(fā)展過程中扮演重要作用。