层次分析法(analytic hierarchy process method, AHP)是一种多目标、定性与定量相结合、不同信息权重融合的决策评价方法, 适用于处理多因素、多层次、多目标的复杂系统和难于完全用定量的方法来分析与决策的复杂系统工程问题^[22]。该方法通过两两因素的对比, 逐层比较多种关联因素, 最后确定诸因素的整体关系。层次分析法一般包括4步: 第一步, 将决策问题转化为层次结构, 建立目标的层次结构; 第二步, 构建决策判断矩阵, 根据区域工程地质条件以及专家意见确定各因素与目标层相关的重要性, 采用九分制(1~9)进行比较(表1); 第三步, 计算权向量, 通过计算矩阵的主特征值和对应的归一化特征值, 来计算各因素的权重值; 第四步, 计算结果一致性检验。为了保证所得权重的准确性, 需要评估n阶矩阵的一致性, 计算一致性指标(CI)和一致性比率(CR), 当CR< 0.1时, 认为构建的矩阵合理, 否则应做适当的修正^[22]。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 判断矩阵1~9标度及其含义 Tab.1 Scale and its implication of matrix 1-9 标度 含义 1 两个因素相比, 具有相同的重要性 3 两个因素相比, 前一个因素比后一个因素稍微重要 5 两个因素相比, 前一个因素比后一个因素明显重要 7 两个因素相比, 前一个因素比后一个因素强烈重要 9 两个因素相比, 前一个因素比后一个因素极端重要 2, 4, 6, 8 上述相邻判断的中值 倒数 因素B1与因素B2相比得B12, 则B2比B1判断为B21=1/B12

表1 判断矩阵1~9标度及其含义 Tab.1 Scale and its implication of matrix 1-9

指标是评价对象目标值计算的信息载体, 评价指标的选取是开展地质环境评价工作的第一步, 也是非常重要的一步。输电线路规划选线时主要受制于地质因素和环境因素的影响。地质因素主要包括地形地貌、地层岩性、活动构造、不良地质现象、水文地质条件、场地地震烈度、环境等多种因素。通过对宿豫区工程地质条件的调查以及对地质灾害发育规律的分析, 结合该地区以往的工程经验, 认为对宿豫地区输电线路工程地质环境起主要作用的指标为岩土体特性、构造与地震以及环境条件等, 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 地质环境评价指标层次结构模型Fig.2 Index hierarchy models for geological environment evaluation

宿豫区对工程建设有影响的第四系松散层孔隙水的水位一般为地下1~2 m, 整个区域差异不大, 因此在进行工程地质评价时不考虑水文地质条件对宿豫区输电线路工程地质环境的影响。岩土体特性主要反映了地层强度以及液化土体对地基稳定性的影响; 断裂构造和地震反映了地壳稳定性的影响; 此外, 为了降低输电线路建设成本, 在环境因素方面还需考虑地面高程、地形坡度、河流水系及路网密度。

综合考虑各工程地质环境要素间的相对重要关系, 通过层次分析并经过一致性检验, 其权重计算成果如表2所示。从该权向量可以看出, 各评价指标对综合工程地质分区的影响程度是不同的, 其中场地构造与地震情况占的比重较大, 这主要是受郯庐断裂带的影响, 宿豫地区抗震设防烈度比较高, 对于本区工程选址具有举足轻重的影响; 其次为岩土体特性, 岩土体特性包含了地基承载力及土层的液化指数2个要素, 由于宿豫区位于黄河泛滥区, 地层土为粉土、淤泥质土、含砂浆黏土等, 其中粉土为可液化地层, 会对地基的稳定性产生较大的影响。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 评价指标权重值 Tab.2 Weights of evaluation index 一级指标 二级指标 综合权 重值w 项目 权重 项目 权重 岩土体特性 0.317 承载力 0.667 0.211 液化指数 0.333 0.106 构造与地震 0.532 发震构造 0.750 0.399 动峰值加速度 0.250 0.133 环境地质 0.151 地面高程 0.136 0.021 地形坡度 0.501 0.076 河流水系 0.277 0.042 路网密度 0.086 0.013

表2 评价指标权重值 Tab.2 Weights of evaluation index

输电线路地质环境数据信息组成如图3所示, 主要包括: ①地形数据, 可利用互联网提供的免费数据服务, 从国家地理空间数据云平台网站(https://www.gscloud.cn)进行数据下载; ②河流道路数据(环境数据), 源于国家地理信息公共服务平台(https://www.tianditu.gov.cn); ③区域数据, 地震动加速数据源于《GB 1836— 2015中国地震动参数区划图》附图A.1, 构造信息来源于苏沪构造体系图及郯庐断裂带宿迁段地质构造图; ④地层信息, 数据主要来源于钻孔数据, 即有在宿豫区输电线路勘察施工建设过程中产生的大量工程地质勘探孔, 也包括前期收集的地质、水文地质、建筑工程地质勘探孔。

图3

Fig.3

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	图3 宿豫地区地质环境数据信息组成Fig.3 Composition of geological environment data in Suyu area

输电线路地质环境数据具有多源异构特性, 而准确建立评价模型必须解决的问题之一是如何将不同资料和数据相互约束、互为补充。GIS建立的地质信息库可实现地形、高层、构造、地层等空间数据、非空间数据的存储, 将各种要素数据的特征信息以属性表的形式存储, 并与矢量数据链接, 进而利用分析模块实现宿豫区输电线路选线地质环境信息的提取与表达。

下载地形数据时需要通过选定行政区划来制定下载的范围, 采用Transverse Mercator投影方式进行空间投影。宿豫地区高程数据及地形坡度信息数据分级图分别如图4(a)(b)所示。

图4

Fig.4

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	图4 地质环境评价指标等级分区Fig.4 Grading map of evaluation index of geological environment

环境数据的获取是在1:100万江苏省河流、道路数据矢量图层上进行裁剪, 得到宿豫区河流、道路数据, 并借助软件解译功能实现监督分类。判别选线区域的路网密度识别结果见图4(c)。

缓冲区分析是解决临近问题的空间分析工具之一, 针对不同的地理实体, 按照特定的规则或者标准距离建立缓冲多边形。从数学角度看, 缓冲区分析的基本原理是给定一个控件对象或集合, 利用用户定义的邻域半径来确定其领域或者范围, 它反映的是地理空间目标的一种影响范围或者服务范围。由于临近河流的岸坡地带因受水流冲刷等易出现河岸垮塌或岸坡失稳, 且考虑到河道本身的泄洪能力, 因此以河流两侧的距离分别为50 m、100 m为缓冲距离^[21], 如图4(d)所示。

根据《GB 18306— 2015中国地震动参数区划图》, 以Ⅱ 类场地条件基本动峰值加速度作为分类依据, 确定宿豫地区地震动峰值加速度分区图, 如图4(e)所示。

郯庐断裂带是中国大陆最重要的活动断层之一, 其中苏鲁断面的断层结构非常复杂, 导致这一区域的地壳结构极端复杂, 对宿豫区的工程地质条件产生一定程度的影响^{[23, 24]}。根据《GB 50011— 2010建筑抗震设计规范》, 可以忽略非全新世活动断裂错动对地面建筑的影响。已有的研究结果表明^{[25, 26, 27]}, 郯庐断裂带宿迁段主要由5条断裂构成, 仅F₅断层为全新世活动断裂, 具备产生地表破裂的大震能力, 因此需要对F₅发震断裂的工程影响进行评价。根据《GB 50021— 2001岩土工程勘察规范》和《GB 50011— 2010建筑抗震设计规范》的规定, 确定以F₅断层两侧的距离分别为100、200、400、500、1 000 m为缓冲距离, 如图4(f)所示。

输电线路对地质条件要求最直接的参数之一是岩土层的强度, 本文选用承载力作为代表值, 又因为浅层基础的深度多为2~5 m, 在充分考虑宿豫区地质条件的基础上, 选取了2~5 m深度范围内承载力加权平均值进行研究区岩土地基承载力分区评价, 如图4(g)所示。

宿豫区位于黄河泛滥区, 部分区域地层中存在的可液化粉土层会影响场地地基稳定性。根据钻孔资料及《GB 50011— 2010建筑抗震设计规范》, 对宿豫区场地液化指数进行了等级划分, 如图4(h)所示。