基于層次分析法和物元分析的拉月滑坡穩(wěn)定性評估

張 孟 帥

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 概述

拉月滑坡位于林芝縣排龍鄉(xiāng)東久河左岸上，川藏線測設(shè)里程K4108+250～K4108+800，路線長550 m。1967年在東久河左岸發(fā)生山體滑坡，超過千萬方的物質(zhì)從坡體剪出，堵塞東久河，形成拉月大滑坡[1,2]。在此事件發(fā)生后，除堵江壩體被河流沖走，其他滑坡體堆積于坡體中下部，在坡體上形成以崩塌、滑坡、殘坡積體共存的復(fù)合堆積體斜坡，該堆積體存在結(jié)構(gòu)松散、強度較低、固結(jié)性差的問題，在外界誘發(fā)因素作用下可能會產(chǎn)生滑動。因此，基于對川藏鐵路選線風(fēng)險調(diào)控的實際需求，需對拉月滑坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢進行評價，即對拉月松散堆積體斜坡再次發(fā)生滑動的風(fēng)險進行評估。

2 評估體系的確定

影響坡體穩(wěn)定性指標(biāo)因素較多，且他們之間的具體影響權(quán)重尚無準(zhǔn)確數(shù)值給出，只能相對去比較因素之間的作用強度，那就需要我們在主觀賦權(quán)法中選擇一個合適的方法。其中層次分析法作為主觀賦權(quán)法的一種，具有系統(tǒng)性分析、簡潔實用、所需定量信息少的優(yōu)點，與坡體穩(wěn)定性分析所需條件較為匹配，因此本文采用層次分析法計算各指標(biāo)的權(quán)重。

2.1 評估體系的建立

在應(yīng)用層次分析法解決各類決策問題時，需把復(fù)雜問題分解為對應(yīng)組成元素，并按照元素屬性不同自上而下分解成若干層。同一層元素對上層元素為從屬關(guān)系，對下層元素為支配作用，然后根據(jù)分層情況建立一個遞階層次結(jié)構(gòu)評價模型[3]。

在對坡體進行風(fēng)險評估時，我們需要選取客觀公正的指標(biāo)去反映坡體的實際情況，基于此原則，結(jié)合工程資料采用層次分析法將坡體穩(wěn)定性分析分為三個層次，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。主要從坡體總特征、形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征和誘發(fā)因素四個子系統(tǒng)對坡體進行分析，我們構(gòu)建如表1所示的指標(biāo)體系。

表1 坡體穩(wěn)定性分析指標(biāo)體系

2.2 確定評估體系權(quán)重

確定好體系之后，接著根據(jù)專家意見對同層元素兩兩進行對比，構(gòu)建判斷矩陣。其次對層次進行單排序和一致性檢驗，求得最大特征根和特征向量，最后確定各指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)專家調(diào)查表中每位專家所給標(biāo)度，分別建立判斷矩陣，再將所有的判斷矩陣所求出的權(quán)重值算術(shù)平均，得到總的評價權(quán)重值[4]。例如，根據(jù)其中一位專家所給標(biāo)度，可建立如下判斷矩陣，準(zhǔn)則層判斷矩陣如表2所示。

表2 準(zhǔn)則層判斷矩陣

由此判斷矩陣可得：

一致性檢驗指標(biāo)：

準(zhǔn)則層的權(quán)重分別B1=0.070；B2=0.098；B3=0.384；B4=0.448。

同理可得到該專家給定的各方案層判斷矩陣，如圖1所示。進而求得各方案層的權(quán)重，即可得準(zhǔn)則層和方案層各層的權(quán)重,如表1所示。

3 物元分析

采用物元分析對某一事件的評價應(yīng)用較多，如梁川采用物元分析對水質(zhì)量評價[5]；李祚泳利用物元分析對自然災(zāi)害災(zāi)情進行評估等[6]。但目前尚未應(yīng)用于坡體穩(wěn)定性風(fēng)險評估中，基于此，我們采用其對坡體穩(wěn)定性進行綜合評價，并探究其在災(zāi)害穩(wěn)定性評判和減災(zāi)策略上應(yīng)用。

3.1 物元分析的基本概念

物元分析是一種介于數(shù)學(xué)和實驗科學(xué)的新學(xué)科，由我國學(xué)者蔡文在論文《可拓集合和不相容問題》中首次提出物元分析，該方法通過促進事物轉(zhuǎn)化以解決不相容問題，并與創(chuàng)造思維學(xué)有著緊密的聯(lián)系[7]。我們可利用物元分析方法，建立基于事物多指標(biāo)的質(zhì)量評定模型，并對指標(biāo)參數(shù)進行定量分析最終以定量的數(shù)值表示評定結(jié)果。

由N，c，v構(gòu)成有序的三元組R=(N,c,v)即為描述事物的基本元，簡稱物元。其中，N為給定事物；c為事物具有的特征；v為特征的量值；則N，c和v稱為物元R的三要素。

3.2 計算過程

物元分析方法主要有以下幾步：

1)確定經(jīng)典域、節(jié)域和待識別的對象形成的物元。

經(jīng)典域即選定對象、指標(biāo)、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間的分級，節(jié)域即選定的評價對象、指標(biāo)、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的所有范圍，待評物元即關(guān)于檢測所得的具體數(shù)據(jù)。

2)確定權(quán)重。

3)建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，計算關(guān)聯(lián)函數(shù)值。

4)關(guān)聯(lián)度及評定等級。

4 坡體穩(wěn)定性風(fēng)險評估

4.1 經(jīng)典域、節(jié)域的確定

本文選取了滑坡規(guī)模、滑坡治理難易度、前后緣高差、平均坡度、巖性、地下水水位、降雨量、人類活動強度和地震九項指標(biāo)，根據(jù)該流域歷史數(shù)據(jù)對這九個因素間的量值進行劃分，其中巖性、滑坡治理難易度、人類活動強度這三個指標(biāo)根據(jù)實際情況由專家給出定量化評估。對于地下水水位變化對坡體穩(wěn)定性影響，依據(jù)劉明發(fā)在地下水對坡體穩(wěn)定性影響中的結(jié)論，水位在0 m～20 m區(qū)間內(nèi)增長時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)一直在下降，水位在0 m～6 m變化時，對坡體穩(wěn)定性影響最小，且邊坡穩(wěn)定系數(shù)最高，當(dāng)在6 m～10 m變化時對坡體穩(wěn)定性影響增大，10 m～15 m時穩(wěn)定性影響下降趨勢開始變緩，當(dāng)?shù)叵滤粸?0 m時，穩(wěn)定系數(shù)最低[8]。本文將坡體穩(wěn)定狀態(tài)分為非常安全、較安全、偶然不安全、較不穩(wěn)定、不穩(wěn)定五個等級，對于各個指標(biāo)在五種等級中的取值范圍主要依據(jù)各項指標(biāo)在該變化范圍內(nèi)對坡體的影響程度不同進行劃分，得到如表3所示的等級劃分，即確定滑坡風(fēng)險評估中的經(jīng)典域和節(jié)域。

表3 拉月滑坡評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)劃分

進而得到經(jīng)典物元矩陣和節(jié)域物元矩陣如下所示：

表4 拉月滑坡評價歸一化指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)劃分

4.2 拉月滑坡目前狀態(tài)

拉月滑坡在1967年發(fā)生滑動后，其原有狀態(tài)已經(jīng)改變，原滑坡體下滑堆積在坡體下部，使得坡體下部變厚，堆積滑坡體體積約為200×104。坡度變緩，坡度為30°左右，堆積層前后緣高差349 m。在雨季平均單日降雨量影響下，地下水位上升為2.1 m。每年8月份～10月份，冰川仍在消融期，且處在降雨期，我們依照波密氣象站記錄的數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取其12 h降雨量為30 mm。該區(qū)域位于強地震影響區(qū)，其地震動峰值加速度為0.20g，相當(dāng)于地震基本烈度8度[1]。對于拉月滑坡坡體，經(jīng)過專家評審給出的巖性得分為45分，滑坡治理得分為50分，人類活動得分為30分。我們得到九項指標(biāo)數(shù)據(jù)如表5所示，并對其進行了歸一化處理。

表5 指標(biāo)值及其歸一化值

根據(jù)上述物元分析計算過程，我們得出各項指標(biāo)的等級關(guān)聯(lián)度，如表6所示。

表6 關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

結(jié)合采用層次分析法求得的九項指標(biāo)的權(quán)重值，進而求得坡體目前狀態(tài)與五個等級之間的隸屬度關(guān)系，如表7所示。

表7 綜合關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

由上述計算結(jié)果可知，拉月滑坡坡體在雨季12 h降雨量30 mm(暴雨水平)的情況下，坡體會處于偶然不安全狀態(tài)，有觸發(fā)滑坡的風(fēng)險，此時會隨著降雨時長增加和降雨量的增加，致使坡體出現(xiàn)滑動的可能性變大。斜坡也可能在強地震動力響應(yīng)下產(chǎn)生崩滑災(zāi)害。故其在天然狀態(tài)下自穩(wěn)情況相對較好，在無強烈地震或極端降雨，大型人類工程活動等外界條件的激發(fā)下，坡體不會出現(xiàn)大的整體滑動。

5 結(jié)語

1)在應(yīng)用物元分析對坡體穩(wěn)定性進行風(fēng)險評估時，計算方法簡單便捷，關(guān)聯(lián)度真實反映了坡體目前的狀態(tài)，與實際較為接近。并采用層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重，具有邏輯性強實用性好的優(yōu)點，并能準(zhǔn)確得出各指標(biāo)權(quán)重值。

2)拉月滑坡堆積體在降雨、地震誘發(fā)因素作用下其危險性處于偶然不安全狀態(tài)，說明拉月滑坡體在天然條件下相對穩(wěn)定，但在極端降雨、地震等誘發(fā)因素作用下，滑坡仍有一定的發(fā)生可能性，若線路經(jīng)過該區(qū)域，需對坡體進行綜合治理。