高陡巖質(zhì)邊坡安全評(píng)價(jià)研究

劉維，王海濤，莊心欣，李志明，郭濤

(大連交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

大連市是我國(guó)有名的多山地區(qū)，整個(gè)地形為北高南低，北寬南窄，大部分為山地及低緩丘陵，坡體高陡，巖溶地形隨處可見(jiàn).邊坡工程施工技術(shù)復(fù)雜，再加上大連地區(qū)地質(zhì)條件變化大，潛在的風(fēng)險(xiǎn)邊坡數(shù)量多面積廣，難以預(yù)見(jiàn)的危險(xiǎn)因素較多，如果發(fā)生失穩(wěn)，會(huì)對(duì)工程穩(wěn)定、交通運(yùn)輸以及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的危害.因此，有必要對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡安全評(píng)價(jià)技術(shù)展開(kāi)研究，減少或避免事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的有效控制.

為探究邊坡安全穩(wěn)定性以及相關(guān)的經(jīng)濟(jì)合理性，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員進(jìn)行了大量研究[1-7]，但關(guān)于山區(qū)高邊坡問(wèn)題特別是高陡巖質(zhì)邊坡引起的失穩(wěn)相關(guān)研究較少，缺乏相應(yīng)的安全評(píng)價(jià).本文主要針對(duì)影響高陡巖質(zhì)邊坡安全性的指標(biāo)因素開(kāi)展研究，采用層次分析法及云模型理論，對(duì)比分析了各個(gè)指標(biāo)因素對(duì)邊坡安全穩(wěn)定性的影響程度，并進(jìn)行排序.

1 層次分析法及云模型基本原理

1.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是一種能夠進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[8-10]，該方法具有系統(tǒng)性、綜合性、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為權(quán)重確定方法中最常用的一種.層次分析法將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，主要步驟包括：①建立層次模型;②構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣;③層次單排序;④一致性檢驗(yàn).

1.2 云模型理論

1995年，在概率論與模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，李德毅院士提出了云模型理論[11-12].本文由構(gòu)建的指標(biāo)，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出高陡巖質(zhì)邊坡安全標(biāo)準(zhǔn)體系；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行安全檢查，統(tǒng)計(jì)檢查數(shù)據(jù)；構(gòu)建云模型并對(duì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).具體云模型建模流程如下：

(1)確定標(biāo)準(zhǔn)云.標(biāo)準(zhǔn)云的參數(shù)如式(1)所示.

(1)

(2)確定指標(biāo)云.指標(biāo)云的參數(shù)如式(2)所示.

(2)

其中，Xij為m個(gè)專家對(duì)n項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果.

(4)對(duì)各云滴進(jìn)行加權(quán)，得到綜合云的N個(gè)云滴，S(D)如式(3)所示.

(3)

(5)依據(jù)綜合云云滴通過(guò)逆向云發(fā)生器得到綜合云數(shù)字特征值Ex、En和He如式(4)所示.

(4)

(6)輸出綜合云模型C(Ex,En,He)

2 構(gòu)建高陡巖質(zhì)邊坡安全評(píng)價(jià)體系

2.1 巖質(zhì)邊坡安全性影響因素及等級(jí)劃分

本文將高陡巖質(zhì)邊坡安全等級(jí)分為四類，即：安全性高、安全性較高、安全性較低、安全性低.

安全性高：邊坡穩(wěn)定，基本不會(huì)威脅邊坡附近建筑及交通安全.

安全性較高：邊坡較穩(wěn)定，有時(shí)局部碎石掉落，可能對(duì)邊坡附近局部建筑及交通安全產(chǎn)生較小影響.

安全性較低：邊坡穩(wěn)定性較差，易發(fā)生小規(guī)模破壞，可能對(duì)邊坡附近建筑及交通安全產(chǎn)生較大影響，如建筑破損、交通擁堵等.

安全性低：邊坡穩(wěn)定性差，容易發(fā)生大面積崩塌，可能對(duì)邊坡附近建筑及交通安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如建筑倒塌、交通中斷等.

本體系充分考慮工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)及氣候條件，并參考劉代文[13]、徐鎮(zhèn)凱[14]等對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素的劃分方法，遵循客觀性、科學(xué)性和典型性的原則，選取5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17個(gè)二級(jí)指標(biāo)作為影響高陡巖質(zhì)邊坡安全性的主要作用指標(biāo)，如表1.

表1 高陡巖質(zhì)邊坡安全性等級(jí)評(píng)價(jià)

2.2 影響因素權(quán)重計(jì)算

為減輕主觀因素的影響，本文采用AHP法[15]確定影響因素的權(quán)重.即先由多位專家確定各判斷矩陣，再對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)；當(dāng)一致性滿足要求時(shí)，計(jì)算出各層次的權(quán)重值.具體對(duì)17位(8位設(shè)計(jì)人員，4位高校巖土科研人員，5位現(xiàn)場(chǎng)工程師)行業(yè)專家提供的權(quán)重確定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)17位專家數(shù)據(jù)的信度和效度均大于0.8，即信度與效度檢驗(yàn)合格，說(shuō)明此數(shù)據(jù)滿足要求.取所有數(shù)據(jù)的平均值作為層次分析法的初始數(shù)據(jù)，其中一級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣如表2所示.

表2 一級(jí)指標(biāo)層次模型中的判斷矩陣

經(jīng)計(jì)算得，λmax=7.318 0，CI=0.037 7，CR=0.037 7<0.1，則通過(guò)一致性檢驗(yàn).

以此類推得到各一、二級(jí)指標(biāo)權(quán)重及其排序如表3.

表3 各級(jí)指標(biāo)權(quán)重及排序

對(duì)各級(jí)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行比較分析得知，邊坡自身的基本因素、邊坡所處地區(qū)的地質(zhì)因素以及施工因素對(duì)邊坡安全性的影響占據(jù)主導(dǎo)地位；其中邊坡基本因素中的坡高坡比、地質(zhì)因素中的巖體類型以及邊坡支護(hù)方式等因素指標(biāo)更是對(duì)邊坡安全性有著非常重要的影響.

3 工程實(shí)例分析

選取大連市旅順白銀山高陡巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，運(yùn)用該方法進(jìn)行安全評(píng)價(jià).根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及地質(zhì)報(bào)告，白銀山邊坡平均高度為35 m，邊坡坡比約為1∶0.3，地下水在地下5～8 m處，巖土體內(nèi)摩擦角為15°，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度較差，邊坡結(jié)構(gòu)形狀為近似直線型，巖體類型為層狀結(jié)構(gòu)，植被率低于15%，偶爾發(fā)生地震，并春夏秋三季多降水，降水資料依照氣象資料以及相關(guān)勘察報(bào)告可知：最大降雨強(qiáng)度為88 mm/天，最大次降雨量為180 mm/次，年降雨量為900 mm/年.

根據(jù)上述內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際情況制定安全檢查表.將指標(biāo)分為客觀數(shù)據(jù)指標(biāo)及主觀專家打分指標(biāo)，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行編號(hào)，指標(biāo)值采用式(5)進(jìn)行計(jì)算.

(5)

其中，X為二級(jí)指標(biāo)值，n為影響邊坡安全性的所有評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)，λ為對(duì)應(yīng)邊坡安全因素的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重客、主觀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化分值，按式(6)和式(7)計(jì)算.

(6)

(7)

綜合考慮專家評(píng)語(yǔ)及描述習(xí)慣，本文的綜合得分采用低、較低、較高、高對(duì)安全等級(jí)進(jìn)行描述，評(píng)分取值范圍為[0,100]，根據(jù)式(1)得到云模型參數(shù)[16-17]，具體分?jǐn)?shù)等級(jí)劃分見(jiàn)表4.

表4 標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)及云模型參數(shù)

根據(jù)表4參數(shù)繪制標(biāo)準(zhǔn)云圖，如圖1.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)云圖

根據(jù)安全檢查表對(duì)大連白銀山高陡邊坡進(jìn)行安全現(xiàn)狀檢查，得到檢查結(jié)果，根據(jù)式(2)得到各指標(biāo)云參數(shù)，部分參數(shù)如表5所示.

表5 各指標(biāo)云模型參數(shù)

由指標(biāo)云參數(shù)得知，X15、X22、X32等3項(xiàng)指標(biāo)期望均低于70分，表明安全性較低，安全狀況有待加強(qiáng)，相比之下更容易對(duì)邊坡的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，需要進(jìn)行重點(diǎn)檢查及預(yù)防.

利用正向云發(fā)生器對(duì)云模型評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理，生成指標(biāo)云圖，如圖2所示.

(a)基本因素

由圖2，基本因素、地質(zhì)因素、施工因素及地震因素指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果均處于安全性較高與安全性高之間，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)保持；降雨因素指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果處于安全性較低與安全性較高之間，且略偏向于安全性較高，但相比于其他因素指標(biāo)，降雨因素安全水平較低，需要對(duì)其加強(qiáng)預(yù)防及監(jiān)控.各指標(biāo)安全水平排序?yàn)椋旱卣鹨蛩?基本因素>地質(zhì)因素>施工因素>降雨因素.

圖3 高陡巖質(zhì)邊坡綜合評(píng)價(jià)云圖

由圖3可知，綜合評(píng)價(jià)云介于安全性較高與安全性高之間，且與安全性較高等級(jí)最為相似，因此確定大連市旅順白銀山高陡巖質(zhì)邊坡安全性較高，應(yīng)需繼續(xù)保持.

4 結(jié)論

(1)高陡巖質(zhì)邊坡安全性的影響程度，基本因素=施工因素>所處地質(zhì)因素>地震因素>降雨因素；

(2)邊坡坡體結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度、地下水深度以及植被率3項(xiàng)指標(biāo)更容易對(duì)邊坡的安全性產(chǎn)生威脅；

(3)大連白銀山高陡巖質(zhì)邊坡整體安全水平較高，其中基本因素、地質(zhì)因素、施工因素及地震因素均有著較高的安全水平，評(píng)價(jià)結(jié)果在85分左右；降雨因素安全水平較低，評(píng)價(jià)結(jié)果不足75分，需要對(duì)其加強(qiáng)預(yù)防及整治.

本文所述的安全評(píng)價(jià)體系及云模型能為今后高陡巖質(zhì)邊坡安全對(duì)策的制定提供一定的參考，但由于文章選取的指標(biāo)因素難免存在遺漏和局限性，對(duì)于一些特別復(fù)雜巖層的坡體還需要今后進(jìn)一步研究.