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        基于Fuzzy-AHP的河岸邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)判

        2021-11-02 08:24:52雷金興王瑞趙坤
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2021年19期
        關(guān)鍵詞:評(píng)判權(quán)重向量

        雷金興,王瑞,趙坤

        (中國(guó)建筑第六工程局有限公司,天津300451)

        1 引言

        河岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)判是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。自然巖土體由于其自身的復(fù)雜性與場(chǎng)地的多樣性,使得河岸邊坡的穩(wěn)定性受到多種因素的制約與影響。這些因素之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,它們會(huì)以不同的組合模式對(duì)河岸邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生完全不同的影響效力[1]。因此,河岸邊坡的穩(wěn)定性評(píng)判是一種基于多指標(biāo)多層級(jí)的系統(tǒng)性綜合評(píng)判問題。

        近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)邊坡系統(tǒng)的特點(diǎn),將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色聚類、模糊綜合評(píng)判等多種學(xué)科、多種理論引入邊坡穩(wěn)定性評(píng)判,取得豐碩的成果。20世紀(jì)70年代,層次分析法首次被應(yīng)用于解決復(fù)雜的、難以定量研究的問題。黃建文等[2]將層次分析法融入模糊數(shù)學(xué)理論,并應(yīng)用在高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面,說明該方法在簡(jiǎn)化計(jì)算等方面存在的優(yōu)勢(shì)。曾勝等[3]將Fuzzy-AHP評(píng)判應(yīng)用在堆積體邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中。彭東黎等[4]針對(duì)公路膨脹土邊坡特點(diǎn),建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來(lái)對(duì)模糊綜合評(píng)判進(jìn)行應(yīng)用。王佳信等[5]討論了一種因子分析-概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來(lái)對(duì)典型邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)判。這些研究大多針對(duì)巖質(zhì)邊坡或特殊工程性質(zhì)的邊坡,而將模糊綜合評(píng)價(jià)應(yīng)用在河岸邊坡穩(wěn)定性分析的研究較少。為此,本文中,基于廣泛調(diào)查研究河岸邊坡穩(wěn)定性影響因素的條件下,構(gòu)建穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)河岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行快速有效的科學(xué)評(píng)判。

        2 Fuzzy-AHP評(píng)判方法

        2.1 方法及步驟

        Fuzzy-AHP評(píng)判方法,是將模糊數(shù)學(xué)理論(Fuzzy)與層次分析法(AHP)結(jié)合起來(lái)的一種綜合評(píng)價(jià)方法。其中,模糊綜合評(píng)判是基于模糊數(shù)學(xué)理論,面向多種模糊因素影響的對(duì)象的總體綜合評(píng)判;層次分析法是基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論與多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法,而建立的層次權(quán)重決策方法。本文中,將Fuzzy-AHP評(píng)判方法應(yīng)用到河岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),構(gòu)建出基于層次分析法的邊坡穩(wěn)定性Fuzzy-AHP評(píng)判模型。具體思路為:首先建立河岸邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,利用層次分析法計(jì)算各穩(wěn)定性評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,最后根據(jù)模糊評(píng)判矩陣對(duì)河岸邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判,計(jì)算出穩(wěn)定性評(píng)判結(jié)果。

        2.2 河岸邊坡評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        綜合考慮國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)河岸邊坡穩(wěn)定性影響因素的研究結(jié)果,并在大量調(diào)查長(zhǎng)江流域多處河岸邊坡的基礎(chǔ)上[6],選取與穩(wěn)定性評(píng)判現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有指導(dǎo)意義的4類16項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析,構(gòu)建可以良好反映河岸邊坡特征的模糊層次分析體系,如圖1所示。并且,參照河岸邊坡的穩(wěn)定性程度,將其穩(wěn)定性劃分為4個(gè)等級(jí)區(qū)間:一級(jí)(穩(wěn)定)、二級(jí)(較穩(wěn)定)、三級(jí)(較不穩(wěn)定)、四級(jí)(不穩(wěn)定或破壞),如表1所示。

        圖1 河岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        表1 河岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

        2.3 模糊綜合評(píng)判

        2.3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

        采用AHP方法來(lái)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)文中構(gòu)建的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系,通過各個(gè)指標(biāo)間相互重要性對(duì)比構(gòu)建判斷矩陣來(lái)確定權(quán)重向量。該方法首先對(duì)同層次指標(biāo)按照1~9標(biāo)度法來(lái)構(gòu)建重要性判斷矩陣F,即:

        式中,fij為指標(biāo)i與指標(biāo)j根據(jù)1~9標(biāo)度表比較得到的重要性定量標(biāo)度;fij=1/fij。

        計(jì)算其最大特征向量λmax及相應(yīng)的歸一化特征向量W,即為模型各指標(biāo)的權(quán)重向量,最后,參照一致性檢驗(yàn)規(guī)則,驗(yàn)證權(quán)重分配是否合理。

        以河岸地質(zhì)狀況為例:

        1)構(gòu)建判斷矩陣F1為:

        2)計(jì)算得到最大特征值(即權(quán)重)為λmax=5.02,對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量(即權(quán)向量)為:

        3)一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣階數(shù)m=5,查一致性檢驗(yàn)表后計(jì)算得到一致性指標(biāo)CR=0.036<0.1。所以,矩陣達(dá)到一致性要求,權(quán)重設(shè)置合理。

        經(jīng)過兩兩指標(biāo)層次分析,計(jì)算得到河岸邊坡其他評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。結(jié)果如表2所示。

        表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

        2.3.2 隸屬度的確定

        進(jìn)行模糊評(píng)判的關(guān)鍵是計(jì)算各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)uij對(duì)各級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)νi的隸屬度,即建立隸屬函數(shù)μi(x)。參考文獻(xiàn)[4]在膨脹土邊坡穩(wěn)定性多級(jí)評(píng)判中將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)通過分值區(qū)間進(jìn)行量化的方式,對(duì)于4個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等效量化,如表3所示。同時(shí),據(jù)此對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)也進(jìn)行量化處理,由此建立每個(gè)指標(biāo)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果如表4所示。

        表3 河岸邊坡穩(wěn)定性分級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)

        表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)

        在得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)評(píng)分值Q之后,再通過隸屬度函數(shù)確定其對(duì)每個(gè)穩(wěn)定性等級(jí)的隸屬度。本文中,隸屬度函數(shù)采取三角形分布函數(shù)形式,各評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度計(jì)算式為:

        求得各指標(biāo)對(duì)等級(jí)隸屬度為:

        等級(jí)隸屬度矩陣為:

        式中,n為評(píng)價(jià)體系中評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量;q為評(píng)分值;u(n)為第n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)隸屬度。

        2.3.3 多級(jí)模糊綜合評(píng)判模型

        河岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)判指標(biāo)系統(tǒng)具有多層次結(jié)構(gòu),需要通過多級(jí)綜合評(píng)判判定。計(jì)算時(shí),二級(jí)綜合評(píng)判的結(jié)果向量所構(gòu)成的矩陣設(shè)為一級(jí)評(píng)判的判斷矩陣,求得最終的評(píng)價(jià)結(jié)論B。

        本文采用最大隸屬度原則,B中最大隸屬度相應(yīng)的穩(wěn)定性分級(jí)就是多級(jí)模糊綜合評(píng)判的最終結(jié)果。

        3 工程應(yīng)用

        為驗(yàn)證本文提出的河岸邊坡穩(wěn)定性多級(jí)綜合評(píng)判方法的適用性,利用本方法對(duì)重慶江津白沙長(zhǎng)江大橋P2主塔一側(cè)岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。白沙長(zhǎng)江大橋工程區(qū)屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌,河谷橫斷面呈U形分布。P2主塔一側(cè)岸坡整體高差約70 m,總體呈折線形,平均坡度34°,植被覆蓋率57%。岸坡形態(tài)為凸岸,上覆層為較薄的沖擊層粉土~砂土,下伏基巖為砂質(zhì)泥巖夾砂巖,無(wú)滑坡歷史。施工過程中,對(duì)部分坡體進(jìn)行了平場(chǎng)爆破開挖,并在岸坡下部12 m范圍內(nèi)進(jìn)行了混凝土掛網(wǎng)噴護(hù)。

        在評(píng)判過程中,選擇正常工況與洪水工況2種情況進(jìn)行對(duì)比。正常工況下近岸側(cè)水深15 m,江水流速1.5 m/s,風(fēng)浪作用較弱,無(wú)降雨。洪水工況參考2020年長(zhǎng)江第五號(hào)洪峰過境白沙時(shí)的工況,近岸側(cè)水深26.5 m,江水流速4.2 m/s,風(fēng)浪作用較強(qiáng),日降雨量28 mm。

        3.1 正常工況

        根據(jù)該邊坡宏觀參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)狀況,對(duì)照河岸邊坡穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)正常工況下各二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分量化,進(jìn)行模糊評(píng)判,結(jié)果如表5所示。

        表5 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度向量

        由此計(jì)算最終的結(jié)論向量:

        參照最大隸屬度原則,本河岸邊坡在正常工況下穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果為二級(jí),處在較穩(wěn)定狀態(tài)。該評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告描述基本相同。

        3.2 洪水工況

        洪水工況下僅有水文氣象等各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)生變化。計(jì)算得到水文氣象的評(píng)價(jià)結(jié)果向量為

        最終的結(jié)論向量:

        參照最大隸屬度原則,本河岸邊坡在正常工況下穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為三級(jí),處在較不穩(wěn)定狀態(tài),必須進(jìn)行一定的加固防護(hù)。這與洪水過后,該河岸邊坡下部發(fā)生部分垮塌,坡面防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生大面積損毀現(xiàn)象一致。

        4 結(jié)論

        1)建立了考慮河岸邊坡工程實(shí)際的二級(jí)Fuzzy-AHP分析模型,對(duì)較多且復(fù)雜的河岸邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了評(píng)判,有效解決了由于影響因素過多而難以量化各指標(biāo)權(quán)重及影響程度的問題。

        2)通過工程實(shí)例驗(yàn)證了該模型的正確性與合理性,結(jié)論可靠,具有一定的優(yōu)越性??梢詾榘咨抽L(zhǎng)江大橋后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供一定的參考。

        3)本文利用Fuzzy-AHP理論客觀有效地評(píng)價(jià)了河岸邊坡的穩(wěn)定性。但是,由于河岸邊坡本身的復(fù)雜性,其邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還需在實(shí)際應(yīng)用中逐步完善。

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