夏藝峰，尹國華，林 睿，梅鴻儒，付曉東，嚴(yán) 松

(1.昭通市宜昭高速公路項目指揮部，云南 昭通 657000； 2.昭通市宜昭高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 昭通 657000； 3.昭通市交通運輸局，云南 昭通 657000； 4.武漢工程科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430200； 5. 中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所,巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071)

邊坡穩(wěn)定性是高速公路建設(shè)過程中重要的巖土工程問題。由于公路邊坡沿線地質(zhì)條件復(fù)雜多變，其穩(wěn)定性問題極為突出，邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價是確保工程安全的重要手段。

在巖土工程風(fēng)險評價方面，Casagrande[1]認(rèn)為在土工程分析時應(yīng)時刻考慮風(fēng)險大??；Whitman[2]介紹了風(fēng)險評價在巖土工程中的應(yīng)用方法；Brand[3]提出香港地區(qū)定性風(fēng)險評價體系，通過打分?jǐn)?shù)的方法進行了邊坡風(fēng)險評價；Berggren等[4]對各風(fēng)險因素的重要性進行排序；Fell[5]對滑坡風(fēng)險評估給出了定義；Morgenstem[6]深入分析了建筑和傷亡的風(fēng)險后果；Finlay和Fell[7]研究了香港等城市的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價。

20世紀(jì)80年代以前，人們對水文地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測性分析主要依靠工程水文資料，而局限于對自然災(zāi)害風(fēng)險的總結(jié)研究，隨后，地質(zhì)災(zāi)害危險性評估研究突破了傳統(tǒng)的科研模式[8]。進入21世紀(jì)后，國外將新的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用在巖土滑坡災(zāi)害風(fēng)險評價中，如Temesgen等[9]在災(zāi)害風(fēng)險評價中運用了地理信息系統(tǒng)技術(shù)和遙感技術(shù)，Antronicl等[10]綜合研究了單體滑坡風(fēng)險評價理論、方法，并應(yīng)用于工程實例，取得了較好的效果。

汪晶等[11]提出了風(fēng)險評價的基本程序，將風(fēng)險評價的技術(shù)和方法進行了聯(lián)系應(yīng)用。姜云等[12]應(yīng)用GIS技術(shù)研究了區(qū)域邊坡風(fēng)險評價圖。張業(yè)成等[13]、張梁等[14]針對中國地域情況，利用層次分析方法進行了風(fēng)險評價和地域性劃分。汪敏等[15]研究了滑坡地質(zhì)災(zāi)害分析理論，并建立了滑坡災(zāi)害風(fēng)險評價系統(tǒng)。麻榮永[16]在工程應(yīng)用方面區(qū)別了模糊綜合風(fēng)險分析與傳統(tǒng)風(fēng)險評價方法的不同。陳其光等[17]研究了地震引起邊坡地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險評價?？梢?，近些年來，邊滑坡的風(fēng)險評價越來越受到重視，風(fēng)險評價的研究手段也越來越豐富。

由大量的工程實踐和力學(xué)試驗可知，邊坡是受多重因素影響的不確定性質(zhì)的動態(tài)系統(tǒng)，且本身穩(wěn)定性的界限極其模糊，難以明確界定，難以用絕對“非此即彼”來判斷坡體穩(wěn)定性。模糊綜合評判打破了邊坡難以用經(jīng)典數(shù)學(xué)模型統(tǒng)一度量的困境。此方法的原理是劃分被評判事物的變化區(qū)間，對被評價事物進行綜合評判是通過多個評價指標(biāo)來實現(xiàn)的，可反映各個影響因素的模糊性，并將定性和定量因素相互結(jié)合，并能充分發(fā)揮現(xiàn)場調(diào)查的作用，使得風(fēng)險評價結(jié)果能反映現(xiàn)實情況。

模糊綜合評判的客觀性的重要指標(biāo)是評價指標(biāo)的權(quán)重取值，指標(biāo)權(quán)重取值方法目前主要分成3類，分別是專家咨詢法(Delphi法)、專家調(diào)查法、層次分析法。但前兩個方式因為主觀意識較強，所以并非主要采用的研究方式。層次分析法原則是通過逐層比較各因素之間的相互重要性，將決策流程數(shù)學(xué)化，從而更加客觀。本文將模糊綜合評價方法和層次分析法相結(jié)合，指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法計算，風(fēng)險等級劃分采用綜合模糊評判實現(xiàn)，實現(xiàn)了邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估方法，最后，通過宜昭高速公路邊坡風(fēng)險評價對方法進行了驗證。

1 邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價基本理論

1.1 模糊綜合評判法[18]

模糊綜合評判法的步驟如下：

1)定義因素集合U={u1,u2,…，un}和評判集合V={v1,v2,…，vm}，其中ui、vj分別為評判因素和評判等級。

2)對因素集的每一個元素進行評判，得到單因素評判矩陣(模糊矩陣)R。

3)通過模糊矩陣和因素集合實現(xiàn)從U～V的模糊變換矩陣B。記B={b1,b2，…，bm}，其中bj(j=1,2,…,m)表示vj對B的隸屬度大小。b1,b2，…，bm最大值相對應(yīng)的等級就是最終模糊綜合評判等級。

在山區(qū)公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價中涉及離散和連續(xù)兩類因子。對于連續(xù)型指標(biāo)，如坡高、坡率、地下水等，通過構(gòu)造三角形等隸屬函數(shù)，并計算函數(shù)值；對于離散型指標(biāo)，通過構(gòu)造各風(fēng)險等級評價標(biāo)準(zhǔn)的判斷矩陣進行處理。

1.2 層次分析法[19]

層次分析法是由Saaty提出的一種多層次權(quán)重分析方法，其主要步驟如下。

1.2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

首先把復(fù)雜問題進行簡化，根據(jù)影響因素逐一分解后再進行分層，構(gòu)建起層次結(jié)構(gòu)模型。

1.2.2 判斷矩陣

采用標(biāo)度這一指標(biāo)來表示兩個元素之間的相對重要性大小，其含義見表1。

表1 標(biāo)度含義

得到的判斷矩陣為

A=(aij)n×n

(1)

式中，aij>0；aji=1/aij；aii=1。

1.2.3 權(quán)重和判斷矩陣一致性檢驗

1)權(quán)重。采用特征根法計算判斷矩陣權(quán)重向量：

AW=λmaxW

(2)

式中，矩陣的最大特征根為λmax，W是計算得到的特征向量。

2)一致性檢驗。判斷矩陣是否合適，符合要求，需要進行判斷，這通過一致性指標(biāo)來得到，即

(3)

平均隨機一致性指標(biāo)見表2。

表2 RI取值

3)計算一致性比例CR，計算公式為

(4)

當(dāng)CR<0.1時，判斷矩陣符合要求；當(dāng)CR≥0.1時，需修改判斷矩陣。

2 邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險模糊綜合評價方法

2.1 邊坡地質(zhì)災(zāi)害層次分析模型

云南地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形多變，公路建設(shè)產(chǎn)生了大量的公路邊坡。根據(jù)云南邊坡地質(zhì)特點，結(jié)合作者對468個典型山區(qū)公路邊坡數(shù)據(jù)分析結(jié)果和文獻統(tǒng)計結(jié)果[18]，邊坡地質(zhì)災(zāi)害的影響因素可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因是地形地貌、巖土體特征；外因是誘發(fā)因素分析中的降雨、地震、開挖等。建立的邊坡地質(zhì)災(zāi)害的層次分析模型如圖1所示[18]。

圖1 邊坡地質(zhì)災(zāi)害層次分析模型

2.2 邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評判集

根據(jù)滑坡災(zāi)害影響因子層次結(jié)構(gòu)模型，對各因素和因子進行編號后，得到了各級模糊綜合評判因子集[18]。

一級模糊綜合評判因子集：

(5)

二級模糊綜合評判因子集：

(6)

三級模糊綜合評判因子集：

A={U1,U2}

(7)

參考目前國內(nèi)外風(fēng)險分級方法，將公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害分為4個等級，由此建立滑坡災(zāi)害危險源評判集V：

V={V1,V2,V3,V4}

(8)

在層次分析模型的影響因子中，對連續(xù)型評價因子：坡高、坡率、地下水、放坡比、放坡級數(shù)、降雨強度、地震烈度，這7個指標(biāo)采用如下隸屬函數(shù)：

(9)

式中：x為影響因子值；S1、S2、S3、S4為不同分級的標(biāo)準(zhǔn)。

對離散型評價因子：坡面形態(tài)、植被覆蓋、基巖巖性、風(fēng)化程度、坡體結(jié)構(gòu)、開挖特性，計算各因子判斷矩陣，進而獲取隸屬度。以坡體結(jié)構(gòu)風(fēng)險I級為例，其隸屬度判斷矩陣見表3。計算得到λmax=4.12，CR=0.044≤0.1，這表明判斷矩陣符合要求。

分別對各層中的因子構(gòu)造相對應(yīng)的判斷矩陣，第一層的判斷矩陣見表4，其余不再贅述。由表4計算得到λmax=2，CR=0<0.1，判斷矩陣滿足要求。

表3 邊坡的坡體結(jié)構(gòu)風(fēng)險I隸屬度判斷矩陣

表4 判斷矩陣A

2.3 邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險模糊綜合評判

模糊綜合評判方法步驟如下：

1)對邊坡的影響因子做模糊評判，得到矩陣R。

(10)

2)利用層次分析計算各級權(quán)重A1、A2和A3。

3)通過層次分析模型中的關(guān)系矩陣R與權(quán)重矩陣A相乘，計算各因素之間的判斷矩陣。

4)由最大隸屬度原則確定邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級[20]。

3 工程應(yīng)用

宜賓至昭通高速公路(宜昭高速)地處烏蒙山區(qū)。烏蒙山區(qū)中我國西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。宜昭高速一期工程起于昭通市彝良縣海子鎮(zhèn)，止于昭通市昭陽區(qū)北閘鎮(zhèn)，路線全長92.72 km，路基土石方近1 500萬m3，路基開挖形成了大量的高陡邊坡。

為驗證邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估方法的可靠性，調(diào)查了宜昭高速公路一期工程典型高邊坡，共67處。這些邊坡地層巖性出露較為廣泛、地質(zhì)構(gòu)造作用復(fù)雜，氣候特點為雨季旱季分明，可代表中國西南山區(qū)高速公路建設(shè)中的典型邊坡，普遍性較好。采用本文的邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價方法對這些邊坡進行評價，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，Ⅰ等風(fēng)險邊坡有13個，占所評價邊坡總數(shù)的19%，邊坡風(fēng)險低；Ⅱ等風(fēng)險邊坡有25個，占邊坡總數(shù)的37%，邊坡風(fēng)險較低；Ⅲ等風(fēng)險邊坡有18個，占邊坡總數(shù)的27%，邊坡風(fēng)險較高；Ⅳ等風(fēng)險邊坡有11個，占邊坡總數(shù)17%，邊坡風(fēng)險高。風(fēng)險等級越高，邊坡穩(wěn)定性越差，就越容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，實際上發(fā)生失穩(wěn)或局部失穩(wěn)的邊坡，其地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級全部分布在Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級，如圖3所示。13個I等風(fēng)險邊坡中無一發(fā)生破壞；25個Ⅱ等風(fēng)險邊坡中有僅有2個邊坡發(fā)生破壞；18個Ⅲ等風(fēng)險邊坡中有15個發(fā)生破壞；11個Ⅳ級風(fēng)險邊坡全部發(fā)生破壞，可見風(fēng)險評估的結(jié)果與實際邊坡失穩(wěn)情況吻合較好，本文基于模糊綜合評價的邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價方法是可靠和有效的。

圖2 宜昭高速公路邊坡風(fēng)險評價結(jié)果

圖3 宜昭高速公路失穩(wěn)邊坡數(shù)量和風(fēng)險等級對比

4 結(jié)論

將層次分析法和模糊綜合評價方法相結(jié)合用于邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價?；谠颇瞎愤吰碌刭|(zhì)災(zāi)害影響因素調(diào)查結(jié)果，將影響因素劃分為內(nèi)在和外在因素，并對影響因子的分級標(biāo)準(zhǔn)進行界定，運用層次分析方法進行影響因子權(quán)重分配，利用模糊數(shù)學(xué)進行影響因素的隸屬度計算，實現(xiàn)了公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的模糊綜合評價。將該方法應(yīng)用于云南省宜昭高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級評價，結(jié)果表明，風(fēng)險評價結(jié)果與實際邊坡失穩(wěn)情況吻合較好，證明本文方法是可靠和有效的。