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        濕陷性黃土地基安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

        2023-03-03 09:26:22楊耀峰賈生海丁建興趙婷婷
        關(guān)鍵詞:評(píng)價(jià)施工

        楊耀峰,賈生海,丁建興,趙婷婷

        (1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省水利機(jī)械化工程有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730070)

        水資源作為一種基礎(chǔ)的自然資源,不僅主導(dǎo)著環(huán)境,而且影響著區(qū)域的整體發(fā)展,它也是社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源和基礎(chǔ)的物質(zhì)保障[1]。在早期,缺水問題困擾著黃土高原地區(qū),特別是一些落后和偏遠(yuǎn)地區(qū),為了解決黃土高原地區(qū)的缺水問題,建設(shè)調(diào)蓄水池是一種可行的措施。周聰聰?shù)萚2]采用AHP和熵權(quán)法分別計(jì)算取各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,并將遺傳算法與變權(quán)原理相結(jié)合,以求校正,在云模型的基礎(chǔ)上建立了水庫大壩應(yīng)急預(yù)案可行性綜合評(píng)價(jià)模型。Hai Ning Yang[3]和鄭一鳴等[4]分別從研究對(duì)象的多個(gè)工程特點(diǎn)出發(fā),建立了基于改進(jìn)模糊層次分析法的安全評(píng)價(jià)模型。陳泳江等[5]以云南省某水庫為研究對(duì)象,提出將FMECA-模糊層次分析法應(yīng)用于水庫安全性分析中,通過模糊綜合評(píng)判分析水庫大壩的安全性。李龍師等[6]利用改進(jìn)的層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)比了水庫誘發(fā)地震實(shí)例和最常用評(píng)估水庫誘發(fā)地震的方法,得出了層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合更為可靠的結(jié)論。建設(shè)調(diào)蓄水池是甘肅農(nóng)村飲水工程一項(xiàng)至關(guān)重要的工程,但在黃土地區(qū)施工其地基施工質(zhì)量的好壞直接影響到飲水工程能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,對(duì)其地基建設(shè)過程中風(fēng)險(xiǎn)的不確定性、隨機(jī)性和模糊性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)具有重要意義。

        在結(jié)合工程實(shí)際情況和現(xiàn)行的國家風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了基于博弈論-后悔理論的調(diào)蓄水池地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。以地處濕陷性黃土地區(qū)的黑燕調(diào)蓄水池為例,對(duì)其地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究評(píng)估,旨在通過研究,將此模型應(yīng)用于實(shí)際工程地基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,從而有效地提高了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可行性,也保證了評(píng)估結(jié)果的可靠性。

        1 基于博弈論的指標(biāo)權(quán)重確定

        確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,一般采用主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法建立在專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)之上,受到專家的主觀意志較大;客觀賦權(quán)法是基于原始數(shù)據(jù),有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)依據(jù),但缺少專家的主觀性[7]。所以,將二者方法結(jié)合,這樣既有了專家的主觀能動(dòng)性,又有了客觀的數(shù)學(xué)依據(jù),可以提高模型評(píng)估結(jié)果的可靠性。

        1.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

        層次分析法[8](Analytic Hierarchy Process,AHP)是一種將決策相關(guān)要素分成多個(gè)層級(jí)進(jìn)行定性分析和定量評(píng)價(jià)的經(jīng)典權(quán)值分析法。主要步驟如下[9- 10]。

        (1)參考大量相關(guān)文獻(xiàn),并且結(jié)合專家、學(xué)者們的豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),將每一項(xiàng)指標(biāo)按1—9級(jí)的權(quán)重評(píng)分,構(gòu)建出各指標(biāo)間的評(píng)判矩陣[11]。

        (2)計(jì)算構(gòu)建判斷矩陣的最大特征值λmax。

        (3)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

        ①判斷矩陣一致性指標(biāo)CI:

        (1)

        ②一致性比率CR:

        (2)

        式中,RI根據(jù)表1可得。

        表1 RI取值表

        在CR<0.1的情況下,判定矩陣通過一致性驗(yàn)證;在CR>0.1的情況下,判定不存在一致性,終止計(jì)算,應(yīng)對(duì)判定矩陣的取值進(jìn)行再修正,重新進(jìn)行一致性檢驗(yàn),直到CR<0.1時(shí)停止,即滿足一致性檢驗(yàn)[12]。

        1.2 改進(jìn)CRITIC法確定客觀權(quán)重

        改進(jìn)CRITIC法是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,引入差異系數(shù),消除了差異化的影響,使指標(biāo)權(quán)重計(jì)算更具有科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性[13]。具體步驟如下[9,14]。

        (1)根據(jù)原始數(shù)據(jù)構(gòu)建原始評(píng)估矩陣。

        (2)對(duì)原始評(píng)估矩陣進(jìn)行歸一化處理。

        (3)引入差異系數(shù),去除指標(biāo)差異化。

        (4)客觀權(quán)重確定。

        綜合性系數(shù)hj反映各指標(biāo)所包含的信息量,它決定著指標(biāo)權(quán)重,計(jì)算公式為:

        (3)

        式中,hj—第j個(gè)指標(biāo)的綜合性系數(shù)。

        則客觀權(quán)重計(jì)算公式為:

        (4)

        式中,Wj—第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

        1.3 博弈論組合權(quán)重的確定

        2 博弈論-后悔理論評(píng)價(jià)模型

        2.1 后悔理論

        后悔理論是由Bell、Loomes和Sugden最初提出的,它可以解決決策者的心理偏好問題,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)方案決策等當(dāng)中[18]。后悔理論的核心思想是:決策者會(huì)比較自己此時(shí)處于的情況和他可能處于的情況(決策者在過去有其他選擇),如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)自己選擇其他對(duì)象時(shí),可以得到更好的結(jié)果,那他就會(huì)感到后悔;如果沒有,就會(huì)感到快樂[19]。后悔理論可以幫助決策者規(guī)避或者降低后悔程度,以達(dá)到使得所選擇的方案能更接近于理想方案的目的。

        2.2 后悔理論的步驟

        后悔理論的步驟主要參照文獻(xiàn)[7]、[18]、[20]。

        (1)建立評(píng)價(jià)矩陣

        假設(shè)存在m個(gè)方案、n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的賦值情況建立評(píng)價(jià)矩陣Q。

        (2)構(gòu)建理想點(diǎn)矩陣

        以評(píng)價(jià)矩陣Q為基礎(chǔ),構(gòu)建理想點(diǎn)矩陣P。

        P=(p1,p2,p3,…,pn)

        (5)

        式中,pn—第n個(gè)指標(biāo)的理想值,取最小值。

        (3)建立效用值矩陣

        H(qmn)=(qmn)α

        (6)

        式中,α—效用函數(shù)的參數(shù),取值0<α<1。

        效用值矩陣H為

        H=(qmn)α

        (7)

        (4)建立感知效用矩陣,構(gòu)建后悔-欣喜函數(shù)值矩陣R。

        R(Δv)=1-e-β(Δv)

        (8)

        式中,β—后悔-欣喜函數(shù)的參數(shù),β>0,取值越小,表明決策者規(guī)避后悔風(fēng)險(xiǎn)程度越不明顯;Δv—m方案與理想點(diǎn)矩陣效用差。

        根據(jù)式(7)、(8)感知效用矩陣計(jì)算公式為:D=H+R。

        (5)確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

        (9)

        式中,sn—綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值;ωj—第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

        3 工程應(yīng)用

        3.1 工程概況

        黑燕調(diào)蓄水池位于甘肅省定西市通渭縣黑燕鄉(xiāng)黃土梁峁臺(tái)地,地處濕陷性黃土地區(qū),北側(cè)與主山接壤,西側(cè)為一侵蝕沖溝,溝槽深度為20~35m,形成“V”字形,溝壁兩側(cè)地勢(shì)崩塌,并有黃土洞穴。該地東西向長度450m,南北向?qū)?50~300m,整體地勢(shì)呈階梯狀,現(xiàn)是沿東西方向分布的梯田,寬20~30m,臺(tái)階高1.5~3m,地勢(shì)開闊,地表高程2260~2280m。工程設(shè)計(jì)平面圖如圖1所示。

        圖1 工程設(shè)計(jì)平面圖

        3.2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        在綜合分析、參考大量相關(guān)文獻(xiàn)[21- 23]并咨詢現(xiàn)場(chǎng)專家的基礎(chǔ)上,建立了調(diào)蓄水池施工安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(如圖2所示)。該指標(biāo)體系將人員素質(zhì)、機(jī)械設(shè)備、環(huán)境因素和安全管理4個(gè)方面作為一級(jí)指標(biāo),選取作業(yè)人員的文化素質(zhì)水平等16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為二級(jí)指標(biāo)。

        圖2 調(diào)蓄水池施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        3.3 指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

        在SL 258—2017《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中,將水庫大壩安全類劃別分為一類壩、二類壩和三類壩。為了更加準(zhǔn)確的描述水池的安全性,在前人研究[24- 25]和參考文獻(xiàn)[4,26- 28]的基礎(chǔ)上,將黑燕水池地基施工安全評(píng)價(jià)劃分為5個(gè)等級(jí)(見表2)。

        表2 不同等級(jí)評(píng)分區(qū)間

        3.4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

        根據(jù)前文對(duì)指標(biāo)權(quán)重步驟的描述,計(jì)算模型的主、客觀權(quán)重和綜合權(quán)重值見表3。

        表3 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果表

        博弈論組合權(quán)重法是將層次分析法和CRITIC法所取得的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化,在博弈論組合賦權(quán)模型中,權(quán)重值根據(jù)NASH均衡的目標(biāo),將權(quán)重偏差優(yōu)化為最小。在博弈論賦權(quán)后,一級(jí)指標(biāo)安全管理排在第一位,為0.2999。在二級(jí)指標(biāo)中,最為重要的是作業(yè)環(huán)境,指標(biāo)權(quán)重為0.4296,即在施工作業(yè)中,現(xiàn)場(chǎng)施工操作最為重要,這也是施工安全的第一要?jiǎng)?wù);從業(yè)人員技術(shù)水平和機(jī)械設(shè)備的選擇并列排在第二,兩者均為0.4092,這說明安全施工比較重視從業(yè)人員技術(shù)水平與機(jī)械設(shè)備的選擇,與安全施工目標(biāo)一致,具有一定的科學(xué)性,評(píng)價(jià)指標(biāo)具有可靠性。

        3.5 水池地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

        以人員素質(zhì)A1計(jì)算為例,具體計(jì)算過程如下。

        (1)構(gòu)建人的因素的初始評(píng)價(jià)矩陣QA1。

        (2)確定理想點(diǎn)矩陣。

        PA1=(75,68,78,82)T

        (3)確定效用矩陣。

        (4)確定后悔-欣喜值矩陣RA1。

        (5)確定感知效用矩陣DA1。

        (6)綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值的計(jì)算。

        同理可得機(jī)械設(shè)備、環(huán)境因素和安全管理的感知效用矩陣分別為

        具體計(jì)算結(jié)果為:SA1=54.095,SA2=53.946,SA3=52.740,SA4=55.091。即S=53.968。

        通過博弈論-后悔理論計(jì)算,得出黑燕調(diào)蓄水池地基安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值為53.968,根據(jù)表1的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知,該調(diào)蓄水池地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí),即安全,符合實(shí)際情況。

        可能導(dǎo)致該結(jié)果的原因如下:①從業(yè)人員的文化素養(yǎng)和安全意識(shí)不強(qiáng);②機(jī)械設(shè)備老舊且保養(yǎng)與維護(hù)不夠及時(shí);③周圍自然環(huán)境惡劣,對(duì)施工影響較大;④安全管理、監(jiān)督檢查制度不夠完善,應(yīng)急措施不周全。

        黑燕調(diào)蓄水池地基安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估雖然處于安全狀態(tài),但其未達(dá)到很安全或非常安全的狀態(tài),因此需要有針對(duì)性的加大安全投入力度。①在人員素質(zhì)方面,應(yīng)提高工作人員的技術(shù)操作水平和安全意識(shí),并加大安全教育力度;②在機(jī)械設(shè)備方面,應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的檢查更新工作,確保機(jī)械設(shè)備達(dá)到正常使用的標(biāo)準(zhǔn);③在環(huán)境因素方面,熟悉周邊環(huán)境,保證其安全性,并建立應(yīng)急預(yù)案;④在安全管理方面,工作人員應(yīng)加大對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的日常檢查與維修,及時(shí)處理機(jī)械設(shè)備中存在的故障。

        4 結(jié)論

        (1)以地處濕陷性地區(qū)的黑燕調(diào)蓄水池地基施工為例,通過結(jié)合工程實(shí)際施工中的風(fēng)險(xiǎn)和國家推行的地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立了符合工程實(shí)際情況的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;通過模型計(jì)算,其地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的安全值為53.968,處于安全狀態(tài),符合實(shí)際情況。

        (2)基于博弈論-后悔理論的調(diào)蓄水池地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型表明,所建立的模型是切實(shí)可行且有效的,同時(shí),它使評(píng)估指標(biāo)的不確定性、隨機(jī)性、模糊性三者之間有機(jī)結(jié)合,體現(xiàn)了各指標(biāo)之間的交互作用,為濕陷性黃土地基的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

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