張麗娟，房 偉，劉 雨，胡紅勝，周明明

(1.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

邊坡是水利工程中需要重點關(guān)注的地形地質(zhì)環(huán)境之一，邊坡的滑坡、塌陷以及較大的位移錯動都會不同程度影響水利工程的安全運行[1-2]。相較于巖質(zhì)邊坡，土質(zhì)邊坡更容易受到自然環(huán)境和人工活動的影響。因此，在涉及土質(zhì)邊坡的水利工程無論在施工還是服役過程中都應(yīng)掌握邊坡的安全穩(wěn)定狀態(tài)，以保障工程的安全[3]。由于影響土質(zhì)邊坡安全的因素比較多，如環(huán)境因素的降雨、地下水、水庫水位、植被、地震等，人類活動的施工、邊坡加固、交通等，邊坡特性的邊坡高度、坡度、土質(zhì)特性等[4]，需要考慮影響土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定因素的復(fù)雜性以及不確定性，綜合全面地評價邊坡的安全穩(wěn)定性。由于水利工程的土質(zhì)邊坡的破壞具有隨機性和難預(yù)測性，受水位波動、降雨和地下水等外荷載影響很大，為了跟蹤掌握邊坡的穩(wěn)定性態(tài)，對邊坡進行結(jié)構(gòu)安全評價十分必要，同時對邊坡后續(xù)的維護及加固也具有重要意義。

目前，關(guān)于土質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定性的研究成果比較多。一類聚焦于模型仿真計算進行分析，如孫玉琢等[5]基于強度雙折減理論研究了粉土質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定性；李澤瑩[6]借助有限元方法研究了大變形情況下的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及破壞模式；徐小平[7]基于Kriging模型研究了土質(zhì)邊坡的隨機場模擬及其可靠度。另一類則側(cè)重于基于安全評價體系進行研究[8]，如胡杰等[9]基于C4.5決策樹算法綜合評價了土質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定性；褚雪松[10]全面研究了土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性系統(tǒng)的可靠度與風(fēng)險評價方法及其工程應(yīng)用。模型仿真計算的優(yōu)點在于可定量研究邊坡的變形位移等安全特性，其缺點在于模型的假設(shè)條件過多，土體的隨機性和不均質(zhì)性較難模擬，建模計算的時間較長等。

未確知測度理論已經(jīng)成功應(yīng)用在很多領(lǐng)域的指標(biāo)評價中，如李佳美等[11]基于組合賦權(quán)-未確知測度理論評價高速公路高陡邊坡施工安全風(fēng)險；周航等[12]以川藏交通廊道桑珠嶺隧道為例，基于組合賦權(quán)和未確知測度評價深埋隧道巖爆的危險性。由于土質(zhì)邊坡容易受到自然環(huán)境和人為的影響而變化，通常邊坡安全評價體系的權(quán)重賦值有主觀打分和客觀權(quán)重賦值[13]。為了能快速高效綜合地定性評價邊坡的安全等級，根據(jù)土質(zhì)邊坡的特點，本文構(gòu)建邊坡安全評價體系。其中，主觀打分評價的結(jié)果主要依靠專家經(jīng)驗如層次分析法，主觀評價由于人為因素勢必會增加評價結(jié)果的不準(zhǔn)確性[14]。為了避免主觀權(quán)重賦值的缺點，本文采用反熵法進行土質(zhì)邊坡的指標(biāo)權(quán)重的定量研究和賦值，大量研究成果表明該方法的可靠性，如向思陽等[15]基于AHP-反熵法對配電網(wǎng)低碳運行進行的模糊綜合評價；陳小剛等[16]結(jié)合物元法采用反熵法對防護工程損毀后內(nèi)部空間的環(huán)境質(zhì)量進行的評價。

本文采用未確知測度理論刻畫影響邊坡安全的不同評價指標(biāo)，建立土質(zhì)邊坡綜合評價指標(biāo)體系，采用反熵法確定評價指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建土質(zhì)邊坡評價模型，通過工程實例檢驗評價模型的可靠性，以期為同類工程土質(zhì)邊坡的安全評價提供參考。

1 構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性評價體系及其基本理論

1.1 未確知測度理論

為解決工程領(lǐng)域中常見的未確知問題，王光遠于1990年提出了未確知測度理論[17]。該理論能夠解決多指標(biāo)不確定問題，并對指標(biāo)定量研究。由于影響土質(zhì)邊坡安全的因素存在不確定性，采用未確知測度理論可以較好地對影響指標(biāo)進行統(tǒng)一度量，能夠解決人為賦值帶來的主觀性，確保評價結(jié)果更加符合工程實際安全性態(tài)。

(1)

(2)

1.2 土質(zhì)邊坡指標(biāo)權(quán)重的賦值及評價體系的構(gòu)建

1.2.1 反熵法計算評價指標(biāo)的客觀權(quán)值

反熵法(Anti-Entropy Method，AEM)可以較好地刻畫不同指標(biāo)的差異化，同時能夠解決特殊情況下的指標(biāo)時效的難題。傳統(tǒng)的熵權(quán)法存在權(quán)值賦值差異大的問題而導(dǎo)致評價結(jié)果失真，為了盡可能的避免該問題，AEM法能夠在小樣本條件下充分提取原始數(shù)據(jù)的有效內(nèi)容，使其評價指標(biāo)權(quán)值在合理的范圍內(nèi)和盡可能限制人為因素對評價結(jié)果的影響[18]。評價指標(biāo)i的信息反熵可用下式表示

(3)

(4)

1.2.2 指標(biāo)的量化及權(quán)重

為更加全面客觀真實地評價邊坡的安全穩(wěn)定性，需對影響土質(zhì)邊坡的因素進行分析分類，盡可能排除相關(guān)性高的重疊因素。不同因素的指標(biāo)量化是評價邊坡的關(guān)鍵，按照巡視情況進行定量評價，參照文獻[11]，根據(jù)水利工程的特點，構(gòu)建土質(zhì)邊坡的影響因素評價指標(biāo)體系及風(fēng)險等級，見表1。土質(zhì)邊坡評價指標(biāo)中的定性指標(biāo)風(fēng)險等級取值見表2。

表1 土質(zhì)邊坡的影響因素評價指標(biāo)體系及風(fēng)險等級

表2 定性指標(biāo)風(fēng)險等級取值區(qū)間

1.2.3 置信判別條件

1.3 邊坡穩(wěn)定性評價的實現(xiàn)流程

綜上理論，土質(zhì)邊坡安全等級評價的實現(xiàn)流程為：第一步，收集邊坡的主要資料和信息，確定影響評價對象的指標(biāo)因子；第二步，基于邊坡資料信息，結(jié)合未確知理論建立構(gòu)建評價體系；第三步，根據(jù)評價指標(biāo)的賦分準(zhǔn)則，綜合確定未確知測度的評價指標(biāo)函數(shù)；第四步，采用反熵法計算各評價子指標(biāo)的客觀權(quán)重；第五步，判斷和分析評價結(jié)果的置信度；第六步，確定安全評價等級，并與工程鑒定結(jié)果進行對比，分析評價結(jié)果的準(zhǔn)確性并進一步優(yōu)化指標(biāo)的權(quán)重因子?；玖鞒痰募夹g(shù)路線見圖1。

2 工程案例

2.1 工程概況及確立測度函數(shù)

某水庫的上游有4處需要重點監(jiān)控的土質(zhì)邊坡，依照表1建立水庫邊坡的單指標(biāo)測度函數(shù)。其中，17個評價指標(biāo)中的定量指標(biāo)有X3、X4、X8和X10，各測度函數(shù)見圖2。其他評價指標(biāo)為定性指標(biāo)，定性指標(biāo)的測度函數(shù)見圖3。4個邊坡的各定量與定性評價的指標(biāo)量值見表3。

圖2 定量單指標(biāo)的測度函數(shù)

圖3 定性指標(biāo)的測度函數(shù)

表3 土質(zhì)邊坡各評價指標(biāo)的量值

本文計算以邊坡A為案例。把表3中的A評價指標(biāo)的量值代入圖2和圖3的對應(yīng)的測度函數(shù)，計算邊坡A的評價矩陣，即

2.2 確定評價指標(biāo)權(quán)重

通過AEM法計算邊坡A的客觀權(quán)重，評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值及計算結(jié)果見表4。

表4 邊坡A各評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值及客觀權(quán)重

2.3 邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果及分析

由邊坡A的評價矩陣和表4中邊坡的各子指標(biāo)客觀權(quán)重，計算得到風(fēng)險等級的評價矩陣為{0.168，0.562，0.238，0.032，0}。本文采用置信度判定準(zhǔn)則對邊坡A的安全等級進行定級，置信度λ取0.5。由有序分割類的邊坡風(fēng)險等級判別準(zhǔn)則可知，風(fēng)險等級分別由低到高和由高到低相加，結(jié)果首次大于等于置信度的等級為邊坡的風(fēng)險等級，并且要求2次評價結(jié)果的等級一致，說明評價結(jié)果滿足置信度判定準(zhǔn)則。邊坡A的風(fēng)險等級由低到高相加首次大于等于置信度的為0.168+0.562=0.73>λ=0.5，邊坡A的安全等級定級為Ⅱ級；風(fēng)險等級從高到低相加首次大于等于置信度的為0+0.032+0.238+0.562=0.832>λ=0.5，邊坡A的安全等級定級為Ⅱ級。2次對邊坡A的安全等級的評價結(jié)果一致，故為邊坡A的風(fēng)險定級是Ⅱ級。其他3個邊坡同邊坡A的計算方法一致。風(fēng)險等級評價結(jié)果見表5。

表5 邊坡穩(wěn)定性安全風(fēng)險評價結(jié)果

同時，邊坡的工程鑒定結(jié)果：邊坡A為安全穩(wěn)定性較高，邊坡B為安全穩(wěn)定性一般，邊坡C為安全穩(wěn)定性較高，邊坡D為安全穩(wěn)定性一般。由工程鑒定結(jié)果可知，本文的邊坡風(fēng)險等級的評價結(jié)果與現(xiàn)場的鑒定結(jié)果相符，說明本文的評價方法可靠，具有工程實際意義。

3 結(jié) 語

本文基于未測度理論-AEM建立了土質(zhì)邊坡的評價模型，并對某水庫的上游有4處需要重點監(jiān)控的土質(zhì)邊坡進行安全評價，主要結(jié)論如下：

(1)未測度理論可以較好地解決定量與定性邊坡評價指標(biāo)的刻畫賦值，反熵法可以對評價指標(biāo)進行客觀賦值。構(gòu)建的風(fēng)險等級為5個等級、評價指標(biāo)為二級17個子指標(biāo)的安全評價體系能夠全面地對土質(zhì)邊坡進行綜合評價。

(2)通過工程實例可知，該評價模型可以較好地對邊坡進行風(fēng)險評價，4個邊坡的評價結(jié)果與工程鑒定結(jié)果一致；該評價模型具有較高的工程應(yīng)用意義，可以用于同類邊坡的評價研究。

(3)由于土質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定性受外界因素的影響較大且變動較大，可以進一步研究動態(tài)化權(quán)重指標(biāo)的邊坡風(fēng)險評價。