基于組合賦權(quán)-云模型岸坡穩(wěn)定性評價

郭學(xué)潮

(山東省鄄城縣水務(wù)局，山東 鄄城 274600)

0 引 言

岸坡穩(wěn)定可以有效保障汛期城鎮(zhèn)安全，防止洪水泛濫。楊文東等[1]使用云模型選取相關(guān)因素劃分權(quán)重對邊坡穩(wěn)定性進行預(yù)測評價研究，該方法可以較為快速、準確地獲取邊坡穩(wěn)定性情況，適用性較好。邢志龍[2]以青走道水庫庫岸邊坡為例，通過室內(nèi)試驗和理論計算方法，預(yù)測蓄水后岸坡塌方量。李鵬岳等[3]使用可拓學(xué)模型結(jié)合層次分析法獲取指標權(quán)重，綜合評價長壽至豐都段庫岸穩(wěn)定性。徐鎮(zhèn)凱等[4]認為云模型在評價邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用快捷、方便、準確。許波等[5]以孟底溝水庫為例，確定影響因素，使用層次分析法進行單體庫岸邊坡穩(wěn)定性評價。劉明發(fā)[6]利用Geo-studio研究不同地下水位下邊坡穩(wěn)定性情況，結(jié)果表明地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的一個重要因素。朱文煒等[7]、熊爽等[8]分別使用不同的數(shù)值模擬方法，研究邊坡穩(wěn)定性情況，認為巖土體強度是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

夏季雨水多發(fā)，河道水位變化劇烈，岸坡侵蝕、沖刷現(xiàn)象嚴重，岸坡穩(wěn)定性必將急劇變化。因此，快速獲取現(xiàn)狀岸坡穩(wěn)定性等級的現(xiàn)實意義重大。

1 確定評價指標和岸坡穩(wěn)定性等級

岸坡穩(wěn)定性影響因素評價指標選取應(yīng)當全面、客觀。綜合分析，岸坡自身特征、地下水位特征是影響其穩(wěn)定性的主要因素。因此，選取巖土體強度參數(shù)(內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角)、水位(岸坡內(nèi)、外水位)、坡型(坡高、坡比)以及外部荷載因素共7個定量因素建立評價指標體系。參考前人研究，可將岸坡穩(wěn)定性分為3個等級，Ⅰ-Ⅲ級表示穩(wěn)定性逐漸提高。指標體系見圖1。

圖1 評價指標體系圖

表1 指標評價等級表

2 云模型-組合賦權(quán)評價模型

2.1 云模型概念

李德毅等[9]在1995年提出云模型的概念，現(xiàn)在應(yīng)用于風(fēng)險評價、算法改進、數(shù)據(jù)挖掘、智能控制等各個行業(yè)，效果顯著。云模型針對岸坡穩(wěn)定性評價中的不確定問題，有一定解決問題的優(yōu)勢，可獲取不確定性的度量值。

2.2 組合賦權(quán)權(quán)重計算

權(quán)重表示某一指標對評價結(jié)果影響的重要程度。使用改進層次法和熵權(quán)法組合賦權(quán)獲取各指標權(quán)重。

2.2.1 改進層次分析法

1979年，Satty[10]首次提出層次分析法用于解決評價指標權(quán)重計算的問題。但人為主觀因素對權(quán)重值影響較大，因此采用粗糙集[11]改進層次分析法，獲取客觀權(quán)重，提高評價結(jié)果的準確性。

計算過程如下：

σCB(A)=γC(B)-γC-A(B)

(1)

(2)

式中：σ為不同的集合；γ為集合中的元素；Δσij為各指標的相對重要程度。

2.2.2 熵值法

河道岸坡的穩(wěn)定性具有時空差異性，是一個隨時間、空間變化的結(jié)果。熵權(quán)法使用理論計算的方法獲取權(quán)重，避免了人為因素擾動，可獲取客觀權(quán)重。

(3)

(4)

式中：yji為各指標實際值；p為選取指標總數(shù)。

2.2.3 組合權(quán)重計算

(5)

組合權(quán)重為wz：

(6)

式中：α，β為分配系數(shù)，滿足以下條件：

(7)

α+β=1

(8)

各指標權(quán)重見表2。

表2 評價指標權(quán)重表

2.2.4 不同指標間的相互作用分析

當河道水位上漲時，岸坡巖土體類型決定了河道(坡外)水位補給岸坡地下(坡內(nèi))水位的速率，同時坡外水位也決定了坡內(nèi)水位最終能達到的水位高度。反之，若是坡內(nèi)水位補給坡外水位時，坡內(nèi)水位的高度決定了坡外水位的高度。兩者之間的轉(zhuǎn)化是一個動態(tài)過程，此時岸坡的穩(wěn)定性也是一個動態(tài)變化過程。

同時水位的變化，造成坡體內(nèi)部巖土體含水率產(chǎn)生變化，含水率的變化造成巖土體強度(黏聚力和內(nèi)摩擦角)變化。

2.3 云模型參數(shù)的選取

在選取評價指標的條件上，李健等[12]提出了云參數(shù)(Ex,En,He)的求解公式：

Ex=(Bmin+Bmax)/2

En=(Bmax-Bmin)/6

He=k

(9)

式中：Bmax，Bmin分別為某等級標準的最大和最小邊界；k為常數(shù)。

為了評價結(jié)果清晰可辨別，作出以下修改，見表3。

表3 云模型的數(shù)字特征表

2.4 評價云模型指標的生成

使用云模型確定參數(shù)Ex，En，He，生成云模型見圖2。

綜合確定度U計算方法如下：

(10)

式中：δi為確定度；ωz為指標組合權(quán)重，岸坡穩(wěn)定性等級L為：

L=max{U1,U2,…,Un}

(11)

圖2 各評價指標云圖

3 工程應(yīng)用

以山東菏澤市某河流岸坡為例，使用本文研究方法評價其穩(wěn)定性，并與專家現(xiàn)場評價結(jié)果進行對比，驗證本文所提出方法的準確性。隨著雨季到來，河道水位上漲，河水侵蝕、沖刷造成河道岸坡(未治理段)形態(tài)改變，同時坡體內(nèi)部地下水位發(fā)生改變，造成岸坡穩(wěn)定性急劇變化。通過現(xiàn)場調(diào)查以及室內(nèi)力學(xué)實驗，岸坡主要巖土體類型為堆積層，力學(xué)試驗結(jié)果表明內(nèi)聚力為22 kPa，內(nèi)摩擦角為18°，由于天然狀態(tài)下含水率較高，飽和狀態(tài)下強度參數(shù)變化較小。其中一段河道岸坡P1坡比1.75，坡高3.0 m，工程區(qū)人類工程活動較少，坡頂荷載選擇為0 kPa，岸坡內(nèi)、外水位分別為1.5和3 m(平均高度)。

以內(nèi)聚力為22 kPa為例，使用云發(fā)生器確定該指標隸屬于各級別的確定度：U(Ⅰ)=0.000 0，U(Ⅱ)=0.009 6，U(Ⅲ)=0.345 5，所以指標內(nèi)聚力為22 kPa屬于Ⅲ級。綜合計算5處岸坡P1-P5的穩(wěn)定性評價結(jié)果，評價結(jié)果見表4。

表4 評價結(jié)果對比表

由表4可知，P1-P5的穩(wěn)定性等級依次為Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ、Ⅰ、Ⅲ；組合賦權(quán)-云模型獲取岸坡穩(wěn)定性等級與現(xiàn)場專家評價結(jié)果一致，具有一定的適應(yīng)性。

4 結(jié) 論

1) 通過組合賦權(quán)獲取選取7個指標的權(quán)重，巖土體強度參數(shù)為影響河道岸坡穩(wěn)定性的主要因素。

2) 通過云模型確定P1-P5的穩(wěn)定性依次為Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ、Ⅰ、Ⅲ，與專家評價結(jié)果一致，組合賦權(quán)-云模型可快速評價河道岸坡的穩(wěn)定性現(xiàn)狀，且準確性較高，具有工程實踐意義。