水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

姜慧

吉林水利電力職業(yè)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春130000

水利工程中高邊坡挖掘施工是一項(xiàng)危險(xiǎn)度較高的施工項(xiàng)目，利用挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型預(yù)判高邊坡施工存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，能夠有效保證施工的科學(xué)性和安全性[1]。傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型多利用ANP結(jié)構(gòu)模型或軟集合理論。其中，基于ANP 結(jié)構(gòu)模型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型需判斷風(fēng)險(xiǎn)元素之間的相互影響關(guān)系，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感值確定風(fēng)險(xiǎn)元素的權(quán)重[2]。基于軟集合理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型利用雙射軟集合對(duì)挖掘施工綜合風(fēng)險(xiǎn)的指數(shù)敏感值進(jìn)行對(duì)比，挖掘出關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素[3]。然而，上述兩種模型均存在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度低的問(wèn)題，降低了評(píng)估的準(zhǔn)確性。為此，本研究引入層次分析法，通過(guò)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系、確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新的水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的設(shè)計(jì)。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 識(shí)別施工風(fēng)險(xiǎn)因素

水利工程高邊坡挖掘施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素較多，各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素間的關(guān)系也比較復(fù)雜。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別結(jié)果，利用層次分析法將其分解為不同的組成元素，再根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)屬性的不同將這些元素分為相互獨(dú)立的層次，由上一層次的元素支配下一層次的元素，構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)[4]。該層次結(jié)構(gòu)中，將高邊坡挖掘工程總風(fēng)險(xiǎn)作為目標(biāo)層，將判斷目標(biāo)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)作為準(zhǔn)則層，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素的細(xì)分結(jié)果構(gòu)成指標(biāo)層，具體表示參與評(píng)估的各種風(fēng)險(xiǎn)因素。

以不同層的元素為目標(biāo)，根據(jù)元素的重要性對(duì)同一層次的元素進(jìn)行兩兩對(duì)比，獲得下層元素對(duì)上層元素的相對(duì)重要性，構(gòu)成一個(gè)判斷矩陣，所得判斷矩陣如表1 所示。

表1 判斷矩陣表Table 1 Judgment matrix table

表1 中，ai表示與下層元素bn存在聯(lián)系的上層元素。在進(jìn)行比較時(shí)，結(jié)合上下層元素之間相對(duì)重要性，利用算數(shù)平方根計(jì)算相鄰元素之間的相對(duì)重要性，通過(guò)同一層次不同元素對(duì)上一層元素的權(quán)重來(lái)表示[5]。首先計(jì)算判斷矩陣中的每一行元素的乘積H：

其中，λyx表示上下層元素之間相對(duì)重要性。根據(jù)乘積結(jié)果計(jì)算算數(shù)平方根：

所得h即為判斷矩陣的特征量，也是單一層析的排序權(quán)重值。計(jì)算h的最大特征值，并采用一致性檢驗(yàn)的方式衡量其不一致程度，過(guò)程如下：

其中，k表示一致性指標(biāo)，hmax表示矩陣的最大特征值。在判斷矩陣符合一致性要求時(shí)，當(dāng)已知上層元素的總排序Sp時(shí)，下層因素相對(duì)于最高因素的總排序vq為：

其中，bq表示下層元素bn中第q個(gè)因素。通過(guò)上述過(guò)程完成對(duì)單層次元素的排序，在此基礎(chǔ)上識(shí)別出影響水利工程高邊坡挖掘施工的風(fēng)險(xiǎn)因素，根據(jù)實(shí)際工況找出應(yīng)重點(diǎn)控制的風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

1.2 構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

在構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)需遵守系統(tǒng)性原則、可操作性原則、科學(xué)性原則以及動(dòng)態(tài)性原則，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)、減少事故發(fā)生幾率、指導(dǎo)安全施工為最終目標(biāo)[6]。采用總結(jié)實(shí)際項(xiàng)目和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研相結(jié)合的方式分析影響高邊坡挖掘施工安全的主次因素，完成水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的構(gòu)建，具體指標(biāo)內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Risk assessment index system of high slope excavation in hydraulic engineering

圖1 中的評(píng)估指標(biāo)體系與上述風(fēng)險(xiǎn)層次分析結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。第一個(gè)層次為目標(biāo)層，即水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目標(biāo)；第二層為準(zhǔn)則層，第三層為二級(jí)指標(biāo)層。根據(jù)所構(gòu)建的水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系確定評(píng)估指標(biāo)的分級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的設(shè)計(jì)。

1.3 確定施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)

在上述指標(biāo)體系下對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，確定相應(yīng)的評(píng)估等級(jí)及分值，具體內(nèi)容如下：

1.3.1 挖掘規(guī)模①高邊坡高度（m）的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)共分4 級(jí)，分別為(0，25)、[25，40）、[40，55）、[55，+∞），分別對(duì)應(yīng)的分值范圍為0～34、35～59、60～84、85～100 分。

②高邊坡角度（°）的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)共分4 級(jí)，分別為(0，5)、[5，10）、[10，15）、[55，75），分別對(duì)應(yīng)的分值范圍為0～34、35～59、60～84、85～100 分。

1.3.2 高邊坡地質(zhì)條件①高邊坡地層巖性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)共分4 級(jí)，分別為弱風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、全風(fēng)化層、易滑、軟弱地層，分別對(duì)應(yīng)的分值范圍為0～34、35～59、60～84、85～100 分。

②高邊坡坡體結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)共分3 級(jí)，分別為非順坡向結(jié)構(gòu)、順坡向不貫通軟弱與硬性組合結(jié)構(gòu)、順坡向貫通軟弱結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)的分值范圍為0～44、45～74、75～100 分。

③挖掘施工環(huán)境中周邊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)共分3 級(jí)，分別為開挖線外1.0H 處、1.5H、2.0H 處有建筑設(shè)施，分別對(duì)應(yīng)的分值范圍為0～44、45～74、75～100 分。

④風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)因素中自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)共分3 級(jí)，分別為極少發(fā)生、偶爾發(fā)生、頻繁發(fā)生，分別對(duì)應(yīng)的分值范圍為0～44、45～74、75～100 分。

1.3.3 施工資料完整度①項(xiàng)目文件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)共分4 級(jí)，分別為3 個(gè)以上勘探點(diǎn)、3 個(gè)勘探點(diǎn)、2 個(gè)勘探點(diǎn)、1 個(gè)勘探點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)的分值范圍為0～34、35～59、60～84、85～100 分。

②地質(zhì)資料的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)共分2 級(jí)，分別為一坡一圖一說(shuō)明不完整、一坡一圖一說(shuō)明完整，分別對(duì)應(yīng)的分值范圍為0～50、51～100 分。

根據(jù)上述分級(jí)內(nèi)容獲得對(duì)應(yīng)的分值，分值在75 以上為極高風(fēng)險(xiǎn)，等級(jí)為IV；分值在50 到75之間為高度風(fēng)險(xiǎn)，等級(jí)為III；分值在25 到50 之間為中度風(fēng)險(xiǎn)，等級(jí)為II；分值小于25 為低度風(fēng)險(xiǎn)，等級(jí)為I。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證所提模型的有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，設(shè)置具體地質(zhì)參數(shù)如下：上游邊坡走向?yàn)镹E85°，傾向NW 方向，傾角為68.3°；坡頂面走向?yàn)镹W245°，傾向NE 方向，傾角為43.1°；壩肩邊坡走向?yàn)镹W245°，傾向NE 方向，傾角為33.6°。在此基礎(chǔ)上，選擇8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的來(lái)源，高邊坡中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖2 所示，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the location of monitoring points

表2 高邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分值Table 2 High slope monitoring data score

獲得上述數(shù)據(jù)后，計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)元素的權(quán)重值，對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理得到標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)值。通過(guò)加權(quán)值計(jì)算各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的敏感值。為保證實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果的有效性，引入傳統(tǒng)的基于ANP 結(jié)構(gòu)模型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和基于軟集合理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型作為對(duì)比。為便于觀察和對(duì)比，利用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.3 結(jié)果與分析

隨機(jī)選擇三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（3、4、6）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。不同的水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of different risk assessment models

圖3（a）中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度系數(shù)始終處于較高的狀態(tài)，僅在接近施工尾聲時(shí)出現(xiàn)下滑趨勢(shì)，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度系數(shù)變化幅度大，整體數(shù)值較低；圖3（b）中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度系數(shù)呈現(xiàn)一種先降低后上升的趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度系數(shù)則呈現(xiàn)一種先上升后下降的趨勢(shì)，且狀態(tài)極不穩(wěn)定；圖3（c）中，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度系數(shù)始終處于較高水平，且狀態(tài)平穩(wěn)。

綜上，在施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中，兩種傳統(tǒng)模型的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度穩(wěn)定性均較差，多次出現(xiàn)忽高忽低的情況，并且整體呈較低的狀態(tài)。而所提模型的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)敏感度較平穩(wěn)，且始終處于較高的水平，保證了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

高邊坡挖掘是水利工程施工中重要內(nèi)容，其風(fēng)險(xiǎn)程度也相對(duì)較大。本研究設(shè)計(jì)一種水利工程高邊坡挖掘施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析和評(píng)估，通過(guò)引入層次分析法構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)因素等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了所提模型的優(yōu)越性。但是該模型的設(shè)計(jì)也存在一定程度的局限性，在分析風(fēng)險(xiǎn)因素時(shí)存在人為主觀因素，對(duì)評(píng)估結(jié)果有一定影響，在未來(lái)的研究階段，將在此方面對(duì)所提模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。