基于層次分析法的水利工程滑坡體穩定性評估方法分析

張麗萍

（大連市水務事務服務中心，遼寧 大連116001）

在水利工程實施的過程中， 為避免施工結果與預期的工程結果相差較大， 經常需對水利工程中可能出現的地質災害進行評估與控制。 所謂的地質災害是指，由于地質環境產生突發或是累加破壞，造成人員傷亡與財產損失的現象。在水利工程中，對其影響嚴重的就是滑坡災害［1-2］。 這是一種災害分布最廣、 發生頻率最高、 對水利工程危害最大的地質災害，也是水利地質災害防治的主要對象。

滑坡災害多發于山地、河流沿岸、暴雨區、蓄水區等水利工程施工地段。 它是一種由邊坡地質體組成的山體，在外力和內力的共同作用下，沿一個或多個角度，發生大范圍的滑坡現象［3］。 水利水電工程邊坡、水庫岸坡、河道等每年都要發生滑坡事故，甚至造成重大災害。 滑坡災害不僅對當地自然環境造成影響，還會危害與威脅人民生命、財產安全及水利工程建設發展。因而在水利工程施工過程中，對其展開評估是非常重要的。在以往的水利工程施工中，常采用滑坡體穩定性評估方法完成對滑坡現象的控制工作，但往往達不到預想效果。因而，在此次研究中，將設計基于層次分析法的水利工程滑坡體穩定性評估方法，滿足水利工程的使用要求。

層次分析法是將與評估結果有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的評估方法。 采用此方法對原有穩定性評估方法進行優化，可實現穩定性評估體系化，提升水利工程滑坡體穩定性評估的精準度。在此研究中，為保證層次分析法在滑坡體穩定性評估中的使用效果，將設定評估測試環節，將其與傳統評估方法及采用文獻［4］中模糊評價的評估方法進行對比，并分析3種方法的使用差異，以此確保文中設計方法的可靠性。

1 基于層次分析法的水利工程滑坡體穩定性評估方法設計

在此次研究中， 將水利工程滑坡體穩定性評估方法的設計過程建立在原有的滑坡體穩定性分析方法基礎上，以此提升穩定性評估結果的可靠性。常見的滑坡體穩定性分析方法［5］如圖1。

圖1 滑坡體穩定性分析方法結構

在上述方法中， 定性分析法是最原始的滑坡體穩定性分析方法， 將其應用在穩定性評估時不需要計算，但使用效果不佳［6］。 因而，在此次設計中，采用定量分析法中的確定性方法作為評估方法的設計基礎，并將其與層次分析方法相結合，提升評估結果的精度。

1.1 構建穩定評估指標體系

在此次設計中， 為保證層級分析法可在穩定性評估中正常使用，在評估前，對影響滑坡體穩定性的因素進行提取，并將其按照相應的類別進行分類，建立穩定評估指標體系，如表1。

表1 評估指標體系

在此次評估中， 將采用評估指標體系完成滑坡體穩定性評估。

1.2 水利工程滑坡體穩定性系數計算

除上述評價指標外， 在此部分采用滑坡穩定性分析方法，對待測水利工程滑坡體穩定性進行計算，并將此作為穩定性評估的重要組成部分之一。 在計算前，首先構建滑坡體三維模型，構建過程如圖2。

圖2 滑坡體三維模型構建

根據構建完成的滑坡體模型，計算滑坡推力。在此設計中，采用GB50007—2011《建筑地基基礎設計規范》［7-8］中公式完成計算過程。

式中 Ft為滑坡體的穩定性系數；β為滑坡體與水平面的夾角；Ai為滑坡體的抗滑力［9］；n為滑動面法向分力；χi為滑坡體內摩擦角；Di為滑坡體黏聚力；Pi為滑坡體長度；Bi為滑動面上的滑動分力， 當出現滑動時，此數據取值為負；αj為出現滑動時，下滑力的遞增系數。 通過上述公式完成滑坡體穩定性系數的計算過程，并將其與滑坡體評估指標體系相結合，作為評估中的影響因素。

1.3 滑坡體穩定性評估

采用上述穩定性系數計算結果及穩定評估指標體系，引用層次分析法，完成對水利工程中滑坡體的穩定性評估。為保證評估過程具有可控性，對上述設計部分進行整合，并設定滑坡體穩定性評估流程如圖3。

圖3 滑坡體穩定性評估流程

采用上述滑坡體穩定性評估流程，結合層次分析法，實現對水利工程滑坡體穩定性的評估。 在層次分析法中， 需要將評估指標按照層級的方式進行排列，并對所有指標一一對比，構造標度及對比后的判斷矩陣。 此次設計中采用常用的九度標度法［10-11］構建判斷矩陣。 具體的標度構建過程可通過表2體現。

表2 滑坡體穩定性標度值

通過上述內容， 設定在R層因素下含有指標U1，U2，…，Un，則U層的判斷矩陣如式（4）。

在此矩陣中，具有下述特征：

采用此矩陣，計算指標體系與穩定性系數權重，并完成穩定性評估。對判斷矩陣進行標準化處理，則可得到確定最終值，如式（7）：

式中 wi為評估指標權重；n為判斷矩陣Umn階數。通過對此公式進行計算，可得出特征向量［12］的特征值，具體如式（8）：

式中 w為權重向量；（Uw）i為判斷矩陣中的第i個元素。 采用此公式結合判斷矩陣，完成對滑坡體的穩定性評估。 在評估結束后，采用一致性指標［13-14］確定計算的可靠性。

在此次設計中增加相對一致性［15］判定，則有：

當CR＞0.1時，評估結果有誤；CR＜0.1時，評定結果正確。

CI值在求特征向量時已得到，RI值則直接查表得出。當CR＞0.1時，評估結果有誤；CR＜0.1時，評定結果正確。 隨機一致性RI如表3。

表3 隨機一致性RI

1.4 評估結果等級劃分

通過上述部分，完成了滑坡體的穩定性評估，為將評估結果顯示為具象化的等級， 對獲取到的評估結果進行等級劃分。 為保證結果化劃分的有效性，采用賦值方式完成等級劃分，設定評估結果可分為5種等級，分別為X={X1，X2，X3，X4，X5}，并設定相應的分值X={20，40，60，80，100}，則具體評估結果等級劃分如表4。

表4 評估結果等級劃分

通過上述設定， 對滑坡體穩定性評估結果進行劃分，并采取相應的措施對其進行控制。 至此，基于層次分析法的水利工程滑坡體穩定性評估方法設計完成。

2 評估方法測試

在上述部分中， 完成了基于層次分析法的水利工程滑坡體穩定性評估方法的設計過程， 為保證此方法的使用效果，構建評估方法測試環節，對此方法展開測試。

2.1 測試對象

在此次測試中， 將某水利工程中的某段滑坡體作為測試對象， 采用專業的水利測繪工具對此段滑坡體的相關數據展開量測和計算。 具體水利工程滑坡區范圍如圖4。

通過測量與計算得出此工程中的滑坡體特征數據集如表5。

采用上述數據計算得出此滑坡體的體積與面積，對此滑坡體展開穩定性評估。

圖4 測試工程滑坡體示意圖

表5 滑坡體特征數據集

2.2 測試環境

在此測試中，將采用文中設計方法、傳統方法及采用模糊評價法設計的評估方法對上述測試對象進行評估。為保證測試過程不受到外界因素影響，在對三種方法進行測試過程中， 采用相同的滑坡體測量設備及計算設備，確保測試過程的一致性。

在此次測試中， 將測試狀態設定為兩種不同的狀態，分別為：滑坡體內應力的天然狀態及滑坡體內應力的飽和狀態，以此提升測試結果的科學性。

2.3 測試指標

針對原有評估方法在使用中出現的問題，在此次測試中，設定評估結果誤差值作為測試指標。 通過對三種不同評估方法的評估結果誤差值展開研究，對比文中設計方法與其他兩種不同方法的使用差異。

2.4 評估誤差值測試結果

評估誤差值測試結果如圖5。

圖5 評估誤差值測試結果

通過上述測試結果可知， 在滑坡體內應力的天然狀態時，三種方法的評估誤差都比較高。但文中設計方法誤差值低于原有方法及采用模糊評價方法設計的評估方法誤差值。 當滑坡體內應力呈飽和狀態時，三種方法的評估誤差值呈現出大幅度下降趨勢，文中設計方法的下降速度較為平穩。由圖5中兩種測試狀態下的測試結果可知， 文中設計方法的評估誤差值數值波動較小。綜上，文中設計的評估方法評估性能最佳。

3 結語

（1）針對原有評估方法在使用中出現的問題，引用層次分析法設計新型的基于層次分析法的水利工程滑坡體穩定性評估方法。通過評估測試可知，文中設計方法使用效果優于原有方法及采用其他技術的評估方法。 由此確定層次分析法可有效提升滑坡體穩定性評估的精準度。

（2）在此次研究中，也存在相應問題。首先，在指標選取過程中， 僅對具有明確影響性的指標進行采用與計算， 部分微小指標沒有出現在評估指標體系中。 其次，在計算過程中，未規定計算結果的精確位數。這種設計在進行大規模運算時，可能會出現由于計算精度不夠造成評估結果失真的問題， 在日常使用與研究過程中應予以改進。