高陡巖質邊坡安全評價研究

劉維，王海濤，莊心欣，李志明，郭濤

(大連交通大學 土木工程學院，遼寧 大連 116028)*

大連市是我國有名的多山地區，整個地形為北高南低，北寬南窄，大部分為山地及低緩丘陵，坡體高陡，巖溶地形隨處可見.邊坡工程施工技術復雜，再加上大連地區地質條件變化大，潛在的風險邊坡數量多面積廣，難以預見的危險因素較多，如果發生失穩，會對工程穩定、交通運輸以及人民的生命財產安全產生巨大的危害.因此，有必要對高陡巖質邊坡安全評價技術展開研究，減少或避免事故的發生，實現風險的有效控制.

為探究邊坡安全穩定性以及相關的經濟合理性，國內外相關人員進行了大量研究[1-7]，但關于山區高邊坡問題特別是高陡巖質邊坡引起的失穩相關研究較少，缺乏相應的安全評價.本文主要針對影響高陡巖質邊坡安全性的指標因素開展研究，采用層次分析法及云模型理論，對比分析了各個指標因素對邊坡安全穩定性的影響程度，并進行排序.

1 層次分析法及云模型基本原理

1.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是一種能夠進行定性和定量分析的決策方法[8-10]，該方法具有系統性、綜合性、準確性等優點，現已成為權重確定方法中最常用的一種.層次分析法將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，主要步驟包括：①建立層次模型;②構造兩兩比較判斷矩陣;③層次單排序;④一致性檢驗.

1.2 云模型理論

1995年，在概率論與模糊數學的基礎上，李德毅院士提出了云模型理論[11-12].本文由構建的指標，參考相關標準提出高陡巖質邊坡安全標準體系；依據標準體系對評價項目進行安全檢查，統計檢查數據；構建云模型并對評價項目進行綜合評價.具體云模型建模流程如下：

(1)確定標準云.標準云的參數如式(1)所示.

(1)

(2)確定指標云.指標云的參數如式(2)所示.

(2)

其中，Xij為m個專家對n項指標的評價結果.

(4)對各云滴進行加權，得到綜合云的N個云滴，S(D)如式(3)所示.

(3)

(5)依據綜合云云滴通過逆向云發生器得到綜合云數字特征值Ex、En和He如式(4)所示.

(4)

(6)輸出綜合云模型C(Ex,En,He)

2 構建高陡巖質邊坡安全評價體系

2.1 巖質邊坡安全性影響因素及等級劃分

本文將高陡巖質邊坡安全等級分為四類，即：安全性高、安全性較高、安全性較低、安全性低.

安全性高：邊坡穩定，基本不會威脅邊坡附近建筑及交通安全.

安全性較高：邊坡較穩定，有時局部碎石掉落，可能對邊坡附近局部建筑及交通安全產生較小影響.

安全性較低：邊坡穩定性較差，易發生小規模破壞，可能對邊坡附近建筑及交通安全產生較大影響，如建筑破損、交通擁堵等.

安全性低：邊坡穩定性差，容易發生大面積崩塌，可能對邊坡附近建筑及交通安全產生嚴重影響，如建筑倒塌、交通中斷等.

本體系充分考慮工程實踐經驗，當地水文地質及氣候條件，并參考劉代文[13]、徐鎮凱[14]等對邊坡穩定性影響因素的劃分方法，遵循客觀性、科學性和典型性的原則，選取5個一級指標和17個二級指標作為影響高陡巖質邊坡安全性的主要作用指標，如表1.

表1 高陡巖質邊坡安全性等級評價

2.2 影響因素權重計算

為減輕主觀因素的影響，本文采用AHP法[15]確定影響因素的權重.即先由多位專家確定各判斷矩陣，再對判斷矩陣的一致性進行檢驗；當一致性滿足要求時，計算出各層次的權重值.具體對17位(8位設計人員，4位高校巖土科研人員，5位現場工程師)行業專家提供的權重確定數據進行分析，結果發現17位專家數據的信度和效度均大于0.8，即信度與效度檢驗合格，說明此數據滿足要求.取所有數據的平均值作為層次分析法的初始數據，其中一級指標的判斷矩陣如表2所示.

表2 一級指標層次模型中的判斷矩陣

經計算得，λmax=7.318 0，CI=0.037 7，CR=0.037 7<0.1，則通過一致性檢驗.

以此類推得到各一、二級指標權重及其排序如表3.

表3 各級指標權重及排序

對各級指標權重進行比較分析得知，邊坡自身的基本因素、邊坡所處地區的地質因素以及施工因素對邊坡安全性的影響占據主導地位；其中邊坡基本因素中的坡高坡比、地質因素中的巖體類型以及邊坡支護方式等因素指標更是對邊坡安全性有著非常重要的影響.

3 工程實例分析

選取大連市旅順白銀山高陡巖質邊坡為研究對象，運用該方法進行安全評價.根據現場調查及地質報告，白銀山邊坡平均高度為35 m，邊坡坡比約為1∶0.3，地下水在地下5～8 m處，巖土體內摩擦角為15°，結構面結合程度較差，邊坡結構形狀為近似直線型，巖體類型為層狀結構，植被率低于15%，偶爾發生地震，并春夏秋三季多降水，降水資料依照氣象資料以及相關勘察報告可知：最大降雨強度為88 mm/天，最大次降雨量為180 mm/次，年降雨量為900 mm/年.

根據上述內容，結合實際情況制定安全檢查表.將指標分為客觀數據指標及主觀專家打分指標，對各指標進行編號，指標值采用式(5)進行計算.

(5)

其中，X為二級指標值，n為影響邊坡安全性的所有評價指標個數，λ為對應邊坡安全因素的二級指標權重客、主觀數據轉化分值，按式(6)和式(7)計算.

(6)

(7)

綜合考慮專家評語及描述習慣，本文的綜合得分采用低、較低、較高、高對安全等級進行描述，評分取值范圍為[0,100]，根據式(1)得到云模型參數[16-17]，具體分數等級劃分見表4.

表4 標準等級及云模型參數

根據表4參數繪制標準云圖，如圖1.

圖1 標準云圖

根據安全檢查表對大連白銀山高陡邊坡進行安全現狀檢查，得到檢查結果，根據式(2)得到各指標云參數，部分參數如表5所示.

表5 各指標云模型參數

由指標云參數得知，X15、X22、X32等3項指標期望均低于70分，表明安全性較低，安全狀況有待加強，相比之下更容易對邊坡的安全穩定性產生不利影響，需要進行重點檢查及預防.

利用正向云發生器對云模型評價結果進行處理，生成指標云圖，如圖2所示.

(a)基本因素

由圖2，基本因素、地質因素、施工因素及地震因素指標評價結果均處于安全性較高與安全性高之間，應當繼續保持；降雨因素指標評價結果處于安全性較低與安全性較高之間，且略偏向于安全性較高，但相比于其他因素指標，降雨因素安全水平較低，需要對其加強預防及監控.各指標安全水平排序為：地震因素>基本因素>地質因素>施工因素>降雨因素.

圖3 高陡巖質邊坡綜合評價云圖

由圖3可知，綜合評價云介于安全性較高與安全性高之間，且與安全性較高等級最為相似，因此確定大連市旅順白銀山高陡巖質邊坡安全性較高，應需繼續保持.

4 結論

(1)高陡巖質邊坡安全性的影響程度，基本因素=施工因素>所處地質因素>地震因素>降雨因素；

(2)邊坡坡體結構面的結合程度、地下水深度以及植被率3項指標更容易對邊坡的安全性產生威脅；

(3)大連白銀山高陡巖質邊坡整體安全水平較高，其中基本因素、地質因素、施工因素及地震因素均有著較高的安全水平，評價結果在85分左右；降雨因素安全水平較低，評價結果不足75分，需要對其加強預防及整治.

本文所述的安全評價體系及云模型能為今后高陡巖質邊坡安全對策的制定提供一定的參考，但由于文章選取的指標因素難免存在遺漏和局限性，對于一些特別復雜巖層的坡體還需要今后進一步研究.