山區高速公路邊坡穩定性快速評價系統開發及應用

戴哲 李元松 余再富 冉小青

摘要：山區高速公路工程建設具有周期短、地質條件復雜的特點，如果仍采用傳統的邊坡穩定性研究方法和分析手段來開展研究會顯得過于繁瑣，因此必須尋求新的途徑與思路。基于模糊綜合評價法與層次分析法，提出了山區高速公路邊坡穩定性快速評價的方法;在此基礎上，運用GIS技術，通過ArcSDE連接數據庫SQL Server，在Visual Studio中以C#為編程語言，結合ArcGIS Engine研發了一套面向不同用戶的山區高速公路邊坡穩定性快速評價系統，并將該系統應用于烏尉高速公路沿線邊坡穩定性的評價分析。結果表明：該系統評價結果與工程實際具有高度的一致性，說明該系統具有一定的可靠性與實用性，在山區公路災害防控方面具有廣泛的推廣價值。

關 鍵 詞：邊坡穩定性;穩定性快速評價;模糊綜合評價法;層次分析法;ArcGIS二次開發;烏尉高速公路;山區高速公路

中圖法分類號：X43;P642.21

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0131-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.021

0 引 言

隨著中國西部大開發戰略和“一帶一路”倡議的實施與逐步推進，西部地區的基礎設施建設得到快速發展。山區公路工程具有邊坡數量多、地質條件復雜等特點。目前多數山區公路邊坡仍主要依靠人工進行信息管理和數據處理，因勞動強度大、效率低且易摻雜較多的人為影響因素等，導致邊坡信息資料的管理、分析與評價滯后于工程運行需要，無法快速、精準地對邊坡進行評價分析，從而直接影響公路邊坡的施工進度及運營效益。

近年來，隨著邊坡工程穩定性評價高效率的發展需求，快速評價也進入了自動化、信息化時代。在快速評價方面，2007年石豫川[1]基于SMR體系與CSMR體系，建立了適合山區公路邊坡穩定性快速評價的HSMR體系。2012年高俊[2]建立了受損林地安全穩定性快速評價體系，提出了受損林地安全穩定性快速評價方法。在數據庫管理系統方面，國內外學者對公路資源信息管理系統進行了諸多研究[3-5]，同時在山區公路邊坡穩定性評價系統中得到了很多應用，如2016年陳強等[6]借助MATLAB平臺，編制了松散體邊坡穩定性快速評價系統，并對程序可靠性進行了驗證。

上述系統多采用MATLAB平臺，VB、C++等語言進行開發，且目前在快速評價與系統開發相結合上研究較少。本文根據山區公路快速評價系統的要求與特點，運用GIS技術，結合ArcGIS 10.2軟件的優勢，通過ArcSDE 10.2連接大型關系型數據庫SQL Server 2014，在Visual Studio 2012中以C#為編程語言，結合ArcGIS Engine 10.2研發了一套面向不同用戶的山區高速公路邊坡穩定性快速評價系統。

1 山區高速公路邊坡穩定性評價方法

邊坡穩定性評價采用模糊綜合評價方法，首先對山區高速公路地形地質方面的信息進行綜合因素分析，建立山區公路邊坡穩定性評價指標體系;然后選取層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）確定各因素權重并利用隸屬函數實現指標量化;最終提出了山區高速公路邊坡穩定性快速評價方法。

1.1 建立山區公路邊坡穩定性評價指標體系

山區公路邊坡穩定性影響因素較多，通常情況下分為主控因素及誘發因素。通過采用調查統計法、因素敏感度法、數理統計法等方法研究表明[7-9]，巖體結構、地層巖性、風化程度、結構面產狀、坡體結構、邊界條件、地下水、降雨強度、凍融狀態、地震烈度等諸因素對邊坡穩定性均有不同程度的影響。因此，綜合已有研究成果，本文建立了山區公路邊坡穩定性評價指標體系，如圖1所示。

1.2 確定評價指標權重及隸屬函數

AHP方法采用多位專家的經驗判斷與數學模型相結合，其結論相對可靠，且適于定性與定量因素相結合的決策問題。因此，本文使用AHP方法確定評價指標權重[10]，并以烏尉高速公路沿線36個邊坡實地調查數據作為樣本，利用專家法與三角函數法實現指標的量化[11]，如地層巖性指標取值如表1所列，邊坡角度指標取值采用三角形隸屬函數[10]，如表2所列。其中地下水、降雨強度等動態變量因素可按范圍取值進行分級。

表2中X代表邊坡角度的實測值，X1表示轉換分值，隸屬度F（F1～F5）根據以下公式進行計算：

AHP方法先構造比較判斷矩陣，并進行層次單排序及一致性檢驗后得到3級指標的權重[12]，即一級指標WP=w1，w2，w3=0.4，0.3，0.3，二級指標WS1=w11，w12，w13=0.4，0.3，0.3，WS2=w21，w22，w23=0.3876，0.2466，0.3658，WS3=w31，w32，w33，w34=0.2632，0.3684，0.1579，0.2105，三級指標WT=w211，w212，w213=0.2500，0.4167，0.3333。

1.3 邊坡穩定性快速評價方法

本文所建立的邊坡穩定性評判模型屬于3級模糊層次綜合評判模型。先對三級指標進行2級模糊評判：

式中：WT為Y22對應的3級指標的權重向量;Dl為單因素評判矩陣;“”為模糊算子。算法為加權平均，考慮各因素的作用。將所得2級模糊綜合評判結果B作為3級評判模糊關系矩陣，與二級指標權重WSl進行模糊運算：

將所得1級模糊綜合評判結果B′作為2級評判模糊關系矩陣，與一級指標權重WP進行模糊運算：

邊坡穩定性等級分為Ⅰ級穩定、Ⅱ級較穩定、Ⅲ級基本穩定、Ⅳ級欠穩定、Ⅴ級不穩定。依據最大隸屬度原則，B″中最大值即對應邊坡穩定性等級。

2 山區高速公路邊坡穩定性快速評價系統研發

運用GIS技術，結合ArcGIS 10.2軟件的優勢，通過ArcSDE 10.2連接大型關系型數據庫SQL Server 2014，在Visual Studio 2012中以C#為編程語言，結合ArcGIS Engine 10.2研發一套面向不同用戶的山區高速公路邊坡穩定性快速評價系統。

2.1 組件式GIS二次開發技術

GIS二次開發通常有3種方法：獨立二次開發、宿主型二次開發、組件式二次開發，本文選用組件式GIS二次開發技術。組件式將GIS功能模塊分為多種獨立功能的組件（AxMapControl、AxTOCControl、AxToolbarControl、AxLicenseControl）[13]，各組件通過可視化軟件開發工具集成，形成最終的GIS基礎平臺及軟件系統。

2.2 系統總體架構

山區高速公路邊坡穩定性快速評價系統（RESHSMA）采用標準的3層Client/Server體系：應用層、邏輯層、數據層[14]，如圖2所示。

2.3 系統功能模塊設計

系統的主要功能是對原始的地質資料進行管理、計算和分析，并提供對原始數據信息、成果信息及其他相關信息的查詢及打印等，其主要功能如下。

（1）用戶管理。該模塊可實現添加用戶、修改密碼和刪除用戶等基本功能，在不同的用戶登錄系統時系統自動判斷該用戶的權限，比如管理員用戶具有全部功能權限，而普通用戶只有邊坡查詢、邊坡統計和打印等功能權限。

（2）數據管理。不同用戶可依據自身權限對數據進行相關操作。對于已經存儲在數據庫中的邊坡數據，系統可提供不同的查詢方式來查詢結果。具有管理員權限的用戶，可以對其進行修改、增加、刪除的操作，以保證數據的時效性。

（3）邊坡分析。該模塊可通過多種評價方法對具體邊坡進行快速穩定性分析并給出邊坡質量等級，隨即提出相應的支護方案。

（4）系統管理。為了保證系統和數據庫的安全性，系統具有備份、維護和恢復系統數據庫的功能。

（5）打印。該模塊提供了生成報告的功能，用戶可選擇不同的文件格式打印輸出。

2.4 數據庫設計

數據庫采用Microsoft SQL Server 2014管理屬性數據，并通過ArcSDE（空間數據庫引擎）作為接口管理空間數據。ArcSDE是地理信息系統通向關系數據庫管理系統的接口，是數據庫與應用程序之間的一個中間件。它在現有的關系或對象關系型數據庫管理系統的基礎上進行空間擴展，可以將空間數據庫和非空間數據集成在數據管理系統，允許用戶在多種數據管理系統中管理地理信息，實現信息共享[15]。

屬性數據主要為邊坡的基本信息，包括工程概況、地質地層、巖土物理力學參數、幾何圖式、破壞模式、建議措施等。

空間數據主要包括基礎地理數據與地質空間數據。基礎地理數據包括獨庫公路、烏尉高速公路的遙感圖像，水系、公路、房屋等矢量數據;空間地質數據包括地層巖性分布（地層巖性界限、地層代號、產狀）、地質構造（斷層、褶皺、產狀）等矢量數據。

3 烏尉高速公路邊坡穩定性快速評價

3.1 研究區域邊坡概況

烏尉高速公路合同段位于烏魯木齊西南，總體地勢起伏大，所穿越地區地形、地質條件復雜。里程樁號為K53+000～K78+000，共25 km。沿線共調查了36個邊坡，以巖質邊坡為主。例如，其后峽1號大橋K53+030～K53+080邊坡，坡高61 m，整體坡度30°～35°。該邊坡為反傾巖坡，坡面產狀為280°∠30°，巖層面產狀為358°∠56°。表層強風化巖體節理發育，巖體呈碎裂結構;下部中風化巖體呈塊狀結構。坡頂為山脊平臺，表面有第四系覆蓋，主要為含碎石、礫石土，厚0.5～1.5 m，松散到稍密。坡面兩側為泥質硅質巖形成的陡崖，陡崖局部存在危巖，極易形成崩塌。坡腳有崩坡積物堆積，長有雜草。

3.2 邊坡穩定性快速評價

系統功能的實現與應用如圖3所示。以該邊坡為例，其中圖3（a）為系統主界面，實現了組件式GIS二次開發技術，用戶可以新建工程并導入“.mxd”、“.dwg”等格式文件作為邊坡穩定性評價底圖。圖3（b）為邊坡穩定性快速評價，用戶選擇所需評價的邊坡后，依據該邊坡的實際情況在路塹、路堤、路肩中進一步細分邊坡類型，系統由用戶所選擇的邊坡類型自動篩選出最適合該邊坡的3種評價方法。本次選擇模糊綜合評價法，用戶選擇影響因素類型后，即可得到邊坡穩定性等級。

對研究區巖質邊坡進行評價，評價結果如表3所列。由表3可知：沿線30個巖質邊坡中22個邊坡處于Ⅲ級基本穩定狀態，占該類邊坡總量的73%，有8個邊坡處于Ⅱ級較穩定狀態，占該類邊坡總量的27%，系統評價結果與工程實際結果高度一致。由此可見，該系統能快速、精準地進行邊坡穩定性評價，可以作為用戶對山區公路邊坡穩定性快速評價的平臺。

4 結 語

本文通過采用調查統計法、因素敏感度法、數理統計法等方法研究山區高速公路邊坡的特點，選取典型因素建立邊坡穩定性快速評價指標體系，確定評價指標權重及隸屬函數后建立模糊綜合評判模型。并在此基礎上，運用GIS技術，結合ArcGIS 10.2軟件的優勢，通過ArcSDE 10.2連接大型關系型數據庫SQL Server 2014，在Visual Studio 2012中以C#為編程語言，結合ArcGIS Engine 10.2研發了一套面向不同用戶的山區高速公路邊坡穩定性快速評價系統。該系統實現了邊坡穩定性快速評價、儲存信息、生成及導出評價報告等功能。通過工程實際應用，表明該系統具有一定的可靠性與實用性，在山區公路災害防控方面具有廣泛的推廣價值與意義。

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（編輯：劉 媛）