運營公路邊坡水毀安全性評價方法研究

楊 雯

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

公路邊坡常年暴露于自然環境中，受降雨、山洪、地震等因素影響，隨著時間的推移及邊坡土體參數的變化，邊坡將出現不同程度的坡面滑塌、坡腳沉陷、邊坡空洞等病害，對公路邊坡的穩定性和公路運營安全產生了極其不利的影響[1]。為了客觀、準確地評價公路邊坡在水害條件下的安全水平，本文擬借助層次分析法構建出針對邊坡的安全性評價模型，并對實體邊坡進行了安全評價，以期為今后的邊坡養護提供量化依據。

1 公路邊坡水毀災害機理及成因分析

1.1 公路邊坡水毀災害機理分析

從宏觀角度分析，公路邊坡水毀主要是因短期強降雨、河流洪峰過境等因素導致沿河邊坡的坡面徑流量快速增加，加之邊坡坡面及坡腳的抗沖刷能力有限，在長期、嚴重的沖刷作用下，大量邊坡土體被水流裹挾而流失，進而誘發邊坡坡腳懸空、坡面塌陷等水毀災害[2]。從微觀角度分析，邊坡水毀主要是由于邊坡土體滲水后自重增加，在土體自重和水流沖刷動力的耦合作用下，滲水土體沿邊坡薄弱截面整體發生剪切位移，最終表現為不同程度的落石、滑坡或垮塌事故。邊坡水毀災害微觀機理如圖1所示。

圖1 公路邊坡水毀災害微觀機理示意

1.2 公路邊坡水毀災害成因分析

邊坡水毀災害成因判斷應根據邊坡部位區別分析，具體區分標準可以上、下邊坡為準。不同坡體位置的水毀災害主要成因分析結果詳見表1所示[3]。

表1 不同坡體位置的水毀災害主要成因分析結果

2 基于層次分析法的邊坡水毀安全性評價方法

通過分析邊坡水毀機理及成因發現，邊坡水毀災害是眾多影響因素綜合作用的結果，且不同影響因素之間相互關聯，互相制約，而具有多目標決策、多準則約束功能的層次分析法對于解決多因素影響下的目標決策問題具有顯著優勢。

層次分析法能夠將一個多因素決策問題按照目標層、準則層、指標層的形式構造出與之邏輯一致的指標評價體系，從而達到多因素決策問題的量化分析目的[4]；一般情況下，層次分析法所構建的指標評價體系中，目標層有且僅有1個目標，準則層根據影響因素類型和數量具體分成若干個準則，指標層則與具體的準則對應，1個準則可以對應若干指標。為了將邏輯問題等價為可量化的數學問題，同時能夠全面反映出具體指標對目標的影響權重，層次分析法需構建“目標層-準則層”、“準則層-指標層”兩類判斷矩陣，判斷矩陣中的元素為同一層內不同影響因素兩兩對比的結果，對比結果根據重要性程度按1～9賦值[4]，進而構造出最終的量化判斷矩陣。

3 案例分析

該節以某段公路邊坡為研究對象，基于層次分析理論，按照評價指標體系建立、判斷矩陣賦值、權重計算、一致性檢驗、安全性評價的順序進行分析，以驗證該評價方法的可行性。

a）評價指標體系建立 經實地勘察和專家咨詢后，給出公路邊坡水毀災害的準則層及指標層明細如表2所示。

表2 公路邊坡水毀安全性評價指標體系

b）判斷矩陣賦值 根據評價指標體系構建相應的判斷矩陣，判斷矩陣內元素標度賦值采用通行的德爾菲法，基于評價指標體系構建的“Ⅰ-Ⅱ”判斷矩陣及“Ⅱ-Ⅲ1”“Ⅱ-Ⅲ2”“Ⅱ-Ⅲ3”“Ⅱ-Ⅲ4”判斷矩陣分別如式（1）～式（5）所示：

c）權重計算 本文采用求根法計算準則層和指標層中各因素的權重值，根據求根法基本原理，求解對應層的因素權重并檢驗其一致性，則需要計算對應判斷矩陣的特征向量和最大特征值。判斷矩陣特征向量與其最大特征值的等量關系如式（6）所示：

式中：λmax為最大特征值；n為判斷矩陣階數；A為判斷矩陣；W為判斷矩陣的特征向量；ωi為判斷矩陣特征向量中的元素。

經計算，判斷矩陣“Ⅰ-Ⅱ”“Ⅱ-Ⅲ1”“Ⅱ-Ⅲ2”“Ⅱ-Ⅲ3”“Ⅱ-Ⅲ4”對應的特征向量如式（7）所示：

d）一致性檢驗 為了保證權重指標計算的準確性和科學性，需對準則層和指標層的特征向量進行一致性檢驗，一致性指標CI和CR需要滿足式（8）要求[4]：

式中：RI取值根據判斷矩陣階數確定，當n=3時，RI=0.58；當n=4時，RI=0.89。經計算，得到各特征向量對應的一致性檢驗結果如表3所示。

表3 各特征向量對應的一致性檢驗結果

e）安全性評級 為了能夠全面綜合以上影響因素，給具體的填方路基邊坡水毀安全性評價出具量化的評價結果，本文提出了穩定性評級標準，根據邊坡出現水毀災害的程度，將其細分為安全、基本安全、欠安全、不安全4個標準，并分別給出具體的賦分結果，具體賦分情況如表4所示。

表4 安全性等級賦分結果

f）安全評價結果出具 根據表4給評價指標體系中指標層全部影響因素進行打分，再結合指標層中不同指標的權重大小，計算得出最終的得分結果，再根據結果給出相應的安全性評價意見。前文中指標層各影響因素的最終權重結果詳見表5所示。

表5 指標層各影響因素的最終權重結果

設安全性等級賦分結果矩陣為T，指標層權重結果矩陣為A，安全評價結果矩陣為D，則有D=TA，令T=（t1t2…t10t11)，指標層權重結果矩陣A=（a1a2…a10a11)T，則最終的安全評價結果矩陣D如式（9）所示：

4 結語

為了進一步加強對公路填方路基邊坡水毀安全性的評價質量，本文基于層次分析法基本理論，構建了填方路基邊坡水毀安全性影響因素評價模型，得出了不同影響因素的量化權重指標，并借鑒安全性評級方法，給出了考慮影響因素權重前提下的填方路基邊坡安全性評價結果，為邊坡水毀安全性評價工作優化及后續水毀處治施工提供了重要參考借鑒。