濕陷性黃土地基安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

楊耀峰，賈生海，丁建興，趙婷婷

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省水利機(jī)械化工程有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730070)

水資源作為一種基礎(chǔ)的自然資源，不僅主導(dǎo)著環(huán)境，而且影響著區(qū)域的整體發(fā)展，它也是社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源和基礎(chǔ)的物質(zhì)保障[1]。在早期，缺水問(wèn)題困擾著黃土高原地區(qū)，特別是一些落后和偏遠(yuǎn)地區(qū)，為了解決黃土高原地區(qū)的缺水問(wèn)題，建設(shè)調(diào)蓄水池是一種可行的措施。周聰聰?shù)萚2]采用AHP和熵權(quán)法分別計(jì)算取各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，并將遺傳算法與變權(quán)原理相結(jié)合，以求校正，在云模型的基礎(chǔ)上建立了水庫(kù)大壩應(yīng)急預(yù)案可行性綜合評(píng)價(jià)模型。Hai Ning Yang[3]和鄭一鳴等[4]分別從研究對(duì)象的多個(gè)工程特點(diǎn)出發(fā)，建立了基于改進(jìn)模糊層次分析法的安全評(píng)價(jià)模型。陳泳江等[5]以云南省某水庫(kù)為研究對(duì)象，提出將FMECA-模糊層次分析法應(yīng)用于水庫(kù)安全性分析中，通過(guò)模糊綜合評(píng)判分析水庫(kù)大壩的安全性。李龍師等[6]利用改進(jìn)的層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)比了水庫(kù)誘發(fā)地震實(shí)例和最常用評(píng)估水庫(kù)誘發(fā)地震的方法，得出了層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合更為可靠的結(jié)論。建設(shè)調(diào)蓄水池是甘肅農(nóng)村飲水工程一項(xiàng)至關(guān)重要的工程，但在黃土地區(qū)施工其地基施工質(zhì)量的好壞直接影響到飲水工程能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)其地基建設(shè)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)的不確定性、隨機(jī)性和模糊性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)具有重要意義。

在結(jié)合工程實(shí)際情況和現(xiàn)行的國(guó)家風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于博弈論-后悔理論的調(diào)蓄水池地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。以地處濕陷性黃土地區(qū)的黑燕調(diào)蓄水池為例，對(duì)其地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究評(píng)估，旨在通過(guò)研究，將此模型應(yīng)用于實(shí)際工程地基風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，從而有效地提高了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可行性，也保證了評(píng)估結(jié)果的可靠性。

1 基于博弈論的指標(biāo)權(quán)重確定

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，一般采用主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法建立在專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)之上，受到專家的主觀意志較大；客觀賦權(quán)法是基于原始數(shù)據(jù)，有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)依據(jù)，但缺少專家的主觀性[7]。所以，將二者方法結(jié)合，這樣既有了專家的主觀能動(dòng)性，又有了客觀的數(shù)學(xué)依據(jù)，可以提高模型評(píng)估結(jié)果的可靠性。

1.1 層次分析法確定主觀權(quán)重

層次分析法[8](Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種將決策相關(guān)要素分成多個(gè)層級(jí)進(jìn)行定性分析和定量評(píng)價(jià)的經(jīng)典權(quán)值分析法。主要步驟如下[9- 10]。

(1)參考大量相關(guān)文獻(xiàn)，并且結(jié)合專家、學(xué)者們的豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，將每一項(xiàng)指標(biāo)按1—9級(jí)的權(quán)重評(píng)分，構(gòu)建出各指標(biāo)間的評(píng)判矩陣[11]。

(2)計(jì)算構(gòu)建判斷矩陣的最大特征值λmax。

(3)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

①判斷矩陣一致性指標(biāo)CI：

(1)

②一致性比率CR：

(2)

式中，RI根據(jù)表1可得。

表1 RI取值表

在CR<0.1的情況下，判定矩陣通過(guò)一致性驗(yàn)證；在CR>0.1的情況下，判定不存在一致性，終止計(jì)算，應(yīng)對(duì)判定矩陣的取值進(jìn)行再修正，重新進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，直到CR<0.1時(shí)停止，即滿足一致性檢驗(yàn)[12]。

1.2 改進(jìn)CRITIC法確定客觀權(quán)重

改進(jìn)CRITIC法是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，引入差異系數(shù)，消除了差異化的影響，使指標(biāo)權(quán)重計(jì)算更具有科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性[13]。具體步驟如下[9，14]。

(1)根據(jù)原始數(shù)據(jù)構(gòu)建原始評(píng)估矩陣。

(2)對(duì)原始評(píng)估矩陣進(jìn)行歸一化處理。

(3)引入差異系數(shù)，去除指標(biāo)差異化。

(4)客觀權(quán)重確定。

綜合性系數(shù)hj反映各指標(biāo)所包含的信息量，它決定著指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算公式為：

(3)

式中，hj—第j個(gè)指標(biāo)的綜合性系數(shù)。

則客觀權(quán)重計(jì)算公式為：

(4)

式中，Wj—第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3 博弈論組合權(quán)重的確定

2 博弈論-后悔理論評(píng)價(jià)模型

2.1 后悔理論

后悔理論是由Bell、Loomes和Sugden最初提出的，它可以解決決策者的心理偏好問(wèn)題，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)方案決策等當(dāng)中[18]。后悔理論的核心思想是：決策者會(huì)比較自己此時(shí)處于的情況和他可能處于的情況(決策者在過(guò)去有其他選擇)，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)自己選擇其他對(duì)象時(shí)，可以得到更好的結(jié)果，那他就會(huì)感到后悔;如果沒(méi)有，就會(huì)感到快樂(lè)[19]。后悔理論可以幫助決策者規(guī)避或者降低后悔程度，以達(dá)到使得所選擇的方案能更接近于理想方案的目的。

2.2 后悔理論的步驟

后悔理論的步驟主要參照文獻(xiàn)[7]、[18]、[20]。

(1)建立評(píng)價(jià)矩陣

假設(shè)存在m個(gè)方案、n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的賦值情況建立評(píng)價(jià)矩陣Q。

(2)構(gòu)建理想點(diǎn)矩陣

以評(píng)價(jià)矩陣Q為基礎(chǔ)，構(gòu)建理想點(diǎn)矩陣P。

P=(p1，p2，p3，…，pn)

(5)

式中，pn—第n個(gè)指標(biāo)的理想值，取最小值。

(3)建立效用值矩陣

H(qmn)=(qmn)α

(6)

式中，α—效用函數(shù)的參數(shù)，取值0<α<1。

效用值矩陣H為

H=(qmn)α

(7)

(4)建立感知效用矩陣，構(gòu)建后悔-欣喜函數(shù)值矩陣R。

R(Δv)=1-e-β(Δv)

(8)

式中，β—后悔-欣喜函數(shù)的參數(shù)，β>0，取值越小，表明決策者規(guī)避后悔風(fēng)險(xiǎn)程度越不明顯；Δv—m方案與理想點(diǎn)矩陣效用差。

根據(jù)式(7)、(8)感知效用矩陣計(jì)算公式為：D=H+R。

(5)確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

(9)

式中，sn—綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值；ωj—第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

黑燕調(diào)蓄水池位于甘肅省定西市通渭縣黑燕鄉(xiāng)黃土梁峁臺(tái)地，地處濕陷性黃土地區(qū)，北側(cè)與主山接壤，西側(cè)為一侵蝕沖溝，溝槽深度為20～35m，形成“V”字形，溝壁兩側(cè)地勢(shì)崩塌，并有黃土洞穴。該地東西向長(zhǎng)度450m，南北向?qū)?50～300m，整體地勢(shì)呈階梯狀，現(xiàn)是沿東西方向分布的梯田，寬20～30m，臺(tái)階高1.5～3m，地勢(shì)開(kāi)闊，地表高程2260～2280m。工程設(shè)計(jì)平面圖如圖1所示。

圖1 工程設(shè)計(jì)平面圖

3.2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在綜合分析、參考大量相關(guān)文獻(xiàn)[21- 23]并咨詢現(xiàn)場(chǎng)專家的基礎(chǔ)上，建立了調(diào)蓄水池施工安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(如圖2所示)。該指標(biāo)體系將人員素質(zhì)、機(jī)械設(shè)備、環(huán)境因素和安全管理4個(gè)方面作為一級(jí)指標(biāo)，選取作業(yè)人員的文化素質(zhì)水平等16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為二級(jí)指標(biāo)。

圖2 調(diào)蓄水池施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.3 指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在SL 258—2017《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中，將水庫(kù)大壩安全類劃別分為一類壩、二類壩和三類壩。為了更加準(zhǔn)確的描述水池的安全性，在前人研究[24- 25]和參考文獻(xiàn)[4，26- 28]的基礎(chǔ)上，將黑燕水池地基施工安全評(píng)價(jià)劃分為5個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表2)。

表2 不同等級(jí)評(píng)分區(qū)間

3.4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)前文對(duì)指標(biāo)權(quán)重步驟的描述，計(jì)算模型的主、客觀權(quán)重和綜合權(quán)重值見(jiàn)表3。

表3 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果表

博弈論組合權(quán)重法是將層次分析法和CRITIC法所取得的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，在博弈論組合賦權(quán)模型中，權(quán)重值根據(jù)NASH均衡的目標(biāo)，將權(quán)重偏差優(yōu)化為最小。在博弈論賦權(quán)后，一級(jí)指標(biāo)安全管理排在第一位，為0.2999。在二級(jí)指標(biāo)中，最為重要的是作業(yè)環(huán)境，指標(biāo)權(quán)重為0.4296，即在施工作業(yè)中，現(xiàn)場(chǎng)施工操作最為重要，這也是施工安全的第一要?jiǎng)?wù)；從業(yè)人員技術(shù)水平和機(jī)械設(shè)備的選擇并列排在第二，兩者均為0.4092，這說(shuō)明安全施工比較重視從業(yè)人員技術(shù)水平與機(jī)械設(shè)備的選擇，與安全施工目標(biāo)一致，具有一定的科學(xué)性，評(píng)價(jià)指標(biāo)具有可靠性。

3.5 水池地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

以人員素質(zhì)A1計(jì)算為例，具體計(jì)算過(guò)程如下。

(1)構(gòu)建人的因素的初始評(píng)價(jià)矩陣QA1。

(2)確定理想點(diǎn)矩陣。

PA1=(75，68，78，82)T

(3)確定效用矩陣。

(4)確定后悔-欣喜值矩陣RA1。

(5)確定感知效用矩陣DA1。

(6)綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值的計(jì)算。

同理可得機(jī)械設(shè)備、環(huán)境因素和安全管理的感知效用矩陣分別為

具體計(jì)算結(jié)果為：SA1=54.095，SA2=53.946，SA3=52.740，SA4=55.091。即S=53.968。

通過(guò)博弈論-后悔理論計(jì)算，得出黑燕調(diào)蓄水池地基安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值為53.968，根據(jù)表1的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該調(diào)蓄水池地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，即安全，符合實(shí)際情況。

可能導(dǎo)致該結(jié)果的原因如下：①?gòu)臉I(yè)人員的文化素養(yǎng)和安全意識(shí)不強(qiáng)；②機(jī)械設(shè)備老舊且保養(yǎng)與維護(hù)不夠及時(shí)；③周?chē)匀画h(huán)境惡劣，對(duì)施工影響較大；④安全管理、監(jiān)督檢查制度不夠完善，應(yīng)急措施不周全。

黑燕調(diào)蓄水池地基安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估雖然處于安全狀態(tài)，但其未達(dá)到很安全或非常安全的狀態(tài)，因此需要有針對(duì)性的加大安全投入力度。①在人員素質(zhì)方面，應(yīng)提高工作人員的技術(shù)操作水平和安全意識(shí)，并加大安全教育力度；②在機(jī)械設(shè)備方面，應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的檢查更新工作，確保機(jī)械設(shè)備達(dá)到正常使用的標(biāo)準(zhǔn)；③在環(huán)境因素方面，熟悉周邊環(huán)境，保證其安全性，并建立應(yīng)急預(yù)案；④在安全管理方面，工作人員應(yīng)加大對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的日常檢查與維修，及時(shí)處理機(jī)械設(shè)備中存在的故障。

4 結(jié)論

(1)以地處濕陷性地區(qū)的黑燕調(diào)蓄水池地基施工為例，通過(guò)結(jié)合工程實(shí)際施工中的風(fēng)險(xiǎn)和國(guó)家推行的地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立了符合工程實(shí)際情況的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；通過(guò)模型計(jì)算，其地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的安全值為53.968，處于安全狀態(tài)，符合實(shí)際情況。

(2)基于博弈論-后悔理論的調(diào)蓄水池地基施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型表明，所建立的模型是切實(shí)可行且有效的，同時(shí)，它使評(píng)估指標(biāo)的不確定性、隨機(jī)性、模糊性三者之間有機(jī)結(jié)合，體現(xiàn)了各指標(biāo)之間的交互作用，為濕陷性黃土地基的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。