山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究*

姜安民，董彥辰，劉 璨，楊盛旭，李 旋，周婧怡

（1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系，湖南 湘潭 411100；2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

我國(guó)南方山林地區(qū)較多，在山林地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)很容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，工程安全受到嚴(yán)重影響。因此，采用科學(xué)的方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)并采取相應(yīng)措施加以應(yīng)對(duì)意義重大，這也是預(yù)防邊坡失穩(wěn)的有效措施。

針對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問(wèn)題學(xué)者們進(jìn)行了很多相關(guān)研究，例如，趙軍等[1]運(yùn)用改進(jìn)的熵權(quán)-正態(tài)云模型對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法通過(guò)云模型正向發(fā)生器計(jì)算各指標(biāo)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的確定度，基于改進(jìn)熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重，以此綜合評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性等級(jí)，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性；宋鑫華等[2]建立了黏聚力、內(nèi)摩擦角、邊坡傾角、孔隙水壓力比4個(gè)影響因子綜合作用下的邊坡穩(wěn)定性蝴蝶突變模型，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，得出使用蝴蝶突變模型判斷邊坡穩(wěn)定性時(shí)操作簡(jiǎn)單，判斷結(jié)果客觀準(zhǔn)確等相關(guān)結(jié)論；周家祥等[3]采用模糊聚類分析方法對(duì)邊坡樣本進(jìn)行分類，根據(jù)擇近原則將預(yù)測(cè)樣本劃歸為貼近度最大的聚類模式，運(yùn)用該模式對(duì)預(yù)測(cè)樣本的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可靠性；趙笑然等[4]建立了基于五元聯(lián)系數(shù)的組合賦權(quán)-集對(duì)分析模型，從系統(tǒng)確定性和不確定性及其相互作用的角度評(píng)價(jià)高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，并運(yùn)用該模型對(duì)西南山區(qū)鐵路巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出評(píng)價(jià)結(jié)果與專家評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致的結(jié)論，驗(yàn)證了該方法的可行性。

通過(guò)對(duì)前人的研究進(jìn)行梳理，本文對(duì)山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，主要從評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立、評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定及評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建3個(gè)方面進(jìn)行，重點(diǎn)闡述了山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的原則、指標(biāo)權(quán)重確定的具體方法（0～6評(píng)分法）及模糊綜合評(píng)價(jià)模型的操作流程。

1 山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

1.1 山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的相關(guān)研究

對(duì)山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的因素較多，在受到邊坡自身內(nèi)在因素影響的同時(shí)受外部因素影響[5]，同時(shí)，各邊坡的地理環(huán)境、自然環(huán)境存在一定差異，各影響因素的重要程度也不盡相同，這直接導(dǎo)致了不同學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素的識(shí)別存在較大差異，建立了不同的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。部分學(xué)者[1，6-8]選取巖石質(zhì)量指標(biāo)（Rock Quality Designation,RQD）、巖體結(jié)構(gòu)特征（巖石完整性指標(biāo)）、地應(yīng)力、黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡高及日最大降雨量等幾個(gè)影響因素建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，這些學(xué)者選取的指標(biāo)數(shù)量相對(duì)較少，具有一定代表性，可操作性比較強(qiáng)。也有一些學(xué)者建立了相對(duì)比較復(fù)雜的多級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，例如楊剛[9]建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括施工因素、工程地質(zhì)因素、環(huán)境因素、邊坡型因素4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，同時(shí)包含了坡頂加載、爆破影響度、支護(hù)程度、黏聚力、地層與邊坡關(guān)系、巖體類型、內(nèi)摩擦角、巖體結(jié)構(gòu)、植被覆蓋程度、地下水含量、年均降水量、風(fēng)沙荷載、地震烈度、坡形、坡高、坡角16個(gè)二級(jí)指標(biāo)；周錦濤[10]建立的指標(biāo)體系包括地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土性質(zhì)、賦存環(huán)境4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，坡高、坡角、地面變形情況、植被覆蓋率、節(jié)理發(fā)育與組合、軟弱夾層狀況、邊坡結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)造影響程度、內(nèi)摩擦角、黏聚力、已有工程地質(zhì)現(xiàn)象、巖性、大氣降雨、地震烈度、河水地質(zhì)作用、工程擾動(dòng)16個(gè)二級(jí)指標(biāo)。可以看出，這兩個(gè)比較復(fù)雜的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系除選取了一些有代表性、較為重要的指標(biāo)（例如黏聚力、內(nèi)摩擦角）外，還結(jié)合實(shí)際情況增加了一些新的指標(biāo)（例如風(fēng)沙荷載、工程擾動(dòng)），指標(biāo)體系明顯更為完善和有針對(duì)性，然而在整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程中計(jì)算量也會(huì)隨之增大。

1.2 山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的原則

綜合以上分析，本文整理出山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的基本原則，具體如下。

1）應(yīng)遵循科學(xué)、合理的基本原則，在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上充分聽取專家建議，以保證所選取影響因素的代表性。

2）應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況及評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)影響因素進(jìn)行增加或刪減，以反映評(píng)價(jià)的目的性。

3）基于影響因素建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)在保證評(píng)價(jià)需求的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化，以確保評(píng)價(jià)過(guò)程簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)。

4）應(yīng)充分考慮植被覆蓋情況、植被根系發(fā)育情況等方面因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1 山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

山林地區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法較多，例如層次分析法[9]、熵權(quán)法[11]，或者組合賦權(quán)[4]。以往的權(quán)重計(jì)算方法總體較復(fù)雜，本文提出了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的賦權(quán)方法，即0～6評(píng)分法，該方法由0～4評(píng)分法[12]改進(jìn)而來(lái)，具體操作如下。

2.1.1 建立成對(duì)比較矩陣

根據(jù)指標(biāo)的相對(duì)重要程度建立成對(duì)比較矩陣，見表1。

表1 0～6評(píng)分法成對(duì)比較矩陣

各指標(biāo)比較過(guò)程中的具體量化規(guī)則見表2。

表2 0～6評(píng)分法量化規(guī)則

2.1.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

令a12+a13+…+a1n=a1，a21+a23+…+a2n=a2，…，an1+an2+…+ann-1=an，則評(píng)價(jià)指標(biāo)Xn的權(quán)重如下。

2.2 山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

邊坡穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法較多，例如正態(tài)云模型[1]、蝴蝶突變模型[2]、可拓模型[7]，這些方法均存在一些優(yōu)點(diǎn)及不足。本文給出一種基于模糊理論的綜合評(píng)價(jià)模型，具體操作流程如下。

2.2.1 建立山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

選取對(duì)山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性影響較大的因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)體系的具體建立原則見前文。

2.2.2 構(gòu)建山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)語(yǔ)集

本文將山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性劃分為5級(jí)，即穩(wěn)定、較穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定，具體見表3。

表3 山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性等級(jí)劃分

2.2.3 計(jì)算山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法較多，本文介紹了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的賦權(quán)方法，即0～6評(píng)分法，詳見2.1，由所有權(quán)重組成權(quán)重向量W。

2.2.4 確定隸屬度矩陣

根據(jù)各指標(biāo)對(duì)各穩(wěn)定性等級(jí)的隸屬情況，確定各指標(biāo)對(duì)穩(wěn)定性等級(jí)的隸屬度，得到隸屬度矩陣。

2.2.5 進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)

2.2.6 分析評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)最大隸屬度原則確定各指標(biāo)所處穩(wěn)定性等級(jí)，并結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)措施。

3 結(jié)論

本文對(duì)山林地區(qū)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的相關(guān)研究進(jìn)行了梳理，并給出了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的基本原則，具有一定的參考價(jià)值。0～6評(píng)分法在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的過(guò)程中操作相對(duì)簡(jiǎn)單，具有一定的可靠性，可以作為指標(biāo)權(quán)重計(jì)算過(guò)程中的一個(gè)備選方法；基于模糊理論的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型可以快速地對(duì)山林地區(qū)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果可以作為邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題防治的重要依據(jù)。