基于F-AHP的高邊坡安全風險評價體系研究

匡波 韓琳琳

作者簡介：匡?波（1983—），高級工程師，研究方向：公路工程勘察、設計及施工。

為了解決邊坡穩定性分析的不確定性問題，文章將模糊綜合評價法、層次分析法引入邊坡穩定性評價中，提出5大項17個指標高邊坡安全風險影響因素，并結合桂西北某邊坡工程實例，采用python語言建立了公路邊坡二級層次分析模型，根據最大隸屬度原則，對開挖前、后邊坡穩定狀態進行了評價研究。結果表明：邊坡開挖前屬于Ⅱ類危險邊坡，處于基本穩定狀態；開挖后屬于Ⅳ類危險邊坡，需采取工程加固措施。研究成果豐富了邊坡穩定性分析方法，可為邊坡工程在施工、運營期的維護及處治提供依據。

公路邊坡；層次分析法；模糊綜合評價；穩定性分析

U416.1+4A130473

0?引言

與礦山邊坡、水利邊坡相比，高速公路邊坡因里程長，跨越地形復雜，而具有類型更多、地質條件更復雜的特點。為保證高速公路施工和運營階段的安全，邊坡的穩定性評價及合理的處治措施顯得極其重要［1］。

在傳統邊坡穩定性分析的基礎上，有學者融合數學理論，將其從定性評價轉化為定量分析。王洪麟、王建平、陳孝國等［2-4］基于模糊-層次分析法，建立了高速公路邊坡的層次結構，對其穩定性進行了評價；梁經緯等［5］融合了層次分析法、博弈論綜合賦權法、熵權法和集對分析理論，建立了邊坡支護工程安全風險評估模型，創新了邊坡穩定性分析方法；查俊［6］在綜合分析了邊坡穩定性影響因素后，采用層次分析法，確定指標權重，對邊坡穩定性的影響因子進行了排名。因此，本文采用F-AHP法，在詳細調查邊坡穩定性影響因素的基礎上，建立了邊坡層次分析模型，進而對邊坡的穩定性進行科學、有效、有指導意義的分析，為后續邊坡的加固處治提供指導。

1?F-AHP原理及操作流程

邊坡安全評價過程中涉及的評價因素眾多，這些評價因素本身具有一定的模糊性，對邊坡安全風險的影響也沒有明確的界定。因此，在考慮諸多風險因素的同時，將邊坡安全評價體系定量化、系統化是比較困難的。

F-AHP模型采用先分后總的思路，將影響因素按照屬性進行分層，即目標層、準則層和狀態層；利用判據矩陣，從下往上根據層次分析法（AHP）計算各個影響因素對總目標的影響權重，并以各個影響因素的權重集合來代表總目標，將對總目標的評價轉化為對多個影響因素的評價；將模糊數學理論運用到評價過程中，建立評價因素與評價集之間的量化聯系，從而對模糊性的評價進行合理量化與綜合分析，得到可比的量化結果。模糊綜合評價流程見圖1。因此，采用F-AHP模型對高速公路高邊坡群進行安全評價分析，可綜合較多影響高邊坡安全的評價因素，比較全面合理地反映邊坡的安全風險等級。

為實現邊坡安全風險高效快速評價的目的，本文采用Python作為編寫程序的基礎語言。為了簡化Python中繁瑣輸入數據，本文將部分數據存儲在Excel中，利用Python標準庫pandas對Excel數據進行高效讀取，提升Python中代碼的可讀性與計算效率，計算邏輯示意圖見圖2。

2?工程實例分析

2.1?工程概況

某邊坡位于桂西北區域，多山多雨，地質條件復雜。由于修建高速公路，路塹開挖，破壞了原有坡體的穩定狀態。開挖后坡體高約13.6～25.36 m，中線最大挖深約23.32 m，坡角約21°。根據鉆孔揭露，坡體主要地層為坡殘積可塑粉質黏土和三疊系中統強-中風化砂巖泥巖互層，土石工程分級為Ⅱ級普通土和Ⅳ級軟石。

滑塌體在平面上呈“U”形，相對高差約25 m，地形坡度15°～25°。滑塌體縱向長度平均約150～160 m，橫向寬度平均約25～30 m，厚度約3～13 m，平均厚度約8 m，滑塌面積約4 700 m2，體積約2.01×104 m3，屬小型巖質滑塌。坡體出現多處拉張裂縫，裂縫寬度20～40 cm，目前該坡體處于蠕滑狀態。

對該邊坡進行現場工程調查，獲得邊坡現場采集評分如表1所示。

2.2?F-AHP模型的建立

根據邊坡的工程地質條件、規范和邊坡穩定性影響因素，建立如圖3所示的邊坡穩定性因素層次模型。

2.3?計算相對隸屬度與確定權向量

根據表1評價結果，以第二類指標（巖體狀況）為例，可以得到該類指標的特征值向量x=［0.50?0.49?0.30?0.88?0.42?0.57?0.60］，和標準特征值矩陣Y：

計算指標相對隸屬度向量p：

計算級別相對隸屬度矩陣S：

對巖體狀況B進行重要性排序，采用表1中的分級標準，由專家1進行評價，得到各邊坡安全風險影響因素之間的重要性判斷矩陣FB1：

根據各個指標之間的重要性排序，對照表1可以得初始權向量w′B1：

2.4?確定對應級別的相對隸屬度向量

由專家1給出的對應邊坡斷面幾何特征、滲水、邊坡周邊環境和人類工程活動因素中二級指標的判斷矩陣FA1、FC1、FD1、FE1，可以得到這四個指標對應等級的相對隸屬度向量uA1、uC1、uD1、uE1：

由此可得專家1給出的相對隸屬度矩陣U1：

同樣，根據專家2、專家3、專家4、專家5給出的二級指標相對重要性判斷矩陣，計算得到其對應的相對隸屬度矩陣U2、U3、U4、U5。

2.5?綜合評價

采用F-AHP法對邊坡斷面幾何形狀、巖體狀況、滲水、周邊環境、人類工程活動五類一級指標進行重要性排序，根據專家建議得到各一級指標之間的重要性判斷矩陣Fi，從而計算出歸一化的權向量Wi：

由評價組組長根據各個專家的業內認可度給出的專家權威系數α如表2所示。

根據最大隸屬度原則，該邊坡（開挖前）屬于Ⅱ類危險邊坡，處于基本穩定狀態。

當邊坡進行開挖后，邊坡高度為49.09 m，取A1=0.49；坡腳為45°，取A2=0.55。根據上述的計算方式得到開挖邊坡的綜合評價隸屬度向量R：

根據最大隸屬度原則，該邊坡（開挖施工后）屬于Ⅳ類危險邊坡。因此，該邊坡在設計、開挖施工時需采取工程加固措施，并對邊坡進行動態監控。

3?結語

（1）本文采用二級模糊層次分析法，建立了邊坡穩定性評估模型，包含邊坡斷面幾何特征、巖體狀況、滲水、邊坡周邊環境和人為工程因素5大項17個指標。

（2）運用Python語言的優勢，采用最大隸屬度原則，分析了開挖前、后邊坡的穩定狀態，得出開挖施工后邊坡屬于Ⅳ類危險邊坡，需要采取加固措施。

（3）通過對工程實例的研究，驗證了F-AHP模型能夠科學有效地運用到邊坡穩定性分析中。但由于此方法易受到專家個人經驗水平、學識水平、技術能力等主觀因素的影響，在采用此法進行評價時需結合工程實際情況進行指標調整，使其評價結果更符合工程實際情況，從而保證邊坡后期運營的安全、穩定。

參考文獻

［1］王江榮，任泰明，趙?睿.基于層次分析法的灰色聚類在公路邊坡穩定性評價中的應用［J］.工程質量，2021，39（1）：75-79.

［2］王洪麟，王創業，吳?量，等.基于AHP的某高速路邊坡穩定性治理因素分析［J］.建筑安全，2021（7）：48-50.

［3］王建平，李偉華，孫紅兵，等.基于層次分析—模糊評價的邊坡穩定性分析［J］.黑龍江交通科技，2022（4）：21-24.

［4］陳孝國，肖修鴻，裴世博，等.基于直覺模糊層次縫隙發的公路邊坡穩定性評價模型［J］.齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2021，37（4）：85-89.

［5］梁經緯，蘇?謙，錢海嘯，等.基于博弈論及集對分析的邊坡支護工程安全風險評估［J］.鐵道標準設計，2022，66（7）：53-64.

［6］查?俊.基于層次分析法的邊坡安全穩定性評價研究［J］.科技創新與應用，2022（19）：100-103.