庫岸邊坡穩(wěn)定性的快速評價(jià)

庫岸邊坡穩(wěn)定性的快速評價(jià)

1指標(biāo)權(quán)重確定岸邊坡穩(wěn)定評估是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。由于自然巖土體的復(fù)雜性,岸坡穩(wěn)定性受到多種因素的制約,并且這些因素之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,且各因素的影響程度也不相同,他們以不同的特征和相互組合對岸坡穩(wěn)定性產(chǎn)生綜合影響。因此,岸坡穩(wěn)定性評價(jià)是一個(gè)多指標(biāo)多級別系統(tǒng)的綜合評價(jià)問題。目前,多因素綜合評價(jià)方法如模糊數(shù)學(xué)方法、物元可拓方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、未知測度理論、灰色聚類方法等日益受到重視。采用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)過程時(shí)都存在指標(biāo)權(quán)重確定的問題,評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的分配是否合理直接影響到評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的權(quán)重確定方法僅考慮不同指標(biāo)對邊坡穩(wěn)定性的影響程度,而沒有考慮相同指標(biāo)在不同取值的情況下對邊坡系統(tǒng)穩(wěn)定性影響程度的變化。針對庫岸邊坡穩(wěn)定性評價(jià)問題,當(dāng)確定了評價(jià)指標(biāo)后,傳統(tǒng)的權(quán)重確定方法給出每項(xiàng)指標(biāo)的靜態(tài)權(quán)重。實(shí)際上,對于不同的邊坡或者同一邊坡處于不同的條件,各項(xiàng)指標(biāo)對邊坡系統(tǒng)的貢獻(xiàn)不同,其權(quán)重值是不同的。例如對于同一邊坡,庫水條件和降雨條件變化時(shí),邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)因素不同。當(dāng)庫水位下降速度很快,影響邊坡穩(wěn)定性的主要外因是庫水位條件,此時(shí)庫水位權(quán)重大于降雨權(quán)重;當(dāng)降雨強(qiáng)度較大,影響邊坡穩(wěn)定性的主要外因是降雨條件,此時(shí)降雨權(quán)重大于庫水位權(quán)重。因此,若采用固定的指標(biāo)權(quán)重,則會降低最終評判結(jié)果的合理性。另外,傳統(tǒng)的模糊數(shù)學(xué)方法中模糊集合隸屬度函數(shù)存在概念唯一化或靜態(tài)化的缺陷,經(jīng)典模糊集合理論不考慮事物發(fā)展的動態(tài)可變性,這與其研究對象所具有的中間過渡階段的動態(tài)可變性相悖。本文考慮指標(biāo)權(quán)重的動態(tài)變化特征,結(jié)合簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)與層次分析法,確定影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的各項(xiàng)指標(biāo)動態(tài)權(quán)重。采用陳守煜教授提出的工程可變模糊集理論,將隸屬度與隸屬函數(shù)作為一個(gè)可變量,以相對隸屬度為基礎(chǔ),建立了基于動態(tài)權(quán)重的庫岸邊坡穩(wěn)定性多級可變模糊評價(jià)方法。2各類評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定陳守煜在其建立的可變模糊集理論基礎(chǔ)上,提出可變模糊評價(jià)模型與方法,該方法能夠科學(xué)、合理地確定樣本指標(biāo)對各級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的相對隸屬度、相對隸屬函數(shù),并且能夠通過變化模型及其參數(shù),合理地確定出樣本的評價(jià)等級,提高對樣本等級評價(jià)的可信度?？勺兡：u價(jià)的具體步驟為:①確定評價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣;②確定待評價(jià)對象的指標(biāo)特征值;③計(jì)算待評對象u對級別h的指標(biāo)相對隸屬度;④確定指標(biāo)權(quán)向量;⑤采用不同的參數(shù)準(zhǔn)則,利用可變模糊評價(jià)模型計(jì)算待評對象u對級別h的綜合相對隸屬度;⑥計(jì)算待評對象u的級別特征值并據(jù)此作出評價(jià)。詳細(xì)的可變模糊集理論和可變模糊評價(jià)模型參見文獻(xiàn)。3基于動態(tài)權(quán)重的多段邊坡穩(wěn)定模糊度評價(jià)方法3.1多因素的多因素穩(wěn)定評估體系3.1.1評價(jià)指標(biāo)體系的建立通過對庫區(qū)岸坡詳細(xì)調(diào)查研究,建立庫岸邊坡穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)體系。由于巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)滑坡的變形破壞規(guī)律具有較大的差別,巖質(zhì)岸坡和土質(zhì)岸坡的評價(jià)指標(biāo)應(yīng)該分別考慮。本文以庫區(qū)土質(zhì)岸坡為研究對象建立岸坡穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)體系。如圖1所示,將評價(jià)指標(biāo)分為3個(gè)層次,一級指標(biāo)為基本因素和影響因素。其中,基本因素包括8個(gè)二級指標(biāo),即平均坡度、坡高、溝谷切割程度、(潛在)滑面傾角、滑面形態(tài)、堆積體結(jié)構(gòu)、堆積體密實(shí)度、堆積體膠結(jié)程度;影響因素包括5個(gè)二級指標(biāo),即河流地質(zhì)作用、風(fēng)浪作用、庫水位升降作用、人類活動和降雨。河流地質(zhì)作用、風(fēng)浪作用和庫水位升降作用又分別包括3個(gè)三級指標(biāo)。3.1.2評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)并結(jié)合庫區(qū)岸坡特征,建立岸坡評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn),見表1至表3。參照文獻(xiàn)的分級標(biāo)準(zhǔn)將庫岸穩(wěn)定性劃分為4個(gè)級別,即穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、次不穩(wěn)定和不穩(wěn)定。3.2單因素可變模糊評價(jià)單層可變模糊評價(jià)的目標(biāo)是確定同一級指標(biāo)對上一級相應(yīng)指標(biāo)的各級別相對隸屬度、綜合相對隸屬度和上一級指標(biāo)的級別特征值。3.2.1岸坡評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣的確定以某一級的某一個(gè)指標(biāo)為例,假設(shè)該指標(biāo)包含m個(gè)低一級指標(biāo),且待評對象為u。則可以根據(jù)具體邊坡情況建立待評對象u的指標(biāo)特征值向量x={x1,x2,…,xm}T。依據(jù)岸坡評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)建立m個(gè)指標(biāo)分別對應(yīng)級別h的標(biāo)準(zhǔn)值矩陣Y。Y=[y11y12y13y14y21y22y23y24????ym1ym2ym3ym4]=(yih)。(1)式中i=1,2,…,m;h=1,2,3,4;yih表示待評對象第i個(gè)指標(biāo)屬于第h級的標(biāo)準(zhǔn)值,一共分4個(gè)級別。根據(jù)物理概念分析,可知指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣Y正是指標(biāo)i對級別h的相對隸屬度等于1的指標(biāo)特征值矩陣。評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)中定性指標(biāo)和定量指標(biāo)確定方式不同。定性指標(biāo)直接給出了各級別對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)情況(標(biāo)準(zhǔn)值),而定量指標(biāo)給出各級別對應(yīng)的區(qū)間。因此采用不同的方法分別確定定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值矩陣。對于定性指標(biāo),對應(yīng)穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、次不穩(wěn)定、不穩(wěn)定(弱、較弱、較強(qiáng)、強(qiáng))4個(gè)級別分別賦予標(biāo)準(zhǔn)特征值1,3,5,7,如表1;另外定性指標(biāo)特征值的取值區(qū)間為。對于定量指標(biāo),指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)按照區(qū)間形式給出,若對應(yīng)Ⅱ,Ⅲ級的區(qū)間分別為[qi2,qi3],[qi3,qi4],則定量指標(biāo)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:{yi1=qi2?yi2=0.5(qi2+qi3)?yi3=0.5(qi3+qi4)?yi4=qi4。(2)采用μih(u)表示xi對h級的相對隸屬度。當(dāng)xi<qi2時(shí),μi1(u)=1;當(dāng)xi>qi4時(shí),μi4(u)=1。采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理,依據(jù)上述方法可以計(jì)算岸坡評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣,Y1,Y2,Y3分別表示一級、二級、三級指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值矩陣。Y1=[0.1250.3750.6250.8750.1250.3750.6250.875],(3)Y2=[0.1110.1940.3890.5000.0400.0700.1500.2000.1250.3750.6250.8750.0560.1110.250.3330.1250.3750.6250.8750.1250.3750.6250.8750.1250.3750.6250.8750.1250.3750.6250.8750.1250.3750.6250.8750.1250.3750.6250.8750.1250.3750.6250.8750.1250.3750.6250.8750.1000.1500.2500.300],(4)采用文獻(xiàn)中的相對隸屬度計(jì)算公式計(jì)算相對隸屬度。設(shè)待評對象u指標(biāo)i的特征值xi落入h與h+1級相對隸屬度為1的特征值矩陣的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間[yih,yi(h+1)]內(nèi),則xi對h級的相對隸屬度為μih(u)=yi(h+1)-xiyi(h+1)-yih,h=1,2,3,4。(6)根據(jù)對立統(tǒng)一定理,xi對h+1級的相對隸屬度為μi(h+1)(u)=1-μih(u)。(7)xi對級別小于h、大于h+1的指標(biāo)相對隸屬度均等于0。3.2.2確定主觀權(quán)重結(jié)合簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)與層次分析法(AHP),確定影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的各項(xiàng)指標(biāo)動態(tài)權(quán)重。簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算指標(biāo)的客觀權(quán)重,客觀權(quán)重充分考慮待評對象的實(shí)際情況,對特征值落入類別較大的指標(biāo)賦予較大的權(quán)重。層次分析法計(jì)算指標(biāo)的主觀權(quán)重,主觀權(quán)重充分考慮專家的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識及理性分析,對每一層次各個(gè)元素的相對重要性進(jìn)行兩兩比較,并給出判斷。最后結(jié)合客觀主觀權(quán)重確定一個(gè)隨待評對象的具體情況變化的動態(tài)綜合權(quán)重。3.2.2.計(jì)算定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)采用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定指標(biāo)客觀權(quán)重。設(shè)rih(xi,vih)={xi-aihbih-aih,xi<bih1,xi=bihbih-xibih-aih,xi>bih。(8)式中vih=〈aih,bih〉為經(jīng)典域。將定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值代入式(2)可分別計(jì)算qi2,qi3,qi4,則定量指標(biāo)的經(jīng)典域?yàn)椤?,qi2〉,〈qi2,qi3〉,〈qi2,qi4〉,〈qi4,1〉,定性指標(biāo)的無量綱化經(jīng)典域?yàn)椤?,0.25〉,〈0.25,0.5〉,〈0.5,0.75〉,〈0.75,1〉,則rih*(xi,vih)=4maxh=1{rih(xi,vih)}。(9)xi落入的類別越大,對岸坡穩(wěn)定性影響越大,則該指標(biāo)應(yīng)賦予越大的權(quán)值,取ri={h*+rih*(xi,vih),rih*(xi,vih)≥-0.5；0.5h*,rih*(xi,vih)<-0.5。(10)則指標(biāo)xi的客觀權(quán)重為λi=ri/mΣi=1ri。(11)3.2.2.基于策分析方法的運(yùn)用人采用層次分析法確定指標(biāo)主觀權(quán)重。層次分析法是美國運(yùn)籌學(xué)家T.Saaty提出的一種多目標(biāo)、多準(zhǔn)則決策分析方法。它通過構(gòu)造一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型,建立判斷矩陣并通過特征向量的一致性檢驗(yàn)來求得各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重大小,即對于某個(gè)待評對象u,m個(gè)因素比較構(gòu)成一個(gè)兩兩判斷矩陣,然后根據(jù)m個(gè)因素對于準(zhǔn)則的判斷矩陣,求出它們對于準(zhǔn)則的相對表現(xiàn)程度,即可以得到主觀權(quán)重θi,i=1,2,…,m。具體方法步驟參見文獻(xiàn)。3.2.2.3總權(quán)重采用各評價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重λi和主觀權(quán)重θi計(jì)算指標(biāo)的綜合權(quán)重wi,即wi=λiθi/mΣi=1λiθi。(12)3.2.3模糊數(shù)學(xué)法賦值qp依據(jù)式(6)計(jì)算得到的指標(biāo)i對級別h的相對隸屬度μih(u)是單指標(biāo)相對隸屬度。岸坡的穩(wěn)定性是多指標(biāo)綜合評價(jià)問題,指標(biāo)具有不同的權(quán)重wi。應(yīng)用模糊可變評價(jià)模型計(jì)算待評對象u對級別h的多指標(biāo)綜合相對隸屬度為vh(u)=11+{mΣi=1[wi(1-μih(u))]pmΣi=1[wiμih(u)]p}αp。(13)式中:α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù),α=1相當(dāng)于最小一乘方,α=2為最小二乘方優(yōu)化準(zhǔn)則;p為距離參數(shù),p=1為海明距離,p=2為歐式距離。3.2.4vhuh級別特征值公式為Η(u)=4Σh=1(v′h(u)h)。(14)式中v′h(u)=vh(u)/4Σh=1vh(u)。(15)3.3標(biāo)準(zhǔn)化后作為上一級評價(jià)指標(biāo)特征值取值采用單層可變模糊評價(jià)方法計(jì)算得到的級別特征值無量綱標(biāo)準(zhǔn)化后作為上一級指標(biāo)的評價(jià)指標(biāo)特征值取值。從最低層向最高層逐層進(jìn)行單層可變模糊評價(jià),最終得到土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性級別特征值,依據(jù)表4確定待評岸坡穩(wěn)定評價(jià)結(jié)果。4工程實(shí)例分析4.1基土壤條件及邊坡穩(wěn)定性分析周家坡滑坡為宜巴高速公路沿線三峽庫區(qū)土質(zhì)岸坡。坡高約90m,自然坡腳30°～50°,局部為小陡坎?；缕矫嫔铣士诖鼱?其東側(cè)以砂巖的層面為滑床,西側(cè)受一組節(jié)理裂隙控制,東緩西陡;該處下伏基巖為侏羅系下沙溪廟組(J2x)粉砂巖、砂巖組成,巖層產(chǎn)狀為250°～260°∠35°～45°,與坡面夾角約40°?；w由黏土、碎石土塊石組成,其厚度為12.3～14.6m。從右側(cè)平邑口—峽口公路開挖面觀察,地下水較發(fā)育,土體呈濕潤近飽和狀,開挖后坍滑厲害。目前已在該處設(shè)了擋墻,未見進(jìn)一步變形。但在公路開挖及橋樁基礎(chǔ)施工加載后,及庫水位在145m至175m間長期反復(fù)漲落工況下,仍可能會出現(xiàn)新的潛在滑坡體或變形體。該滑坡典型剖面地質(zhì)概化如圖2。采用基于動態(tài)權(quán)重的庫岸邊坡穩(wěn)定性多級可變模糊評價(jià)方法計(jì)算周家坡滑坡在庫水位下降速率V分別為0,0.6,2m/d時(shí)的穩(wěn)定性級別特征值。下面以庫水位下降速率V=2m/d為例,介紹該方法的計(jì)算過程。4.1.1指標(biāo)的特征值的確定依據(jù)周家坡滑坡的工程地質(zhì)條件可以確定周家坡滑坡的指標(biāo)特征值,見表5。4.1.2單因素可變模糊評價(jià)以三級指標(biāo)庫水位下降速率、滲透系數(shù)、給水度為例,通過他們計(jì)算二級指標(biāo)庫水位升降作用的特征值。(1)計(jì)算相對隸屬度矩陣依據(jù)表5得三級指標(biāo)庫水位下降速率、滲透系數(shù)、給水度的無量綱化特征值向量為{1,0.6,0.6}T,結(jié)合式(5)中相應(yīng)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣,由式(6)、式(7)可以計(jì)算相對隸屬度矩陣為μ=[00011000000.7140.285]。(16)(2)主觀權(quán)重和動態(tài)權(quán)重采用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定指標(biāo)客觀權(quán)重。首先由前文方法確定經(jīng)典域,然后將指標(biāo)特征值代入式(8)至式(11)可得客觀權(quán)重為λ={0.481,0.168,0.351}T。采用AHP法計(jì)算主觀權(quán)重。依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造該類三級指標(biāo)的重要性判斷矩陣F=[1221/211/21/221],(17)則主觀權(quán)重為θ={0.493,0.196,0.311}T。將λi,θi代入式(12)得動態(tài)權(quán)重為w={0.626,0.087,0.286}Τ。(18)(3)綜合相對隸屬度計(jì)算將式(16)、式(18)代入式(13)計(jì)算綜合相對隸屬度。本文采用綜合評價(jià)線性公式,即參數(shù)α=1,p=1?？傻镁C合相對隸屬度v={0.087,0,0.205,0.707}T。將v代入式(14)可得級別特征值為3.53。將其進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化可得二級指標(biāo)庫水位升降作用的無量綱化特征值為0.758。4.1.3土壤侵蝕穩(wěn)定性分析按上述方法從最低層向最高層逐層進(jìn)行單層可變模糊評價(jià),最終可以得到周家坡滑坡在庫水位下降速率為2m/d時(shí)的穩(wěn)定性級別特征值為H=2.55。級別特征值位于Ⅱ級和Ⅲ級之間,且H>2.5,表明穩(wěn)定性級別更接近Ⅲ級,即穩(wěn)定性評價(jià)為次不穩(wěn)定。4.2基于動態(tài)權(quán)重法的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)以庫水位下降速率V為分析對象,采用動態(tài)權(quán)重法和靜態(tài)權(quán)重法分別計(jì)算V=0,0.6,2m/d時(shí)周家坡滑坡的穩(wěn)定性級別特征值,計(jì)算結(jié)果見表6。另外,為了驗(yàn)證可變模糊評價(jià)的結(jié)果,采用文獻(xiàn)中的參數(shù),運(yùn)用Seep程序模擬不同庫水位下降速率時(shí)滲流場變化,并采用Morgenstern-Price法計(jì)算了邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。動態(tài)權(quán)重經(jīng)過層次總排序可以得到各指標(biāo)對于邊坡穩(wěn)定性的重要性權(quán)值。圖3為典型指標(biāo)