基于模糊理論的邊坡失穩(wěn)風(fēng)險評估研究

王 禹

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，沈陽 110013)

1 概述

邊坡的失穩(wěn)破壞對工程穩(wěn)定、交通運輸及人民的生命財產(chǎn)安全造成巨大的危害，滑坡已經(jīng)和火山、地震并列為三大地質(zhì)災(zāi)害源［1］。我國由于地質(zhì)和施工不善等因素導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)事故時有發(fā)生，使得邊坡穩(wěn)定性問題成為我國近年來熱點、難點問題之一。為了盡可能減少和避免邊坡失穩(wěn)風(fēng)險事故的發(fā)生，有必要對邊坡失穩(wěn)風(fēng)險進行深入研究，實現(xiàn)邊坡失穩(wěn)風(fēng)險的有效評估與管理。國內(nèi)外許多學(xué)者對巖土工程的風(fēng)險展開了研究，并取得了一些重要成果。

邊坡失穩(wěn)風(fēng)險因素復(fù)雜，主要包括地質(zhì)地貌、動力環(huán)境以及人為因素。這些因素都具有較大的不確定性，一般應(yīng)是一個模糊區(qū)間，而非是一個實數(shù)［2］，同時由于評價結(jié)果也具有模糊性，因此，運用模糊區(qū)間來描述風(fēng)險更能符合實際情況。筆者利用模糊理論對邊坡失穩(wěn)風(fēng)險進行識別評價，并結(jié)合工程實例進行分析應(yīng)用，以期更有效地評估邊坡的安全穩(wěn)定性。

2 邊坡失穩(wěn)風(fēng)險管理

邊坡工程失穩(wěn)風(fēng)險管理流程如圖1所示，一般包括風(fēng)險計劃、風(fēng)險評估和風(fēng)險控制三個階段［3］。首先，應(yīng)制定安全風(fēng)險管理計劃，確定安全風(fēng)險管理目標和風(fēng)險接受準則，是實行風(fēng)險管理工作的前提。其次，風(fēng)險評估階段是認識風(fēng)險發(fā)生的本質(zhì)，采取定量、定性相結(jié)合的方法得出風(fēng)險分析結(jié)果的過程，需建立邊坡失穩(wěn)風(fēng)險評價體系，結(jié)合專家調(diào)查法、層次分析法賦予權(quán)重系數(shù)，基于專家給出的概率估值利用模糊隸屬函數(shù)對各評價指標進行置信區(qū)間估計，得出邊坡失穩(wěn)風(fēng)險的風(fēng)險度區(qū)間。最后，風(fēng)險控制階段是對風(fēng)險進行處置、監(jiān)控的過程，需根據(jù)風(fēng)險接收準則對風(fēng)險評估結(jié)果制定相應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對措施，使失穩(wěn)風(fēng)險始終處于可接受程度。

圖1 失穩(wěn)風(fēng)險管理流程

式中，當 n 取 4，2，1，0.5，0.25 時，f(u)分別描述“極接近(VVC)”、“非常接近(VC)”、“接近(C)”、“有點接近(FC)”、“略接近(FFC)”，f(u)=1時表示“完全接近(AC)”;u是隸屬函數(shù)曲線的橫坐標;a則是按照取對數(shù)原則計算得來。利用以上計算原則可繪制出描述“接近0.26”隸屬函數(shù)曲線如圖2所示。

3 邊坡失穩(wěn)風(fēng)險評估

3.1 模糊理論

邊坡失穩(wěn)致險因素紛亂復(fù)雜，且難以用數(shù)字來精確地加以定量衡量，但都可以根據(jù)專家的經(jīng)驗和知識用語言定性地描述其性質(zhì)及其可能產(chǎn)生的影響，故利用模糊理論中的模糊隸屬函數(shù)來度量該類風(fēng)險是具有現(xiàn)實意義的。美國學(xué)者 Zadeh［4］于1965年首次提出表達事物模糊性的重要概念——隸屬函數(shù)，從而突破了經(jīng)典集合理論，奠定模糊理論的基礎(chǔ)。隸屬函數(shù)的定義是確定一個對應(yīng)函數(shù)使模糊論域到［0，1］閉區(qū)間的任一映射都能確定一個模糊子集。該對應(yīng)函數(shù)稱為模糊子集的隸屬函數(shù)，也是該子集的隸屬度。

(1)模糊隸屬函數(shù)

本文采用文獻［5］中的隸屬函數(shù)“接近于”來描述專家對估計值的確信程度，如式(1)所示

圖2 描述“接近0.26”模糊隸屬函數(shù)曲線

(2)模糊區(qū)間

利用專家的專業(yè)知識以及多年積累的工程經(jīng)驗對工程項目的風(fēng)險進行主觀評判可實現(xiàn)風(fēng)險的定性分析;基于歷年風(fēng)險事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計方法或者數(shù)值模擬對風(fēng)險進行定量的估算可實現(xiàn)風(fēng)險的定量分析;在定性分析的基礎(chǔ)上進行定量的計算則可實現(xiàn)風(fēng)險的半定量分析。風(fēng)險的模糊性特點決定了風(fēng)險度很難用具體的數(shù)值來加以衡量，并且底層風(fēng)險評價集的獲得是建立在專家主觀判斷的基礎(chǔ)上，故結(jié)合隸屬函數(shù)曲線對評價結(jié)果確定一個表示可信程度的模糊區(qū)間，能更合理地描述風(fēng)險。影響專家主觀判斷的因素包括風(fēng)險事件的復(fù)雜程度和專家的受教育程度、經(jīng)驗，影響概率參數(shù)估計效果的因素包括數(shù)據(jù)的可靠性、完整性和概率分析方法的適用性。根據(jù)表1可確定專家估值的確信程度，然后根據(jù)圖2選擇相應(yīng)的模糊隸屬函數(shù)曲線，再通過求解模糊曲線的λ截集［6］來確定風(fēng)險的模糊范圍。即在取置信水平為λ時，模糊區(qū)間的上限和下限分別為隸屬函數(shù)曲線與直線f(u)=λ的兩個交點的橫坐標。

表1 專家估值確信程度判斷標準［5］

3.2 風(fēng)險評估

根據(jù)風(fēng)險的定義，并參考文獻［3］，風(fēng)險度R取決于風(fēng)險事故發(fā)生概率P和損失C，其關(guān)系可表示為R=P+C。由此可知地下工程安全風(fēng)險的評價應(yīng)包括概率和后果兩方面的估算。

風(fēng)險概率的計算需要先建立相應(yīng)風(fēng)險評價指標體系，再利用AHP計算各指標之間的權(quán)重系數(shù)，然后按照式2計算出失穩(wěn)風(fēng)險概率值，最后進一步給出其模糊區(qū)間。

式中，Pi表示上層風(fēng)險因素概率值;Pij表示下層風(fēng)險因素概率值;ωij表示第i層第j個風(fēng)險因素的權(quán)重系數(shù)。風(fēng)險后果需要專家根據(jù)專業(yè)經(jīng)驗及知識評價出可能的后果值，再進一步計算出其模糊區(qū)間［Rmin，Rmax］。

3.3 風(fēng)險管理標準

邊坡失穩(wěn)風(fēng)險管理需要預(yù)先制定明確的風(fēng)險管理計劃、目標及其準則，由于邊坡失穩(wěn)風(fēng)險目前還沒有出臺系統(tǒng)的管理標準及相關(guān)法律法規(guī)，故前期主要借鑒隧道、基坑等相關(guān)研究成果［3，7］，在經(jīng)過長期工程實踐及事故統(tǒng)計后，本文給出了邊坡失穩(wěn)風(fēng)險的概率估值、后果估值和風(fēng)險接受準則，分別如表2～表4所示。

表2 概率估值標準

表3 后果估值標準

表4 風(fēng)險接受準則

4 工程實例

4.1 工程概況

重慶某鐵路邊坡工程位于重慶某新建鐵路DK15+350段，邊坡高程945～1 005 m，呈鼻梁狀凸形坡地貌。邊坡平面形態(tài)呈上窄下寬的長條狀，縱長115 m，前緣橫寬82 m，后緣橫寬10 m，邊坡分布面積4.9×103m2，軟弱面最大埋深 10～15 m，體積 4.0×104m3，路基邊坡坡高大于4 m。該邊坡土體結(jié)構(gòu)松散，粘結(jié)力小，透水能力強，巖相復(fù)雜而多變，該處地表水及山坡上方地下水補給較豐富。由于該邊坡土質(zhì)主要由泥巖、砂巖塊、碎石、角礫、砂及粉質(zhì)黏土等不同時期、不同成因的堆積物質(zhì)交錯重疊而成，且這些物質(zhì)在很短距離內(nèi)先后出現(xiàn)并相互交錯，從而導(dǎo)致剖面上不同土層間滲水性、富水性差異，造成可能滑動面復(fù)雜，失穩(wěn)風(fēng)險較大。

4.2 風(fēng)險評估

(1)風(fēng)險辨識

風(fēng)險評價指標體系是整個風(fēng)險評估的基礎(chǔ)，對整個風(fēng)險評估工作起著決定性作用，所建立的風(fēng)險評價指標體系應(yīng)該具有系統(tǒng)性、科學(xué)性、客觀性和可操作性。本文在廣泛調(diào)研、長時間現(xiàn)場實踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，建立了以邊坡失穩(wěn)為目標風(fēng)險的評價體系，并結(jié)合專家調(diào)查，利用AHP進行一致性檢驗并得出權(quán)重系數(shù)，如表5所示。

表5 邊坡失穩(wěn)風(fēng)險評價體系及計算結(jié)果

(2)風(fēng)險評價

①底層風(fēng)險因素的概率等級以及風(fēng)險后果等級需要利用專家調(diào)查法得到，由于同一評價單元會有多個專家參與評價，所以需要根據(jù)各參與專家的資歷、經(jīng)驗、職稱等因素確定其影響權(quán)重，然后按照該權(quán)重統(tǒng)計各專家意見，得出各事件的概率和后果的評價值。

②根據(jù)工程的復(fù)雜性、專家經(jīng)驗、數(shù)據(jù)的可信度以及分析方法的可行性，結(jié)合查閱表1確定專家估值的確信程度，評估時可結(jié)合各專家情況綜合確定估值確信程度。如表5中“地質(zhì)地貌—巖性”因素誘發(fā)失穩(wěn)發(fā)生概率估值為0.63的確信程度為“接近(C)”，同理可得其他事件評價結(jié)果(表5、表6)。

表6 邊坡失穩(wěn)后果權(quán)重、估值及范圍

③取置信水平λ=0.9，則模糊區(qū)間的最小值和最大值分別為隸屬函數(shù)曲線與直線f(u)=0.9的兩個交點的橫坐標。如“地質(zhì)地貌—巖性”因素的描述為“接近(C)0.63”，故取 n=1，計算出 a=0.666 6，結(jié)合 f(u)=0.9作出λ截集，得到Pmin=0.567，Pmax=0.690，即該風(fēng)險事件置信水平為0.9時的概率范圍為［0.567，0.690］。同理可計算出其他事件的概率范圍和后果范圍(表5、表6)。

④按照式2和表5求得邊坡失穩(wěn)總風(fēng)險發(fā)生概率估值 P=0.525，模糊區(qū)間為［0.474，0.573］，風(fēng)險后果估值 C=0.622，模糊區(qū)間圍為［0.594，0.622］，最終計算出風(fēng)險度 R=1.147、Rmin=1.069、Rmax=1.222。

4.3 風(fēng)險控制

該邊坡失穩(wěn)風(fēng)險度為1.147，在置信水平 λ=0.9時模糊區(qū)間為［1.069，1.222］，根據(jù)表4，可知該失穩(wěn)風(fēng)險等級為3，為不期望范圍，需要引起重視，采取合理有效的風(fēng)險處理措施并加強監(jiān)測，及時降低風(fēng)險至可接受水平，使生產(chǎn)生活安全得以保障。具體風(fēng)險應(yīng)對措施如下。

(1)刷坡

由于該路段土體結(jié)構(gòu)松散，且風(fēng)險分析結(jié)果顯示地質(zhì)地貌中巖性和坡度對風(fēng)險度影響較大，故應(yīng)先采取刷坡以清除坡面危巖、嚴重風(fēng)化破碎表層及不穩(wěn)定部分，清除影響邊坡及邊溝的坡腳坍塌堆積物、風(fēng)化剝落碎屑物等，其目的在于調(diào)整邊坡表層土質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強邊坡自穩(wěn)能力。

(2)截排水

該地區(qū)降雨豐富，邊坡又近接河流，風(fēng)險評價結(jié)果顯示出降雨和河流對邊坡失穩(wěn)風(fēng)險貢獻較大，故應(yīng)采取合理的截排水措施。工程中在邊坡頂設(shè)截水溝，底寬0.6 m，深0.4 m。坡面每隔1～2 m上下左右交錯設(shè)置0.1 m×0.15 m矩形泄水孔。最下一排泄水孔高出路肩0.3 m，路基兩側(cè)設(shè)矩形側(cè)溝，底寬0.6 m，深1.0 m，兩側(cè)留1.0 m寬側(cè)溝平臺。側(cè)溝外側(cè)沿線路縱向設(shè)φ100 mm塑料盲溝管，每隔10 m設(shè)一根長1 m的φ100 mm塑料盲溝管插入側(cè)溝泄水孔向溝內(nèi)排水。以上截排水措施對防治邊坡坍塌有良好的效果，實踐表明，凡采取該措施的路段邊坡穩(wěn)定性都很好。

(3)邊坡防護

由于表層土體風(fēng)化強烈，雖通過刷坡清除了危巖等，但為防止后期邊坡開挖后表層加速風(fēng)化，產(chǎn)生剝落、零星墜石等現(xiàn)象，可采用水泥砂漿封面、護面等措施，也可用施作支護墻，既可防護坡面，又能起支撐作用。工程中該段邊坡坡面采取全坡面水泥砂漿砌片石護墻防護，側(cè)溝、側(cè)溝平臺和護墻砌為一體。由于該地區(qū)夏季易發(fā)生暴雨，施工最好安排在旱季進行，以保障施工進度和質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1)通過工程實踐表明，利用模糊理論和專家調(diào)查，通過模糊隸屬函數(shù)確定風(fēng)險事件的模糊區(qū)間是合理的，且符合工程實際的。

(2)依據(jù)建立的風(fēng)險評價體系及其理論對邊坡失穩(wěn)風(fēng)險進行評估是合理可行的，能較客觀的評價出該類風(fēng)險，為制定有效的風(fēng)險應(yīng)對措施提供理論依據(jù)。

(3)本實例中邊坡失穩(wěn)風(fēng)險等級為3，位于不期望范圍，故針對主要風(fēng)險源采取了合理的風(fēng)險應(yīng)對措施，實踐表明該措施取得了不錯的成效，可為同類工程所借鑒。

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