模糊綜合評(píng)判法在邊坡治理效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

趙權(quán)

（浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江臨安，311322）

模糊綜合評(píng)判法在邊坡治理效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

趙權(quán)

（浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江臨安，311322）

在水利水電領(lǐng)域，邊坡穩(wěn)定性問題是常見的、值得深入研究的問題。諸如極限平衡法等應(yīng)用廣泛的力學(xué)計(jì)算方法，由于計(jì)算參數(shù)無法準(zhǔn)確選取、不能全面考慮影響邊坡穩(wěn)定性的復(fù)雜自然和人為因素，具有一定的局限性?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合影響邊坡穩(wěn)定性的各種模糊不確定因素，采用模糊綜合評(píng)判方法，對(duì)華光潭水電站一級(jí)廠房后邊坡治理前后的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，以此評(píng)估邊坡的治理效果。結(jié)果表明，該邊坡穩(wěn)定性在治理后得到明顯提升，治理取得預(yù)期效果。

監(jiān)測數(shù)據(jù)；模糊數(shù)學(xué)；治理效果；綜合評(píng)價(jià)

0 引言

邊坡穩(wěn)定是工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的、老而常新的問題，原因在于影響邊坡穩(wěn)定性的因素復(fù)雜且具有模糊不確定性。邊坡失穩(wěn)具有頻發(fā)、群發(fā)、突發(fā)和破壞性大的特點(diǎn)，邊坡破壞也因此與火山噴發(fā)、地震一同被列為當(dāng)今世界三大地質(zhì)災(zāi)害[1]。

華光潭梯級(jí)水電站位于浙江臨安境內(nèi)的浙西大峽谷之中，由于選址論證階段未發(fā)現(xiàn)一級(jí)發(fā)電廠房后邊坡為疑似的古變形體，在電站建設(shè)及運(yùn)營階段坡體出現(xiàn)嚴(yán)重位移變形，穩(wěn)定性問題十分突出。相關(guān)單位立即采取了完善坡面、坡內(nèi)排水系統(tǒng)和錨固坡腳等治理措施，并委托高校建立了多尺度、廣角度的坡體變形監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[2]，對(duì)邊坡的變形位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。利用地下水位、地表和坡內(nèi)位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合影響邊坡穩(wěn)定的自然、人為各方面因素，建立了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)判模型。

1 建立二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型

1.1 綜合評(píng)判框架

上述過程是針對(duì)評(píng)判系統(tǒng)較簡單的情況，當(dāng)需要考慮的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多時(shí)，權(quán)重分配所帶來的問題就會(huì)突顯，此時(shí)就需要利用層次分析法進(jìn)行二級(jí)或多級(jí)綜合評(píng)判。結(jié)合工程實(shí)際情況選用二級(jí)模糊綜合評(píng)判，其過程為[4]：將因素集按一定屬性劃分為若干子集，先對(duì)各子集進(jìn)行一級(jí)評(píng)判，其評(píng)判結(jié)果構(gòu)成二級(jí)評(píng)判的模糊矩陣（R'），將各子集視為二級(jí)評(píng)判的因素集，確定權(quán)重（A'）后，仍由式（1）給出評(píng)判結(jié)果B'。

1.2 建立因素集與評(píng)判集

根據(jù)邊坡變形破壞特征以及邊坡失穩(wěn)的危害性，將邊坡穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定四個(gè)等級(jí)，即評(píng)判集V={v1,v2,v3,v4}={穩(wěn)定，基本穩(wěn)定，欠穩(wěn)定，不穩(wěn)定}。

邊坡發(fā)生變形的過程是極其復(fù)雜的，影響邊坡變形的因素同樣繁多。傳統(tǒng)對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行的模糊綜合評(píng)價(jià)只考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土體的性質(zhì)及地下水等基本因素，而未與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合，帶有較大的經(jīng)驗(yàn)成分。筆者在同時(shí)考慮影響邊坡穩(wěn)定的基本因素和邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選定了下述六類共計(jì)22個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定的模糊綜合評(píng)判。

（1）地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征（U1）。邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征往往控制了邊坡的破壞形式，這里主要考慮以下五個(gè)指標(biāo)：巖土體類型（U1-1）、巖體結(jié)構(gòu)（U1-2）、巖體風(fēng)化程度（U1-3）、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度（U1-4）、結(jié)構(gòu)面傾向與坡向的關(guān)系（U1-5）。

（2）地形地貌特征（U2）。地形地貌特征是判斷一個(gè)邊坡穩(wěn)定與否的最直觀的因素，這里考慮如下三個(gè)指標(biāo)：坡面形態(tài)（U2-1）、邊坡坡度（U2-2）、沖溝發(fā)育及切割程度（U2-3）。

（3）水文氣象特征（U3）。該特征主要指降雨對(duì)邊坡的影響，降雨通過入滲抬高地下水位、坡面沖刷等方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。這里考慮如下三個(gè)指標(biāo)：地下水埋深（U3-1）、地下水位與降雨的相關(guān)性（U3-2）、年平均降雨量（U3-3）。

根據(jù)三種類型新型職業(yè)農(nóng)民培育標(biāo)準(zhǔn)，開展分層次、分產(chǎn)業(yè)、分工種、分崗位開展培訓(xùn)培育對(duì)象的摸底調(diào)查工作，并建立職業(yè)農(nóng)民培育對(duì)象庫。再根據(jù)本地農(nóng)業(yè)農(nóng)村實(shí)際和產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，按照層次和類別進(jìn)行具體培育工作。第一層級(jí)為生產(chǎn)精英型，第二層級(jí)為技能提升型，第三層級(jí)為廣譜型，暨農(nóng)業(yè)專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)[3]。

（4）外部（坡面）變形（U4）。工程開挖及工程加載都會(huì)改變邊坡的邊界條件，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡的變形甚至破壞。因此，根據(jù)邊坡外部的實(shí)時(shí)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)就顯得尤為重要。這里考慮如下四個(gè)指標(biāo)：水平位移方向累進(jìn)性（U4-1）、水平位移大小累進(jìn)性（U4-2）、水平位移方向與潛在滑向夾角（U4-3）、合位移速率比（U4-4）。

（5）內(nèi)部（坡內(nèi)）變形（U5）。邊坡內(nèi)部變形監(jiān)測往往能揭示滑坡底滑面的位置，為邊坡變形的預(yù)測預(yù)防提供來自邊坡內(nèi)部的信息。這里考慮如下四個(gè)指標(biāo)：水平合位移方向的累進(jìn)性（U5-1）、水平合位移大小的累進(jìn)性（U5-2）、水平合位移方向與潛在滑向的夾角（U5-3）、不同垂直深度上水平合位移的突變（U5-4）。

（6）其它因素（U6）：坡面植被覆蓋情況（U6-1）、崩坡積層厚度（U6-2）、坡面裂縫溜坡（U6-3）。

各因素與評(píng)判等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)安全等級(jí)劃分Table 1 Classification of safety grades of evaluation indexes

1.3 隸屬度及權(quán)值的確定

確定評(píng)判指標(biāo)隸屬度的方法有很多種。對(duì)于定性類指標(biāo)，采用專家評(píng)定法確定隸屬度；對(duì)于定量類指標(biāo)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征采用隸屬函數(shù)確定其隸屬度，筆者采用常見的中間型正太分布函數(shù)[5]作為隸屬函數(shù)（式2）。

式中：ui為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度；xi是第i個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測值；aij和σij為第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于評(píng)判等級(jí)vj在該區(qū)域的中間值及標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)于各評(píng)判指標(biāo)權(quán)重的確定，采用由A.L.Saa?ty提出的1～9標(biāo)度法[6]，即按照各指標(biāo)相對(duì)于邊坡安全的重要性，進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣，進(jìn)而利用“方根法”計(jì)算判斷矩陣的特征向量和最大特征根。對(duì)于判斷矩陣，需要進(jìn)行隨機(jī)一致性檢驗(yàn)，符合要求后，上述求得的特征向量就是該判斷矩陣所代表的權(quán)重向量。

1.3.1 U1子層次權(quán)重

由表2計(jì)算其最大特征根λmax=5.291 6，隨機(jī)一致性比率CR=0.065 1＜0.10，符合要求。將特征向量歸一化后的權(quán)向量：

表2 U1子層次權(quán)重Table 2 Weight coefficients of sub hierarchy of U1

1.3.2 U2子層次權(quán)重

由表3計(jì)算其最大特征根λmax=3.085 8，隨機(jī)一致性比率CR=0.073 9＜0.10，符合要求。將特征向量歸一化后的權(quán)向量：

1.3.3 U3子層次權(quán)重

由表4計(jì)算其最大特征根λmax=3.018 3，隨機(jī)一致性比率CR=0.015 8＜0.10，符合要求。將特征向量歸一化后的權(quán)向量：

表3 U2子層次權(quán)重Table 3 Weight coefficients of sub hierarchy of U2

表4 U3子層次權(quán)重Table 4 Weight coefficients of sub hierarchy of U3

1.3.4 U4子層次權(quán)重

由表5計(jì)算其最大特征根λmax=4.095 3，隨機(jī)一致性比率CR=0.035 3＜0.10，符合要求。將特征向量歸一化后的權(quán)向量：

表5 U4子層次權(quán)重Table 5 Weight coefficients of sub hierarchy of U4

1.3.5 U5子層次權(quán)重

由表6計(jì)算其最大特征根λmax=4.114 4，隨機(jī)一致性比率CR=0.042 4＜0.10，符合要求。將特征向量歸一化后的權(quán)向量：

表6 U5子層次權(quán)重Table 6 Weight coefficients of sub hierarchy of U5

1.3.6 U6子層次權(quán)重

由表7計(jì)算其最大特征根λmax=3.018 3，隨機(jī)一致性比率CR=0.015 8＜0.10，符合要求。將特征向量歸一化后的權(quán)向量：

表7 U6子層次權(quán)重Table 7 Weight coefficients of sub hierarchy of U6

1.3.7 二級(jí)層次模型權(quán)重

由表8計(jì)算其最大特征根λmax=6.492 4，隨機(jī)一致性比率CR=0.079 4＜0.10，符合要求。將特征向量歸一化后的權(quán)向量：

A=[0.173 0.052 0.052 0.399 0.284 0.038]

2 治理前后邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)對(duì)監(jiān)測資料的分析，一級(jí)廠房后邊坡的變形主要集中于邊坡中上部，即高程280～370 m之間。因此，為比較邊坡治理前后穩(wěn)定性的變化，選取該部分邊坡作為研究對(duì)象。此外，為更好地突出治理措施完成前后邊坡穩(wěn)定性的變化并考慮降雨入滲的時(shí)效性，選擇治理前期的2009年7月下旬和治理完成后的2010年8月下旬兩次強(qiáng)降雨過后的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來源。由前述隸屬度的確定方法，前后兩次各指標(biāo)隸屬度取值見表9。

由上述權(quán)重向量、隸屬度表及式（1）可計(jì)算得如下子層次和總層次評(píng)判向量（表10～11）。

表8 二級(jí)層次模型權(quán)重Table 8 Weight coefficients of second hierarchy

表9 兩個(gè)時(shí)間段各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度取值Table 9 Membership values of each evaluation index in two periods

表10 2009年7月下旬各層評(píng)判向量Table 10 Judgment vectors of each hierarchy in late July,2009

表11 2010年8月下旬各層評(píng)判向量Table 11 Judgment vectors of each hierarchy in late August, 2010

由上述表格可以發(fā)現(xiàn)，2010年6月之后，包括坡面截（排）水溝、坡內(nèi)排水系統(tǒng)、坡腳錨固支護(hù)等一系列治理措施的完成與完善使得該邊坡的穩(wěn)定性得到了很大的提升。相應(yīng)于穩(wěn)定等級(jí)的可能性由24.7%大幅提高至66.6%，而相應(yīng)于基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、不穩(wěn)定的可能性由27.6%、36.8%和10.9%下降至17.5%、8.7%和7.2%。該結(jié)論與已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析相吻合，表明對(duì)邊坡所采取的治理措施取得了顯著的效果。

3 結(jié)語

針對(duì)地表和坡體內(nèi)部的外部和內(nèi)部變形監(jiān)測是邊坡破壞預(yù)防預(yù)測的常用手段，為更充分地利用得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用模糊數(shù)學(xué)方法，建立考慮多種因素的邊坡安全性綜合評(píng)判模型，以華光潭水電站一級(jí)廠房后邊坡主變形區(qū)（中上部）為研究對(duì)象，對(duì)治理前后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模糊綜合評(píng)判。根據(jù)綜合評(píng)判結(jié)果，加之其它監(jiān)測數(shù)據(jù)的側(cè)面印證可知，治理措施取得了預(yù)期的效果。

[1]崔政權(quán),李寧.邊坡工程:理論與實(shí)踐最新發(fā)展[M].北京：中國水利水電出版社,1999:1-2.

[2]黃清保.邊坡地質(zhì)災(zāi)害的多尺度監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)研究[D].南京:河海大學(xué),2013:21-22

[3]李洪興,汪群,段欽治,等.工程模糊數(shù)學(xué)方法及應(yīng)用[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,1993:132-133.

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[6]劉代文.基于模糊層次分析法的巖質(zhì)邊坡危險(xiǎn)性預(yù)測分析[J].路基工程,2014(2):6-7.

Application of fuzzy comprehensive evaluation method in effect evaluation of slope treatment

ZHAO Quan

Zhejiang Zheneng Huaguangtan Hydroelectric Power Co.,Ltd.

For water conservancy and hydropower projects,the stability of slope is a common issue,wor?thy of further study.Because the calculation parameters cannot be accurately chosen,the complex natu?ral and man factors that affect slope stability cannot be fully considered,the widely used mechanical cal?culation methods,such as limit equilibrium method,have certain limitations.In this paper,various un?certain factors affecting the slope stability are analyzed.Based on the monitoring data,fuzzy comprehen?sive evaluation method is used to evaluate the treatment effect of slope behind first powerhouse of Hua?guangtan hydropower station.The results show that the slope stability has been improved obviously after the treatment,and the expected effect has been achieved.

monitoring data;fuzzy mathematics;treatment effect;comprehensive evaluation

TV698.2

：B

：1671-1092（2017）04-0047-05

2015-07-06

趙權(quán)（1988-），男，浙江東陽人，助理工程師，主要從事水工安全監(jiān)測及維護(hù)工作。

作者郵箱：672490217@qq.com