基于組合賦權(quán)-云模型土石壩滲流安全風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)

唐斌斌，吳 楓，夏雪峰，王 盼

(1.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007；2.寶應(yīng)縣水務(wù)局，江蘇 揚(yáng)州 225800；3.宜興市芳橋街道水利農(nóng)機(jī)站，江蘇 宜興 214200)

我國(guó)水利水電的快速發(fā)展對(duì)促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，造福人民生活具有重要的意義。土石壩施工方便，是水利工程的重要建筑物。但土石壩滲流是水利工程常見(jiàn)現(xiàn)象，一旦發(fā)生滲流，將對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生極為嚴(yán)重的影響。土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)難度較大，主要原因是影響土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)的因素較多，難以全面考慮各個(gè)影響因素。

許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)土石壩滲流問(wèn)題進(jìn)行了研究。魏晶晶等[1]使用格子玻爾茲曼方法研究了不同壩體形狀下土石壩滲流問(wèn)題，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證與有限元法模擬結(jié)果較為一致。龐瓊等[2]在搜集大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，使用回歸分析方法，認(rèn)為土石壩滲流具有滯后效應(yīng)，并建立了效應(yīng)量模型。倪沙沙[3]在非飽和滲流理論基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法研究降雨雨強(qiáng)和時(shí)長(zhǎng)對(duì)土石壩滲流的影響。結(jié)果表明隨著時(shí)長(zhǎng)的增加，基質(zhì)吸力降低明顯。雷朋，李宗坤等[4- 5]分別使用模糊理論和LHS-MC方法預(yù)測(cè)土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)。廖井霞[6]采用事件樹(shù)法對(duì)土石壩滲水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前對(duì)土石壩滲流影響因素研究和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)較多，而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)影響評(píng)價(jià)較少，本文采用組合賦權(quán)-云模型的方法對(duì)土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)和開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性等級(jí)

土石壩滲流受多個(gè)因素影響，最為重要的是其所處的工程地質(zhì)環(huán)境；除此之外，包括人類(lèi)工程活動(dòng)、降水等條件。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料和前人研究成果[7- 8]基礎(chǔ)上，選取壩體因素(X1滲透坡降、X2滲流量、X3浸潤(rùn)線位置、X4異常滲流、X5防滲排水)、壩基因素(X6滲透坡降、X7滲流量、X8異常滲流、X9防滲排水)、壩肩因素(X10滲透坡降、X11滲流量、X12地下水位)這11個(gè)指標(biāo)作為土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為5級(jí)，Ⅰ～Ⅴ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)由高到低，評(píng)估區(qū)間為(0，2)(2，4)(4，6)(6，8)(8，10)。評(píng)價(jià)指標(biāo)也按此分布，取值可根據(jù)專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)打分。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 云模型-組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型

2.1 云模型

李德毅[9]在1995年提出了云模型的概念，現(xiàn)應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、算法改進(jìn)、數(shù)據(jù)挖掘、智能控制等各個(gè)行業(yè)，效果顯著。

影響邊坡穩(wěn)定性因素眾多且影響程度各不相同。之前許多方法只為了解決隨機(jī)性或者模糊性問(wèn)題，對(duì)不確定問(wèn)題尚未解決。對(duì)于不確定性的表現(xiàn)，云模型具有一定的優(yōu)勢(shì)，采用云模型方法可將不確定性變?yōu)榇_定度量值。

2.2 組合賦權(quán)

(1)Roughset理論優(yōu)化層次分析法

20世紀(jì)70年代Satty[10]提出層次分析法(AHP)，應(yīng)用于確定不同層次的指標(biāo)權(quán)重。該方法簡(jiǎn)便，但受人為影響較大而存在誤差。為此，使用Roughset理論[11]對(duì)層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，使得選取的權(quán)重結(jié)果更加客觀。

計(jì)算方法如下：

σCB(A)=γC(B)-γC-A(B)

(1)

式中，σCB(A)—屬性集C中去掉A后對(duì)B的影響程度；γC(B)—屬性B對(duì)屬性集C的關(guān)聯(lián)度；γC-A(B)—屬性B對(duì)去掉了屬性A后的屬性集的關(guān)聯(lián)度。將式(1)的計(jì)算結(jié)果兩兩相除，可得到相對(duì)的重要程度：

(2)

(2)熵值法

熵可以定量表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序和有效性。邊坡穩(wěn)定性具有多變性，時(shí)間、地點(diǎn)不同穩(wěn)定性也可能不同。傳統(tǒng)方法較難客觀賦權(quán)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。使用熵值法，構(gòu)建矩陣，減小了賦權(quán)過(guò)程中人為主觀影響。

(3)

(4)

式中，yj—指標(biāo)值；p—指標(biāo)個(gè)數(shù)。

綜上所述，可采用式(3)、(4)求出各指標(biāo)權(quán)重。

(3)評(píng)價(jià)方法

采用組合賦權(quán)的方法，對(duì)選取的定性定量指標(biāo)賦予權(quán)重。設(shè)Roughset理論改進(jìn)層次分析法得到權(quán)重為wi′，熵值法計(jì)算得到的權(quán)重為wi″，設(shè)層次分析法和熵值法權(quán)重的距離函數(shù)為d(wi′，wi″)，其表達(dá)式為:

(5)

組合權(quán)重為wz：

wz=αwi′+βwi″

(6)

式中，α,β—分配系數(shù)，滿足以下條件：

d(wi′，wi″)2=(α-β)2

(7)

α+β=1

(8)

各指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 云模型參數(shù)的選取

在選取了評(píng)價(jià)指標(biāo)的條件上，汪明武等[13]提出了云參數(shù)(Ex，En，He)的求解公式：

(9)

式中,Bmax，Bmin—分別為某等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最大和最小邊界；k—常數(shù)。為了評(píng)價(jià)結(jié)果清晰可辨別，作出以下修改，見(jiàn)表2。

表2 云模型的數(shù)字特征

2.4 評(píng)價(jià)云模型指標(biāo)的生成

使用云模型確定參數(shù)，使用云發(fā)生器對(duì)選取的12個(gè)指標(biāo)生成標(biāo)準(zhǔn)云云模型，如圖2所示。

計(jì)算某一評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)隸屬于云的確定度，結(jié)合權(quán)重，得到綜合確定度：

(10)

式中，δi—確定度；ωz—評(píng)價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重。根據(jù)綜合確定度值，土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)L的判別模型為：

L=max{U1，U2，…，Un}

(11)

圖2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云云圖

3 工程應(yīng)用

為了對(duì)模型適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證，選取了某項(xiàng)目的土石壩滲流(B1為例)，該壩壩頂長(zhǎng)為76.0m，寬為4.7m。最大壩高20.0m。在壩體各部位不只有測(cè)壓孔，用于對(duì)滲透坡降的監(jiān)測(cè)，并布置有滲流量監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)資料完備。本次監(jiān)測(cè)考慮為正常運(yùn)行的監(jiān)測(cè)。

使用云發(fā)生器確定該指標(biāo)隸屬于各級(jí)別的確定度：U(Ⅰ)=0.0，U(Ⅱ)=0.0，U(Ⅲ)=0.0319，U(Ⅳ)=0.6444，U(Ⅴ)=0.3247；因此，計(jì)算土石壩滲流等級(jí)隸屬于Ⅳ級(jí)。

由表3可知，B1～B5的穩(wěn)定性等級(jí)依次為，Ⅳ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；本文方法分析結(jié)果與工程地質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合，表明運(yùn)用本文方法對(duì)土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)是可靠的。

表3 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立組合賦權(quán)-云模型評(píng)價(jià)方法，對(duì)土石壩進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，獲取滲流安全風(fēng)險(xiǎn)情況，結(jié)論如下：

(1)在對(duì)89個(gè)土石壩資料收集和對(duì)計(jì)算土石壩滲流工程地質(zhì)條件調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取了12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。使用Roughset理論改進(jìn)層次分析法和熵值法組合得到每個(gè)指標(biāo)較為客觀的權(quán)重，并使用云模型的方法對(duì)土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)通過(guò)組合賦權(quán)方法確定了影響土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的主要因素為：滲流坡降、滲流量。土石壩B1～B5的穩(wěn)定性情況依次為：Ⅳ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，與實(shí)際工程情況相符合。工程實(shí)例的運(yùn)用表明，文中提出的計(jì)算方法對(duì)邊坡開(kāi)挖后穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方便簡(jiǎn)單、快捷有效，為土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)提供了一種新的方法

(3)該方法對(duì)土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)該方法處于初步研究階段，也存在以下需要解決的問(wèn)題：①怎樣更好劃分影響土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的因素；②怎樣選取評(píng)價(jià)指標(biāo)才能更好評(píng)價(jià)土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；③怎樣考慮不同指標(biāo)直接的互相影響；④樣本的選取怎樣才能更具有普遍適用性。