庫岸邊坡穩(wěn)定性等級快速評價方法研究

楊 輝

（和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田848000）

庫岸邊坡工程的穩(wěn)定性是保證水庫安全、 人民安居樂業(yè)的關(guān)鍵因素［1-5］。 庫水長期侵蝕沖刷及人類工程活動導(dǎo)致庫岸邊坡自身形態(tài)及其所處的工程地質(zhì)環(huán)境條件發(fā)生改變。 庫岸邊坡自身形態(tài)及所處環(huán)境發(fā)生改變導(dǎo)致庫岸邊坡穩(wěn)定性發(fā)生變化，原有評價結(jié)果已不能正確表明現(xiàn)狀庫岸邊坡的穩(wěn)定性情況，因此要提出一種快速、準(zhǔn)確評價庫岸邊坡穩(wěn)定性的方法極具研究意義［6］。

結(jié)合前人研究，選取影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的因素，使用組合賦權(quán)的方法獲取各因素的客觀權(quán)重，并結(jié)合云模型分析庫岸邊坡的穩(wěn)定性情況，獲取庫岸邊坡穩(wěn)定性等級。

1 確定評價指標(biāo)和庫岸邊坡穩(wěn)定性等級

庫岸邊坡的穩(wěn)定性受到多個因素的影響，主要包括外部環(huán)境因素和庫岸邊坡內(nèi)在因素，同時，人類工程活動也是影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的一個重要因素。 通過現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合自身經(jīng)驗的前人研究成果［7～8］，選擇7個因素作為庫岸邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)。主要包括：巖土體黏聚力和內(nèi)摩擦角、邊坡坡比、坡外和坡內(nèi)水位、邊坡荷載。 根據(jù)工程經(jīng)驗，可將庫岸邊坡穩(wěn)定性等級劃分為3級，Ⅰ-Ⅲ級表示穩(wěn)定性由低到高。 評價指標(biāo)體系如圖1，單指標(biāo)穩(wěn)定性等級劃分如表1。

圖1 評價指標(biāo)體系

表1 指標(biāo)評價等級

2 云模型—組合賦權(quán)評價模型

2.1 基于組合賦權(quán)各指標(biāo)權(quán)重獲取

2.1.1 粗糙集改進(jìn)層次分析法

為了研究不同層次的影響因素對最終結(jié)果的影響程度，Satty［9］提出了層次分析法。 在確定各層次權(quán)重中應(yīng)用較廣，計算簡單，但容易受到主觀因素影響。針對這種情況，Roughset理論［10］被提出，并用以改進(jìn)層次分析法，從而獲取更客觀、更準(zhǔn)確的權(quán)重值。計算方法及過程如式（1）：

式中 σCB（A）為集合C-A對B的影響；γC（B）為因素B與集合C的關(guān)聯(lián)性；γC-A（B）為因素B與集合A-C的關(guān)聯(lián)性。 相對權(quán)重計算方法為：

2.1.2 熵值法

庫岸邊坡穩(wěn)定性評價具有時空可變性。 使用熵值法獲取影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的因素的權(quán)重，即權(quán)重wj滿足0≤wj≤1，且可降低人為因素的影響，從而獲得相對客觀的權(quán)重如式（3）～式（4）。

式中 yji為指標(biāo)實際取值；p為影響因素總數(shù)。可通過式（3）～式（4）求取權(quán)重。

2.1.3 組合賦權(quán)方法

組合權(quán)重wz：

各指標(biāo)權(quán)重如表2。

表2 評價指標(biāo)權(quán)重

3 基于云模型庫岸邊坡穩(wěn)定性等級快速評價

3.1 云模型基本概念

云模型概念在1995年被提出［11］，近年來計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得云模型在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在風(fēng)險評價領(lǐng)域，得到了眾多學(xué)者的喜愛和專家信賴。

之前的許多方法可解決各評價因素之間的隨機(jī)性問題或模糊性問題，但庫岸邊坡穩(wěn)定性評價較為復(fù)雜，影響因素極多，針對其中的不確定性問題，目前尚不能完美解決。然而，云模型是一種針對不確定問題的解決方法，通過云模型處理，可將不確定性轉(zhuǎn)變?yōu)槎恐怠?/p>

3.2 云模型參數(shù)的選取

云模型參數(shù)計算如式（7）：

式中 Bmax，Bmin分別為某評價指標(biāo)的某等級邊界值；k為常數(shù)。

針對云模型參數(shù)求解中的不足，提出改進(jìn)求解方法如表3。

表3 云模型的數(shù)字特征

3.3 評價云模型指標(biāo)的生成

使用云模型確定參數(shù)，使用matlab正向云發(fā)射器獲取云模型圖，如圖2。

圖2 評價指標(biāo)云圖

計算某一評價指標(biāo)數(shù)據(jù)x0隸屬于云的確定度，同時考慮該評價指標(biāo)的組合權(quán)重，獲取最終的綜合確定度U，如式（8）：

式中 δi為確定度；ωz為評價指標(biāo)組合權(quán)重。

根據(jù)U值，確定庫岸邊坡穩(wěn)定性等級L，判別方法為：L=max{U1，U2，…，Un}。

4 工程應(yīng)用及方法驗證

結(jié)合新疆某小型水庫，以庫區(qū)周邊6處庫岸邊坡穩(wěn)定性評價為例進(jìn)行驗證。通過現(xiàn)場調(diào)查庫岸邊坡，獲取業(yè)內(nèi)權(quán)威專家給予的庫岸邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果。 同時，通過室內(nèi)力學(xué)試驗，獲取邊坡巖土體強(qiáng)度參數(shù)和邊坡基本特征。 黏聚力C=15.0kPa，內(nèi)摩擦角φ=15.3°，坡比1.5，坡高4.5m，坡前水位2.8m，坡內(nèi)水位1.3m，坡上外加荷載4.3kPa。

以指標(biāo)黏聚力15kPa，分析該值隸屬于不同穩(wěn)定性等級的確定度：U（Ⅰ）=0.0，U（Ⅱ）=0.2296，U（Ⅲ）=0.0，所以指標(biāo)黏聚力15kPa屬于Ⅱ級別。 綜合獲取該水庫周邊6處庫岸邊坡穩(wěn)定等級，從而驗證組合賦權(quán)—云模型方法在庫岸邊坡穩(wěn)定性評價中的適用性。6處庫岸邊坡的穩(wěn)定評價結(jié)果依次為：Ⅱ，Ⅱ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅰ，Ⅱ。 其評價結(jié)果與業(yè)內(nèi)專家現(xiàn)場評價結(jié)果和穩(wěn)定性計算結(jié)果較為一致，如表4。

表4 庫岸邊坡評價結(jié)果對比

因此，該方法在庫岸邊坡穩(wěn)定性快速評價中較為適用。

5 結(jié)語

（1）通過經(jīng)驗總結(jié)和資料收集，選取7個影響庫岸邊坡穩(wěn)定性等級的指標(biāo)，使用組合賦權(quán)方法獲取權(quán)重，黏聚力和內(nèi)摩擦角權(quán)重較大。

（2）使用云模型對新疆某小型水庫6處庫岸邊坡穩(wěn)定性等級進(jìn)行評價，結(jié)果為：Ⅱ，Ⅱ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅰ，Ⅱ。 通過對比，評價結(jié)果與專家評價和室內(nèi)計算結(jié)果較為一致。 該方法可適用于庫岸邊坡穩(wěn)定性快速評價中。