基于層次賦權(quán)的特大危巖體爆破削方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型*

鄭 臻，祝文化，黃 建，夏元友

(武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

危巖體是一種典型的災(zāi)害地質(zhì)體，其失穩(wěn)坍塌具有突發(fā)性，尤其是在受到外界環(huán)境擾動(dòng)時(shí)極易產(chǎn)生崩塌，嚴(yán)重威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全與工程活動(dòng)[1]。

危巖體治理主要有主動(dòng)加固、被動(dòng)防護(hù)、削方及主被動(dòng)組合等方法，其中爆破削方是危巖體防治工程的重要措施，例如烏江雞冠嶺危巖體的治理[2]、黃石市板巖山危巖體的治理等[3,4]。危巖體爆破削方治理過程中，由爆破施工產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)危巖體的穩(wěn)定性及相關(guān)環(huán)境安全具有極大的影響，制約著危巖體治理工程的安全實(shí)施。因此，對(duì)危巖體爆破削方治理過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及控制尤為重要。針對(duì)爆破施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，董家興等選取危險(xiǎn)源自身、環(huán)境邊坡、觸發(fā)因素等建立了環(huán)境邊坡危險(xiǎn)源危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)體系[5]，王俊采用事故樹方法，進(jìn)行了露天煤礦爆破飛石危險(xiǎn)源辨識(shí)與分析[6]，陸瑜等采用云模型進(jìn)行了爆破振動(dòng)影響度評(píng)估研究[7]，但是對(duì)特大型危巖體，由于其自身地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及施工過程時(shí)間長、重復(fù)爆破次數(shù)多等特殊性，目前國內(nèi)外對(duì)此類工程的爆破施工風(fēng)險(xiǎn)分析及控制研究較少。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，風(fēng)險(xiǎn)源的確定、權(quán)重的賦值、判斷矩陣的形成等都存在極大的不確定性。層次分析法是目前在安全評(píng)價(jià)方面運(yùn)用較為廣泛的一種方法，可以進(jìn)行定性與定量的量化結(jié)合，求出最大特征值及對(duì)應(yīng)的特征向量。但層次分析法在各項(xiàng)指標(biāo)上的模糊性與隨機(jī)性上具有一定的局限性。云模型屬于不確定性人工智能范疇，可以度量指標(biāo)的模糊性與隨機(jī)性[8]。因此將云模型與層次分析法相結(jié)合，既能良好的進(jìn)行危險(xiǎn)源影響因素的分析及權(quán)重賦值，也能更充分的表征不確定性概念的模糊性與隨機(jī)性，結(jié)合甑子巖特大型危巖體爆破削方治理工程，建立基于云模型的特大危巖體爆破削方治理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，從而對(duì)危巖體治理過程中的危險(xiǎn)源影響因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，確保工程的安全實(shí)施。

1 云模型的基本理論

為了對(duì)具有模糊概念的問題進(jìn)行更準(zhǔn)確性的科學(xué)分析，李德毅院士提出了云模型理論，用于實(shí)現(xiàn)定性概念和定量值之間的不確定性轉(zhuǎn)換[9]。

1.1 云的定義

設(shè)U是一個(gè)精確數(shù)值表示的定量論域，C為U上的定性概念，若一個(gè)定量值x∈U，且x是C的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn)，x對(duì)C的確定度μ(x)∈[0.1]是有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)，則x在論域U上的分布稱為云，每一個(gè)x稱為一個(gè)云滴。

1.2 云模型的實(shí)現(xiàn)

采用正向正態(tài)云發(fā)生器來進(jìn)行計(jì)算。具體算法如下：

計(jì)算云模型的三個(gè)數(shù)字特征期望Ex、熵En、超熵He(其中超熵根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值)，期望Ex可通過下式算出

Ex=(Cmin+Cmax)/2

(1)

式中：Cmin、Cmax分別對(duì)應(yīng)等級(jí)區(qū)間的上、下限邊界值，而對(duì)于單邊界的情況，依據(jù)實(shí)測值的上、下限確定缺省邊界。

(2)

代入式(2)化簡得

En=(Cmin-Cmax)/2.355

(3)

根據(jù)已經(jīng)確定的Ex、En、He，運(yùn)用MATLAB程序生成云圖。

2 危巖體爆破削方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

特大型危巖體爆破削方治理不同于一般邊坡的爆破開挖，需考慮危巖體地質(zhì)條件，嚴(yán)格控制施工過程危巖體自身的穩(wěn)定性及其對(duì)環(huán)境的影響。根據(jù)類似工程及專家建議，從危巖體地質(zhì)條件、環(huán)境因素、爆破削方施工及施工管理四個(gè)方面來建立特大型危巖體爆破削方治理風(fēng)險(xiǎn)控制安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。主要包括危巖體規(guī)模、巖體條件、地形地貌、降雨、地震、爆破粉塵、爆破振動(dòng)、施工滾石、爆破飛石、爆破方案、施工隊(duì)伍素質(zhì)、安全監(jiān)測及火工材料運(yùn)輸?shù)?3個(gè)因子構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素集。如圖1所示[10-13]。

考慮危巖體巖體、環(huán)境條件以及對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)控制的接受程度，對(duì)各影響因素劃分為安全、基本安全、較不安全、不安全和極不安全5個(gè)等級(jí)。其中危巖體規(guī)模依據(jù)相關(guān)規(guī)范按危巖體體積進(jìn)行劃分；巖體條件依據(jù)危巖體中節(jié)理裂隙數(shù)量、地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造等來進(jìn)行分級(jí)；地形地貌依據(jù)危巖體寬度進(jìn)行分級(jí)；降雨采用觀測日前期降雨量均值；地震烈度根據(jù)中國地震烈度區(qū)劃圖給出；爆破粉塵根據(jù)爆破后空氣中粉塵的濃度來進(jìn)行分級(jí)；爆破振動(dòng)安全質(zhì)點(diǎn)振速及爆破飛石安全距離根據(jù)《爆破安全規(guī)程》及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范給出；施工滾石根據(jù)爆破后滾石的大小及數(shù)量等來進(jìn)行分級(jí)；施工管理根據(jù)檢查的力度、管理規(guī)章的制定、監(jiān)控的實(shí)施以及嚴(yán)格的檢查等方面進(jìn)行分級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為極低風(fēng)險(xiǎn)(0，2)，表明安全，不需要采取過多控制措施；低風(fēng)險(xiǎn)(2，4)表明基本安全，風(fēng)險(xiǎn)不明顯，采取少量針對(duì)性控制措施；中等風(fēng)險(xiǎn)(4，6)表明較不安全，有風(fēng)險(xiǎn)存在，需采取適度控制措施；高風(fēng)險(xiǎn)(6，8)表明不安全，風(fēng)險(xiǎn)明顯，需采取應(yīng)急處理措施；極高風(fēng)險(xiǎn)(8，10)表明極不安全，應(yīng)停止施工，人員和設(shè)備緊急撤離。

具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[14-18]。

表1 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及賦值Table 1 Grading standard and assignment

3 確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重

層次分析法可以在賦權(quán)的同時(shí)，對(duì)危險(xiǎn)源指標(biāo)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，提高確定權(quán)重的效率及準(zhǔn)確性。具體步驟如下。

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

將風(fēng)險(xiǎn)問題分解為不同的因素組，根據(jù)因素間的相互關(guān)系劃分為不同的層次，分別為需評(píng)價(jià)危巖體風(fēng)險(xiǎn)問題的目標(biāo)層、危險(xiǎn)源及影響因素。

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣是表示本層所有因素與上一層的某一因素進(jìn)行相對(duì)重要性的兩兩比較。從目標(biāo)層到影響因素有多少個(gè)相互關(guān)系，就要建立多少個(gè)判斷矩陣。

3.3 層次單排序及其一致性檢驗(yàn)

定義一致性比率來衡量矩陣的一致性

CR=CI/RI

(4)

式中：CI為一致性指標(biāo)，CI=(λ-n)/(n-1)，RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為矩陣A的不一致性在允許范圍內(nèi)，通過一致性檢驗(yàn)，可用最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量作為權(quán)向量，否則要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。矩陣的特征值與特征向量可以用MATLAB軟件進(jìn)行求解，提高了計(jì)算效率且更加準(zhǔn)確。

3.4 層次總排序及其一致性檢驗(yàn)

(5)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為層次總排序通過一致性檢驗(yàn)，否則需要重新調(diào)整那些不符合一致性的判斷矩陣的元素取值。

4 特大危巖體爆破削方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

(6)

根據(jù)表1的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過式(1)、(3)以及經(jīng)驗(yàn)取值得到的三個(gè)數(shù)字特征，畫出各個(gè)影響因素所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云圖。

根據(jù)甑子巖特大型危巖體削方治理工程實(shí)際的各項(xiàng)影響因素取值通過式(6)得到各因素隸屬度，計(jì)算各影響因素在各個(gè)安全等級(jí)下的隸屬度矩陣B=(μij)n×n。

將得到的權(quán)重矩陣W與隸屬度矩陣B通過模糊綜合評(píng)價(jià)理論進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而建立特大型危巖體治理過程中的安全評(píng)價(jià)矩陣Z，如下式所示

Z=WB=[W1,W2，…，Wn][μ1,μ2,…,μn]

(7)

通過最大隸屬度識(shí)別原則確定特大型危巖體治理過程中的安全等級(jí)，得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

5 實(shí)例分析

金佛山甑子巖危巖帶位于重慶市南川區(qū)，該區(qū)為構(gòu)造侵蝕地貌，危巖帶位于斜坡上部陡崖帶，分布數(shù)十處危巖體，由二疊系石灰?guī)r及頁巖組成，可能崩塌總規(guī)模為593.86×104m3，為特大型危巖帶。以W29、W23號(hào)危巖體為代表的兩級(jí)危巖帶，總體積約254.7×104m3。通過對(duì)W29、W23號(hào)危巖體穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)分析，為達(dá)到消除其對(duì)威脅范圍內(nèi)保護(hù)對(duì)象的安全隱患、阻止后側(cè)巖體的進(jìn)一步變形和確保位于甑子巖危巖帶下方的在建金佛山水庫大壩工程的安全，經(jīng)多方論證和治理方案比選，最終設(shè)計(jì)采用主體危巖體臺(tái)階式放坡清除、后緣臺(tái)階式放坡及封閉卸荷裂隙、綠化開挖坡面的治理方案。如圖2所示[19]。

由于特大型危巖體的爆破削方治理無類似工程借鑒，其爆破削方過程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及控制極為重要。為了保障施工安全，在爆破削方施工過程中，對(duì)爆破振動(dòng)、施工滾石、爆破飛石、爆破粉塵等均采取了嚴(yán)格的控制措施；對(duì)局部危巖體單體采取控制爆破措施進(jìn)行預(yù)處理；對(duì)危巖體施工過程的巖體變形及爆破振動(dòng)影響進(jìn)行跟蹤監(jiān)測等[19]。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及施工過程控制跟蹤，確定了特大危巖體爆破削方施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)各影響因素的安全等級(jí)，采用層次分析法賦權(quán)的云模型對(duì)特大危巖體爆破削方治理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.1 確定權(quán)重矩陣

根據(jù)建立的特大型危巖體爆破削方治理過程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)各影響因素按實(shí)際工程控制標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)資料記載進(jìn)行取值，通過層次分析法計(jì)算各影響因素的權(quán)重賦值，得到各個(gè)影響因素的權(quán)重系數(shù)，如表2，由各權(quán)重系數(shù)可構(gòu)建權(quán)重矩陣W。

表2 影響因素權(quán)重及實(shí)例取值Table 2 Influence factor weight and instance value

5.2 確定隸屬度矩陣

根據(jù)表1各影響因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算的權(quán)重賦值，通過式(1)、(3)計(jì)算確定云模型三個(gè)數(shù)字特征，云模型數(shù)字特征計(jì)算結(jié)果如表3所示；應(yīng)用MATLAB軟件生成各影響因素在不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下的正態(tài)云圖，如圖3所示。

表3 云模型數(shù)字特征Table 3 Cloud model digital features

通過式(6)計(jì)算各影響因素隸屬度，得到各影響因素隸屬度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各影響因素在相應(yīng)等級(jí)下的隸屬度Table 4 Membership degree of each influencing factor under the corresponding level

由表4可獲得各影響因素所處的安全等級(jí)。例如降雨，屬于安全的隸屬度為0.406，屬于基本安全的隸屬度為0.665，屬于較不安全的隸屬度為0.086，依據(jù)最大隸屬度原則，判定降雨因素處于基本安全等級(jí)。由各影響因素隸屬度可構(gòu)建隸屬度矩陣B。

5.3 特大危巖體治理評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)計(jì)算得到的權(quán)重矩陣W與隸屬度矩陣B進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到甑子巖特大危巖體爆破削方治理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合計(jì)算計(jì)算結(jié)果，如表5所示。

表5 特大危巖體爆破削方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of treatment of oversize dangerous rock mass

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在采取一定控制措施的條件下，甑子巖危巖體爆破削方治理施工階段各危險(xiǎn)源影響因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的安全等級(jí)綜合計(jì)算結(jié)果為：屬于安全的隸屬度為0.4811，屬于基本安全的隸屬度為0.425，屬于較不安全的隸屬度為0.1215，根據(jù)最大隸屬度識(shí)別原則，可以看出甑子巖危巖體爆破削方治理施工階段處于安全等級(jí)。

通過危巖體風(fēng)險(xiǎn)分析的方法，對(duì)施工過程中各危險(xiǎn)源進(jìn)行針對(duì)性控制措施的實(shí)施，各危險(xiǎn)源影響因素處于安全等級(jí)，保障了危巖體治理的安全實(shí)施。驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法的可行性，降低了模糊性與隨機(jī)性對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。已完成的危巖體治理如圖4所示。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)特大型危巖體爆破削方治理其特殊性，從危巖體地質(zhì)條件、環(huán)境因素、爆破削方施工及施工管理四個(gè)方面進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)，建立了特大型危巖體爆破削方治理風(fēng)險(xiǎn)控制安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)建立基于層次賦權(quán)的危巖體爆破削方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中，應(yīng)用層次分析法對(duì)各危險(xiǎn)源影響指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán)處理，可對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性和模糊性進(jìn)行綜合處理，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可通過云發(fā)生器生成風(fēng)險(xiǎn)云圖，簡單直觀。

(3)通過建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云模型對(duì)甑子巖特大型危巖體爆破削方治理過程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，能夠有效的進(jìn)行爆破施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，保障了危巖體治理施工安全。驗(yàn)證了該方法的可行性，可以為類似工程提供借鑒。