基于云模型的路塹高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

李剛， 寧重陽

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

高邊坡由于受到水文地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)及施工擾動(dòng)等多種因素影響，施工中易出現(xiàn)滑坡和崩塌等安全事故，高邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成為一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。為此，發(fā)布了《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》等一系列技術(shù)規(guī)范和指南。一些學(xué)者也對(duì)高邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究，如涂圣文等提出了一種基于改進(jìn)CRITIC法與云模型的高速公路路塹高邊坡施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估模型；李煉利用專家調(diào)查評(píng)估法及指標(biāo)體系法從多種因素的角度對(duì)路塹高邊坡施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，提出不同形式公路路塹應(yīng)采取不同評(píng)價(jià)指標(biāo)；林俊勇運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法估計(jì)了路塹邊坡失穩(wěn)的可能性，建立了路塹邊坡失穩(wěn)可能性估計(jì)模型；張雷等構(gòu)建了邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，提出了邊坡工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；何海鷹等結(jié)合多條高速公路巖質(zhì)邊坡調(diào)查結(jié)果，確定了4類主要破壞模式，并針對(duì)破壞模式主要影響因素構(gòu)建了巖質(zhì)高邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)體系；吳忠廣等基于蒙特卡洛方法確定了邊坡施工總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并結(jié)合高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)傳遞路徑提出了總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；李典慶等基于子集模擬提出了邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，得到了邊坡失效概率和失效風(fēng)險(xiǎn)，給出了基于隨機(jī)有限元方法的邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程。由于高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)的不確定因素眾多，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程具有隨機(jī)性和模糊性，很難將兩者考慮齊全。為研究能同時(shí)考慮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估隨機(jī)性和模糊性的綜合評(píng)估方法，該文基于層次分析方法構(gòu)建高邊坡施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用云模型概念構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)，提出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

1 云模型

云模型可實(shí)現(xiàn)不確定性問題的描述及定性與定量之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，有效兼顧不確定性問題的隨機(jī)性和模糊性。

1.1 云模型數(shù)字特征

設(shè)U為具體數(shù)值構(gòu)成的定量論域，C為論域U上定性概念，對(duì)于任何元素x都具有穩(wěn)隨機(jī)數(shù)u(x)∈[0,1]與其對(duì)應(yīng)，稱為x對(duì)C的隸屬度。隸屬度u在定量論域U的分布構(gòu)成一朵云C(x)，則[x,u(x)]為云朵中的云滴。

云模型采用期望值Ex、熵En和超熵He3個(gè)數(shù)字特征來表示。數(shù)字特征可定量反映描述對(duì)象的定性特征，并構(gòu)成定性與定量概念之間的轉(zhuǎn)換模型。數(shù)值特征中的期望值Ex最能反映模糊概念在論域U上的中心值，熵En能反映定性概念的隨機(jī)概率和云滴的范圍，超熵He能反映云朵厚度和離散性。

1.2 高斯云模型

云模型的形態(tài)已發(fā)展出梯形云、三角形云、矩形云和高斯云等，并涉及到二維和三維形態(tài)，其中高斯云模型由于其普適性被廣泛應(yīng)用。這里主要采用高斯云模型進(jìn)行分析。

圖1 高斯云模型

圖2 正向云發(fā)生器

2 高邊坡施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 工程案例

某山區(qū)高速公路位于山嶺重丘區(qū)，地形陡峻，自然形成的溝谷較多，山間植被茂盛，種類繁多，地形、地勢(shì)較復(fù)雜，地表高程為462～501 m，高度差為39 m。屬亞熱帶地區(qū)，氣候溫和，年平均降水量為1 538.56 mm，年平均蒸發(fā)量為1 164.82 mm，降雨集中在每年3—5月，蒸發(fā)量主要集中在6—8月。

該地區(qū)地層巖性由上到下依次為：殘積土，厚度1～1.5 m；強(qiáng)風(fēng)化板巖，厚度1.5～4.0 m；中風(fēng)化泥質(zhì)板巖，厚度2.6～7.0 m；微風(fēng)化泥質(zhì)板巖，厚度范圍未探明。由于地勢(shì)、地貌因素，該公路建設(shè)存在高邊坡工程，以其中某處高邊坡工程為例進(jìn)行分析。該巖質(zhì)高邊坡高度為42.5 m，為巖層結(jié)構(gòu)面順向坡，邊坡上部巖層較松散，邊坡巖體沒有穿越破碎帶，地下水較發(fā)育，周邊100 m范圍內(nèi)不存在(構(gòu))建筑物。但由于巖層性質(zhì)、開挖擾動(dòng)和外部環(huán)境的影響，該邊坡工程誘發(fā)滑坡風(fēng)險(xiǎn)極高。

2.2 高邊坡總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

氣候條件、工程地質(zhì)條件、場(chǎng)地環(huán)境和邊坡高度是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。依據(jù)科學(xué)、獨(dú)立和完備原則，結(jié)合高邊坡工程施工特點(diǎn)，基于層次分析法構(gòu)建高邊坡工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系包含3層，結(jié)合高邊坡風(fēng)險(xiǎn)源將高邊坡施工過程的第一層次指標(biāo)劃分為氣候條件、工程地質(zhì)條件、場(chǎng)地環(huán)境和邊坡高度，然后將第一層指標(biāo)細(xì)分為第二層次指標(biāo)，這樣層層細(xì)分，形成圖3所示評(píng)估指標(biāo)體系，其中底層指標(biāo)共25個(gè)。

圖3 高邊坡施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

2.3 指標(biāo)權(quán)重確定

為反映主觀賦權(quán)的隨意性和客觀賦權(quán)的模糊性，采用語言變量(極重要、較重要、一般、次重要、不重要)來反映指標(biāo)的重要性。假設(shè)指標(biāo)權(quán)重的論域?yàn)閇0,1]，由專家對(duì)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)并將評(píng)價(jià)值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)云模型。云模型采用期望值Ex、熵En和超熵He來表示權(quán)重，如次重要的權(quán)重云為 (0.255,0.068,0.005)，表示次重要的權(quán)重期望值為0.255，權(quán)重的模糊性定量為0.068，權(quán)重的隨機(jī)性定量為0.005。表1為不同語言評(píng)價(jià)值及其對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)云模型。

通過8個(gè)行業(yè)專家(4個(gè)來至科研院所，2個(gè)為設(shè)計(jì)院項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，2個(gè)為施工單位項(xiàng)目負(fù)責(zé)人)對(duì)各子指標(biāo)進(jìn)行語言評(píng)價(jià)，各指標(biāo)的重要權(quán)重結(jié)合工程具體情況、個(gè)人認(rèn)識(shí)及經(jīng)驗(yàn)確定，然后通過討論確定各子指標(biāo)的最終權(quán)重云模型。該高邊坡各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重云模型見表2～4。

表1 指標(biāo)語言變量及其對(duì)應(yīng)云模型

表3 高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重云模型

2.4 指標(biāo)安全等級(jí)評(píng)價(jià)云模型

高邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)均為定性描述，采用定量數(shù)值來表示定性指標(biāo)會(huì)掩蓋其自身模糊性，影響評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，采用語言變量進(jìn)行描述，并轉(zhuǎn)化為高斯云模型來表示。依據(jù)《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為等級(jí)4(極高風(fēng)險(xiǎn))、等級(jí)3(高度風(fēng)險(xiǎn))、等級(jí)2(中度風(fēng)險(xiǎn))、等級(jí)1(低度風(fēng)險(xiǎn))，并結(jié)合平均法將4個(gè)語言評(píng)價(jià)等級(jí)轉(zhuǎn)化為云模型。

假設(shè)區(qū)間為[xmin,xmax]，各等級(jí)云為Ci(Exi,Eni,Hei)，上述云模型的數(shù)字特征算法為：

Exi=xmax(i-1)/3

(1)

Eni=(Exi+1-Exi)/6

(2)

表4 高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中工程地質(zhì) 條件各子指標(biāo)的權(quán)重云模型

(3)

定義有效論域?yàn)閇0,1]，He0通常為常數(shù)，取He0=0.005，得到指標(biāo)安全性評(píng)價(jià)語言所對(duì)應(yīng)的云模型及工程決策(見表5)。

表5 高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)安全性 評(píng)價(jià)語言及對(duì)應(yīng)云模型

風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與指標(biāo)安全等級(jí)評(píng)價(jià)云模型相對(duì)應(yīng)，如最安全對(duì)應(yīng)1級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。圖4為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的高斯云模型。

結(jié)合該工程實(shí)際情況，對(duì)高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)各指標(biāo)的安全性進(jìn)行語言評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6、表7。

圖4 高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)語言評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)云圖

表6 高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)安全性評(píng)價(jià)云模型

表7 高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中工程地質(zhì)條件各子指標(biāo)安全性評(píng)價(jià)云模型

2.5 整體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

依據(jù)圖2，采用加權(quán)方法計(jì)算得到上一級(jí)指標(biāo)的綜合評(píng)估云模型Ai=(a1,a2,...,ak)，其中ak表示第i層中指標(biāo)k的云模型結(jié)果，按下式計(jì)算：

(4)

依據(jù)上述計(jì)算方法，結(jié)合云模型計(jì)算方法得到高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估各指標(biāo)的評(píng)估云模型(見表8、表9、圖5)。

表8 高邊坡工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

表9 高邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

圖5 高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估云模型結(jié)果

從表8可看出：巖層性質(zhì)為該高邊坡的主要風(fēng)險(xiǎn)來源，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高，為3～4級(jí)，偏向3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)；地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地下水為次要風(fēng)險(xiǎn)因素，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為2～3級(jí)。

從表9可看出：工程地質(zhì)條件為該高邊坡的主要風(fēng)險(xiǎn)來源，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3～4級(jí)，偏向3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

依據(jù)最不利原則，選取一級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的最不利結(jié)果作為該高邊坡工程的施工總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，即3～4級(jí)，偏向于3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)通過3位行業(yè)專家對(duì)該高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)與云模型的一致，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為3級(jí)(見表10，)，與云模型評(píng)價(jià)準(zhǔn)則一致。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，該工程風(fēng)險(xiǎn)不可接受，必須采取風(fēng)險(xiǎn)管理和技術(shù)措施，并制訂預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的方案。

表10 專家法邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

3 結(jié)語

依據(jù)公路路塹高邊坡的工程特點(diǎn)，采用層次分析法構(gòu)建高邊坡施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并基于云模型提出公路路塹高邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)總體評(píng)估方法。將該方法應(yīng)用于某公路路塹高邊坡工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果表明工程地質(zhì)條件為該工程的主要風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高，為3～4級(jí)，偏向3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，模型判別結(jié)果與專家打分法結(jié)果一致，證明所提出的路塹高邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法能反映其施工總體風(fēng)險(xiǎn)，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

采用語言評(píng)價(jià)反映評(píng)估指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)安全等級(jí)，可兼顧評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊不確定性和隨意性；基于云模型基本理論和計(jì)算方法，將指標(biāo)權(quán)重和安全等級(jí)評(píng)價(jià)語言轉(zhuǎn)化為云模型，可實(shí)現(xiàn)定性概念的定量表述，保留了指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性特點(diǎn)。該方法的評(píng)估過程和結(jié)果較好地反映了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的隨機(jī)不確定和模糊不確定的特點(diǎn)，為高邊坡施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了一種合理新途徑。