涂圣文,趙振華,鄧夢雪,王 冰
(貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025)
公路橋梁、隧道和高邊坡是公路工程施工中的三大高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié),往往生產(chǎn)安全事故多發(fā)。對于山區(qū)高速公路而言,巖質(zhì)高邊坡工程尤為常見。爆破施工作為巖質(zhì)高邊坡的主要開挖方式,施工期間產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對邊坡坡體的穩(wěn)定性以及臨近重要構(gòu)筑物的安全具有一定的影響,其安全風(fēng)險(xiǎn)評估已成為山區(qū)高速公路建設(shè)過程中亟需解決的重要問題之一。
為了完善高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估體系,加強(qiáng)路塹高邊坡工程施工風(fēng)險(xiǎn)管理,我國交通運(yùn)輸部于2014 年12 月發(fā)布了《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指南(實(shí)行)》(以下簡稱《指南》)?!吨改稀穼⒏咚俟仿穳q高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估分為總體風(fēng)險(xiǎn)評估和專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評估兩個(gè)層面,并分別推薦了各層面采用的安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系和評估方法。但總體而言,《指南》所推薦的路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系和評估方法較為宏觀,缺乏針對巖質(zhì)高邊坡爆破施工這類專項(xiàng)工程的相關(guān)規(guī)定。
為了合理評估并有效控制巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn),近年來不少研究機(jī)構(gòu)和研究人員開展了一系列相關(guān)的研究工作。如陳江基于Abaqus 有限元軟件,建立了隧道—邊坡三維數(shù)值計(jì)算模型,研究了大斷面公路隧道洞口段爆破開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響特征;陶張志等結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,在保障施工安全、質(zhì)量、效率和邊坡美觀的情況下,提出了一套行之有效的巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工技術(shù)方案;黃夢昌等采用現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法,研究了改擴(kuò)建工程中爆破振動(dòng)對既有邊坡巖體損傷的影響機(jī)理;何忠明等綜合考慮邊坡高度、坡形坡率、地質(zhì)條件、爆破設(shè)計(jì)方案、爆區(qū)環(huán)境以及安全監(jiān)督與管理等因素,建立了基于集對可拓粗糙集方法的高邊坡爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型。
總體上來看,現(xiàn)有的研究多是采用數(shù)值模擬方法來分析爆破施工對高邊坡穩(wěn)定性的影響。但由于巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)的影響因素眾多,不僅有地質(zhì)方面的因素,而且還有設(shè)計(jì)方案和施工管理等方面的因素,其中許多因素很難量化并具有一定的隨機(jī)性和模糊性,因此單一的數(shù)值模擬方法很難綜合考慮這些因素。為了綜合考慮巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估問題的區(qū)間模糊性、隨機(jī)性和離散性特征,本文借鑒云模型改進(jìn)的物元評估模型,構(gòu)建了巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估不確定分析模型,使得評估結(jié)果更具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性和客觀性。
本文構(gòu)建的巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系中評估指標(biāo)的選取參照《指南》中推薦的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)文獻(xiàn),采用主成分分析法、專家咨詢法等綜合確定,最終確定的安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系包括邊坡規(guī)模、地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)因素和環(huán)境及管理因素四個(gè)方面共計(jì)6個(gè)評估指標(biāo),詳見圖1。
圖1 巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系Fig.1 Safety risk assessment index system for blasting construction of rock high slope engineering
C
和坡形坡率C
為量化評估指標(biāo),其中邊坡高度是決定路塹邊坡爆破施工難度的直接因素,邊坡越高,爆破施工難度越大,其安全風(fēng)險(xiǎn)也越高;坡形坡率以路塹邊坡超過所在自然斜坡比擬坡度值Δα
來表示(參照《指南》中的建議),Δα
值越大,表明邊坡越陡,爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)越高;地質(zhì)條件C
、爆破方案C
、施工周邊環(huán)境C
和安全管理C
為定性評估指標(biāo),其量值的確定由專家按百分制打分法綜合確定。各評估指標(biāo)具體等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。表1 巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)
《指南》中對各評估指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定推薦采用重要性排序法,但由于該方法本質(zhì)上屬于主觀賦權(quán)法,其結(jié)果受人為因素的影響較大。為了減少評估指標(biāo)權(quán)重確定的工作量,并增加評估指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的客觀性,本文采用經(jīng)變異系數(shù)改進(jìn)的CRITIC法來確定評估指標(biāo)C~C的權(quán)重系數(shù),其主要步驟如下:
(1) 建立原始評估指標(biāo)矩陣=(x
)×(其中,x
為第i
個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件第j
個(gè)評估指標(biāo)的實(shí)測值或評分值;m
為待評事件數(shù)目;n
為評估指標(biāo)數(shù)目,本文中n
取6)。(1)
v
為各評估指標(biāo)的變異系數(shù),有:(2)
(4) 利用第(2)步得到的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,計(jì)算各評估指標(biāo)之間的Pearson相關(guān)系數(shù),并構(gòu)造相關(guān)系數(shù)矩陣=(r
)×(k
=1,2,…,6;j
=1,2,…,6),再由矩陣,按下式計(jì)算各評估指標(biāo)的獨(dú)立性系數(shù)η
:(3)
(5) 根據(jù)上述求得的各評估指標(biāo)的變異系數(shù)和獨(dú)立性系數(shù),由下式計(jì)算各評估指標(biāo)的重要性系數(shù)C
:(4)
上式表明:C
值越大,評估指標(biāo)j
在評估指標(biāo)體系中越處于中心地位,其重要性越高,應(yīng)賦予其較大的權(quán)重。因此,可由下式計(jì)算第j
個(gè)評估指標(biāo)的權(quán)重w
:(5)
如上文所述,高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)的影響因素較多,這些因素在一定區(qū)間內(nèi)往往具有模糊性、隨機(jī)性的分布特征,因此高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估屬于復(fù)雜的不確定分析問題。文獻(xiàn)[1]中采用了物元可拓方法來處理高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估問題,雖然物元理論通過關(guān)聯(lián)函數(shù)對事物特征進(jìn)行定量計(jì)算,能解決評價(jià)對象內(nèi)容不相容的問題,但由于其是將特征量值通過具體數(shù)值區(qū)間來確定,因而忽略了量值的隨機(jī)性和模糊性。而由李德毅院士在20世紀(jì)90年代提出的用來實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之間雙向轉(zhuǎn)換的云模型,則能有效克服以上缺陷。因此,采用云模型對傳統(tǒng)的物元理論進(jìn)行改進(jìn),構(gòu)建云化物元耦合模型,能夠發(fā)揮物元理論和云模型的組合優(yōu)勢,更加科學(xué)、全面地處理復(fù)雜不確定分析問題中的隨機(jī)性和模糊性,已經(jīng)在各類風(fēng)險(xiǎn)評估問題中得到了一定的應(yīng)用。
M
、事件屬性特征F
和事件屬性特征量值三者為集合來描述待分析的事件,以物元作為描述事件的基本元,形成一個(gè)有序三元組,記為=(M
,F
,V
),用矩陣可表示如下:(6)
傳統(tǒng)的物元模型中,=(M
,F
,V
)中的事件屬性特征量值通常被看作是確定的數(shù)值,而現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)評估事件中諸多屬性值則具有明顯的隨機(jī)性和模糊性,若用云模型的數(shù)字特征值(E
,E
,H
)代替特征量值V
,則可構(gòu)建云化物元模型如下:(7)
式中:E
為期望,代表著云重心的位置;E
為熵,表示云代表的定性概念的模糊程度;H
為超熵,主要體現(xiàn)樣本的隨機(jī)性,即云圖上云滴的厚度。云模型用這三個(gè)數(shù)字特征反映定性概念整體的定量特征。C
,C
]處理,根據(jù)下面正態(tài)云模型的轉(zhuǎn)換公式,可求出巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)各評估指標(biāo)分類等級(jí)界限云模型的期望E
、熵E
和超熵H
:(8)
(9)
H
=s
(10)
式中:C
、C
分別為評估指標(biāo)分類等級(jí)區(qū)間的最小值和最大值;s
為常數(shù),可結(jié)合巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)的模糊性、隨機(jī)性和實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。將表1中的各評估指標(biāo)分類等級(jí)區(qū)間量值代入公式(8)~(10),可計(jì)算得到各評估指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云模型的期望E
、熵E
和超熵H
,其計(jì)算結(jié)果見表2。在云模型參數(shù)的計(jì)算中,根據(jù)相關(guān)研究,s
值按s
=0.1E
選取。表2 巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)各評估指標(biāo)分類等級(jí)界限云模型參數(shù)值
根據(jù)云模型生成算法,結(jié)合表2中巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)各評估指標(biāo)的云模型參數(shù)值,通過Matlab模擬計(jì)算出各評估指標(biāo)的評估云圖,由于篇幅所限,這里僅給出邊坡高度評估指標(biāo)C
的評估云圖,如圖2所示。圖2 邊坡高度C1評估云圖Fig.2 Assessment cloud map for slope height C1
云模型與物元理論耦合后,傳統(tǒng)物元分析方法中的隸屬度函數(shù)就不再適用,需要根據(jù)云模型的相關(guān)算法來計(jì)算評估指標(biāo)的云關(guān)聯(lián)度。
(11)
根據(jù)公式(11),逐一計(jì)算出待評估指標(biāo)與安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云之間的云關(guān)聯(lián)度,可組成云關(guān)聯(lián)度矩陣:(12)
式中:k
為評估指標(biāo)C
與安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)l
之間的云關(guān)聯(lián)度;n
為評估指標(biāo)數(shù)目,本文為6;l
為安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)序號(hào),本文為1~4的整數(shù)。(13)
式中:評估指標(biāo)權(quán)重向量由各評估指標(biāo)C~C的權(quán)重w
(j
=1,2,…,6)組成,w
由上文所述方法確定。對綜合評估向量中的諸元素b
,應(yīng)用加權(quán)平均法求得評估事件的綜合評估分?jǐn)?shù)r
:(14)
式中:h
為安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)l
的賦分值,本文對安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Ⅰ~Ⅳ分別賦予1、2、3、4分。由公式(14)計(jì)算得到的綜合評估分?jǐn)?shù)r
接近于哪個(gè)數(shù)值,安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)就評判為與該數(shù)值對應(yīng)的等級(jí)。(15)
(16)
式中:r
(x
)為第q
次計(jì)算得到的綜合評估分?jǐn)?shù)。由于均值E
,能反映巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評估分?jǐn)?shù),而標(biāo)準(zhǔn)差E
,則表達(dá)的是評估結(jié)果的離散性,其值越大,評估結(jié)果越分散。因此,定義置信度因子β
為(17)
上式表明:β
值越小,評估結(jié)果的分散性越小,評估結(jié)果越可靠。一般情況下,若β
<0.05時(shí)可認(rèn)為評估結(jié)果可信。本文以西南某山區(qū)高速公路項(xiàng)目8處巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估為例,闡述本文方法的應(yīng)用步驟和應(yīng)用效果。
首先,根據(jù)該項(xiàng)目爆破方案,統(tǒng)計(jì)得到該8處巖質(zhì)高邊坡工程的邊坡高度和坡形坡率參數(shù);再選取5位工程建設(shè)、安全管理及爆破工程等領(lǐng)域的專家,由專家根據(jù)實(shí)際情況對每處工程的地質(zhì)條件、爆破方案、施工周邊環(huán)境和安全管理4個(gè)評估指標(biāo)在0~100分之間進(jìn)行打分后取平均值,整理后得到該高速公路項(xiàng)目巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)各評估指標(biāo)的原始評分值,見表3。
表3 某高速公路項(xiàng)目巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)各評估指標(biāo)的實(shí)測值或評分值
然后,采用基于改進(jìn)的CRITIC法確定各評估指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)公式(1)~(5)求得邊坡高度C
、坡形坡率C
、地質(zhì)條件C
、爆破方案C
、施工周邊環(huán)境C
和安全管理C
各評估指標(biāo)的權(quán)重為=[w
,w
,…,w
]=[0.119,0.192,0.161,0.164,0.211,0.154]。最后,根據(jù)第2.2~2.4節(jié)所述的評估方法,編制安全風(fēng)險(xiǎn)評估的Matlab程序,分別計(jì)算上述8處巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。該程序的主要計(jì)算步驟如下:①根據(jù)表2中各評估指標(biāo)分類等級(jí)界限云模型的3個(gè)數(shù)字特征,讓每個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對應(yīng)一朵云,利用正態(tài)云發(fā)生器生成4朵正態(tài)云,其中邊坡高度C
的4朵正態(tài)云見圖2;②針對每個(gè)評估案例,分別輸入表3中6個(gè)評估指標(biāo)的實(shí)測值或評分值,根據(jù)公式(11)計(jì)算求得各評估指標(biāo)與安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云之間的云關(guān)聯(lián)度;③按第1.3節(jié)方法求得各評估指標(biāo)的權(quán)重值,根據(jù)公式(13)求得各案例的綜合評估向量,并根據(jù)公式(14)求得各案例的綜合評估分?jǐn)?shù);④為了減少隨機(jī)因素的影響,按上述步驟重復(fù)計(jì)算100次,根據(jù)公式(15)和(16)計(jì)算得到綜合評估分?jǐn)?shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,并根據(jù)公式(17)求得置信度因子,以判斷評估結(jié)果的可信度,具體計(jì)算結(jié)果見表4。此外,為了檢驗(yàn)本文所述方法的有效性,采用傳統(tǒng)物元法、云模型法、集對分析法3種常用方法對上述8處巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了評估,具體評估結(jié)果見表4。表4 8處巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果
由表4可知,本文方法的評估結(jié)果與傳統(tǒng)物元法、云模型法、集對分析法3種常用方法的評估結(jié)果基本吻合,且各評估案例的置信度因子均小于0.05,表明本文提出的云化物元耦合模型方法應(yīng)用于巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估是合理、有效的。
將本文云化物元耦合模型方法與傳統(tǒng)物元法、云模型法、集對分析法單獨(dú)進(jìn)行了比較,其評估結(jié)果均具有較高的相似性。其中,本文方法與傳統(tǒng)物元法和集對分析法相比,有87.5%的評估結(jié)果是相同的;本文方法與云模型法相比,有75%的評估結(jié)果是相同的。同時(shí),根據(jù)表4中4種方法評估結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析可知,案例1、案例4、案例6評估結(jié)果為Ⅲ級(jí)的最多,案例2、案例3、案例7評估結(jié)果為Ⅱ級(jí)的最多,案例5評估結(jié)果為Ⅰ級(jí)的最多,案例8評估結(jié)果為Ⅳ級(jí)的最多。由此可以看出,各案例評估結(jié)果最多的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與云化物元耦合模型方法的評估結(jié)果完全相同,說明本文云化物元耦合模型方法較其他評估方法的評估結(jié)果更具有代表性。
此外,本文云化物元耦合模型方法通過采用綜合評估分?jǐn)?shù)均值E
,來界定安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),相較于其他評估方法,能夠提供評估案例更多的綜合信息。例如案例1和案例4,采用云化物元耦合模型方法對其進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)其評估結(jié)果均為Ⅲ級(jí),但案例4的綜合評估分?jǐn)?shù)均值3.11高于案例1的綜合評估分?jǐn)?shù)均值2.56,表明案例4的爆破施工危險(xiǎn)性要高于案例1。分析表3中案例4和案例1的原始評分值可以看出,案例4和案例1的6項(xiàng)評估指標(biāo)的相對風(fēng)險(xiǎn)程度各有高低。其中案例4的邊坡高度、坡形坡率、地質(zhì)條件3個(gè)評估指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)程度要高于案例1,而案例1的爆破方案、施工周邊環(huán)境、安全管理3個(gè)評估指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)程度要高于案例4。由于云化物元耦合模型方法一方面保留了傳統(tǒng)物元理論善于解決評估指標(biāo)間不相容問題的優(yōu)點(diǎn),另一方面由于云模型的引入,可將巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估過程中的模糊性和隨機(jī)性實(shí)現(xiàn)量化轉(zhuǎn)換,從而準(zhǔn)確地反映爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估的不確定性特點(diǎn)。因此,采用本文的云化物元耦合模型方法對巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評估,比其他評估方法更加全面,且評估結(jié)果具有更高的可靠性。為了有效解決巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估這個(gè)復(fù)雜的不確定性問題,本文首先采用經(jīng)云模型改進(jìn)的云化物元耦合模型,充分發(fā)揮了物元理論和云模型的組合優(yōu)勢來處理巖質(zhì)高邊坡爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估中普遍存在的模糊性、隨機(jī)性和離散性特征;然后采用基于改進(jìn)CRITIC的客觀賦權(quán)法,基于評估指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)和評分?jǐn)?shù)據(jù),通過挖掘評估指標(biāo)的信息量和評估指標(biāo)之間的相關(guān)性來確定評估指標(biāo)的權(quán)重,使得評估結(jié)果更具有可信性;最后以某高速公路項(xiàng)目8處巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估為案例,闡述了本文方法的應(yīng)用步驟,并將本文方法的評估結(jié)果與傳統(tǒng)物元法、云模型法、集對分析法3種常用方法的評估結(jié)果進(jìn)行了對比分析,以檢驗(yàn)本文方法的應(yīng)用效果。結(jié)果表明:本文云化物元耦合模型方法的評估結(jié)果與3種常用方法的評估結(jié)果基本吻合,且各評估案例的置信度因子均小于0.05,說明本文提出的云化物元耦合模型方法應(yīng)用于巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估是合理、有效的;該云化物元耦合模型方法通過采用綜合評估分?jǐn)?shù)均值來判定安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),相較于其他評估方法,能夠提供評估案例更多的綜合信息,且比其他評估方法能夠更加全面地反映評估指標(biāo)間包含的不確定關(guān)系,使得評估結(jié)果具有更高的可靠性。
需要指出的是,巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估中,各評估指標(biāo)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和評估指標(biāo)的評分取值是否合理也會(huì)對評估結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此,在后續(xù)的研究中,還需進(jìn)一步補(bǔ)充和完善巖質(zhì)高邊坡工程爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系,并研究評估指標(biāo)評分取值及其安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)等問題,以進(jìn)一步提高評估指標(biāo)體系的科學(xué)性,增強(qiáng)評估結(jié)果的全面性和客觀性。