山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

戴哲 李元松 余再富 冉小青

摘要：山區(qū)高速公路工程建設(shè)具有周期短、地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，如果仍采用傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性研究方法和分析手段來開展研究會(huì)顯得過于繁瑣，因此必須尋求新的途徑與思路。基于模糊綜合評(píng)價(jià)法與層次分析法，提出了山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)的方法;在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS技術(shù)，通過ArcSDE連接數(shù)據(jù)庫SQL Server，在Visual Studio中以C#為編程語言，結(jié)合ArcGIS Engine研發(fā)了一套面向不同用戶的山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于烏尉高速公路沿線邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)分析。結(jié)果表明：該系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際具有高度的一致性，說明該系統(tǒng)具有一定的可靠性與實(shí)用性，在山區(qū)公路災(zāi)害防控方面具有廣泛的推廣價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：邊坡穩(wěn)定性;穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià);模糊綜合評(píng)價(jià)法;層次分析法;ArcGIS二次開發(fā);烏尉高速公路;山區(qū)高速公路

中圖法分類號(hào)：X43;P642.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4179（2021）09-0131-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.021

0 引 言

隨著中國西部大開發(fā)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的實(shí)施與逐步推進(jìn)，西部地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到快速發(fā)展。山區(qū)公路工程具有邊坡數(shù)量多、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。目前多數(shù)山區(qū)公路邊坡仍主要依靠人工進(jìn)行信息管理和數(shù)據(jù)處理，因勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低且易摻雜較多的人為影響因素等，導(dǎo)致邊坡信息資料的管理、分析與評(píng)價(jià)滯后于工程運(yùn)行需要，無法快速、精準(zhǔn)地對(duì)邊坡進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，從而直接影響公路邊坡的施工進(jìn)度及運(yùn)營效益。

近年來，隨著邊坡工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)高效率的發(fā)展需求，快速評(píng)價(jià)也進(jìn)入了自動(dòng)化、信息化時(shí)代。在快速評(píng)價(jià)方面，2007年石豫川[1]基于SMR體系與CSMR體系，建立了適合山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)的HSMR體系。2012年高俊[2]建立了受損林地安全穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)體系，提出了受損林地安全穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法。在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)方面，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)公路資源信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了諸多研究[3-5]，同時(shí)在山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)中得到了很多應(yīng)用，如2016年陳強(qiáng)等[6]借助MATLAB平臺(tái)，編制了松散體邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并對(duì)程序可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

上述系統(tǒng)多采用MATLAB平臺(tái)，VB、C++等語言進(jìn)行開發(fā)，且目前在快速評(píng)價(jià)與系統(tǒng)開發(fā)相結(jié)合上研究較少。本文根據(jù)山區(qū)公路快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)的要求與特點(diǎn)，運(yùn)用GIS技術(shù)，結(jié)合ArcGIS 10.2軟件的優(yōu)勢(shì)，通過ArcSDE 10.2連接大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 2014，在Visual Studio 2012中以C#為編程語言，結(jié)合ArcGIS Engine 10.2研發(fā)了一套面向不同用戶的山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

1 山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，首先對(duì)山區(qū)高速公路地形地質(zhì)方面的信息進(jìn)行綜合因素分析，建立山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;然后選取層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）確定各因素權(quán)重并利用隸屬函數(shù)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)量化;最終提出了山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法。

1.1 建立山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性影響因素較多，通常情況下分為主控因素及誘發(fā)因素。通過采用調(diào)查統(tǒng)計(jì)法、因素敏感度法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等方法研究表明[7-9]，巖體結(jié)構(gòu)、地層巖性、風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、坡體結(jié)構(gòu)、邊界條件、地下水、降雨強(qiáng)度、凍融狀態(tài)、地震烈度等諸因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性均有不同程度的影響。因此，綜合已有研究成果，本文建立了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

1.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及隸屬函數(shù)

AHP方法采用多位專家的經(jīng)驗(yàn)判斷與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，其結(jié)論相對(duì)可靠，且適于定性與定量因素相結(jié)合的決策問題。因此，本文使用AHP方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重[10]，并以烏尉高速公路沿線36個(gè)邊坡實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)作為樣本，利用專家法與三角函數(shù)法實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的量化[11]，如地層巖性指標(biāo)取值如表1所列，邊坡角度指標(biāo)取值采用三角形隸屬函數(shù)[10]，如表2所列。其中地下水、降雨強(qiáng)度等動(dòng)態(tài)變量因素可按范圍取值進(jìn)行分級(jí)。

表2中X代表邊坡角度的實(shí)測(cè)值，X1表示轉(zhuǎn)換分值，隸屬度F（F1～F5）根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

AHP方法先構(gòu)造比較判斷矩陣，并進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗(yàn)后得到3級(jí)指標(biāo)的權(quán)重[12]，即一級(jí)指標(biāo)WP=w1，w2，w3=0.4，0.3，0.3，二級(jí)指標(biāo)WS1=w11，w12，w13=0.4，0.3，0.3，WS2=w21，w22，w23=0.3876，0.2466，0.3658，WS3=w31，w32，w33，w34=0.2632，0.3684，0.1579，0.2105，三級(jí)指標(biāo)WT=w211，w212，w213=0.2500，0.4167，0.3333。

1.3 邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法

本文所建立的邊坡穩(wěn)定性評(píng)判模型屬于3級(jí)模糊層次綜合評(píng)判模型。先對(duì)三級(jí)指標(biāo)進(jìn)行2級(jí)模糊評(píng)判：

式中：WT為Y22對(duì)應(yīng)的3級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量;Dl為單因素評(píng)判矩陣;“”為模糊算子。算法為加權(quán)平均，考慮各因素的作用。將所得2級(jí)模糊綜合評(píng)判結(jié)果B作為3級(jí)評(píng)判模糊關(guān)系矩陣，與二級(jí)指標(biāo)權(quán)重WSl進(jìn)行模糊運(yùn)算：

將所得1級(jí)模糊綜合評(píng)判結(jié)果B′作為2級(jí)評(píng)判模糊關(guān)系矩陣，與一級(jí)指標(biāo)權(quán)重WP進(jìn)行模糊運(yùn)算：

邊坡穩(wěn)定性等級(jí)分為Ⅰ級(jí)穩(wěn)定、Ⅱ級(jí)較穩(wěn)定、Ⅲ級(jí)基本穩(wěn)定、Ⅳ級(jí)欠穩(wěn)定、Ⅴ級(jí)不穩(wěn)定。依據(jù)最大隸屬度原則，B″中最大值即對(duì)應(yīng)邊坡穩(wěn)定性等級(jí)。

2 山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)研發(fā)

運(yùn)用GIS技術(shù)，結(jié)合ArcGIS 10.2軟件的優(yōu)勢(shì)，通過ArcSDE 10.2連接大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 2014，在Visual Studio 2012中以C#為編程語言，結(jié)合ArcGIS Engine 10.2研發(fā)一套面向不同用戶的山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

2.1 組件式GIS二次開發(fā)技術(shù)

GIS二次開發(fā)通常有3種方法：獨(dú)立二次開發(fā)、宿主型二次開發(fā)、組件式二次開發(fā)，本文選用組件式GIS二次開發(fā)技術(shù)。組件式將GIS功能模塊分為多種獨(dú)立功能的組件（AxMapControl、AxTOCControl、AxToolbarControl、AxLicenseControl）[13]，各組件通過可視化軟件開發(fā)工具集成，形成最終的GIS基礎(chǔ)平臺(tái)及軟件系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)（RESHSMA）采用標(biāo)準(zhǔn)的3層Client/Server體系：應(yīng)用層、邏輯層、數(shù)據(jù)層[14]，如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能是對(duì)原始的地質(zhì)資料進(jìn)行管理、計(jì)算和分析，并提供對(duì)原始數(shù)據(jù)信息、成果信息及其他相關(guān)信息的查詢及打印等，其主要功能如下。

（1）用戶管理。該模塊可實(shí)現(xiàn)添加用戶、修改密碼和刪除用戶等基本功能，在不同的用戶登錄系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)判斷該用戶的權(quán)限，比如管理員用戶具有全部功能權(quán)限，而普通用戶只有邊坡查詢、邊坡統(tǒng)計(jì)和打印等功能權(quán)限。

（2）數(shù)據(jù)管理。不同用戶可依據(jù)自身權(quán)限對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作。對(duì)于已經(jīng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的邊坡數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可提供不同的查詢方式來查詢結(jié)果。具有管理員權(quán)限的用戶，可以對(duì)其進(jìn)行修改、增加、刪除的操作，以保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

（3）邊坡分析。該模塊可通過多種評(píng)價(jià)方法對(duì)具體邊坡進(jìn)行快速穩(wěn)定性分析并給出邊坡質(zhì)量等級(jí)，隨即提出相應(yīng)的支護(hù)方案。

（4）系統(tǒng)管理。為了保證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的安全性，系統(tǒng)具有備份、維護(hù)和恢復(fù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的功能。

（5）打印。該模塊提供了生成報(bào)告的功能，用戶可選擇不同的文件格式打印輸出。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server 2014管理屬性數(shù)據(jù)，并通過ArcSDE（空間數(shù)據(jù)庫引擎）作為接口管理空間數(shù)據(jù)。ArcSDE是地理信息系統(tǒng)通向關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的接口，是數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用程序之間的一個(gè)中間件。它在現(xiàn)有的關(guān)系或?qū)ο箨P(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間擴(kuò)展，可以將空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)集成在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，允許用戶在多種數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中管理地理信息，實(shí)現(xiàn)信息共享[15]。

屬性數(shù)據(jù)主要為邊坡的基本信息，包括工程概況、地質(zhì)地層、巖土物理力學(xué)參數(shù)、幾何圖式、破壞模式、建議措施等。

空間數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)與地質(zhì)空間數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括獨(dú)庫公路、烏尉高速公路的遙感圖像，水系、公路、房屋等矢量數(shù)據(jù);空間地質(zhì)數(shù)據(jù)包括地層巖性分布（地層巖性界限、地層代號(hào)、產(chǎn)狀）、地質(zhì)構(gòu)造（斷層、褶皺、產(chǎn)狀）等矢量數(shù)據(jù)。

3 烏尉高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)域邊坡概況

烏尉高速公路合同段位于烏魯木齊西南，總體地勢(shì)起伏大，所穿越地區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜。里程樁號(hào)為K53+000～K78+000，共25 km。沿線共調(diào)查了36個(gè)邊坡，以巖質(zhì)邊坡為主。例如，其后峽1號(hào)大橋K53+030～K53+080邊坡，坡高61 m，整體坡度30°～35°。該邊坡為反傾巖坡，坡面產(chǎn)狀為280°∠30°，巖層面產(chǎn)狀為358°∠56°。表層強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理發(fā)育，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu);下部中風(fēng)化巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)。坡頂為山脊平臺(tái)，表面有第四系覆蓋，主要為含碎石、礫石土，厚0.5～1.5 m，松散到稍密。坡面兩側(cè)為泥質(zhì)硅質(zhì)巖形成的陡崖，陡崖局部存在危巖，極易形成崩塌。坡腳有崩坡積物堆積，長有雜草。

3.2 邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用如圖3所示。以該邊坡為例，其中圖3（a）為系統(tǒng)主界面，實(shí)現(xiàn)了組件式GIS二次開發(fā)技術(shù)，用戶可以新建工程并導(dǎo)入“.mxd”、“.dwg”等格式文件作為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)底圖。圖3（b）為邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)，用戶選擇所需評(píng)價(jià)的邊坡后，依據(jù)該邊坡的實(shí)際情況在路塹、路堤、路肩中進(jìn)一步細(xì)分邊坡類型，系統(tǒng)由用戶所選擇的邊坡類型自動(dòng)篩選出最適合該邊坡的3種評(píng)價(jià)方法。本次選擇模糊綜合評(píng)價(jià)法，用戶選擇影響因素類型后，即可得到邊坡穩(wěn)定性等級(jí)。

對(duì)研究區(qū)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所列。由表3可知：沿線30個(gè)巖質(zhì)邊坡中22個(gè)邊坡處于Ⅲ級(jí)基本穩(wěn)定狀態(tài)，占該類邊坡總量的73%，有8個(gè)邊坡處于Ⅱ級(jí)較穩(wěn)定狀態(tài)，占該類邊坡總量的27%，系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)果高度一致。由此可見，該系統(tǒng)能快速、精準(zhǔn)地進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，可以作為用戶對(duì)山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)的平臺(tái)。

4 結(jié) 語

本文通過采用調(diào)查統(tǒng)計(jì)法、因素敏感度法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等方法研究山區(qū)高速公路邊坡的特點(diǎn)，選取典型因素建立邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及隸屬函數(shù)后建立模糊綜合評(píng)判模型。并在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS技術(shù)，結(jié)合ArcGIS 10.2軟件的優(yōu)勢(shì)，通過ArcSDE 10.2連接大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 2014，在Visual Studio 2012中以C#為編程語言，結(jié)合ArcGIS Engine 10.2研發(fā)了一套面向不同用戶的山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)、儲(chǔ)存信息、生成及導(dǎo)出評(píng)價(jià)報(bào)告等功能。通過工程實(shí)際應(yīng)用，表明該系統(tǒng)具有一定的可靠性與實(shí)用性，在山區(qū)公路災(zāi)害防控方面具有廣泛的推廣價(jià)值與意義。

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（編輯：劉 媛）