基于AHP-CRITIC的公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型

蘆 磊，張 斌，鄭 達(dá)

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059； 2.中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司，四川 成都 610031)

0 引 言

近年來，隨著中國“一帶一路”等重大倡議的實施，公路作為陸路交通大動脈所形成的交通網(wǎng)正在不斷擴(kuò)大。然而在公路施工時需對沿線自然邊坡進(jìn)行開挖，且公路的施工通常采用全線多標(biāo)段同時進(jìn)行，導(dǎo)致施工過程中伴隨的滑坡災(zāi)害具有數(shù)量多、災(zāi)害頻、危害大等特點。公路邊坡的變形失穩(wěn)問題不僅對沿線公路的建設(shè)周期影響巨大，也對相關(guān)區(qū)域居民的生活環(huán)境和生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。因此，為防止公路邊坡的突發(fā)性破壞，建立一套公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估體系，提前預(yù)防高風(fēng)險邊坡尤為重要。

當(dāng)前公路邊坡災(zāi)害評估方法主要包括以下3種：

(1) 基于三維地質(zhì)信息，采用GIS、3D-Slope等地理信息模型，利用空間插值、數(shù)據(jù)疊置等手段對邊坡進(jìn)行風(fēng)險評估[1-3]。該類方法利用可視化圖像，多角度地反映邊坡穩(wěn)定情況，然而該類方法前期工作復(fù)雜，缺乏工程實地的觀察，對于公路邊坡微小變形很難進(jìn)行準(zhǔn)確把握。

(2) 基于傳統(tǒng)定性分析，強(qiáng)度理論與可靠度理念，利用剛體極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性計算以對邊坡進(jìn)行評價[4-7]。根據(jù)現(xiàn)場分析，建立相應(yīng)的地質(zhì)模型后，通過大量計算進(jìn)行定量評價。該類方法工作量巨大，且只是對邊坡的本身進(jìn)行評價，對于邊坡風(fēng)險性評估并不全面，不適用于公路邊坡中。

(3) 基于傳統(tǒng)單一評價體系對公路邊坡進(jìn)行風(fēng)險評估。該類方法通過建立評估模型，計算評價指標(biāo)的權(quán)重，通過對邊坡各項指標(biāo)打分，進(jìn)行風(fēng)險評價，該類方法是目前最科學(xué)、快速的評價方法。然而單一的評價體系，例如通過熵值法[8-9]、模糊綜合評價法[10-11]、TOPSIS[12-13]等構(gòu)建評價模型或計算評價指標(biāo)權(quán)重等，對數(shù)據(jù)的利用并不全面，很難反映出數(shù)據(jù)波動性與相關(guān)關(guān)系對評價結(jié)果的影響。

鑒于上述方法存在各種不足，并且公路邊坡的影響因素與邊坡的失穩(wěn)破壞之間是非常復(fù)雜的非線性關(guān)系，本次研究考慮采用非線性分析方法。非線性分析方法可以通過建立數(shù)學(xué)模型，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進(jìn)行綜合評判。層次分析法(AHP)是相對成熟且應(yīng)用廣泛的非線性分析方法，主要通過數(shù)字大小信息，解決多目標(biāo)定性和定量分析相結(jié)合的問題[14]。有學(xué)者進(jìn)一步提出模糊層次分析法，并廣泛應(yīng)用于工程安全評估上[15-17]。其原理是將混亂系統(tǒng)里的所有影響因素通過分析，按一定的支配關(guān)系將其分組，構(gòu)建為有序的遞階層次結(jié)構(gòu)模型；將同一層的不同因素兩兩比較量化其權(quán)重值，通過歸一化處理，構(gòu)建出判斷矩陣。通過計算出判斷矩陣的最大特征值與相對應(yīng)的特征向量，得出同一層因素對上一層中某因素的權(quán)重值，最后進(jìn)行一致性檢驗校對[18]。CRITIC法則是利用數(shù)據(jù)本身的波動性與數(shù)據(jù)間相關(guān)關(guān)系，基于數(shù)據(jù)的變異性與沖突性兩項指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán)的方法。本文引入層次分析法(AHP)與CRITIC法，嘗試通過將公路邊坡失穩(wěn)破壞等定性分析與影響因素的定量分析相結(jié)合，構(gòu)建出公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型。該模型有利于公路運(yùn)營及建設(shè)期間迅速甄別出極高風(fēng)險邊坡，及時進(jìn)行有效支護(hù)與人群疏散，可為實際工程提供理論支撐。

1 土質(zhì)路塹邊坡變形破壞的影響因素

土質(zhì)邊坡地質(zhì)體單一，結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性與風(fēng)險性的影響因素卻非常復(fù)雜。土質(zhì)邊坡風(fēng)險性的影響因素總的來說包括以下兩方面：① 邊坡自然環(huán)境因素、綜合特征與災(zāi)害危害性；② 邊坡防護(hù)工程。

邊坡的形態(tài)特征主要包括邊坡的坡高、坡形、陡緩變化、公路斜坡橫坡高度以及坡度變化，其產(chǎn)生的不良演化對公路安全的影響是不同的。土體是構(gòu)成土質(zhì)邊坡的物質(zhì)基礎(chǔ)，其特征包括土體性質(zhì)、風(fēng)化程度與土體厚度，坡表是否存在孤石、浮石。不同的土體特征對不同邊坡的適宜性、耐久性、穩(wěn)定性存在差異影響。邊坡的變形破壞特征主要包括坡表是否存在變形跡象，以及變形跡象的范圍、特征，變形與公路的空間位置關(guān)系等。坡體所在區(qū)域的溫度變化、降雨量大小、暴雨臺風(fēng)等誘發(fā)因素也會對邊坡土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化起到重要的影響作用。以上均為邊坡綜合特征對邊坡潛在風(fēng)險評估的影響因素。邊坡的災(zāi)害危害對象即邊坡破壞后威脅的對象，包括公路沿途經(jīng)過的村莊、城鎮(zhèn)、工業(yè)園區(qū)等。由于每個邊坡涉及不同的潛在威脅對象以及規(guī)模，因此對邊坡潛在風(fēng)險程度的評估等級也存在較大差異。另外，已建邊坡防護(hù)設(shè)施是否出現(xiàn)破壞以及破壞程度也是公路邊坡風(fēng)險程度的重要影響因素。

2 公路土質(zhì)路塹邊坡評估體系

2.1 層次分析法建立評估模型

公路土質(zhì)路塹邊坡一般為開挖土質(zhì)邊坡和自然土質(zhì)斜坡。對于自然土質(zhì)斜坡，其風(fēng)險性是由多個復(fù)雜因素共同影響的，致使自然斜坡的風(fēng)險性評估相對復(fù)雜。例如，對于自然土質(zhì)斜坡，地下水的升降可以引起邊坡土體重度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化，使得自然斜坡出現(xiàn)變形現(xiàn)象，同時也會引起古滑坡的復(fù)蘇。因此，本文先引入層次分析法(AHP)，結(jié)合影響邊坡變形破壞的影響因素，總結(jié)歸納出對于自然土質(zhì)斜坡具有共性的風(fēng)險評估指標(biāo)。再引入CRITIC法，通過計算出指標(biāo)差異性與沖突性，優(yōu)化各項評估指標(biāo)的相對客觀權(quán)重，構(gòu)建公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型。

對于開挖土質(zhì)邊坡，其風(fēng)險性影響因子包括自然土質(zhì)邊坡的影響因子與人類防治工程措施的影響。不同防治工程措施的效用對于同一土質(zhì)邊坡的影響程度也不盡相同。因此，本文將引入指標(biāo)權(quán)重法，計算出已采取的不同防護(hù)工程措施在同一開挖土質(zhì)邊坡的相對權(quán)重，構(gòu)建防治工程評估子模型，完善公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估體系。

2.1.1評估方法指標(biāo)的選取

根據(jù)公路土質(zhì)路塹邊坡的破壞模式，結(jié)合土質(zhì)邊坡風(fēng)險性的影響因素，分析出對公路土質(zhì)路塹邊坡具有共性且對邊坡安全風(fēng)險性影響較大的因子。

首先應(yīng)篩選出具有決定性制約作用的因子。一旦邊坡出現(xiàn)該類因子，則邊坡的不穩(wěn)定性增加，安全風(fēng)險等級增加。通過對土質(zhì)邊坡影響因素的分析，總結(jié)出當(dāng)邊坡出現(xiàn)嚴(yán)重變形跡象，如后緣出現(xiàn)連續(xù)張開度大于0.5 m的裂縫、前緣出現(xiàn)明顯的土體鼓脹或位移、坡體出現(xiàn)異常錯臺和陡坎、坡表見大量縱向剪切裂縫等，則判定邊坡內(nèi)存在不穩(wěn)定關(guān)鍵因子。

確定關(guān)鍵因子后，對余下一般因子進(jìn)行分類篩選。通過量測，結(jié)合土質(zhì)路塹邊坡的穩(wěn)定性與危害性，即邊坡的綜合特征以及災(zāi)害危害性兩方面進(jìn)行評價。根據(jù)多個實際邊坡的現(xiàn)場勘察分析提取相應(yīng)的評估因子，如邊坡的穩(wěn)定性條件，包括邊坡的幾何特征、邊坡變形破壞特征、邊坡破壞歷史、地表水活動以及場地內(nèi)是否含有不良水文現(xiàn)象和不良地質(zhì)條件。邊坡的危害性評價因子，包括坡頂設(shè)施、坡腳設(shè)施、邊坡所在公路等級、邊坡對公路危害程度以及受災(zāi)人群等。該類因子對邊坡的穩(wěn)定性以及危害性起到重要影響作用。而其他因子對評估的變化影響不大，如坡表裂縫深度等將不作為評估指標(biāo)。

通過對評估因子的歸類篩選，綜合得到公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估的一般因子，共10個指標(biāo)如圖1所示。

圖1 層次分析法評估指標(biāo)Fig.1 AHP evaluation index

2.1.2層次分析評估模型的建立

根據(jù)上述選擇的評估指標(biāo)，結(jié)合層次分析法建立公路土質(zhì)路塹邊坡評估模型。其中邊坡綜合特征指數(shù)、邊坡災(zāi)害危害性評估為子模型；斷面幾何形態(tài)、變形破壞特征、破壞歷史、地表水活動、場地特征、坡頂設(shè)施、坡腳設(shè)施、公路等級、對公路危害以及受災(zāi)人群等為評估一級指標(biāo)，如圖2所示。

圖2 層次結(jié)構(gòu)分析模型Fig.2 Hierarchical analysis model

2.1.3層次分析法權(quán)重的計算

(1) 判斷矩陣的構(gòu)建。根據(jù)專家評判的方法，采用1～9倒數(shù)標(biāo)度法作為判斷尺度[14]，對比出同一子模型中各因素的兩兩比較量化結(jié)果，得出各子模型判斷矩陣，如表1所列。

(2) 特征向量即檢驗。計算出判斷矩陣的行乘積Ti：

(1)

表1 判斷矩陣標(biāo)度及含義

開n次方根，并按列歸一化，得到Hi：

(2)

(3)

得出判斷矩陣的特征向量：

(4)

計算判斷矩陣的最大特征值：

(5)

再進(jìn)行判斷矩陣一次性檢驗，計算出最大特征根值CI：

(6)

查表2得RI值后，通過CI/RI值檢驗矩陣是否通過。當(dāng)CR值<0.1時，檢驗通過；反之則不通過。

表2 各階層RI取值

由此可得特征向量ε1，ε2及權(quán)重向量ω′1，ω′2：

(7)

(8)

2.2 CRITIC法權(quán)重修正

在綜合評價的相關(guān)研究中，多數(shù)情況下會利用三類信息進(jìn)行評價，分別是：數(shù)據(jù)波動性、數(shù)據(jù)間相關(guān)關(guān)系和數(shù)字信息大小。而層次分析法只是利用了數(shù)字信息大小來進(jìn)行定量評價，為了使該評價模型更具有現(xiàn)實意義，為實際工程提供更科學(xué)的理論依據(jù)與方法，本文將引入基于數(shù)據(jù)波動性與數(shù)據(jù)間相關(guān)關(guān)系的CRITIC 法，計算出評價指標(biāo)客觀權(quán)重。該方法在1955年由Diakoulaki等[19]提出，是基于數(shù)據(jù)間的沖突性與變異性，指標(biāo)的重要程度并非數(shù)字越大越好，而是完全利用數(shù)據(jù)自身的客觀屬性，相較于熵權(quán)法更具優(yōu)越性[20]。

(1) 構(gòu)建出原始評估矩陣。設(shè)公路土質(zhì)邊坡評估樣本數(shù)為a，評估指標(biāo)數(shù)為b，第i個評估樣本的第j項評估指標(biāo)表示為tij，則構(gòu)建出原始評估矩陣：

T=(tij)a×b

(9)

(2) 原始數(shù)據(jù)中，為消除量綱對評估結(jié)果的影響，需對各指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理。當(dāng)各指標(biāo)中出現(xiàn)與評價結(jié)果呈正(負(fù))相關(guān)的評價指標(biāo)時，需對該指標(biāo)進(jìn)行正(逆)向處理。

正向處理：

(10)

逆向處理：

(11)

得到無量綱化評估矩陣：

T′=(t′ij)a×b

(12)

(3) 計算指標(biāo)差異性。在CRITIC法中，通常用標(biāo)準(zhǔn)差來表示指標(biāo)內(nèi)取值的差異波動，標(biāo)準(zhǔn)差越大則該指標(biāo)的數(shù)值差異越大，越能反映出更多的信息，則該指標(biāo)會分配更多的權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差：

(13)

其中：

(14)

(4) 計算指標(biāo)沖突性。指標(biāo)的沖突性是判斷指標(biāo)與其他指標(biāo)之間的重復(fù)性，通常用相關(guān)系數(shù)表示。指標(biāo)相關(guān)性越強(qiáng)，則該指標(biāo)與其他指標(biāo)的沖突性越小，反映出相同的信息越多，體現(xiàn)的評價內(nèi)容越有重復(fù)，則會減少該指標(biāo)分配的權(quán)重。

利用步驟(2)無量綱化處理后的評估矩陣T′，計算各指標(biāo)間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)矩陣R=(rmn)a×a：

(15)

再通過系數(shù)矩陣R，計算求得各評估指標(biāo)的沖突性：

(16)

(5) 評價指標(biāo)信息量的計算。評價指標(biāo)信息量越大，則該評價指標(biāo)在整個評價體系中作用也越大，分配得到更多的權(quán)重：

Cj=ζj×ξj

(17)

(6) 客觀權(quán)重的計算：

(18)

根據(jù)CRITIC法得到邊坡綜合特征子模型，邊坡災(zāi)害危害性子模型的客觀權(quán)重向量μ1和μ2以及層次分析法得到的權(quán)重向量ω1和ω2，取其平均值得到綜合權(quán)重向量ν1和ν2。

(19)

2.3 防護(hù)工程評估子模型

對于公路開挖土質(zhì)邊坡或者自然土質(zhì)邊坡，其安全風(fēng)險性仍然受人類防護(hù)工程措施的影響，且防護(hù)工程不同種類在土質(zhì)邊坡中起到的作用以及各自分配的權(quán)重也存在差異。因此在對土質(zhì)路塹邊坡自身特點以及天然危害性評價后，需對公路土質(zhì)路塹邊坡的防護(hù)工程進(jìn)行評估，完善公路土質(zhì)路塹邊坡的評價體系，如圖3所示。

圖3 公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型Fig.3 Risk assessment model of highway soil cutting slope

若邊坡已有防護(hù)工程措施，破損度需結(jié)合防護(hù)工程修筑歷史年代，各防護(hù)工程評估分?jǐn)?shù)與各項權(quán)重的積共同評估，具體公式為

(20)

式中：Kj為時間因子，取值如表3所列；A3j為第j項防護(hù)工程；ω3j為第j項防護(hù)工程的權(quán)重。

表3 邊坡防護(hù)工程時間因子Kj的取值

本文將采用指標(biāo)體系法確定各防護(hù)評估權(quán)重，將邊坡的防護(hù)工程重要性排序，綜合考慮防護(hù)工程破損對邊坡風(fēng)險的影響。公路邊坡的防護(hù)類型與重要性可劃分為支擋錨固設(shè)施>截(排)水措施>坡面防護(hù)措施。根據(jù)指標(biāo)體系法確定的各項防護(hù)工程權(quán)重ω，如表4所列。

表4 指標(biāo)權(quán)重指數(shù)取值

通過公式(20)，結(jié)合指標(biāo)體系法計算得到防護(hù)工程的破損度指數(shù)，最終計算得到公路土質(zhì)邊坡防護(hù)工程風(fēng)險評估指標(biāo)：

(21)

根據(jù)最終風(fēng)險評估得分，結(jié)合公路土質(zhì)路塹邊坡定量評價表判斷邊坡的安全性，如表5所列。

表5 公路土質(zhì)路塹邊坡定量評價

3 工程實例驗證

以上研究完成了基于AHP-CRITIC法的公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型構(gòu)建。為了驗證該模型的準(zhǔn)確性，選取公路沿線11個土質(zhì)邊坡工程實例進(jìn)行驗證，并選擇其中某一工程進(jìn)行風(fēng)險評估。

3.1 工程實例

廣東省S359省道起于深圳市大鵬新區(qū)南澳街道西涌，經(jīng)葵涌、龍崗、觀瀾、石巖終于深圳市寶安區(qū)創(chuàng)業(yè)立交，全程107 km。在對沿線11個土質(zhì)路塹邊坡進(jìn)行詳查后選擇典型邊坡進(jìn)行驗證。其中11個土質(zhì)路塹邊坡的風(fēng)險評估結(jié)果如表6所列，評價結(jié)果與專家評價結(jié)果相比準(zhǔn)確度達(dá)到90.90%。該邊坡位于S359省道K22+170～K22+335段右側(cè)，經(jīng)度為114.453777°，緯度為22.596049°，位于廣東省中南沿海地區(qū)，年平均氣溫22.4℃，年平均降雨量為1 970 mm，最大降雨量2 662 mm。該土質(zhì)邊坡長250 m，坡高30 m，平均坡度60°，坡頂角度30°，為5級開挖邊坡，如圖4所示。

表6 深圳市S359省道土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估

圖4 邊坡幾何特征示意Fig.4 Geometric characteristics of slope

邊坡上部為花崗巖全風(fēng)化形成的礫質(zhì)黏性土，底部為強(qiáng)風(fēng)化-微風(fēng)化的花崗巖，尤其第5級邊坡坡面可見強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖體；1～4級邊坡表面只有少量稀疏植被發(fā)育，坡頂部5級邊坡植被發(fā)育較好，以高 20～60 cm的草木植物為主，現(xiàn)場未見明顯變形特征，如圖5所示。

圖5 邊坡概況示意Fig.5 Profile of slope

5個等級的邊坡均采用漿砌片石(花崗巖)護(hù)坡，其中第5級邊坡增設(shè)人字骨架支護(hù)結(jié)構(gòu)；局部橫向排水溝淤積、堵塞嚴(yán)重。工程修建5 a以內(nèi)，治理措施基本完好、整體功效正常。該土質(zhì)邊坡威脅對象主要為公路以及來往車輛。

3.2 評估計算及結(jié)果分析

首先對該土質(zhì)路塹邊坡進(jìn)行綜合特征與災(zāi)害危害性評估。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件、變形跡象、天然特征以及威脅對象，結(jié)合公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型，分別對該邊坡10項評估指標(biāo)打分：

(22)

再與CRITIC法優(yōu)化后的評價權(quán)重相乘，則邊坡綜合特征指數(shù)A1=0.411，邊坡災(zāi)害危害性指數(shù)A2=0.447 3。

該邊坡現(xiàn)場防護(hù)工程措施為截(排)水措施和花崗巖片護(hù)坡，根據(jù)指標(biāo)權(quán)重法，可得截(排)水措施權(quán)重取0.75，坡面防護(hù)工程權(quán)重取0.25。時間因子Kj=1.0。由于截(排)水溝被雜物堵塞對功能影響較大，該防治工程破損指數(shù)A31=80，花崗巖片石護(hù)坡未見明顯變形，破損指數(shù)取A32=20。由公式(20)計算得A3=0.65。再根據(jù)公式(21)得到評估綜合得分A=0.119，邊坡風(fēng)險性為中風(fēng)險，與實際專家判斷結(jié)果相符。

4 結(jié) 論

本文以公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估為研究目的，對土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)影響因素進(jìn)行總結(jié)分析，提出致命性因子與10項評價指標(biāo)，引入層次分析法(AHP)與CRITIC法，構(gòu)建了公路風(fēng)險評估模型；結(jié)合指標(biāo)權(quán)重法提出邊坡防護(hù)工程的評估方法，完善公路土質(zhì)邊坡風(fēng)險評估體系。最后以深圳S359省道典型土質(zhì)邊坡為例進(jìn)行驗證，得到以下結(jié)論：

(1) 結(jié)合土質(zhì)邊坡破壞模式，總結(jié)出土質(zhì)邊坡變形破壞影響因子，且分別從邊坡天然條件、危害程度以及人類活動3個方面分析了土質(zhì)邊坡失穩(wěn)影響因素。

(2) 根據(jù)土質(zhì)邊坡的影響因素，綜合分析得到邊坡風(fēng)險評估指標(biāo)，包括：邊坡斷面幾何形態(tài)、變形破壞特征、破壞歷史、地表水活動、場地特征、坡頂設(shè)施、坡腳設(shè)施、公路等級、對公路危害程度以及受災(zāi)人群等10項評估指標(biāo)。

(3) 引入層次分析法構(gòu)建公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型，通過建立判斷矩陣，計算出矩陣的特征向量值以及權(quán)重值。并通過一次性檢驗，確保判斷矩陣的科學(xué)性。為使評估指標(biāo)權(quán)重具有客觀性，運(yùn)用CRITIC法，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)評估矩陣，采用對數(shù)據(jù)的無量綱化處理，計算相關(guān)系數(shù)、變異性指數(shù)、沖突性指數(shù)與信息量得到客觀權(quán)重。并引入權(quán)重指標(biāo)法，構(gòu)建公路土質(zhì)路塹邊坡防護(hù)工程評價子模型，由此完善了公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型。

(4) 通過對深圳市S359省道典型土質(zhì)路塹邊坡的風(fēng)險評估，驗證了該風(fēng)險評估模型的準(zhǔn)確性，其風(fēng)險評估結(jié)果與專家判斷結(jié)果的相似度達(dá)到90.90%，說明公路土質(zhì)路塹邊坡風(fēng)險評估模型較為可靠，對實際工程災(zāi)害評估具有一定參考意義。