基于层次分析法的水利工程滑坡体稳定性评估方法分析

张丽萍

（大连市水务事务服务中心，辽宁 大连116001）

在水利工程实施的过程中， 为避免施工结果与预期的工程结果相差较大， 经常需对水利工程中可能出现的地质灾害进行评估与控制。 所谓的地质灾害是指，由于地质环境产生突发或是累加破坏，造成人员伤亡与财产损失的现象。在水利工程中，对其影响严重的就是滑坡灾害［1-2］。 这是一种灾害分布最广、 发生频率最高、 对水利工程危害最大的地质灾害，也是水利地质灾害防治的主要对象。

滑坡灾害多发于山地、河流沿岸、暴雨区、蓄水区等水利工程施工地段。 它是一种由边坡地质体组成的山体，在外力和内力的共同作用下，沿一个或多个角度，发生大范围的滑坡现象［3］。 水利水电工程边坡、水库岸坡、河道等每年都要发生滑坡事故，甚至造成重大灾害。 滑坡灾害不仅对当地自然环境造成影响，还会危害与威胁人民生命、财产安全及水利工程建设发展。因而在水利工程施工过程中，对其展开评估是非常重要的。在以往的水利工程施工中，常采用滑坡体稳定性评估方法完成对滑坡现象的控制工作，但往往达不到预想效果。因而，在此次研究中，将设计基于层次分析法的水利工程滑坡体稳定性评估方法，满足水利工程的使用要求。

层次分析法是将与评估结果有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的评估方法。 采用此方法对原有稳定性评估方法进行优化，可实现稳定性评估体系化，提升水利工程滑坡体稳定性评估的精准度。在此研究中，为保证层次分析法在滑坡体稳定性评估中的使用效果，将设定评估测试环节，将其与传统评估方法及采用文献［4］中模糊评价的评估方法进行对比，并分析3种方法的使用差异，以此确保文中设计方法的可靠性。

1 基于层次分析法的水利工程滑坡体稳定性评估方法设计

在此次研究中， 将水利工程滑坡体稳定性评估方法的设计过程建立在原有的滑坡体稳定性分析方法基础上，以此提升稳定性评估结果的可靠性。常见的滑坡体稳定性分析方法［5］如图1。

图1 滑坡体稳定性分析方法结构

在上述方法中， 定性分析法是最原始的滑坡体稳定性分析方法， 将其应用在稳定性评估时不需要计算，但使用效果不佳［6］。 因而，在此次设计中，采用定量分析法中的确定性方法作为评估方法的设计基础，并将其与层次分析方法相结合，提升评估结果的精度。

1.1 构建稳定评估指标体系

在此次设计中， 为保证层级分析法可在稳定性评估中正常使用，在评估前，对影响滑坡体稳定性的因素进行提取，并将其按照相应的类别进行分类，建立稳定评估指标体系，如表1。

表1 评估指标体系

在此次评估中， 将采用评估指标体系完成滑坡体稳定性评估。

1.2 水利工程滑坡体稳定性系数计算

除上述评价指标外， 在此部分采用滑坡稳定性分析方法，对待测水利工程滑坡体稳定性进行计算，并将此作为稳定性评估的重要组成部分之一。 在计算前，首先构建滑坡体三维模型，构建过程如图2。

图2 滑坡体三维模型构建

根据构建完成的滑坡体模型，计算滑坡推力。在此设计中，采用GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》［7-8］中公式完成计算过程。

式中 Ft为滑坡体的稳定性系数；β为滑坡体与水平面的夹角；Ai为滑坡体的抗滑力［9］；n为滑动面法向分力；χi为滑坡体内摩擦角；Di为滑坡体黏聚力；Pi为滑坡体长度；Bi为滑动面上的滑动分力， 当出现滑动时，此数据取值为负；αj为出现滑动时，下滑力的递增系数。 通过上述公式完成滑坡体稳定性系数的计算过程，并将其与滑坡体评估指标体系相结合，作为评估中的影响因素。

1.3 滑坡体稳定性评估

采用上述稳定性系数计算结果及稳定评估指标体系，引用层次分析法，完成对水利工程中滑坡体的稳定性评估。为保证评估过程具有可控性，对上述设计部分进行整合，并设定滑坡体稳定性评估流程如图3。

图3 滑坡体稳定性评估流程

采用上述滑坡体稳定性评估流程，结合层次分析法，实现对水利工程滑坡体稳定性的评估。 在层次分析法中， 需要将评估指标按照层级的方式进行排列，并对所有指标一一对比，构造标度及对比后的判断矩阵。 此次设计中采用常用的九度标度法［10-11］构建判断矩阵。 具体的标度构建过程可通过表2体现。

表2 滑坡体稳定性标度值

通过上述内容， 设定在R层因素下含有指标U1，U2，…，Un，则U层的判断矩阵如式（4）。

在此矩阵中，具有下述特征：

采用此矩阵，计算指标体系与稳定性系数权重，并完成稳定性评估。对判断矩阵进行标准化处理，则可得到确定最终值，如式（7）：

式中 wi为评估指标权重；n为判断矩阵Umn阶数。通过对此公式进行计算，可得出特征向量［12］的特征值，具体如式（8）：

式中 w为权重向量；（Uw）i为判断矩阵中的第i个元素。 采用此公式结合判断矩阵，完成对滑坡体的稳定性评估。 在评估结束后，采用一致性指标［13-14］确定计算的可靠性。

在此次设计中增加相对一致性［15］判定，则有：

当CR＞0.1时，评估结果有误；CR＜0.1时，评定结果正确。

CI值在求特征向量时已得到，RI值则直接查表得出。当CR＞0.1时，评估结果有误；CR＜0.1时，评定结果正确。 随机一致性RI如表3。

表3 随机一致性RI

1.4 评估结果等级划分

通过上述部分，完成了滑坡体的稳定性评估，为将评估结果显示为具象化的等级， 对获取到的评估结果进行等级划分。 为保证结果化划分的有效性，采用赋值方式完成等级划分，设定评估结果可分为5种等级，分别为X={X1，X2，X3，X4，X5}，并设定相应的分值X={20，40，60，80，100}，则具体评估结果等级划分如表4。

表4 评估结果等级划分

通过上述设定， 对滑坡体稳定性评估结果进行划分，并采取相应的措施对其进行控制。 至此，基于层次分析法的水利工程滑坡体稳定性评估方法设计完成。

2 评估方法测试

在上述部分中， 完成了基于层次分析法的水利工程滑坡体稳定性评估方法的设计过程， 为保证此方法的使用效果，构建评估方法测试环节，对此方法展开测试。

2.1 测试对象

在此次测试中， 将某水利工程中的某段滑坡体作为测试对象， 采用专业的水利测绘工具对此段滑坡体的相关数据展开量测和计算。 具体水利工程滑坡区范围如图4。

通过测量与计算得出此工程中的滑坡体特征数据集如表5。

采用上述数据计算得出此滑坡体的体积与面积，对此滑坡体展开稳定性评估。

图4 测试工程滑坡体示意图

表5 滑坡体特征数据集

2.2 测试环境

在此测试中，将采用文中设计方法、传统方法及采用模糊评价法设计的评估方法对上述测试对象进行评估。为保证测试过程不受到外界因素影响，在对三种方法进行测试过程中， 采用相同的滑坡体测量设备及计算设备，确保测试过程的一致性。

在此次测试中， 将测试状态设定为两种不同的状态，分别为：滑坡体内应力的天然状态及滑坡体内应力的饱和状态，以此提升测试结果的科学性。

2.3 测试指标

针对原有评估方法在使用中出现的问题，在此次测试中，设定评估结果误差值作为测试指标。 通过对三种不同评估方法的评估结果误差值展开研究，对比文中设计方法与其他两种不同方法的使用差异。

2.4 评估误差值测试结果

评估误差值测试结果如图5。

图5 评估误差值测试结果

通过上述测试结果可知， 在滑坡体内应力的天然状态时，三种方法的评估误差都比较高。但文中设计方法误差值低于原有方法及采用模糊评价方法设计的评估方法误差值。 当滑坡体内应力呈饱和状态时，三种方法的评估误差值呈现出大幅度下降趋势，文中设计方法的下降速度较为平稳。由图5中两种测试状态下的测试结果可知， 文中设计方法的评估误差值数值波动较小。综上，文中设计的评估方法评估性能最佳。

3 结语

（1）针对原有评估方法在使用中出现的问题，引用层次分析法设计新型的基于层次分析法的水利工程滑坡体稳定性评估方法。通过评估测试可知，文中设计方法使用效果优于原有方法及采用其他技术的评估方法。 由此确定层次分析法可有效提升滑坡体稳定性评估的精准度。

（2）在此次研究中，也存在相应问题。首先，在指标选取过程中， 仅对具有明确影响性的指标进行采用与计算， 部分微小指标没有出现在评估指标体系中。 其次，在计算过程中，未规定计算结果的精确位数。这种设计在进行大规模运算时，可能会出现由于计算精度不够造成评估结果失真的问题， 在日常使用与研究过程中应予以改进。