高陡岩质边坡安全评价研究

刘维，王海涛，庄心欣，李志明，郭涛

(大连交通大学 土木工程学院，辽宁 大连 116028)*

大连市是我国有名的多山地区，整个地形为北高南低，北宽南窄，大部分为山地及低缓丘陵，坡体高陡，岩溶地形随处可见.边坡工程施工技术复杂，再加上大连地区地质条件变化大，潜在的风险边坡数量多面积广，难以预见的危险因素较多，如果发生失稳，会对工程稳定、交通运输以及人民的生命财产安全产生巨大的危害.因此，有必要对高陡岩质边坡安全评价技术展开研究，减少或避免事故的发生，实现风险的有效控制.

为探究边坡安全稳定性以及相关的经济合理性，国内外相关人员进行了大量研究[1-7]，但关于山区高边坡问题特别是高陡岩质边坡引起的失稳相关研究较少，缺乏相应的安全评价.本文主要针对影响高陡岩质边坡安全性的指标因素开展研究，采用层次分析法及云模型理论，对比分析了各个指标因素对边坡安全稳定性的影响程度，并进行排序.

1 层次分析法及云模型基本原理

1.1 层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process)是一种能够进行定性和定量分析的决策方法[8-10]，该方法具有系统性、综合性、准确性等优点，现已成为权重确定方法中最常用的一种.层次分析法将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，主要步骤包括：①建立层次模型;②构造两两比较判断矩阵;③层次单排序;④一致性检验.

1.2 云模型理论

1995年，在概率论与模糊数学的基础上，李德毅院士提出了云模型理论[11-12].本文由构建的指标，参考相关标准提出高陡岩质边坡安全标准体系；依据标准体系对评价项目进行安全检查，统计检查数据；构建云模型并对评价项目进行综合评价.具体云模型建模流程如下：

(1)确定标准云.标准云的参数如式(1)所示.

(1)

(2)确定指标云.指标云的参数如式(2)所示.

(2)

其中，Xij为m个专家对n项指标的评价结果.

(4)对各云滴进行加权，得到综合云的N个云滴，S(D)如式(3)所示.

(3)

(5)依据综合云云滴通过逆向云发生器得到综合云数字特征值Ex、En和He如式(4)所示.

(4)

(6)输出综合云模型C(Ex,En,He)

2 构建高陡岩质边坡安全评价体系

2.1 岩质边坡安全性影响因素及等级划分

本文将高陡岩质边坡安全等级分为四类，即：安全性高、安全性较高、安全性较低、安全性低.

安全性高：边坡稳定，基本不会威胁边坡附近建筑及交通安全.

安全性较高：边坡较稳定，有时局部碎石掉落，可能对边坡附近局部建筑及交通安全产生较小影响.

安全性较低：边坡稳定性较差，易发生小规模破坏，可能对边坡附近建筑及交通安全产生较大影响，如建筑破损、交通拥堵等.

安全性低：边坡稳定性差，容易发生大面积崩塌，可能对边坡附近建筑及交通安全产生严重影响，如建筑倒塌、交通中断等.

本体系充分考虑工程实践经验，当地水文地质及气候条件，并参考刘代文[13]、徐镇凯[14]等对边坡稳定性影响因素的划分方法，遵循客观性、科学性和典型性的原则，选取5个一级指标和17个二级指标作为影响高陡岩质边坡安全性的主要作用指标，如表1.

表1 高陡岩质边坡安全性等级评价

2.2 影响因素权重计算

为减轻主观因素的影响，本文采用AHP法[15]确定影响因素的权重.即先由多位专家确定各判断矩阵，再对判断矩阵的一致性进行检验；当一致性满足要求时，计算出各层次的权重值.具体对17位(8位设计人员，4位高校岩土科研人员，5位现场工程师)行业专家提供的权重确定数据进行分析，结果发现17位专家数据的信度和效度均大于0.8，即信度与效度检验合格，说明此数据满足要求.取所有数据的平均值作为层次分析法的初始数据，其中一级指标的判断矩阵如表2所示.

表2 一级指标层次模型中的判断矩阵

经计算得，λmax=7.318 0，CI=0.037 7，CR=0.037 7<0.1，则通过一致性检验.

以此类推得到各一、二级指标权重及其排序如表3.

表3 各级指标权重及排序

对各级指标权重进行比较分析得知，边坡自身的基本因素、边坡所处地区的地质因素以及施工因素对边坡安全性的影响占据主导地位；其中边坡基本因素中的坡高坡比、地质因素中的岩体类型以及边坡支护方式等因素指标更是对边坡安全性有着非常重要的影响.

3 工程实例分析

选取大连市旅顺白银山高陡岩质边坡为研究对象，运用该方法进行安全评价.根据现场调查及地质报告，白银山边坡平均高度为35 m，边坡坡比约为1∶0.3，地下水在地下5～8 m处，岩土体内摩擦角为15°，结构面结合程度较差，边坡结构形状为近似直线型，岩体类型为层状结构，植被率低于15%，偶尔发生地震，并春夏秋三季多降水，降水资料依照气象资料以及相关勘察报告可知：最大降雨强度为88 mm/天，最大次降雨量为180 mm/次，年降雨量为900 mm/年.

根据上述内容，结合实际情况制定安全检查表.将指标分为客观数据指标及主观专家打分指标，对各指标进行编号，指标值采用式(5)进行计算.

(5)

其中，X为二级指标值，n为影响边坡安全性的所有评价指标个数，λ为对应边坡安全因素的二级指标权重客、主观数据转化分值，按式(6)和式(7)计算.

(6)

(7)

综合考虑专家评语及描述习惯，本文的综合得分采用低、较低、较高、高对安全等级进行描述，评分取值范围为[0,100]，根据式(1)得到云模型参数[16-17]，具体分数等级划分见表4.

表4 标准等级及云模型参数

根据表4参数绘制标准云图，如图1.

图1 标准云图

根据安全检查表对大连白银山高陡边坡进行安全现状检查，得到检查结果，根据式(2)得到各指标云参数，部分参数如表5所示.

表5 各指标云模型参数

由指标云参数得知，X15、X22、X32等3项指标期望均低于70分，表明安全性较低，安全状况有待加强，相比之下更容易对边坡的安全稳定性产生不利影响，需要进行重点检查及预防.

利用正向云发生器对云模型评价结果进行处理，生成指标云图，如图2所示.

(a)基本因素

由图2，基本因素、地质因素、施工因素及地震因素指标评价结果均处于安全性较高与安全性高之间，应当继续保持；降雨因素指标评价结果处于安全性较低与安全性较高之间，且略偏向于安全性较高，但相比于其他因素指标，降雨因素安全水平较低，需要对其加强预防及监控.各指标安全水平排序为：地震因素>基本因素>地质因素>施工因素>降雨因素.

图3 高陡岩质边坡综合评价云图

由图3可知，综合评价云介于安全性较高与安全性高之间，且与安全性较高等级最为相似，因此确定大连市旅顺白银山高陡岩质边坡安全性较高，应需继续保持.

4 结论

(1)高陡岩质边坡安全性的影响程度，基本因素=施工因素>所处地质因素>地震因素>降雨因素；

(2)边坡坡体结构面的结合程度、地下水深度以及植被率3项指标更容易对边坡的安全性产生威胁；

(3)大连白银山高陡岩质边坡整体安全水平较高，其中基本因素、地质因素、施工因素及地震因素均有着较高的安全水平，评价结果在85分左右；降雨因素安全水平较低，评价结果不足75分，需要对其加强预防及整治.

本文所述的安全评价体系及云模型能为今后高陡岩质边坡安全对策的制定提供一定的参考，但由于文章选取的指标因素难免存在遗漏和局限性，对于一些特别复杂岩层的坡体还需要今后进一步研究.