基于F-AHP的高边坡安全风险评价体系研究

匡波 韩琳琳

作者简介：匡 波（1983—），高级工程师，研究方向：公路工程勘察、设计及施工。

为了解决边坡稳定性分析的不确定性问题，文章将模糊综合评价法、层次分析法引入边坡稳定性评价中，提出5大项17个指标高边坡安全风险影响因素，并结合桂西北某边坡工程实例，采用python语言建立了公路边坡二级层次分析模型，根据最大隶属度原则，对开挖前、后边坡稳定状态进行了评价研究。结果表明：边坡开挖前属于Ⅱ类危险边坡，处于基本稳定状态；开挖后属于Ⅳ类危险边坡，需采取工程加固措施。研究成果丰富了边坡稳定性分析方法，可为边坡工程在施工、运营期的维护及处治提供依据。

公路边坡；层次分析法；模糊综合评价；稳定性分析

U416.1+4A130473

0 引言

与矿山边坡、水利边坡相比，高速公路边坡因里程长，跨越地形复杂，而具有类型更多、地质条件更复杂的特点。为保证高速公路施工和运营阶段的安全，边坡的稳定性评价及合理的处治措施显得极其重要［1］。

在传统边坡稳定性分析的基础上，有学者融合数学理论，将其从定性评价转化为定量分析。王洪麟、王建平、陈孝国等［2-4］基于模糊-层次分析法，建立了高速公路边坡的层次结构，对其稳定性进行了评价；梁经纬等［5］融合了层次分析法、博弈论综合赋权法、熵权法和集对分析理论，建立了边坡支护工程安全风险评估模型，创新了边坡稳定性分析方法；查俊［6］在综合分析了边坡稳定性影响因素后，采用层次分析法，确定指标权重，对边坡稳定性的影响因子进行了排名。因此，本文采用F-AHP法，在详细调查边坡稳定性影响因素的基础上，建立了边坡层次分析模型，进而对边坡的稳定性进行科学、有效、有指导意义的分析，为后续边坡的加固处治提供指导。

1 F-AHP原理及操作流程

边坡安全评价过程中涉及的评价因素众多，这些评价因素本身具有一定的模糊性，对边坡安全风险的影响也没有明确的界定。因此，在考虑诸多风险因素的同时，将边坡安全评价体系定量化、系统化是比较困难的。

F-AHP模型采用先分后总的思路，将影响因素按照属性进行分层，即目标层、准则层和状态层；利用判据矩阵，从下往上根据层次分析法（AHP）计算各个影响因素对总目标的影响权重，并以各个影响因素的权重集合来代表总目标，将对总目标的评价转化为对多个影响因素的评价；将模糊数学理论运用到评价过程中，建立评价因素与评价集之间的量化联系，从而对模糊性的评价进行合理量化与综合分析，得到可比的量化结果。模糊综合评价流程见图1。因此，采用F-AHP模型对高速公路高边坡群进行安全评价分析，可综合较多影响高边坡安全的评价因素，比较全面合理地反映边坡的安全风险等级。

为实现边坡安全风险高效快速评价的目的，本文采用Python作为编写程序的基础语言。为了简化Python中繁琐输入数据，本文将部分数据存储在Excel中，利用Python标准库pandas对Excel数据进行高效读取，提升Python中代码的可读性与计算效率，计算逻辑示意图见图2。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某边坡位于桂西北区域，多山多雨，地质条件复杂。由于修建高速公路，路堑开挖，破坏了原有坡体的稳定状态。开挖后坡体高约13.6～25.36 m，中线最大挖深约23.32 m，坡角约21°。根据钻孔揭露，坡体主要地层为坡残积可塑粉质黏土和三叠系中统强-中风化砂岩泥岩互层，土石工程分级为Ⅱ级普通土和Ⅳ级软石。

滑塌体在平面上呈“U”形，相对高差约25 m，地形坡度15°～25°。滑塌体纵向长度平均约150～160 m，横向宽度平均约25～30 m，厚度约3～13 m，平均厚度约8 m，滑塌面积约4 700 m2，体积约2.01×104 m3，属小型岩质滑塌。坡体出现多处拉张裂缝，裂缝宽度20～40 cm，目前该坡体处于蠕滑状态。

对该边坡进行现场工程调查，获得边坡现场采集评分如表1所示。

2.2 F-AHP模型的建立

根据边坡的工程地质条件、规范和边坡稳定性影响因素，建立如图3所示的边坡稳定性因素层次模型。

2.3 计算相对隶属度与确定权向量

根据表1评价结果，以第二类指标（岩体状况）为例，可以得到该类指标的特征值向量x=［0.50 0.49 0.30 0.88 0.42 0.57 0.60］，和标准特征值矩阵Y：

计算指标相对隶属度向量p：

计算级别相对隶属度矩阵S：

对岩体状况B进行重要性排序，采用表1中的分级标准，由专家1进行评价，得到各边坡安全风险影响因素之间的重要性判断矩阵FB1：

根据各个指标之间的重要性排序，对照表1可以得初始权向量w′B1：

2.4 确定对应级别的相对隶属度向量

由专家1给出的对应边坡断面几何特征、渗水、边坡周边环境和人类工程活动因素中二级指标的判断矩阵FA1、FC1、FD1、FE1，可以得到这四个指标对应等级的相对隶属度向量uA1、uC1、uD1、uE1：

由此可得专家1给出的相对隶属度矩阵U1：

同样，根据专家2、专家3、专家4、专家5给出的二级指标相对重要性判断矩阵，计算得到其对应的相对隶属度矩阵U2、U3、U4、U5。

2.5 综合评价

采用F-AHP法对边坡断面几何形状、岩体状况、渗水、周边环境、人类工程活动五类一级指标进行重要性排序，根据专家建议得到各一级指标之间的重要性判断矩阵Fi，从而计算出归一化的权向量Wi：

由评价组组长根据各个专家的业内认可度给出的专家权威系数α如表2所示。

根据最大隶属度原则，该边坡（开挖前）属于Ⅱ类危险边坡，处于基本稳定状态。

当边坡进行开挖后，边坡高度为49.09 m，取A1=0.49；坡脚为45°，取A2=0.55。根据上述的计算方式得到开挖边坡的综合评价隶属度向量R：

根据最大隶属度原则，该边坡（开挖施工后）属于Ⅳ类危险边坡。因此，该边坡在设计、开挖施工时需采取工程加固措施，并对边坡进行动态监控。

3 结语

（1）本文采用二级模糊层次分析法，建立了边坡稳定性评估模型，包含边坡断面几何特征、岩体状况、渗水、边坡周边环境和人为工程因素5大项17个指标。

（2）运用Python语言的优势，采用最大隶属度原则，分析了开挖前、后边坡的稳定状态，得出开挖施工后边坡属于Ⅳ类危险边坡，需要采取加固措施。

（3）通过对工程实例的研究，验证了F-AHP模型能够科学有效地运用到边坡稳定性分析中。但由于此方法易受到专家个人经验水平、学识水平、技术能力等主观因素的影响，在采用此法进行评价时需结合工程实际情况进行指标调整，使其评价结果更符合工程实际情况，从而保证边坡后期运营的安全、稳定。

参考文献

［1］王江荣，任泰明，赵 睿.基于层次分析法的灰色聚类在公路边坡稳定性评价中的应用［J］.工程质量，2021，39（1）：75-79.

［2］王洪麟，王创业，吴 量，等.基于AHP的某高速路边坡稳定性治理因素分析［J］.建筑安全，2021（7）：48-50.

［3］王建平，李伟华，孙红兵，等.基于层次分析—模糊评价的边坡稳定性分析［J］.黑龙江交通科技，2022（4）：21-24.

［4］陈孝国，肖修鸿，裴世博，等.基于直觉模糊层次缝隙发的公路边坡稳定性评价模型［J］.齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2021，37（4）：85-89.

［5］梁经纬，苏 谦，钱海啸，等.基于博弈论及集对分析的边坡支护工程安全风险评估［J］.铁道标准设计，2022，66（7）：53-64.

［6］查 俊.基于层次分析法的边坡安全稳定性评价研究［J］.科技创新与应用，2022（19）：100-103.