基于層次分析法和物元分析的拉月滑坡穩定性評估

張 孟 帥

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

1 概述

拉月滑坡位于林芝縣排龍鄉東久河左岸上，川藏線測設里程K4108+250～K4108+800，路線長550 m。1967年在東久河左岸發生山體滑坡，超過千萬方的物質從坡體剪出，堵塞東久河，形成拉月大滑坡[1,2]。在此事件發生后，除堵江壩體被河流沖走，其他滑坡體堆積于坡體中下部，在坡體上形成以崩塌、滑坡、殘坡積體共存的復合堆積體斜坡，該堆積體存在結構松散、強度較低、固結性差的問題，在外界誘發因素作用下可能會產生滑動。因此，基于對川藏鐵路選線風險調控的實際需求，需對拉月滑坡穩定性發展趨勢進行評價，即對拉月松散堆積體斜坡再次發生滑動的風險進行評估。

2 評估體系的確定

影響坡體穩定性指標因素較多，且他們之間的具體影響權重尚無準確數值給出，只能相對去比較因素之間的作用強度，那就需要我們在主觀賦權法中選擇一個合適的方法。其中層次分析法作為主觀賦權法的一種，具有系統性分析、簡潔實用、所需定量信息少的優點，與坡體穩定性分析所需條件較為匹配，因此本文采用層次分析法計算各指標的權重。

2.1 評估體系的建立

在應用層次分析法解決各類決策問題時，需把復雜問題分解為對應組成元素，并按照元素屬性不同自上而下分解成若干層。同一層元素對上層元素為從屬關系，對下層元素為支配作用，然后根據分層情況建立一個遞階層次結構評價模型[3]。

在對坡體進行風險評估時，我們需要選取客觀公正的指標去反映坡體的實際情況，基于此原則，結合工程資料采用層次分析法將坡體穩定性分析分為三個層次，分別為目標層、準則層和方案層。主要從坡體總特征、形態特征、結構特征和誘發因素四個子系統對坡體進行分析，我們構建如表1所示的指標體系。

表1 坡體穩定性分析指標體系

2.2 確定評估體系權重

確定好體系之后，接著根據專家意見對同層元素兩兩進行對比，構建判斷矩陣。其次對層次進行單排序和一致性檢驗，求得最大特征根和特征向量，最后確定各指標權重。根據專家調查表中每位專家所給標度，分別建立判斷矩陣，再將所有的判斷矩陣所求出的權重值算術平均，得到總的評價權重值[4]。例如，根據其中一位專家所給標度，可建立如下判斷矩陣，準則層判斷矩陣如表2所示。

表2 準則層判斷矩陣

由此判斷矩陣可得：

一致性檢驗指標：

準則層的權重分別B1=0.070；B2=0.098；B3=0.384；B4=0.448。

同理可得到該專家給定的各方案層判斷矩陣，如圖1所示。進而求得各方案層的權重，即可得準則層和方案層各層的權重,如表1所示。

3 物元分析

采用物元分析對某一事件的評價應用較多，如梁川采用物元分析對水質量評價[5]；李祚泳利用物元分析對自然災害災情進行評估等[6]。但目前尚未應用于坡體穩定性風險評估中，基于此，我們采用其對坡體穩定性進行綜合評價，并探究其在災害穩定性評判和減災策略上應用。

3.1 物元分析的基本概念

物元分析是一種介于數學和實驗科學的新學科，由我國學者蔡文在論文《可拓集合和不相容問題》中首次提出物元分析，該方法通過促進事物轉化以解決不相容問題，并與創造思維學有著緊密的聯系[7]。我們可利用物元分析方法，建立基于事物多指標的質量評定模型，并對指標參數進行定量分析最終以定量的數值表示評定結果。

由N，c，v構成有序的三元組R=(N,c,v)即為描述事物的基本元，簡稱物元。其中，N為給定事物；c為事物具有的特征；v為特征的量值；則N，c和v稱為物元R的三要素。

3.2 計算過程

物元分析方法主要有以下幾步：

1)確定經典域、節域和待識別的對象形成的物元。

經典域即選定對象、指標、指標標準值區間的分級，節域即選定的評價對象、指標、指標標準值的所有范圍，待評物元即關于檢測所得的具體數據。

2)確定權重。

3)建立關聯函數，計算關聯函數值。

4)關聯度及評定等級。

4 坡體穩定性風險評估

4.1 經典域、節域的確定

本文選取了滑坡規模、滑坡治理難易度、前后緣高差、平均坡度、巖性、地下水水位、降雨量、人類活動強度和地震九項指標，根據該流域歷史數據對這九個因素間的量值進行劃分，其中巖性、滑坡治理難易度、人類活動強度這三個指標根據實際情況由專家給出定量化評估。對于地下水水位變化對坡體穩定性影響，依據劉明發在地下水對坡體穩定性影響中的結論，水位在0 m～20 m區間內增長時，邊坡穩定系數一直在下降，水位在0 m～6 m變化時，對坡體穩定性影響最小，且邊坡穩定系數最高，當在6 m～10 m變化時對坡體穩定性影響增大，10 m～15 m時穩定性影響下降趨勢開始變緩，當地下水位為20 m時，穩定系數最低[8]。本文將坡體穩定狀態分為非常安全、較安全、偶然不安全、較不穩定、不穩定五個等級，對于各個指標在五種等級中的取值范圍主要依據各項指標在該變化范圍內對坡體的影響程度不同進行劃分，得到如表3所示的等級劃分，即確定滑坡風險評估中的經典域和節域。

表3 拉月滑坡評價指標及標準劃分

進而得到經典物元矩陣和節域物元矩陣如下所示：

表4 拉月滑坡評價歸一化指標及標準劃分

4.2 拉月滑坡目前狀態

拉月滑坡在1967年發生滑動后，其原有狀態已經改變，原滑坡體下滑堆積在坡體下部，使得坡體下部變厚，堆積滑坡體體積約為200×104。坡度變緩，坡度為30°左右，堆積層前后緣高差349 m。在雨季平均單日降雨量影響下，地下水位上升為2.1 m。每年8月份～10月份，冰川仍在消融期，且處在降雨期，我們依照波密氣象站記錄的數據為依據，選取其12 h降雨量為30 mm。該區域位于強地震影響區，其地震動峰值加速度為0.20g，相當于地震基本烈度8度[1]。對于拉月滑坡坡體，經過專家評審給出的巖性得分為45分，滑坡治理得分為50分，人類活動得分為30分。我們得到九項指標數據如表5所示，并對其進行了歸一化處理。

表5 指標值及其歸一化值

根據上述物元分析計算過程，我們得出各項指標的等級關聯度，如表6所示。

表6 關聯度計算結果

結合采用層次分析法求得的九項指標的權重值，進而求得坡體目前狀態與五個等級之間的隸屬度關系，如表7所示。

表7 綜合關聯度計算結果

由上述計算結果可知，拉月滑坡坡體在雨季12 h降雨量30 mm(暴雨水平)的情況下，坡體會處于偶然不安全狀態，有觸發滑坡的風險，此時會隨著降雨時長增加和降雨量的增加，致使坡體出現滑動的可能性變大。斜坡也可能在強地震動力響應下產生崩滑災害。故其在天然狀態下自穩情況相對較好，在無強烈地震或極端降雨，大型人類工程活動等外界條件的激發下，坡體不會出現大的整體滑動。

5 結語

1)在應用物元分析對坡體穩定性進行風險評估時，計算方法簡單便捷，關聯度真實反映了坡體目前的狀態，與實際較為接近。并采用層次分析法計算指標權重，具有邏輯性強實用性好的優點，并能準確得出各指標權重值。

2)拉月滑坡堆積體在降雨、地震誘發因素作用下其危險性處于偶然不安全狀態，說明拉月滑坡體在天然條件下相對穩定，但在極端降雨、地震等誘發因素作用下，滑坡仍有一定的發生可能性，若線路經過該區域，需對坡體進行綜合治理。