運(yùn)營(yíng)公路邊坡水毀安全性評(píng)價(jià)方法研究

楊 雯

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

公路邊坡常年暴露于自然環(huán)境中，受降雨、山洪、地震等因素影響，隨著時(shí)間的推移及邊坡土體參數(shù)的變化，邊坡將出現(xiàn)不同程度的坡面滑塌、坡腳沉陷、邊坡空洞等病害，對(duì)公路邊坡的穩(wěn)定性和公路運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生了極其不利的影響[1]。為了客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)公路邊坡在水害條件下的安全水平，本文擬借助層次分析法構(gòu)建出針對(duì)邊坡的安全性評(píng)價(jià)模型，并對(duì)實(shí)體邊坡進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，以期為今后的邊坡養(yǎng)護(hù)提供量化依據(jù)。

1 公路邊坡水毀災(zāi)害機(jī)理及成因分析

1.1 公路邊坡水毀災(zāi)害機(jī)理分析

從宏觀角度分析，公路邊坡水毀主要是因短期強(qiáng)降雨、河流洪峰過(guò)境等因素導(dǎo)致沿河邊坡的坡面徑流量快速增加，加之邊坡坡面及坡腳的抗沖刷能力有限，在長(zhǎng)期、嚴(yán)重的沖刷作用下，大量邊坡土體被水流裹挾而流失，進(jìn)而誘發(fā)邊坡坡腳懸空、坡面塌陷等水毀災(zāi)害[2]。從微觀角度分析，邊坡水毀主要是由于邊坡土體滲水后自重增加，在土體自重和水流沖刷動(dòng)力的耦合作用下，滲水土體沿邊坡薄弱截面整體發(fā)生剪切位移，最終表現(xiàn)為不同程度的落石、滑坡或垮塌事故。邊坡水毀災(zāi)害微觀機(jī)理如圖1所示。

圖1 公路邊坡水毀災(zāi)害微觀機(jī)理示意

1.2 公路邊坡水毀災(zāi)害成因分析

邊坡水毀災(zāi)害成因判斷應(yīng)根據(jù)邊坡部位區(qū)別分析，具體區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)可以上、下邊坡為準(zhǔn)。不同坡體位置的水毀災(zāi)害主要成因分析結(jié)果詳見(jiàn)表1所示[3]。

表1 不同坡體位置的水毀災(zāi)害主要成因分析結(jié)果

2 基于層次分析法的邊坡水毀安全性評(píng)價(jià)方法

通過(guò)分析邊坡水毀機(jī)理及成因發(fā)現(xiàn)，邊坡水毀災(zāi)害是眾多影響因素綜合作用的結(jié)果，且不同影響因素之間相互關(guān)聯(lián)，互相制約，而具有多目標(biāo)決策、多準(zhǔn)則約束功能的層次分析法對(duì)于解決多因素影響下的目標(biāo)決策問(wèn)題具有顯著優(yōu)勢(shì)。

層次分析法能夠?qū)⒁粋€(gè)多因素決策問(wèn)題按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的形式構(gòu)造出與之邏輯一致的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，從而達(dá)到多因素決策問(wèn)題的量化分析目的[4]；一般情況下，層次分析法所構(gòu)建的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中，目標(biāo)層有且僅有1個(gè)目標(biāo)，準(zhǔn)則層根據(jù)影響因素類(lèi)型和數(shù)量具體分成若干個(gè)準(zhǔn)則，指標(biāo)層則與具體的準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)，1個(gè)準(zhǔn)則可以對(duì)應(yīng)若干指標(biāo)。為了將邏輯問(wèn)題等價(jià)為可量化的數(shù)學(xué)問(wèn)題，同時(shí)能夠全面反映出具體指標(biāo)對(duì)目標(biāo)的影響權(quán)重，層次分析法需構(gòu)建“目標(biāo)層-準(zhǔn)則層”、“準(zhǔn)則層-指標(biāo)層”兩類(lèi)判斷矩陣，判斷矩陣中的元素為同一層內(nèi)不同影響因素兩兩對(duì)比的結(jié)果，對(duì)比結(jié)果根據(jù)重要性程度按1～9賦值[4]，進(jìn)而構(gòu)造出最終的量化判斷矩陣。

3 案例分析

該節(jié)以某段公路邊坡為研究對(duì)象，基于層次分析理論，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立、判斷矩陣賦值、權(quán)重計(jì)算、一致性檢驗(yàn)、安全性評(píng)價(jià)的順序進(jìn)行分析，以驗(yàn)證該評(píng)價(jià)方法的可行性。

a）評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立 經(jīng)實(shí)地勘察和專(zhuān)家咨詢(xún)后，給出公路邊坡水毀災(zāi)害的準(zhǔn)則層及指標(biāo)層明細(xì)如表2所示。

表2 公路邊坡水毀安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

b）判斷矩陣賦值 根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建相應(yīng)的判斷矩陣，判斷矩陣內(nèi)元素標(biāo)度賦值采用通行的德?tīng)柗品ǎ谠u(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的“Ⅰ-Ⅱ”判斷矩陣及“Ⅱ-Ⅲ1”“Ⅱ-Ⅲ2”“Ⅱ-Ⅲ3”“Ⅱ-Ⅲ4”判斷矩陣分別如式（1）～式（5）所示：

c）權(quán)重計(jì)算 本文采用求根法計(jì)算準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中各因素的權(quán)重值，根據(jù)求根法基本原理，求解對(duì)應(yīng)層的因素權(quán)重并檢驗(yàn)其一致性，則需要計(jì)算對(duì)應(yīng)判斷矩陣的特征向量和最大特征值。判斷矩陣特征向量與其最大特征值的等量關(guān)系如式（6）所示：

式中：λmax為最大特征值；n為判斷矩陣階數(shù)；A為判斷矩陣；W為判斷矩陣的特征向量；ωi為判斷矩陣特征向量中的元素。

經(jīng)計(jì)算，判斷矩陣“Ⅰ-Ⅱ”“Ⅱ-Ⅲ1”“Ⅱ-Ⅲ2”“Ⅱ-Ⅲ3”“Ⅱ-Ⅲ4”對(duì)應(yīng)的特征向量如式（7）所示：

d）一致性檢驗(yàn) 為了保證權(quán)重指標(biāo)計(jì)算的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，需對(duì)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的特征向量進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性指標(biāo)CI和CR需要滿足式（8）要求[4]：

式中：RI取值根據(jù)判斷矩陣階數(shù)確定，當(dāng)n=3時(shí)，RI=0.58；當(dāng)n=4時(shí)，RI=0.89。經(jīng)計(jì)算，得到各特征向量對(duì)應(yīng)的一致性檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 各特征向量對(duì)應(yīng)的一致性檢驗(yàn)結(jié)果

e）安全性評(píng)級(jí) 為了能夠全面綜合以上影響因素，給具體的填方路基邊坡水毀安全性評(píng)價(jià)出具量化的評(píng)價(jià)結(jié)果，本文提出了穩(wěn)定性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)邊坡出現(xiàn)水毀災(zāi)害的程度，將其細(xì)分為安全、基本安全、欠安全、不安全4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并分別給出具體的賦分結(jié)果，具體賦分情況如表4所示。

表4 安全性等級(jí)賦分結(jié)果

f）安全評(píng)價(jià)結(jié)果出具 根據(jù)表4給評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)層全部影響因素進(jìn)行打分，再結(jié)合指標(biāo)層中不同指標(biāo)的權(quán)重大小，計(jì)算得出最終的得分結(jié)果，再根據(jù)結(jié)果給出相應(yīng)的安全性評(píng)價(jià)意見(jiàn)。前文中指標(biāo)層各影響因素的最終權(quán)重結(jié)果詳見(jiàn)表5所示。

表5 指標(biāo)層各影響因素的最終權(quán)重結(jié)果

設(shè)安全性等級(jí)賦分結(jié)果矩陣為T(mén)，指標(biāo)層權(quán)重結(jié)果矩陣為A，安全評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣為D，則有D=TA，令T=（t1t2…t10t11)，指標(biāo)層權(quán)重結(jié)果矩陣A=（a1a2…a10a11)T，則最終的安全評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣D如式（9）所示：

4 結(jié)語(yǔ)

為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)公路填方路基邊坡水毀安全性的評(píng)價(jià)質(zhì)量，本文基于層次分析法基本理論，構(gòu)建了填方路基邊坡水毀安全性影響因素評(píng)價(jià)模型，得出了不同影響因素的量化權(quán)重指標(biāo)，并借鑒安全性評(píng)級(jí)方法，給出了考慮影響因素權(quán)重前提下的填方路基邊坡安全性評(píng)價(jià)結(jié)果，為邊坡水毀安全性評(píng)價(jià)工作優(yōu)化及后續(xù)水毀處治施工提供了重要參考借鑒。