基于高邊坡挖掘的水利水電工程施工風險評價

李春儂，王 瑩

(1.大洼區水利服務中心，遼寧 盤錦 124200；2.盤錦市水利服務中心，遼寧 盤錦 124010)

高邊坡挖掘是水利水電工程中危險度較高的一種施工項目，針對高邊坡施工存在的風險隱患利用風險評估模型進行準確預判，有利于保證工程項目的安全性和科學性。傳統的評估方法主要有軟集合理論、ANP結構模型等[1-4]。其中，軟結合理論是對施工風險的綜合指數敏感值利用雙射軟集合的方式進行比較，識別出關鍵風險因子，并采取有效的控制措施；ANP結構模型是考慮風險指數敏感值和不同風險因素間的相互關系，從而確定各因素導致最終風險的貢獻率。但這兩種評估方法都存在評估準確性低、風險指數敏感度不高的問題。因此，文章利用層次分析法創建高邊坡挖掘施工風險評估體系、劃分風險等級，以實例工程為例科學評價了其施工風險狀況，旨在為合理設計水利水電工程施工風險評估模型提供一定依據。

1 評價方法

1.1 識別施工風險因素

在水利水電工程的高邊坡挖掘施工中涉及的內容廣、因素多，各因素之間存在復雜的作用關系，必須先精準識別各種風險因素及其屬性，然后利用層次分析法搭建上層支配下層的層次結構，科學評價高邊坡挖掘的總體風險，具體如下[5]：

步驟一：歸一化處理。由于各風險因素的量綱或單位不同無法直接參與運算，必須利用下式進行歸一化處理，從而消除各因素之間的不可通透性，即：

(1)

式中：xij、yij為風險因素歸一化處理前、后的參數值，其中0≤yij≤1。

步驟二：構建判斷矩陣。采用層次分析法確定各風險因素權重，通過深入分析不同風險因素的內在關聯性，并結合專家意見和標度準則構造判斷矩陣[6]，標度準則如表1所示。

表1 標度準則

步驟三：特征向量。采用公式(2)計算判斷矩陣的行乘積，即：

(2)

式中：Hi為判斷矩陣的行乘積；aij為風險因素i相對于j的重要程度，即表1的判斷準則。

(3)

(4)

(5)

步驟四：層次單排序。通過判斷矩陣數字化決策者的主觀思維具有一定的隨意性，為了確保風險分析的合理性必須檢驗判斷矩陣的一致性。若未通過檢驗，必須再次調整矩陣直至達到檢驗要求[7-8]。判斷矩陣的偏離一致性利用不考慮最大特征根的其它特征值平均指標衡量，其計算公式為：

(6)

CR=CI/RI

(7)

式中：CI、RI為矩陣的離散一致性程度指標和不同階數矩陣的平均隨機一致性指標，其中RI值按表2確定。經計算，若CR<0.10時則認為矩陣通過一致性檢驗。

步驟五：層次總排序。通過自下而上逐級計算確定目標層的合成權重及其各風險因素的總排序。為保證整體邏輯關系的合理性還要檢驗層次總排序一致性，在單排序、總排序均都通過一致性檢驗的情況下識別出關鍵風險因子，即CR<0.10時特征向量W的各分項因素[9]。

1.2 創建風險評價體系

以指導安全施工、控制施工風險和降低事故發生概率為主要目標，遵循動態性、系統性、科學性以及可操作性等原則，通過現場調研和相關資料分析確定高邊坡挖掘施工風險因素，并結合層次分析原理創建多因素多層次風險評價體系[10-18]，見表3。

表3 高邊坡挖掘施工風險評價體系

1.3 劃分風險評估等級

根據高邊坡挖掘施工風險評價體系劃分各項因素風險等級，評分值及其對應的風險等級如下：

1)挖掘規模u1。①高邊坡高度u11處于≥55m、40～55m、25～40m、0～25m取值區間時，所對應的評分值依次為86～100、61～85、36～60、0～35分。②高邊坡角度u12處于≥15°、10°～15°、5°～10°、0°～5°取值區間時，所對應的評分值依次為86～100、61～85、36～60、0～35分。

2)高邊坡地質條件u2。①高邊坡地層巖性u21為軟弱層、易滑層、全風化層、強風化層和弱風化層時，所對應的評分值依次為86～100、61～85、36～60、0～35分。②高邊坡坡體結構u22為順坡向貫通軟弱結構、順坡向不貫通硬性與軟弱組合結構、非順坡向結構時，所對應的評分值依次為76～100、46～75、0～45分。

3)挖掘施工環境u3。①周邊環境u31為開挖線外2.0H處、1.5H處、1.0H處有建筑設施時，所對應的評分值依次為76～100、46～75、0～45分。

4)風險誘發因素u4。①自然災害u41為頻繁發生、偶爾發生、極少發生時，所對應的評分值依次為76～100、46～75、0～45分。

5)施工資料完整度u5。①項目文件要求u51為1個、2個、3個、4個及以上勘探點時，所對應的評分值依次為86～100、61～85、36～60、0～35分。②地質條件u52為一圖一坡一說明完整和不完整時，所對應的評分值依次為51～100、0～50分。

依據各因素權重、風險等級及其所對應的評分值，經計算確定最終的風險值F：F≥75、50≤F<75、25≤F<50、F<25時，高邊坡挖掘施工分別為極高(Ⅳ級)、高度(Ⅲ級)、中度(Ⅱ級)、低度(Ⅰ級)風險水平。

2 實例分析

2.1 參數設計

通過合理設置高邊坡挖掘的地質參數，進一步檢驗該風險評估模型的有效性和穩定性，具體如下：上游邊坡傾向NW方向，走向NE80°，傾角65.2°；破頂面傾向NE方向，走向NW240°，傾角42.8°；壩肩邊坡傾向NE方向，走向NE240°，傾角32.7°。通過布設8個高邊坡監測點位提取相關的數據，見表4。

表4 高邊坡點位監測數據

依據各因素權重和風險值，經標準化處理及加權計算得到各風險指數的敏感值。為保證風險評估的準確性，將風險指數敏感值與傳統的軟集合理論和ANP結構模型評價結果進行對比分析，為便于比較引入SPSS軟件進行統計計算。

2.2 結果分析

隨機選擇2#、3#、5#監測點進行測試，采用風險評估模型計算高邊坡挖掘施工風險指數敏感度，如圖1。

從圖1(a)可以看出，總體上監測點2處于較高的風險狀態，風險指數敏感度僅在接近尾聲時有所下降，而監測點3、5具有較大的變化幅度，風險指數敏感度整體較低；從圖1(b)可以看出，監測點2整體表現出先減小后增大的變化趨勢，而監測點3、5整體表現出先增大后減小的變化趨勢，監測結果處于極不穩定狀態；從圖1(c)可以看出，3個監測點的狀態平穩，風險指數敏感度總體達到較高水平。

綜上分析，傳統的軟集合理論和ANP結構模型計算的風險指數敏感度穩定性較差，整體呈較低水平且多次出現高低交替變化的情況，而文中所用層次分析法計算的風險指數敏感度始終處于較高水平，整體比較平穩，準確地反映了高邊坡挖掘施工的風險狀況。

3 結 論

高邊坡挖掘施工的風險程度較高，應作為水利水電工程施工的控制要點。文章通過分析高邊坡挖掘施工相關風險因素，應用層次分析法建立評價體系，通過評價分析各風險因素等級驗證了模型的優越性。然而，采用層次分析法識別各風險因素時易受人為主觀判斷的影響，實際應用時具有一定的局限性，未來仍需進一步優化改進該評價方法，降低人為主觀因素的影響保證風險評價的客觀性。