库岸边坡稳定性等级快速评价方法研究

2020-01-01杨辉

水科学与工程技术 2019年6期

杨辉

（和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆和田848000）

库岸边坡工程的稳定性是保证水库安全、人民安居乐业的关键因素［1-5］。库水长期侵蚀冲刷及人类工程活动导致库岸边坡自身形态及其所处的工程地质环境条件发生改变。库岸边坡自身形态及所处环境发生改变导致库岸边坡稳定性发生变化，原有评价结果已不能正确表明现状库岸边坡的稳定性情况，因此要提出一种快速、准确评价库岸边坡稳定性的方法极具研究意义［6］。

结合前人研究，选取影响库岸边坡稳定性的因素，使用组合赋权的方法获取各因素的客观权重，并结合云模型分析库岸边坡的稳定性情况，获取库岸边坡稳定性等级。

1 确定评价指标和库岸边坡稳定性等级

库岸边坡的稳定性受到多个因素的影响，主要包括外部环境因素和库岸边坡内在因素，同时，人类工程活动也是影响库岸边坡稳定性的一个重要因素。通过现场调查，结合自身经验的前人研究成果［7～8］，选择7个因素作为库岸边坡稳定性评价指标。主要包括：岩土体黏聚力和内摩擦角、边坡坡比、坡外和坡内水位、边坡荷载。根据工程经验，可将库岸边坡稳定性等级划分为3级，Ⅰ-Ⅲ级表示稳定性由低到高。评价指标体系如图1，单指标稳定性等级划分如表1。

图1 评价指标体系

表1 指标评价等级

2 云模型—组合赋权评价模型

2.1 基于组合赋权各指标权重获取

2.1.1 粗糙集改进层次分析法

为了研究不同层次的影响因素对最终结果的影响程度，Satty［9］提出了层次分析法。在确定各层次权重中应用较广，计算简单，但容易受到主观因素影响。针对这种情况，Roughset理论［10］被提出，并用以改进层次分析法，从而获取更客观、更准确的权重值。计算方法及过程如式（1）：

式中 σCB（A）为集合C-A对B的影响；γC（B）为因素B与集合C的关联性；γC-A（B）为因素B与集合A-C的关联性。相对权重计算方法为：

2.1.2 熵值法

库岸边坡稳定性评价具有时空可变性。使用熵值法获取影响库岸边坡稳定性的因素的权重，即权重wj满足0≤wj≤1，且可降低人为因素的影响，从而获得相对客观的权重如式（3）～式（4）。

式中 yji为指标实际取值；p为影响因素总数。可通过式（3）～式（4）求取权重。

2.1.3 组合赋权方法

组合权重wz：

各指标权重如表2。

表2 评价指标权重

3 基于云模型库岸边坡稳定性等级快速评价

3.1 云模型基本概念

云模型概念在1995年被提出［11］，近年来计算机技术的发展，使得云模型在各行各业得到了广泛应用，尤其是在风险评价领域，得到了众多学者的喜爱和专家信赖。

之前的许多方法可解决各评价因素之间的随机性问题或模糊性问题，但库岸边坡稳定性评价较为复杂，影响因素极多，针对其中的不确定性问题，目前尚不能完美解决。然而，云模型是一种针对不确定问题的解决方法，通过云模型处理，可将不确定性转变为定量值。

3.2 云模型参数的选取

云模型参数计算如式（7）：

式中 Bmax，Bmin分别为某评价指标的某等级边界值；k为常数。

针对云模型参数求解中的不足，提出改进求解方法如表3。

表3 云模型的数字特征

3.3 评价云模型指标的生成

使用云模型确定参数，使用matlab正向云发射器获取云模型图，如图2。

图2 评价指标云图

计算某一评价指标数据x0隶属于云的确定度，同时考虑该评价指标的组合权重，获取最终的综合确定度U，如式（8）：

式中 δi为确定度；ωz为评价指标组合权重。

根据U值，确定库岸边坡稳定性等级L，判别方法为：L=max{U1，U2，…，Un}。

4 工程应用及方法验证

结合新疆某小型水库，以库区周边6处库岸边坡稳定性评价为例进行验证。通过现场调查库岸边坡，获取业内权威专家给予的库岸边坡稳定性评价结果。同时，通过室内力学试验，获取边坡岩土体强度参数和边坡基本特征。黏聚力C=15.0kPa，内摩擦角φ=15.3°，坡比1.5，坡高4.5m，坡前水位2.8m，坡内水位1.3m，坡上外加荷载4.3kPa。

以指标黏聚力15kPa，分析该值隶属于不同稳定性等级的确定度：U（Ⅰ）=0.0，U（Ⅱ）=0.2296，U（Ⅲ）=0.0，所以指标黏聚力15kPa属于Ⅱ级别。综合获取该水库周边6处库岸边坡稳定等级，从而验证组合赋权—云模型方法在库岸边坡稳定性评价中的适用性。6处库岸边坡的稳定评价结果依次为：Ⅱ，Ⅱ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅰ，Ⅱ。其评价结果与业内专家现场评价结果和稳定性计算结果较为一致，如表4。