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(南華大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖南 衡陽 421000)
邊坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題,能否正確評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。在我國(guó)已受到邊坡災(zāi)害威脅和可能受到邊坡災(zāi)害威脅的地區(qū)約占全國(guó)陸地面積的1/5~1/4,每年因邊坡災(zāi)害造成的損失達(dá)60億元以上,給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失,其危害十分巨大[1]。由于邊坡穩(wěn)定受多種因素的綜合影響,各影響因素不但具有隨機(jī)性、模糊性等不確定性的特點(diǎn),還與邊坡穩(wěn)定性之間呈復(fù)雜的非線性關(guān)系,這就導(dǎo)致了確定性及線性分析方法難以對(duì)邊坡的穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[2]。傳統(tǒng)廣泛使用的分析方法有極限平衡法和數(shù)值分析法[3-8]。然而這些方法都是依據(jù)相應(yīng)的力學(xué)理論的前提下評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性,其精度對(duì)巖土本構(gòu)模型的選擇和輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確性均有較高的要求,由于巖土邊坡穩(wěn)定性的影響因素復(fù)雜多變,參數(shù)不準(zhǔn)和模型不準(zhǔn)已成為極限平衡法與數(shù)值模擬的2大瓶頸[9]。近年來,隨著人們對(duì)邊坡穩(wěn)定性問題研究的不斷加深,一些學(xué)者開始將模糊數(shù)學(xué)理論引入進(jìn)來,從定性和定量2個(gè)方面來研究邊坡的穩(wěn)定性,以更好地體現(xiàn)巖土邊坡非確定性的特征。薛新華等[10-11]根據(jù)邊坡穩(wěn)定性影響因素的特點(diǎn),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)信息并行處理和非線性映射的特點(diǎn),建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型,分別利用遺傳算法的模糊神經(jīng)網(wǎng)和自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)對(duì)收集到的邊坡樣本進(jìn)行評(píng)價(jià),為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了一種新的方法;李元松等[12]將模糊邏輯推理融入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性計(jì)算中,視整個(gè)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)為同一變形規(guī)律的評(píng)價(jià)模式,對(duì)施工期間巖土邊坡進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià);G.R.Dodagoudar和G.Venkatachalam[13]將模糊集理論引入到巖土邊坡穩(wěn)定性分析中來,將不確定性參數(shù)作為模糊集,用模糊不確定性的方法對(duì)其進(jìn)行邏輯和系統(tǒng)分析,并給出了具體的分析過程;黃建文等[14]建立了巖土邊坡穩(wěn)定性模糊綜合評(píng)價(jià)模型,運(yùn)用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,采用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);付士根[15]將模糊分析理論和隨機(jī)可靠性分析相結(jié)合,提出了邊坡模糊隨機(jī)可靠性分析的點(diǎn)估計(jì)法,應(yīng)用統(tǒng)計(jì)矩點(diǎn)估計(jì)方法估計(jì)邊坡的安全系數(shù)均值和可靠度,得出邊坡的失穩(wěn)概率;朱玉平等[16]在綜合探討巖體質(zhì)量、結(jié)構(gòu)面特征、邊坡幾何條件等影響因素的基礎(chǔ)上,將邊坡系統(tǒng)看作部分信息已知、部分信息未知的灰色系統(tǒng),建立了灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)模型,為工程地質(zhì)類比從常規(guī)定性分析向定量分析過渡提供了一種直觀有效的處理方法;談小龍等[17]應(yīng)用物元理論和可拓集合關(guān)聯(lián)函數(shù),建立了多層次多目標(biāo)的巖土邊坡整體安全綜合評(píng)價(jià)體系,并給出了安全評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將其應(yīng)用到了錦屏一級(jí)水電站左肩槽巖石高邊坡的整體安全評(píng)價(jià)中,效果顯著,具有一定的借鑒意義。綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn),各種方法在實(shí)際工作中都有一定程度的應(yīng)用,并取得一定評(píng)價(jià)效果,但由于其理論出發(fā)點(diǎn)不同,評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確率也有所差別,目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法。
由于影響巖土邊坡穩(wěn)定性的因素復(fù)雜,評(píng)價(jià)指標(biāo)與穩(wěn)定等級(jí)之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系,對(duì)于正確地評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性增加了很大的不確定性。本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上,嘗試運(yùn)用集對(duì)分析理論來研究巖土邊坡的穩(wěn)定性。集對(duì)分析法是我國(guó)學(xué)者趙克勤于1989年首次提出的用于描述和處理綜合集成問題的一種系統(tǒng)分析方法,目前已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。本文綜合集對(duì)分析法和博弈論,從新的角度探索巖土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。
集對(duì)分析是用于處理不確定性問題的系統(tǒng)分析方法,其核心思想是將確定性與不確定性問題視為一個(gè)確定與不確定系統(tǒng),將確定性分為“同一”與“對(duì)立”2個(gè)方面,將不確定性稱為“差異”,用同一度、對(duì)立度、差異度來體現(xiàn)系統(tǒng)中各元素既相互聯(lián)系、相互影響、相互制約,又在一定條件下相互轉(zhuǎn)化的復(fù)雜關(guān)系[18]。通過引入聯(lián)系度統(tǒng)一表示系統(tǒng)的各種不確定性。
假設(shè)有聯(lián)系的2個(gè)集合A和B構(gòu)成一個(gè)集對(duì)H(A,B),A和B共有N個(gè)元素,則其聯(lián)系度可以表示為[19]
(1)
式中:S,F(xiàn),P分別表示集對(duì)中2個(gè)集合元素相比較得到的同一性、差異性、對(duì)立性元素的個(gè)數(shù);S/N,F(xiàn)/N,P/N分別表示2個(gè)集合的同一度、差異度、對(duì)立度,可分別記為a,b,c,且a+b+c=1;i,j分別表示差一度系數(shù)、對(duì)立度系數(shù),有時(shí)可僅起標(biāo)記作用。
式(1)即為常用的三元聯(lián)系度表示式,可對(duì)bi項(xiàng)進(jìn)行擴(kuò)展,得到多元聯(lián)系度的表示式,即
(2)
巖土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)是根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值和各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間的相似性,對(duì)巖土邊坡進(jìn)行分類。首先,應(yīng)當(dāng)建立巖土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。將待評(píng)價(jià)邊坡的評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值xl(l=1,2,…,n)記為集合Al,將相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)記為集合Bk(k=1,2,3,…,m),構(gòu)成集對(duì)H(Al,Bk)。然后,構(gòu)造聯(lián)系度表達(dá)式。由于本文是將巖土邊坡的穩(wěn)定等級(jí)分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ 5個(gè)等級(jí),即分別為穩(wěn)定、較穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定,所以需要構(gòu)造5元聯(lián)系度表達(dá)式。假設(shè)s1,s2,s3,s4分別為巖土邊坡穩(wěn)定性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的門限值,見表1。
表1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)示意
可以看出門限值的邊界具有模糊性,規(guī)定若單個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)落入某個(gè)等級(jí)的情況視為同一,則指標(biāo)落入相鄰的范圍視為差異,落入相隔的等級(jí)視為對(duì)立,即利用差異度分量解決等級(jí)邊界模糊性的問題[20]。所以根據(jù)巖土邊坡評(píng)價(jià)指標(biāo)的特性,針對(duì)越小越優(yōu)型的指標(biāo),其聯(lián)系度計(jì)算表達(dá)式為
(3)
針對(duì)越大越優(yōu)型指標(biāo),其聯(lián)系度計(jì)算表達(dá)式為
(4)
通過式(3)和式(4)計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系度后,結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重ωi,可計(jì)算出綜合聯(lián)系度為
(5)
μA-B=f1+f2i1+f3i2+f4i3+f5j。
(6)
采用置信度準(zhǔn)則來判定巖土邊坡的穩(wěn)定等級(jí),即
hk=(f1+f2+L+fk)≥λ。
(7)
則可判斷出待評(píng)巖土邊坡的穩(wěn)定性等級(jí)為k級(jí)。其中λ表示置信度,一般在[0.50,0.70]內(nèi)取值,λ取值越大,則評(píng)價(jià)結(jié)果越保守、穩(wěn)妥[20]。
傳統(tǒng)的確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的方法主要有層次分析法、熵權(quán)法、專家調(diào)查法、簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)法等。通常采用某一種方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)時(shí),不是存在較大的主觀因素的影響,就是沒有考慮指標(biāo)本身的問題重要性的差異。實(shí)際上,指標(biāo)因素的重要性程度是客觀存在的,并受到?jīng)Q策者主觀意愿的影響,只有將主客觀權(quán)重綜合考慮在一起才能完全反映評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性程度[21]。鑒于此,本文采用基于博弈論的綜合賦權(quán)法,將由層次分析法確定的主觀權(quán)重與由熵權(quán)法[18]確定的客觀權(quán)重相結(jié)合,從而得到巖土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重。具體算法如下[22]:
對(duì)于多指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng),假設(shè)采用L種方法得到指標(biāo)的權(quán)重,記權(quán)重向量為
ωk=(ωk1,ωk2,…,ωkn), (k=1,2,…,L);
(8)
由此可以得到一個(gè)基本的權(quán)重集ω,L種權(quán)重向量的線性組合為
(9)
為了選擇出最滿意的權(quán)重向量ω*,需對(duì)線性組合系數(shù)ak進(jìn)行優(yōu)化,從而使ω與每個(gè)ωk的離差極小化,由此,可導(dǎo)出對(duì)策模型:
(10)
則根據(jù)矩陣的微分性質(zhì),可導(dǎo)出式(10)的最優(yōu)化一階導(dǎo)數(shù)條件為
(11)
由式(11)可以求得(a1,a2,…,aL),然后由(12)式對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,即可得到綜合權(quán)重向量ω*。
(12)
(13)
巖土邊坡的變形失穩(wěn)是在眾多因素的共同影響下發(fā)生的,由于各種因素的作用機(jī)理不同,使得巖土邊坡的破壞具有復(fù)雜性和不確定性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料和近年來的研究發(fā)現(xiàn),巖土邊坡的破壞除了與邊坡地質(zhì)體自身因素有關(guān)外,在一定程度上還受到外界因素的干擾。所以,準(zhǔn)確地選取評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也就顯得至關(guān)重要。本文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上,為驗(yàn)證基于博弈論組合賦權(quán)的巖土邊坡穩(wěn)定性集對(duì)分析模型的合理性和可行性,特選取文獻(xiàn)[23]中的案例為評(píng)價(jià)對(duì)象,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。
坡1是渝黔高速公路某邊坡,位于丘陵斜坡地帶,坡高為46 m,邊坡坡角約為64°,邊坡巖體結(jié)構(gòu)為上部砂巖,下部為泥沙層;坡2至坡4為首鋼某礦區(qū)邊坡,位于華北地臺(tái)北緣、燕山沉降帶中部。各邊坡的具體數(shù)據(jù)見表3,其具體地質(zhì)狀況介紹見文獻(xiàn)[23],在此不再詳細(xì)敘述。
表2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
表3 待評(píng)邊坡評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值
本文客觀權(quán)重采用文獻(xiàn)[18]中熵權(quán)法確定,根據(jù)表3中待評(píng)邊坡評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值可以得到歸一化后的判斷矩陣為:
由熵權(quán)法理論可以求得評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重為ω1=(0.143,0.141,0.143,0.142,0.141,0.143,0.147)。
主觀權(quán)重采用層次分析法[23],并經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后所確定的權(quán)重為ω2=(0.034,0.378,0.023,0.150,0.094,0.057,0.250)。
可以看出,主客觀權(quán)重還是存在一定的差異的,有必要進(jìn)行權(quán)重的集成。根據(jù)式(11)可以得到博弈論綜合賦權(quán)的最優(yōu)化一階線性方程組為
由表2可知,既有成本型評(píng)價(jià)指標(biāo),又有效益型評(píng)價(jià)指標(biāo),所以針對(duì)不同類型的評(píng)價(jià)指標(biāo)分別利用式(3)、式(4)計(jì)算其聯(lián)系度,如表4所示。根據(jù)置信度識(shí)別原則,本文取置信度λ=0.6,可以識(shí)別出各巖土邊坡的穩(wěn)定等級(jí),驗(yàn)證本文所建模型的適用性,并與灰關(guān)聯(lián)分析和可拓評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表4所示。
表4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比
從表4可以看出,坡1的穩(wěn)定性最差,屬于極不穩(wěn)定級(jí)別,今后不僅要加大對(duì)其監(jiān)測(cè)力度,還要采取有效的加固措施以降低發(fā)生滑坡的可能性,其余邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)都較好,但采取一定的監(jiān)測(cè)手段和正常的日常維護(hù)是必不可少的。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),本文所建模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與其他方法比較一致,只有坡3的評(píng)價(jià)結(jié)果不同。實(shí)際上,單對(duì)坡3從定性分析的角度出發(fā)就不難發(fā)現(xiàn),7項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中就有4項(xiàng)指標(biāo)屬于較穩(wěn)定級(jí)別,只有1項(xiàng)屬于穩(wěn)定級(jí)別,即坡3屬于較穩(wěn)定的可能性比較大,更偏向于Ⅱ級(jí),凸顯出本文的評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理。
(1) 巖土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一種多目標(biāo)評(píng)價(jià)問題,評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)是否合理將會(huì)嚴(yán)重影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確率。本文基于博弈論綜合賦權(quán)的優(yōu)化模型,將層次分析法確定的主觀權(quán)重與熵權(quán)法確定的客觀權(quán)重融合為一個(gè)統(tǒng)一的權(quán)重,既兼顧了人為主觀意愿的影響,又可以體現(xiàn)指標(biāo)實(shí)測(cè)值的貢獻(xiàn),增強(qiáng)了評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性。
(2) 巖土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)涉及眾多不確定因素,且指標(biāo)與穩(wěn)定等級(jí)之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系。本文嘗試應(yīng)用集對(duì)分析理論構(gòu)建巖土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型,既考慮了等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)邊界的模糊性,又可以避免差異不確定性系數(shù)取值難的問題,結(jié)合置信度準(zhǔn)則確定邊坡穩(wěn)定等級(jí),還可以避免“最大隸屬度”準(zhǔn)則和“取大取小”算法丟失部分評(píng)價(jià)信息的問題,評(píng)價(jià)結(jié)果比較穩(wěn)定可靠。對(duì)比發(fā)現(xiàn),評(píng)價(jià)結(jié)果與其他方法比較一致,進(jìn)一步說明了該方法的有效性,為邊坡的穩(wěn)定性分析提供了一種新的方法。
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