馮少杰 鄧王倩 孫世國(guó)

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，超高層建筑拔地而起，基坑開(kāi)挖越來(lái)越深，不可避免地產(chǎn)生大量渣土。渣土堆積場(chǎng)越來(lái)越多，特別是遇到暴雨，渣土場(chǎng)極有可能發(fā)生邊坡失穩(wěn)，成為城市安全發(fā)展的隱患之一[1]。例如，“12·20深圳山體滑坡”作為目前世界上已知的最大渣土場(chǎng)滑坡事件[2]，給城市發(fā)展帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

邊坡安全問(wèn)題備受關(guān)注，其本身構(gòu)造復(fù)雜，影響因素較多[3]。關(guān)于滑坡問(wèn)題，已有諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。如王艷霞[4]認(rèn)為將邊坡大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料采用模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行處理，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可得到更切實(shí)際的結(jié)果；阮航等[5]運(yùn)用最大熵原理和工程模糊集理論，確定了指標(biāo)權(quán)重，提出了一種改進(jìn)的公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論；張士倫等[6]提出了用邊坡模糊評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)松散體邊坡，該方法可以全面考慮影響松散體邊坡安全性的因素，且方便易行；張懿等[7]基于改進(jìn)的層次分析法對(duì)沐撫滑坡場(chǎng)地提出了9個(gè)評(píng)價(jià)因子，得出改進(jìn)的層析分析法對(duì)滑坡場(chǎng)地規(guī)劃建設(shè)用地分類(lèi)和預(yù)測(cè)具有重要意義。

由于渣土具有離散性大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)[8]，其特殊性致使渣土場(chǎng)滑坡機(jī)理不同于傳統(tǒng)邊坡。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于渣土場(chǎng)邊坡問(wèn)題的研究較少。此外，“韌性城市”作為未來(lái)城市應(yīng)對(duì)災(zāi)害的主要手段，其方法理念已被人們普遍接受[9-10]。筆者首次將模糊理論與城市韌性安全評(píng)價(jià)結(jié)合起來(lái)，基于模糊層次分析法，建立渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)方法，為城市安全韌性評(píng)價(jià)提供了一種探索。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法是一種將模糊數(shù)學(xué)與層次分析法結(jié)合起來(lái)的評(píng)價(jià)方法，是把層次分析法運(yùn)用于模糊環(huán)境中[11]。若僅使用傳統(tǒng)的層次分析法，人為主觀因素影響太強(qiáng)；在指標(biāo)的數(shù)量較大時(shí)，若僅使用模糊評(píng)價(jià)法，會(huì)造成權(quán)重向量與模糊矩陣不匹配的情況。模糊層次分析法的基本原理是將模糊變換原理與最大隸屬度原則相結(jié)合，對(duì)目標(biāo)層和影響其的相關(guān)因素作嚴(yán)格細(xì)致的分析研究[12]；再根據(jù)模糊變換特點(diǎn)選取因素集、確定評(píng)價(jià)集，建立因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬關(guān)系；之后構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣；最后結(jié)合各因素權(quán)重值得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[13]。因此，將模糊數(shù)學(xué)與層次分析法相結(jié)合在理論上和實(shí)踐上克服了傳統(tǒng)層次分析法與模糊評(píng)價(jià)法的不足，可較好地解決現(xiàn)實(shí)中遇到的問(wèn)題，該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果更具有說(shuō)服力。其流程圖如圖1所示。

圖1 模糊層次分析法流程圖

采用該法可全面考慮到渣土場(chǎng)邊坡韌性的影響因素，故筆者使用該法對(duì)渣土場(chǎng)邊坡進(jìn)行韌性評(píng)價(jià)。

2 渣土場(chǎng)邊坡韌性指標(biāo)及評(píng)價(jià)模型

2.1 北京渣土場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)查

截至2019年4月，北京市渣土場(chǎng)共有55處，主要分布于通州區(qū)，占比為42%，如圖2所示。

圖2 北京市渣土場(chǎng)分布統(tǒng)計(jì)

由圖2可知，北京市渣土場(chǎng)的分布以通州區(qū)為主，其他區(qū)為輔。因通州區(qū)作為北京城市副中心，正處于大力開(kāi)發(fā)建設(shè)階段，在建設(shè)過(guò)程中必將產(chǎn)生大量的渣土，故通州區(qū)的渣土場(chǎng)數(shù)量會(huì)更多。同時(shí)，出于對(duì)環(huán)境的考慮，如，建設(shè)渣土場(chǎng)的基本原則是不能影響周?chē)用竦纳钪刃?，也不能影響周?chē)恋氐拈_(kāi)墾，故渣土場(chǎng)很少分布在城區(qū)，主要分布在遠(yuǎn)郊區(qū)。

2.2 韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及模型的建立

通過(guò)對(duì)渣土場(chǎng)實(shí)地調(diào)研及查閱相關(guān)資料，結(jié)合筆者所研究的渣土場(chǎng)，根據(jù)調(diào)研區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)條件和滑坡特征，將影響渣土場(chǎng)邊坡韌性的因素劃分為內(nèi)在因素與外在因素，從而構(gòu)建韌性評(píng)價(jià)模型的目標(biāo)層與指標(biāo)層。

根據(jù)影響渣土場(chǎng)邊坡韌性的渣土場(chǎng)物料特性、渣土場(chǎng)邊坡特性、環(huán)境與基礎(chǔ)設(shè)施、組織機(jī)制4個(gè)方面，將渣土韌性評(píng)價(jià)模型分為3層。即：(1)目標(biāo)層，為渣土場(chǎng)的韌性評(píng)價(jià)；(2)準(zhǔn)則層，為影響最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間步驟；(3)指標(biāo)層，此層由12個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)模型如圖3所示。

圖3 渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)模型

在建立渣土場(chǎng)邊坡評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)，確定各指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)集是對(duì)滑坡韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)的語(yǔ)言表述，筆者選取4個(gè)等級(jí)(Ⅰ級(jí):韌性強(qiáng)、Ⅱ級(jí):韌性較強(qiáng)、Ⅲ級(jí):韌性一般、Ⅵ級(jí):韌性弱)，建立渣土場(chǎng)邊坡韌性模糊評(píng)級(jí)，并結(jié)合渣土場(chǎng)實(shí)例，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量與定性表達(dá)，各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分值如表1所示。

表1 渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)確定

渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)一級(jí)矩陣A-B由一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度構(gòu)成，故一級(jí)評(píng)判矩陣的確定可轉(zhuǎn)化為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度的確定[14]。

韌性綜合評(píng)判集B表示滑坡韌性等級(jí)的隸屬度，可根據(jù)最大隸屬度原則來(lái)判定滑坡的韌性等級(jí)。根據(jù)隸屬度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算取值，常見(jiàn)的隸屬度函數(shù)類(lèi)型有三角形、正態(tài)型、戒上(下)型和降(升)半梯形等，上述二級(jí)指標(biāo)均為連續(xù)型指標(biāo)，并且定量分值指標(biāo)越大越好，故采用“升半梯形”分布建立隸屬度函數(shù)[15]，可得4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度計(jì)算公式：式(1)～式(4)，其中，x為評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)分(分值)。

3 渣土場(chǎng)工程實(shí)例分析

3.1 渣土場(chǎng)工程概況

筆者以北京某渣土場(chǎng)為例，其現(xiàn)場(chǎng)圖如圖4所示。該渣土場(chǎng)主要為工程開(kāi)挖槽土堆排場(chǎng)地，堆積時(shí)間為8個(gè)月，堆排場(chǎng)下方為項(xiàng)目場(chǎng)地及工作人員生活區(qū)。現(xiàn)場(chǎng)渣土堆積體表層較為松散，深層因土體自重作用，密實(shí)度較大。渣土的主要成分為粉質(zhì)黏土，其中摻雜有少量破碎磚塊及混凝土渣塊，渣土場(chǎng)底部地基土為黏性土。在渣土堆積部分上下韌性參數(shù)存在空間差異，故取平均值作為實(shí)測(cè)指標(biāo)。根據(jù)渣土場(chǎng)邊坡現(xiàn)場(chǎng)狀況，結(jié)合表1的渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分量化，并根據(jù)式(1)～式(4)，計(jì)算各二級(jí)指標(biāo)隸屬度向量R，二級(jí)指標(biāo)量化結(jié)果及其隸屬度向量R計(jì)算結(jié)果如表2所示。

(a)俯視圖 (b)正視圖圖4 某渣土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)圖

表2 某渣土場(chǎng)邊坡評(píng)價(jià)指標(biāo)值

表2(續(xù))

3.2 工程實(shí)例韌性評(píng)價(jià)

利用建立的渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)方法對(duì)該渣土場(chǎng)邊坡進(jìn)行韌性評(píng)價(jià)。采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重值W。判斷矩陣的最大特征值λmax用于計(jì)算矩陣的一致性指標(biāo)CI(CI=(λmax-n)/n-1，其中，n為矩陣階數(shù))。RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，用來(lái)衡量CI的大小，其取值如表3所示。

表3 一致性指標(biāo)RI對(duì)應(yīng)數(shù)值

CR(CR=CI/RI)為檢驗(yàn)系數(shù)，若CR<0.1，則認(rèn)為該判斷矩陣一致性檢驗(yàn)通過(guò)，否則，不能通過(guò)檢驗(yàn)，需對(duì)矩陣重新進(jìn)行調(diào)整[16]。

建立一(二)級(jí)指標(biāo)判斷矩陣，如表4、表5所示。其中，W為指標(biāo)權(quán)重向量。

表4 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值(A-B)

表5 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重值(B1-C)

同理對(duì)二級(jí)指標(biāo)B2，B3和B4構(gòu)造判斷矩陣，權(quán)重向量分別為W2=(0.25，0.75)，W3=(0.55，0.21，0.24)，W4=(0.26，0.33，0.41)。

為得到二級(jí)指標(biāo)(C)對(duì)目標(biāo)層(A)的影響權(quán)重值，需對(duì)權(quán)重向量從高到低逐層進(jìn)行總排序，以確定各影響因素排序，結(jié)果如表6所示。

表6 層次總排序矩陣(A-C)

表6(續(xù))

由表6可知，坡角、坡高、黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度及排水能力等影響因素對(duì)渣土場(chǎng)邊坡韌性的影響程度較大。因此，在進(jìn)行渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)著重考慮這6個(gè)因素。

根據(jù)二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)權(quán)重向量和表2，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型E=W·R，可計(jì)算渣土物料特性隸屬度向量

E1=W1·R1=(0.223 0.631 0.146 0)

(5)

同理，可計(jì)算出其余一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度向量，如表7所示。

表7 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度向量

根據(jù)一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)權(quán)重向量和表7，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)理論B=W·E[17]，可得模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：

B=W·E=(0.359 0.476 0.063 0.103)

(6)

根據(jù)最大隸屬度原則，該渣土場(chǎng)邊坡韌性評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅱ級(jí)，韌性較強(qiáng)。

4 結(jié)論

筆者在對(duì)北京市渣土場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)了北京市渣土場(chǎng)現(xiàn)狀及區(qū)域分布特點(diǎn)；基于模糊層次法構(gòu)建了渣土場(chǎng)邊坡韌性指標(biāo)及評(píng)價(jià)模型，確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了分析驗(yàn)證，為渣土場(chǎng)邊坡的韌性評(píng)價(jià)方法提供了一條新的思路。