CN101630347A - 山区高速公路滑坡风险评价模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种山区高速公路滑坡风险评价模型。该方法是基于模糊数学的原理，运用模糊综合评价法、德尔斐法和层次分析法等方法计算影响高速公路边坡的危险性和易损性的隶属度，进而得到滑坡风险的危险性和易损性指标评价级别。在此基础上，采用风险评价矩阵的方法来进行岩堆边坡的风险评价。该模型可以对可能遇到的边坡滑坡风险进行预测、识别、评估、分析，并在此基础上有效地处置风险，避免或减少滑坡地质灾害对国民经济和人民生命财产的危害，在对滑坡体的发展变化趋势做出判断和预报的基础上，可对其采取相应的治理或防范等措施。

Description

山区高速公路滑坡风险评价模型

技术领域

本发明涉及一种山区高速公路滑坡风险评价模型。

背景技术

滑坡灾害是自然环境的一部分，是仅次于地震灾害和洪水灾害的一种严重的自然灾害。滑坡对人类社会发展和经济建设的危害是世界性的，滑坡灾害给世界各国造成的经济损失估计每年可达数十亿美元。山区高速公路的平、纵断面指标高，在修建过程中不可避免地要对山体进行填挖，故滑坡发生密度大，频率高。此外，在高速公路工程建设中，如果因为滑坡原因，工程不能及时发挥效益或使用中断，其间接损失更大。

滑坡风险管理技术，是指人们对可能遇到的边坡滑坡风险进行预测、识别、评估、分析，并在此基础上有效地处置风险，以最低成本实现最大安全保障的科学管理方法。滑坡风险管理的流程也就包括滑坡风险因素识别、滑坡风险评价、滑坡风险控制与滑坡风险防范等环环相扣、逐步深入的进程，通过滑坡风险管理，避免或减少滑坡地质灾害对国民经济和人民生命财产的危害，在对滑坡体的发展变化趋势做出判断和预报的基础上，可对其采取相应的治理或防范等措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种山区高速公路滑坡风险评价模型。

本发明提出的山区高速公路滑坡风险评价模型，采用危险性和易损性指标对公路滑坡风险进行评价，具体步骤为：

(1)对滑坡危险性进行评价时，通过危险性分级来考虑，将岩堆高速公路边坡的危险性分为很低(I)、低(II)、中等(III)、高(IV)和很高(V)五级，确定影响边坡稳定的二级指标和分级标准，并采用专家评定法确定各指标的权重(表1)；通过模糊数学计算，综合各因子数据的分布特征，对连续性指标采用降半梯形分布计算其各级隶属度，对于离散型指标采用德尔斐法计算各级隶属度，进而得到岩堆边坡的危险性级别；模糊评判方法是应用模糊变换理论和最大隶属度原则，综合考虑被评判事物或其属性的相关因素，进行等级或者级别评价的一种方法，其基本的评价步骤为：

①确定评价指标集合u＝{μ₁，μ₂....μ_n}，各一级指标权重w＝{w₁，w₂....w_n}；各一级评价指标集合u_i＝{u_i，1，u_i，2....u_i，n}，各二级指标权重w_i＝{w_i，1，w_i，2....w_i，n}，U＝{w₁，w₂....w_n}×{μ₁，μ₂....μ_n}′；u_i＝{w_i，1，w_i，2....w_i，n}×{μ_i，1，μ_i，2....μ_i，n}′，其中μ_i，n表示第i个一级指标的第n个二级指标的危险性隶属度，U为滑坡风险的危险性隶属度；

②确定各指标评语集合，对危险性等级的评语集合V＝{很低(I)，低(II)，中等(III)，高(IV)，很高(V)}，(各指标评语具体级别分级标准可参见表1)

③在模糊数学中，以隶属度来表征事物中的模糊界线，根据建立隶属度的基本原则，在危险性评价中，对于连续变量采用了降半梯形分布计算公式(1～5)确定隶属度函数而对于离散型变量采用专家评定法确定隶属度函数即模糊评价矩阵(表2)。

④确定评价指标大小的权重，具体的方法有专家咨询法、德尔斐法和层次分析法。

表1影响岩堆边坡稳定的二级指标权重及危险性分级

$U_I\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& x\&le;V_1\\ \frac{V_2-x}{V_2-V_1}& V_1<x\&le;V_2\\ 0& x>V_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

$U_V\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\&le;V_4\\ \frac{x-V_4}{V_5-V_4}& V_4<x\&le;V_5\\ 1& x\&GreaterEqual;V_5\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(1)～式(5)表示连续型变量的隶属度函数的公式，其中：

V₁，V₂，V₃，V₄，V₅表示岩堆边坡危险性分级的5级标准值(对于区间性指标，取其平均值)；

V_I(x)，V_II(x)，V_III(x)，V_IV(x)，V_V(x)表示连续的隶属度函数；

x表示实测值。

表2表示离散型变量的隶属度确认表格。(如：若某指标为II级(低)则隶属度为μ＝{0.15，0.75，0.15，0.00，0.00})

表2离散型指标隶属度

(2)山区高速公路滑坡风险评价模型，对易损性进行分析时，把人员伤亡、道路、生命线工程、桥梁、居住房屋、土地作为受灾体，分别对其进行易损性评价(表3)。隶属函数及隶属度的选取与危险性评价时一致。

表3岩堆边坡易损性评价

注：F＝死亡人数(含失踪)，SI＝重伤，MI＝轻伤。

(3)山区高速公路滑坡风险评价模型，在危险性和易损性评价的基础上，采取目前普遍使用的风险评价矩阵的方法来进行岩堆边坡的风险评价(表4)。

表4风险评价矩阵

本发明中，所述滑坡是指斜坡上的岩体或土体因某些原因在重力作用下沿一定的结构面发生整体顺坡下滑现象或过程，俗称“走山”、“垮山”、“地滑”、“土溜”等。

本发明中，所述危险性是指滑坡灾害自然属性特征的体现，它的核心要素是滑坡灾害的活动程度。

本发明中，所述易损性是指受灾体遭受边坡失事破坏机会的多少与发生损毁的难易程度。

本发明中，所述层次分析法(AHP)是指将决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。该方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂提出的一种层次权重决策分析方法。

本发明具有以下优点：

1)对可能遇到的边坡滑坡风险进行预测、识别、评估、分析，并在此基础上有效地处置风险，以最低成本实现最大安全保障。

2)避免或减少滑坡地质灾害对国民经济和人民生命财产的危害，在对滑坡体的发展变化趋势做出判断和预报的基础上，可对其采取相应的治理或防范等措施。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

在建的云南某高速公路14标k68+890～+990路段位于云贵高原与四川之过渡地带，属中切割尖顶状中低山地貌类型。依据前述的理论框架对其进行风险评价。

1.危险性模糊综合评判

(1)地质因素

该滑坡体断层不发育，斜层理发育两组节理，滑坡下部存在较高陡临面，前缘临空面坡度在60°以上，沟谷切割成v型，切割程度较高，岩石风化程度高，岩性为紫红色、紫灰色中～厚层状泥岩，泥岩呈全～强风化，泥岩全风化呈粘土状，强风化呈碎石土状，碎石呈块状结构，局部全风化泥岩呈散体结构。

(2)结构因素

基岩强度中等，泥岩承载力值fk＝300～400kpa，砂岩承载力值fk＝350～500kp，基岩面条件光滑，地形条件极为不利，地形坡度在28°以上，内摩擦角33.8°，粘聚力20.78kpa。岩堆体的物质组成主要以块石、土直接堆积。岩堆体胶结主要是泥质胶结，程度较密实。

(3)水的影响

富水性中等，地下水渗流为A级，线路所处的斜坡段为上清河右谷坡下部，上清河在该段自南向北迳流，水流量较大，雨季地表水冲刷较强。水麻地区降雨强度大，年平均降雨量1200mm，特别是5～10月为集中降雨时段，占全年降水量的80％，该滑坡体在地质调研期间未设置排水沟。

(4)环境因素

斜坡上部坡面植被较发育，多灌木、树林，斜坡中下部植被不发育，仅零星分布有少量树木；在古滑坡地带分布有少量农田植被，现状均被开垦为阶梯状耕地，植被覆盖率在20％～30％左右，地震烈度较高，一般设计为7度。土地使用类型为道路，人工扰动较大。

根据以上描述，确定各二级指标的危险性等级隶属度。以地质因素为例，该滑坡体断层不发育，则参照表1，危险性等级为II级，则参考表2，隶属度u₁₁＝{0.15，0.70，0.15，0.00，0.00}。同理，u₁₂＝{0.00，0.15，0.70，0.15，0.00，}，将每个二级指标的隶属度得到后可得

${\{u_{11},u_{12},u_{13},u_{14},u_{15}\}}^{\&prime;}=\left[\begin{array}{ccccc}0.15& 0.7& 0.15& 0& 0\\ 0& 0.15& 0.70& 0.15& 0\\ 0& 0& 0& 0.25& 0.75\\ 0& 0& 0.15& 0.7& 0.15\\ 0& 0& 0.15& 0.7& 0.15\end{array}\right]$

参照表1得{w_i，1，w_i，2....w_i，n}＝{0.2，0.25，0.25，0.15，0.15}

于是，u₁＝{w_1，1，w_1，2....w_1，n}×{μ_1，1，μ_1，2....μ_1，n}′＝{0.0300  0.1775  0.2500  0.3100  0.2325}同理可计算得到u₂、u₃、u₄，则

${\{u_1,u_2,u_3,u_4\}}^{\&prime;}=\left[\begin{array}{ccccc}0.0300& 0.1775& 0.2500& 0.3100& 0.2325\\ 0.1125& 0.2450& 0.2700& 0.2000& 0.1725\\ 0& 0& 0.0225& 0.3175& 0.6600\\ 0.0300& 0.1700& 0.2600& 0.4500& 0.0900\end{array}\right]$

参照表1得{w₁，w₂....w_n}＝{0.15，0.30，0.35，0.2}

于是，U＝{w₁，w₂....w_n}×{μ₁，μ₂....μ_n}′＝{0.0442  0.1341  0.1784  0.3076  0.3356}

经计算得其隶属度为(0.0442  0.1341  0.1784  0.3076  0.3356)，依据模糊评价中的最大隶属度原则，此滑坡危险性属于第V级。

2.易损性评价

首先把人员伤亡、道路、生命线工程、桥梁、居住房屋、土地作为受灾体，分别对其进行易损性评价，采用层次分析法确定指标相关权重，得其评判矩阵为

$A=\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 2& 2& 3& 4\\ 1& 1& 1& 1& 2& 4\\ 1/2& 1/2& 1& 1& 2& 2\\ 1/2& 1/2& 1& 1& 2& 2\\ 1/3& 1/3& 1/2& 1/2& 1& 2\\ 1/4& 1/4& 1/2& 1/2& 1& 1\end{array}\right]$

通过计算得到：λ_max＝5.9344，其对应的特征向量为：

W＝(0.6558，0.5023，0.3463，0.3463，0.2186，0.1732)^T，2.2426

查表7得RI＝1.24，则：

$C\&CenterDot;R=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-n}{(n-1)R\&CenterDot;I}=\frac{5.9344-6}{(6-1)\&times;1.24}=-0.0106<0.1$

表4随机一致性指标RI值

矩阵阶数	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
											RI	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.46	1.49	1.52	1.54

说明判断矩阵满足一致性要求，即相应求得的特征向量有效，进一步归一化处理即可得到各相关因素的权重(小于0.1的值取0.1)。

取两位有效数字则这六个指标的权重w＝{0.28，0.22，0.15，0.15，0.1，0.1}

根据实地调研，进行易损性分析，古滑坡斜坡上坐落有1户居民约10人，滑坡平均长度约155m，滑坡体上植被覆盖中等，如滑坡发生后，考虑到居民及高速公路施工人员，死亡人数将达到3人以上，道路破坏长度大于100m，生命线工程将遭受严重损坏，滑坡体上的一间房屋将严重受损。

经计算(计算过程可参照危险性隶属度计算)，得到隶属度为(0.2205，0.2540，0.2080，0.1075，0.2100)，依据模糊评价中的最大隶属度原则，此滑坡易损性等级为II级。

3风险评价

依据上文建立的风险评价体系，综合危险性和易损性评价，参照表4的风险评价矩阵，此边坡的风险等级为III级。

Claims (1)

1、一种山区高速公路滑坡风险评价模型，其特征在于采用危险性和易损性指标对公路滑坡风险进行评价，具体步骤为：

(1)对滑坡危险性进行评价时，将岩堆高速公路边坡的危险性分为很低(I)、低(II)、中等(III)、高(IV)和很高(V)五级，确定影响边坡稳定的二级指标和分级标准，并采用专家评定法确定各指标的权重；通过模糊数学计算，综合各因子数据的分布特征，对于连续性指标采用降半梯形分布计算其各级隶属度，对于离散型指标采用德尔斐法计算各级隶属度，进而得到岩堆边坡的危险性级别；其基本的评价步骤为：

①确定评价指标集合u＝{μ₁，μ₂....μ_n}，各一级指标权重w＝{w₁，w₂....w_n}；各一级评价指标集合u₁＝{u_i，1，u_i，2....u_i，n}，各二级指标权重w_i＝{w_i，1，w_i，2....w_i，n}，U＝{w₁，w₂....w_n}×{μ₁，μ₂....μ_n}′；u_i＝{w_i，1，w_i，2....w_i，n}×{μ_i，1，μ_i，2....μ_i，n}′，其中μ_i，n表示第i个一级指标的第n个二级指标的危险性隶属度，U为滑坡风险的危险性隶属度；

②确定各指标评语集合，对危险性等级的评语集合V＝{很低(I)，低(II)，中等(III)，高(IV)，很高(V)}；

③在模糊数学中，以隶属度来表征事物中的模糊界线，根据建立隶属度的基本原则，在危险性评价中，对于连续变量采用了降半梯形分布计算公式(1～5)确定隶属度函数而对于离散型变量采用专家评定法确定隶属度函数即模糊评价矩阵；降半梯形分布计算公式如下：

$U_I\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& x\&le;V_1\\ \frac{V_2-x}{V_2-V_1}& V_1<x\&le;V_2\\ 0& x>V_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

$U_V\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\&le;V_4\\ \frac{x-V_4}{V_5-V_4}& V_4<x\&le;V_5\\ 1& x\&GreaterEqual;V_5\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(1)～式(5)表示连续型变量的隶属度函数的公式，其中：

V₁，V₂，V₃，V₄，V₅表示岩堆边坡危险性分级的5级标准值，对于区间性指标，取其平均值)；

V_I(x)，V_II(x)，V_III(x)，V_IV(x)，V_V(x)表示连续的隶属度函数；

x表示实测值；

④确定评价指标大小的权重；

(2)山区高速公路滑坡风险评价模型，对易损性进行分析时，把人员伤亡、道路、生命线工程、桥梁、居住房屋、土地作为受灾体，分别对其进行易损性评价，隶属函数及隶属度的选取与危险性评价时一致。

(3)在危险性和易损性评价的基础上，采取风险评价矩阵的方法来进行岩堆边坡的风险评价。