CN113888023A - 一种基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,确定所有候选线路共有n种地质灾害,构建n种地质灾害的评价指标体系,完善对应灾害等级和对应评价指标的定量化范围,并确定每个地质灾害的每个评价指标的组合赋权权重,使得能够引入理想点和欧式距离函数构件对应的地质灾害的理想点评价模型、或引入未确知测度理论和置信度准则构建对应的地质灾害的未确知测度评价模型,来对每个里程段在该地质灾害的评价指标体系内的对应灾害等级进行综合评估,提高评估结果准确性,进而获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度更准确,最终对应候选线路因n种地质灾害产生的总损失量的计算更准确,使得能够更加准确的选取最优线路。
Description
技术领域
本发明涉及多源地质灾害的山区铁路减灾选线技术,特别是一种基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法。
背景技术
随着我国铁(公)路网建设重心逐步西移,涌现出川藏铁路、滇藏铁路等一大批百年实际工程。这些区域地质构造发育,地形起伏大,沟谷受河流,积雪融化冲刷严重,地表岩石受强烈的风化剥蚀,导致包括滑坡、崩塌、泥石流等地面地质灾害分布广泛。在隧道工程建设中还会遇到岩爆、突涌水、有害气体、高地温、大变形等地下地质灾害,严重阻碍工程建设,危害施工人员的人身安全。在传统选线中,多依靠地质从业人员评估地质灾害风险,这种方法依赖于专家经验和主观赋值,评价结果受主观因素影响较大,实际应用时一定程度上取决于从业人员的专业知识,对从业人员要求较高。因此,如何在铁路前期选线勘察阶段开展地质灾害评估研究并合理地进行危险性等级划分,以期为铁路线路方案比选提供科学依据,是复杂山区铁路减灾选线亟待解决的关键难题。
目前,国内外学者在铁路选线及地质灾害危险性评估方面取得了一定研究成果,但是多以研究单一地质灾害特征及减灾选线,在崩塌、滑坡、泥石流等地面地质灾害研究较多,而关于隧道大变形、岩爆、高地温、突涌水等地下地质灾害方面减灾选线研究很少。同时,关于开展多源地质灾害风险评估的减灾选线的研究更少,即使有少数学者研究多源地质灾害危险性综合评价,主要是通过定性评估,这种方法依赖于专家经验和主观赋值,评价结果受主观因素影响较大,没有进行系统的多源地质灾害危险性评估,难以综合权衡利弊,在一定程度上缺乏客观性和科学性。
综上所述,铁路减灾选线研究存在研究对象单一、难以综合确定多指标权重以及无法定量评估多源地质灾害的影响,现在急需建立一套多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,对不同的地质灾害进行定量评估研究,计算各线路的总经济损失量,以期在铁路前期选线阶段尽可能规避潜在地质灾害,降低施工风险和成本,为铁路工程规划、选线及施工建设提供依据,从而确定相对合理的优选方案。
发明内容
本发明的目的在于:针对现有技术铁路减灾选线的研究存在:以研究单一地质灾害特征对减灾选线的影响,未能考虑多源地质灾害,且对单一地质灾害特征的研究多依靠地质从业人员评估该地质灾害的单个影响因素造成的风险,这种方法依赖于专家经验和主观赋值,评价结果受主观因素影响较大,且属于定性分析,实际应用时一定程度上取决于从业人员的专业知识,对从业人员要求较高的问题,提供一种基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,包括以下步骤:
S1、根据对工程区域的现场地质勘察,在该工程区域内规划获得m条候选线路;
S2、对m条候选线路进行现场地质勘测,根据对各条候选线路的地质勘测结果初步确定所有候选线路共有n种地质灾害;然后基于每种地质灾害的多个具有共性特征的影响因素,构建每种地质灾害对应的评价指标体系,每种地质灾害对应的评价指标体系包括该地质灾害的k个灾害等级、t个与该种地质灾害的所有影响因素一一对应的评价指标、以及该种地质灾害的每个灾害等级对应的该种地质灾害的所有评价指标的定量化评价值范围;
然后根据对各条候选线路的地质勘测结果获取:每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值,将所有候选线路的所有里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的同一评价指标的评价值采用权重确定方法计算得出:所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重和客观权重,再引入距离函数对每种地质灾害对应的评价指标体系的每个评价指标的主观权重和客观权重进行组合赋权获得:所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重;
基于理想点法并采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数,构建每种地质灾害的理想点评价模型;或基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行地质灾害评价,构建每种地质灾害的未确知测度评价模型;
S3、将每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值和所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重输入对应地质灾害的理想点评价模型或对应地质灾害的未确知测度评价模型,获得对应里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级;
S4、根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度,根据每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度与对应里程段的长度相乘获得每个里程段的每种地质灾害单位损失量,将每条候选线路的所有里程段的所有地质灾害单位损失量相加获得对应候选线路的总损失量;
S5、选取所有候选线路的总损失量最低的为最优线路。
地质灾害分为地面地质灾害和地下地质灾害,地面地质灾害如滑坡和崩塌等,地下地质灾害如隧道大变形、岩爆、高地温等。本方案中,通过在工程区域进行现场地质勘察,先规划m条候选线路,后续的选线在m条候选线路中选择,以选择因m条候选线路共有n种地质灾害所造成的总损失量最少的候选线路最低的为最优线路。
候选线路因n种地质灾害所造成的总损失量为候选线路的所有里程段因n种地质灾害所造成的损失量之和,而每个里程段可能存在n种地质灾害的一种或多种,每个里程段因n种地质灾害所造成的损失量是每个里程段因每种地质灾害所造成的单位损失量之和,通过里程段的长度乘该里程段的单位损失程度即可获得单位损失量,当该里程段不存在某种地质灾害时,该里程段因该地质灾害所造成的单位损失量为0,根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度。
本方案中,对应n种地质灾害建立n个评价指标体系,每个评价指标体系的对应地质灾害所受的影响因素和评价指标是一一对应的。每个评价指标体系均能够反映:对应地质灾害所受的影响因素和影响因素的数量、对应地质灾害的灾害等级和灾害等级数量,以及对应地质灾害的每个灾害等级对应的该种地质灾害的所有评价指标的定量化评价值范围。所有评价指标体系均考虑了对应地质灾害的影响因素,且能够将对应地质灾害的影响因素和对应地质灾害的灾害等级做一一对应的定量化分析,能够充分反映该地质灾害的所有影响因素分别对候选线路的影响,但该地质灾害的不同影响因素之间的相互影响对该地质灾害的灾害等级的评估结果的影响并不能直接体现。
在构建的某一个地质灾害的评价指标体系后,以对各条候选线路的地质勘测结果获取该地质灾害的对应所有评价指标的评价值为基础,将所有候选线路关于该地质灾害的对应所有评价指标中的同一种评价指标的评价值采用权重确定方法进行主观评价和客观评价,能够分别计算得出所有候选线路通用的该种地质灾害对应的所有评价指标中的对应评价指标的主观权重和客观权重,再引入距离函数对该种地质灾害对应的所有评价指标中的对应评价指标的主观权重和客观权重进行组合赋权能够获得该种地质灾害对应的所有评价指标中的对应评价指标的组合赋权权重,解决了该种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的单一主观权重和客观权重存在的差异性问题,使得该种地质灾害对应的评价指标体系的权重的确定更加合理、可靠和符合实际工况,为该种地质灾害的对应灾害等级的评价采用理想点法或未确知测度理论提供了该种地质灾害的评价指标体系的各评价指标在该种地质灾害的对应灾害等级的评价中的真实可靠的权重系数。
本方案可以基于理想点法并采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数,构建每种地质灾害的理想点评价模型,一共获得n种地质灾害的理想点评价模型;其中,采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数来配合理想点法构建了每种地质灾害的理想点评价模型,来保证每种地质灾害的理想点评价模型的灾害等级评价结果的准确性,是经过多次工程试验的验证得出。或本方案可基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行地质灾害评价,构建每种地质灾害的未确知测度评价模型,一共获得n种地质灾害的理想点评价模型。通过将每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值和所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重输入对应地质灾害的理想点评价模型或对应地质灾害的未确知测度评价模型,能够获得对应里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级;根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度,以此来计算每条候选线路因n种地质灾害造成的总损失量选取所有候选线路中的最优线路。
本方案通过对工程区域的现场地质勘察规划获得m条候选线路,对m条候选线路进行现场地质勘测确定所有候选线路共有n种地质灾害,依据n种地质灾害和现场地质勘测结果构建对应的n种完善的评价指标体系,完成了对n种完善的评价指标体系内的对应灾害等级和对应评价指标进行定量化范围确定,并依据现场地质勘测结果得到每种地质灾害对应的评价指标体系的同一评价指标的评价值赋予合理的组合赋权权重,使得能够引入理想点和欧式距离函数构件对应的地质灾害的理想点评价模型、或引入未确知测度理论和置信度准则构建对应的地质灾害的理想点评价模型,来综合每个里程段的该地质灾害的所有评价指标对该里程段在该地质灾害的评价指标体系内的对应灾害等级进行综合评估,使得每个里程段关于n种地质灾害在对应评价指标体系内的对应灾害等级的评估更准确,进而根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度更准确,最终对应候选线路因n种地质灾害产生的总损失量更准确,使得能够更加准确的选取最优线路。本方案全面研究分析了环境对选线损失造成的影响等不确定因素,为线站设计人员提供了更加直观的选线依据和选线结果,工程实用性强。
优选的,在步骤S2中,n种地质灾害包括崩塌灾害、滑坡灾害、泥石流灾害、冰湖溃决灾害、岩爆灾害、大变形灾害、高地温灾害、突涌水灾害和瓦斯有害气体灾害9种地质灾害中的至少两种。
地质灾害种类超过9种,上述9种地质灾害能够概括大部分铁路减灾选线所需要考虑的地质灾害。根据对m条候选线路进行现场地质勘测的实际情况,在上述9种地质灾害选择至少两种地质灾害来构建相应的评价指标体系,避免铁路减灾选线对候选线路未有的地质灾害做相应的考虑,减少额外工作量。
优选的,所有地质灾害的灾害等级数量k=4,包括每种地质灾害对应的无灾害,Ⅰ级灾害,Ⅱ级灾害和Ⅲ级灾害四种灾害等级,能够较为全面的覆盖每种地质灾害的灾害严重程度,且统一所有地质灾害的灾害等级数量,便于进行计算。对每种地质灾害的每个灾害等级下的所有评价指标分别进行量化,使得能够通过数值更加直观准确的反应每种地质灾害的每个灾害等级下的所有评价指标的情况,采用上述每种地质灾害的每个灾害等级下的所有评价指标的定量化评价值范围来构建对应地质灾害的评价指标体系,有利于准确的评估候选线路的每个里程段关于每种地质灾害的灾害等级,以便进行铁路减灾选线。
优选的,在所述步骤S2中,每种地质灾害的理想点评价模型均包括:对应地质灾害的理想点评价指标函数、对应地质灾害的理想点决策矩阵和对应地质灾害的理想点评价函数D;
对应地质灾害的理想点评价指标函数为:
式中:i=1、2、…、t,fi *(+)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的理想值,fi(x)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的评价值,Vi u为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最大临界值,Vi l为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最小临界值;fi *(+)=maxfi(x)为增长型,fi *(+)=minfi(x)为减少型,为区间型;
基于式以及对应地质灾害的评价指标体系能够获取t个对应地质灾害的评价指标体系的评价指标分别在k个灾害等级的理想值,t*k个对应地质灾害的理想值能够构建成所有候选线路的所有里程段通用的对应地质灾害的理想点决策矩阵;
采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数来获取对应地质灾害的理想点评价函数D:
式中:D为里程段与对应地质灾害的理想点的距离,wi为对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重,fi(x)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的评价值,fi *(+)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的理想值,Vi u为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最大临界值,Vi l为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最小临界值;
在步骤S3中,将每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值、所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重、以及对应地质灾害的理想点决策矩阵均代入对应地质灾害的理想点评价函数D中,获得对应里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级。
本方案中,需要构建与n种地质灾害一一对应的理想点评价模型。每种地质灾害的理想点评价指标函数是为了获取对应地质灾害的评价指标的理想点。每种地质灾害的评价指标均根据实际情况分为增长型、减少型和区间型,分别对应于对应地质灾害的理想点评价指标函数的三种情况,基于每种地质灾害的评价指标的定量化评价值范围和理想点评价指标函数,能够获得t个对应地质灾害的评价指标体系的评价指标分别在k个灾害等级的理想值,t*k个对应地质灾害的理想值能够构建成所有候选线路的所有里程段通用的对应地质灾害的理想点决策矩阵。每种地质灾害的理想点评价函数D是基于欧式距离函数,并赋予了对应地质灾害的所有评价指标的权重。通过在每种地质灾害的理想点评价函数D中代入每条候选线路的每个里程段的对应地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值、所有候选线路通用的对应地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重、以及对应地质灾害的理想点决策矩阵,能够获得该里程段分别与对应地质灾害的评价指标体系的几个灾害等级的理想值之间的距离,进而选取该里程段与对应地质灾害的评价指标体系的灾害等级的理想值距离最小的灾害等级为该里程段在对应地质灾害的评价指标体系的灾害等级。
优选的,获取每种地质灾害的理想点决策矩阵时,若对应地质灾害的评价指标体系的k个灾害等级中的任一个灾害等级的评价指标无法在其评价值范围内取理想点,则在该灾害等级的评价指标的理想点附近选择一个近似理想点,近似理想点的选取方式是:
依据对应地质灾害的评价指标体系的该灾害等级的所有评价指标的评价值范围情况,修正对应地质灾害的评价指标体系的该灾害等级的所有评价指标的评价值范围的最小临界值和/或最大临界值,然后再选取近似理想点。
因每种地质灾害的评价指标体系的某些灾害等级下的评价指标的评价值范围无端值,故无法选取该评价指标的真实的理想点,通过在该评价指标真实的理想点的附近选择近似理想点,使得能够获得对应地质灾害的理想点决策矩阵,进而使得对应地质灾害的理想点评价模型能够成功构建。
优选的,在步骤S2中,每种地质灾害的未确知测度评价模型均包括:对应地质灾害的单指标测度函数、对应地质灾害的单指标测度评价矩阵、对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵和对应地质灾害的置信度识别准则模型;
在所述步骤S3中,将每个里程段的对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值代入对应地质灾害的单指标测度函数中能够计算对应里程段的对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值的测度值uijp,然后将对应里程段得到的所有对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值的测度值uijp构成对应里程段的对应地质灾害的单指标测度评价矩阵;
通过公式:
向对应地质灾害的单指标测度评价矩阵赋予对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重能够获得对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵,式ujp中:wi表示对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重;uijp表示第j里程段的对应的评价指标体系的第i个评价指标的评价值属于对应地质灾害的评价指标体系的第p灾害等级的程度;ujp表示第j里程段属于对应地质灾害的评价指标体系的第p灾害等级的程度;
对应地质灾害的置信度识别准则模型为:
式pj中,λ≥0.5;将对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵内数据代入对应地质灾害的置信度识别准则模型中,通过判断p值满足式pj,能够判断第j里程段的对应地质灾害的灾害等级为pj。
每种地质灾害的评价指标体系的所有评价指标分别对应的单指标测度函数的构建方式为现有技术。通过每种地质灾害的评价指标体系的每个评价指标的单指标测度函数,能够计算对应指标的评价值的测度值。本方案中,评价指标的评价值代入对应的单指标测度函数,能够获得对应评价指标的评价值的测度值,该测度值表示该评价值属于对应地质灾害的评价指标体系的第p灾害等级的程度。将各个里程段对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值所得的测度值构成该里程段的对应地质灾害的单指标测度评价矩阵,向对应地质灾害的单指标测度评价矩阵赋予对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重,能够得到对应里程段属于对应地质灾害的评价指标体系的第p大灾害等级的程度ujp组成的对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵。将对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵内数据代入对应地质灾害的置信度识别准则模型中,能够准确的判断该里程段属于对应地质灾害的评价指标体系的大变形等级为pj。
优选的,在步骤S2中,所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重的计算采用层次分析法,所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的客观权重的计算采用熵权法,引入的距离函数M:
且需要引入距离函数M的定解和约束条件:
式中:wi为所有候选线路通用的每种地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重,wi a为所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重,wi e为所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的客观权重,α为层次分析法的分配系数,β为熵权法的分配系数。
采用层次分析法和熵权法,并通过引入距离函数判别法,将对应地质灾害的每个评价指标的主观权重和客观权重进行耦合并建立组合赋权规则,获得对应地质灾害的对应评价指标的组合赋权权重,解决了该种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的单一主观权重和客观权重存在的差异性问题,使得该种地质灾害对应的评价指标体系的权重的确定更加合理、可靠和符合实际工况。
优选的,在步骤S4中,单位损失程度为单位损失造价,单位损失量为单位损失成本,总损失量为总损失成本,根据下式计算各候选线路因地质灾害产生的总损失成本Ex:
;式中:x=1、2、…、m,j=1、2、…、q,y=1、2、…、n,p=1、2、…、k,Vxjyp表示第x候选线路的第j里程段的第y地质灾害在对应的评价指标体系中为第p灾害等级的单位损失造价,Lxy表示第x候选线路的第j里程段的长度;
在步骤S5中,选取所有候选线路的总损成本最低的为最优线路。
采用上述方式,能够快速、准确的计算每条候选线路的因地质灾害产生的总损失成本Ex,作为每条候选线路的因地质灾害产生的总损失量,体现出了总损失量与各里程段关于各地质灾害的灾害等级评估结果之间的联系,为铁路减灾选线提供更好的评估结果。
优选的,当在高海拔复杂山区铁路施工时,根据下式计算高海拔复杂山区的各候选线路因地质灾害产生的总损失成本Eλx:
;式中:x=1、2、…、m,j=1、2、…、q,y=1、2、…、n,p=1、2、…、k,Vxjyp表示第x候选线路的第j里程段的第y地质灾害在对应的评价指标体系中为第p灾害等级的单位损失造价,Lxy表示第x候选线路的第j里程段的长度,λxjyp表示第x候选线路的第j里程段的第y地质灾害在对应的评价指标体系中为第p灾害等级的高原施工增加费率。
对高海拔复杂山区铁路施工时,还需要考虑各地质灾害在不同海拔高度上的高原施工增加费率,通过上式计算高海拔复杂山区的各候选线路因地质灾害产生的总损失成本Eλx,使得每个候选线路总损失成本计算更为准确,进而使得铁路减灾选线更准确,节约铁路施工成本。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1、本方案通过对工程区域的现场地质勘察规划获得m条候选线路,对m条候选线路进行现场地质勘测确定所有候选线路共有n种地质灾害,依据n种地质灾害和现场地质勘测结果构建对应的n种完善的评价指标体系,完成了对n种完善的评价指标体系内的对应灾害等级和对应评价指标进行定量化范围确定,并依据现场地质勘测结果得到每种地质灾害对应的评价指标体系的同一评价指标的评价值赋予合理的组合赋权权重,使得能够引入理想点和欧式距离函数构件对应的地质灾害的理想点评价模型、或引入未确知测度理论和置信度准则构建对应的地质灾害的未确知测度评价模型,来综合每个里程段的该地质灾害的所有评价指标对该里程段在该地质灾害的评价指标体系内的对应灾害等级进行综合评估,使得每个里程段关于n种地质灾害在对应评价指标体系内的对应灾害等级的评估更准确,进而根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度更准确,最终对应候选线路因n种地质灾害产生的总损失量更准确,使得能够更加准确的选取最优线路。本方案全面研究分析了环境和经济等不确定因素,为线站设计人员提供了更加直观的选线依据和选线结果,工程实用性强。
2、本发明基于区域地质资料,归纳总结了铁路沿线的9种地质灾害,能够概括大部分铁路减灾选线所需要考虑的地质灾害。对9种地质灾害的每个灾害等级下的所有评价指标分别进行量化,使得能够通过数值更加直观准确的反应每种地质灾害的每个灾害等级下的所有评价指标的情况,采用每种地质灾害的每个灾害等级下的所有评价指标的定量化评价值范围来构建对应地质灾害的评价指标体系,有利于准确的评估候选线路的每个里程段关于每种地质灾害的灾害等级,以便进行铁路减灾选线。并根据对m条候选线路进行现场地质勘测的实际情况,在崩塌灾害、滑坡灾害、泥石流灾害、冰湖溃决灾害、岩爆灾害、大变形灾害、高地温灾害、突涌水灾害和瓦斯有害气体灾害9种地质灾害中选择至少两种地质灾害来构建相应的评价指标体系,避免铁路减灾选线对候选线路未有的地质灾害做相应的考虑,减少额外工作量。
3、采用层次分析法和熵权法,并通过引入距离函数判别法,将对应地质灾害的每个评价指标的主观权重和客观权重进行耦合并建立组合赋权规则,获得对应地质灾害的对应评价指标的组合赋权权重,解决了该种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的单一主观权重和客观权重存在的差异性问题,使得该种地质灾害对应的评价指标体系的权重的确定更加合理、可靠和符合实际工况。
4、对高海拔复杂山区铁路施工时,还需要考虑各地质灾害在不同海拔高度上的高原施工增加费率,通过式Eλx计算高海拔复杂山区的各候选线路因地质灾害产生的总损失成本Eλx,使得每个候选线路总损失成本计算更为准确,进而使得铁路减灾选线更准确,节约铁路施工成本。
附图说明
图1为本发明多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法流程图一;图2为本发明理想点灾害等级评价原理示意图;图3为本发明多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法流程图二;图4为实施例1中川藏铁路某隧道3条线路方案对比示意图;图5为实施例1中川藏铁路某大桥5条线路方案对比示意图;图6为实施例1中川藏铁路某隧道3条线路岩爆危险性评价结果;图7为实施例1中川藏铁路某隧道3条线路大变形危险性评价结果;图8为实施例1中川藏铁路某大桥5条线路崩塌危险性评价结果。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,参见图1-3,包括以下步骤:
S1、根据对工程区域的现场地质勘察,在该工程区域内规划获得m条候选线路;
S2、对m条候选线路进行现场地质勘测,根据对各条候选线路的地质勘测结果初步确定所有候选线路共有n种地质灾害;然后基于每种地质灾害的多个具有共性特征的影响因素,构建每种地质灾害对应的评价指标体系,每种地质灾害对应的评价指标体系包括该地质灾害的k个灾害等级、t个与该种地质灾害的所有影响因素一一对应的评价指标、以及该种地质灾害的每个灾害等级对应的该种地质灾害的所有评价指标的定量化评价值范围;
然后根据对各条候选线路的地质勘测结果获取:每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值,将所有候选线路的所有里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的同一评价指标的评价值采用权重确定方法计算得出:所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重和客观权重,再引入距离函数对每种地质灾害对应的评价指标体系的每个评价指标的主观权重和客观权重进行组合赋权获得:所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重;
基于理想点法并采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数,构建每种地质灾害的理想点评价模型;或基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行地质灾害评价,构建每种地质灾害的未确知测度评价模型;
S3、将每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值和所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重输入理想点评价模型或未确知测度评价模型,获得对应里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级;
S4、根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度,根据每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度与对应里程段的长度相乘获得每个里程段的每种地质灾害单位损失量,将每条候选线路的所有里程段的所有地质灾害单位损失量相加获得对应候选线路的总损失量;
S5、选取所有候选线路的总损失量最低的为最优线路。
在步骤S1中,m条候选线路的确定是由线站设计人员获得的数据确定的,可以但不限于根据GIS数据、站点数据、地面路段、桥梁段长度及平均单位造价数据和隧道路段长度及平均单位造价数据,具体获取方式可以但不局限于从相关数据库中导入。
在所述步骤S2中,对m条候选线路进行现场地质勘测,根据对各条候选线路的地质勘测结果初步确定所有候选线路共有n种地质灾害;
现场地质勘测包括现场地质调查、无人机测绘、卫星光学遥感技术、合成孔径雷达干涉测量技术、机载激光雷达测量技术、物探、区域地质资料、室内试验和工程类比法等手段的一种或多种相结合。
本实施例中,在步骤S2中,n种地质灾害包括崩塌灾害、滑坡灾害、泥石流灾害、冰湖溃决灾害、岩爆灾害、大变形灾害、高地温灾害、突涌水灾害和瓦斯有害气体灾害9种地质灾害中的至少两种。地质灾害超过9种,但上述9种地质灾害能够概括大部分铁路减灾选线所需要考虑的地质灾害。根据对m条候选线路进行现场地质勘测的实际情况,在上述9种地质灾害选择至少两种地质灾害来构建相应的评价指标体系,避免铁路减灾选线对候选线路未有的地质灾害做相应的考虑,减少额外工作量。
本实施例中,还给出n种地质灾害各自的影响因素(评价指标)。
在步骤S2中,还构建了以下9种地质灾害的评价指标体系:
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括崩塌灾害时,崩塌灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于8。通过研究发现,影响崩塌灾害的主要影响因素包括地质条件、地形地貌、年均降雨量、人类活动和地震影响等,其中地质条件和地形地貌属于孕灾环境,年均降雨量、人类活动和地震烈度属于诱发条件。通过现场勘测川藏铁路雅安至林芝段沿线崩塌灾害可知,地形地貌是崩塌的必要条件,主要包括坡高和坡度;地质条件是崩塌类型、规模及发生方式最直接的体现,包括岩体结构类型、距断裂带距离、地层岩性和岩石风化程度;地震烈度和年均降雨量是山区铁路沿线区域崩塌直接的诱发因素。此外,山区铁路经过区域山高陡坡,人迹罕至,人类活动影响很小,因此本文不再考虑人类活动指标。因此,选择下列孕灾环境和诱发条件2大类共8个评价指标建立崩塌灾害评价指标体系,如表A-1所示。
表A-1崩塌评价指标及分级标准
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括滑坡灾害时,滑坡灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于7。同样通过研究发现,滑坡灾的形成和发展与地质环境条件密不可分,影响因素众多。通过调查分析山区铁路沿线滑坡灾害,发现滑坡灾害主要受控于孕灾环境和诱发条件,其中孕灾环境包括地形地貌和地质条件。地形地貌是滑坡形成的必要条件,坡高和坡度能很好的反映地形地貌对滑坡灾害的影响。滑坡灾害的地质条件包括距断裂带距离、滑体物质类型和变形迹象,滑体物质的力学性质越差,距断裂带距离越近,变形迹象越明显,发生滑坡灾害的可能性和级别就越高。地震烈度和年均降雨量是诱发处于临界状态下斜坡体失稳的重要因素,选取地震烈度和年均降雨量能很好的反映诱发条件对滑坡灾害的影响。综上,本文选取坡高、坡度、距断裂带距离、滑体物质类型、变形迹象、年均降雨量和地震烈度7个指标构建滑坡灾害评价指标体系,如表B-1所示。
表B-1滑坡评价指标及分级标准
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括泥石流灾害时,泥石流灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于9。同样通过研究发现,泥石流灾害主要受控于孕灾环境和诱发条件,其中孕灾环境包括地形地貌和地质条件。地形地貌是泥石流形成发展的外部必要条件,包括流域面积、主沟长度、主沟纵坡降和植被覆盖率。地质条件是泥石流灾害形成和发展根本条件,沿沟松散物储量、一次最大冲出量、沟道堵塞程度和下游沟槽横断面形态能很好的反映地质条件对泥石流灾害的影响。泥石流灾害不同于崩塌和滑坡,雨水对泥石流灾害的作用更为明显,本研究采用日均降雨量作为诱发条件反映降雨对泥石流灾害形成发展的启动指标。综上,选择孕灾环境和诱发条件2大类共9个指标建立泥石流灾害评价指标体系,如表C-1所示。
表C-1泥石流评价指标及分级标准
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括冰湖溃决灾害时,冰湖溃决灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于9。同样通过研究发现,冰湖大多是第四纪冰川作用形成的湖泊,特点是海拔高,多位于古冰斗、古冰川谷内,面积较小,但因部分冰湖后缘与现代冰川相连或距冰舌较近,在现代冰川活动时极易造成冰湖溃决灾害。在综合分析典型冰湖溃决灾害关键影响因素的基础上,发现影响冰湖溃决灾害的主要因素包括地形、地质条件、冰川补给情况和地震等,其中地形和地质条件属于孕灾环境,冰川补给情况和地震烈度属于诱发条件。通过现场勘测山区铁路沿线冰湖可知,地形是和地质条件是冰湖溃决灾害的必要条件,海拔高度、冰湖面积、冰舌前端距离、终碛堤坝宽、背水坡坡度、主沟床纵比降和松散固体物质发育情况能很好的反映地形和地质条件对冰湖溃决灾害的影响。地震和冰川补给情况是冰湖溃决灾害直接诱发条件,一般地震烈度越高,冰川补给量越多,越容易发生冰湖溃决灾害。因此,选取孕灾环境和诱发条件2大类共9个指标建立冰湖溃决灾害评价指标体系,如表D-1所示。
表D-1冰湖溃决评价指标及分级标准
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括岩爆灾害时,岩爆灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于5。同样通过研究发现,岩爆灾害是在外界扰动作用下洞室围岩突然释放大量能量的脆性破坏,影响因素众多。在综合分析典型高地应力条件下深埋硬岩隧道岩爆灾害关键影响因素的基础上,认为岩爆灾害主要与高地应力环境、岩石力学性能和围岩性质等有关。根据研究发现,隧道地应力值越高,越容易发生岩爆灾害,高地应力环境可通过围岩洞壁最大主应力、围岩洞壁最大切向应力表征。岩石力学性能可通过岩石单轴抗压强度、岩石单轴抗拉强度表征,这些指标反映了岩石储能性。岩石弹性能指数反映了岩体的能量储存特征,表征了炎爆灾害倾向性。完整性系数能很好的反映围岩性质对炎爆灾害的影响。因此,选取岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比、围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比、岩石强度脆性系数、岩石弹性能指数和完整性系数构成炎爆灾害评价指标体系,见表E-1。
表E-1岩爆评价指标及分级标准
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括大变形灾害时,大变形灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于7。同样通过研究发现,挤压型围岩大变形灾害主要受控于高地应力环境、围岩性质和岩性条件等因素。高地应力环境是产生挤压型大变形灾害的外部必要条件之一,围岩洞壁最大主应力越高,可能发生大变形灾害的等级和风险越高;围岩强度应力比综合考虑了岩体抗压强度和围岩洞壁最大主应力的影响,更能反映大变形灾害的形成原因;此外,地质构造显著影响地应力的大小和方向,也是体现高地应力环境的重要指标。围岩级别是反映围岩性质的一个综合性指标,地下水表征岩体的水-岩相互作用,对围岩性质产生影响。岩性条件也是产生挤压大变形灾害的内部必要条件之一,岩石抗压强度和岩石弹性模量越低,发生挤压大变形灾害的可能性和等级越高。因此,大变形灾害危险性评价应重点从围岩洞壁最大主应力、岩石抗压强度、围岩强度应力比、岩石弹性模量、围岩级别、地质构造、地下水等7方面进行分析,建立大变形灾害评价指标体系,如表F-1所示。
表F-1大变形评价指标及分级标准
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括高地温灾害时,高地温灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于3。通过研究隧址区的水文地质条件、地质构造、地形地貌和地热等资料,发现地温参数包括恒温温度和地温梯度,一般通过隧道埋深来表征地温参数;构造活动强烈是出现高地温灾害现象的重要原因,热泉温度及距离线位长度能很好的表征构造活动对高地温灾害产生的影响。因此,选取隧道埋深、热泉温度和热源距离线位长度构成高地温灾害评价指标体系,如表G-1所示。
G-1高地温评价指标及分级标准
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括突涌水灾害时,突涌水灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于6。通过研究发现,隧道突涌水灾害受多种因素的影响,认为隧道突涌水灾害危险受控于地表水特征因素、地下水特征因素和围岩特征。一般来说,地下水储量大,是隧道突涌水灾害的直接来源,地下水高程差和静水压力能直接影响突涌水灾害强度,能很好的反映地下水特征因素。地表水对隧道突涌水灾害具有间接影响作用,汇水面积和降雨量对隧道涌水有较大的影响,将其作为反映地表水特征因素的评价指标。围岩特征也直接影响隧道突涌水灾害的发生及其灾害发生的强度,围岩裂隙越宽和围岩水系的连通性越好,越容易发生突涌水灾害。因此,选择表征地下水特征、地表水特征及围岩特征的6个指标构建突涌水灾害评价指标体系,如表H-1所示。
表H-1突涌水评价指标及分级标准
在所述步骤S2中,当n种地质灾害包括瓦斯有害气体灾害时,瓦斯有害气体的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于6。通过研究发现,隧道中瓦斯有害气体灾害主表现为中毒、窒息、燃烧、爆炸、煤与瓦斯突出,其中瓦斯爆炸最易发生。根据川藏铁路沿线深埋隧道区域地质资料,参考以往铁路、公路瓦斯隧道以及煤矿采空区瓦斯有害气体灾害危险性评价分析的资料,发现瓦斯有害气体灾害主要受控于地质因素、瓦斯因素及工程因素,总结归纳出影响隧道瓦斯有害气体灾害的3个一级指标,共6个二级评价指标,以此建立瓦斯有害气体灾害评价指标体系,如表L-1所示。
表L-1瓦斯有害气体评价指标及分级标准
在步骤S2中,构建上述评价指标体系后,根据对各条候选线路的地质勘测结果获取:每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值,上述9种地质灾害的评价指标的评价值是由地质人员勘察得到,具体获取方式可以但不局限于从相关数据库中导入。然后将所有候选线路的所有里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的同一评价指标的评价值采用权重确定方法计算得出;所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重的计算采用层次分析法,层析分析法通过对影响每种地质灾害的所有评价指标进行层次划分,确定相应的目标层、准则层和子准则层。采用Saaty提出的“1~9级”标度法构建判断矩阵,进行两两比较,求得最大特征值以及特征向量,归一化处理后得到每种地质灾害的各个评价指标的权重。最后对判断矩阵进行一致性检验,当随机一致性比例小于0.1时,认为层次分析法计算的每种地质灾害的每个评价指标的主观权重系数是合理的。所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的客观权重的计算采用熵权法,引入的距离函数M:
且需要引入距离函数M的定解和约束条件:
式中:wi为所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重,wi a为所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重,wi e为所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的客观权重,α为层次分析法的分配系数,β为熵权法的分配系数。
采用层次分析法和熵权法,并通过引入距离函数判别法,将对应地质灾害的每个评价指标的主观权重和客观权重进行耦合并建立组合赋权规则,获得对应地质灾害的对应评价指标的组合赋权权重,解决了该种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的单一主观权重和客观权重存在的差异性问题,使得该种地质灾害对应的评价指标体系的权重的确定更加合理、可靠和符合实际工况。当然,确定评价指标权重的主观分析方法还可以采用优序图法、三角模糊法等,客观分析方法还可以采用粗糙集法、标准离差法等。
在步骤S2中,还包括基于理想点法并采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数,构建每种地质灾害的理想点评价模型;或基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行地质灾害评价,构建每种地质灾害的未确知测度评价模型;
第一种情况,参见图1,当在步骤S2中构建每种地质灾害的理想点评价模型,构建每种地质灾害的理想点评价模型均包括:对应地质灾害的理想点评价指标函数、对应地质灾害的理想点决策矩阵和对应地质灾害的理想点评价函数D;
对应地质灾害的理想点评价指标函数为:
式中:i=1、2、…、t,fi *(+)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的理想值,fi(x)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的评价值,Vi u为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最大临界值,Vi l为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最小临界值;fi *(+)=maxfi(x)为增长型,fi *(+)=minfi(x)为减少型,为区间型;上述地质灾害的理想点评价指标函数可以给所有地质灾害共用。
基于式以及对应地质灾害的评价指标体系能够获取t个对应地质灾害的评价指标体系的评价指标分别在k个灾害等级的理想值,t*k个对应地质灾害的理想值能够构建成所有候选线路的所有里程段通用的对应地质灾害的理想点决策矩阵;
采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数来获取对应地质灾害的理想点评价函数D:
式中:D为里程段与对应地质灾害的理想点的距离,wi为对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重,fi(x)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的评价值,fi *(+)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的理想值,Vi u为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最大临界值,Vi l为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最小临界值;地质灾害的理想点评价函数D可以为9种地质灾害共用,原理一致。
在步骤S3中,将每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值、所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重、以及对应地质灾害的理想点决策矩阵均代入对应地质灾害的理想点评价函数D中,获得对应里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级。
本方案中,需要构建与n种地质灾害一一对应的理想点评价模型。每种地质灾害的理想点评价指标函数是为了获取对应地质灾害的评价指标的理想点。每种地质灾害的评价指标均根据实际情况分为增长型、减少型和区间型,分别对应于对应地质灾害的理想点评价指标函数的三种情况,基于每种地质灾害的评价指标的定量化评价值范围和理想点评价指标函数,能够获得t个对应地质灾害的评价指标体系的评价指标分别在k个灾害等级的理想值,t*k个对应地质灾害的理想值能够构建成所有候选线路的所有里程段通用的对应地质灾害的理想点决策矩阵。
获取每种地质灾害的理想点决策矩阵时,若对应地质灾害的评价指标体系的k个灾害等级中的任一个灾害等级的评价指标无法在其评价值范围内取理想点,则在该灾害等级的评价指标的理想点附近选择一个近似理想点,近似理想点的选取方式是:
依据对应地质灾害的评价指标体系的该灾害等级的所有评价指标的评价值范围情况,修正对应地质灾害的评价指标体系的该灾害等级的所有评价指标的评价值范围的最小临界值和/或最大临界值,然后再选取近似理想点。
因每种地质灾害的评价指标体系的某些灾害等级下的评价指标的评价值范围无端值,故无法选取该评价指标的真实的理想点,通过在该评价指标真实的理想点的附近选择近似理想点,使得能够获得对应地质灾害的理想点决策矩阵,进而使得对应地质灾害的理想点评价模型能够成功构建。
本实施例中,构建的9种地质灾害的理想点评价模型的理想点决策矩阵分别为:崩塌灾害的理想点决策矩:滑坡灾害的理想点决策矩:泥石流灾害的理想点决策矩:冰湖溃决灾害的理想点决策矩:岩爆灾害的理想点决策矩:大变形灾害的理想点决策矩:高地温灾害的理想点决策矩:突涌水灾害的理想点决策矩:瓦斯有害气体灾害的理想点决策矩:
每种地质灾害的理想点评价函数D是基于欧式距离函数,并赋予了对应地质灾害的所有评价指标的权重。理想点灾害等级评价原理示意图如图2所示,通过在每种地质灾害的理想点评价函数D中代入每条候选线路的每个里程段的对应地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值、所有候选线路通用的对应地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重、以及对应地质灾害的理想点决策矩阵,能够获得该里程段分别与对应地质灾害的评价指标体系的几个灾害等级的理想值之间的距离,进而选取该里程段与对应地质灾害的评价指标体系的灾害等级的理想值距离最小的灾害等级为该里程段在对应地质灾害的评价指标体系的灾害等级。
第二种情况,参见图3,当在步骤S2中构建每种地质灾害的未确知测度评价模型时,每种地质灾害的未确知测度评价模型均包括:对应地质灾害的单指标测度函数、对应地质灾害的单指标测度评价矩阵、对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵和对应地质灾害的置信度识别准则模型;每种地质灾害的每个评价指标均有一个与之对应的单指标测度函数;每种地质灾害均有一个对应地质灾害的单指标测度评价矩阵、对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵和对应地质灾害的置信度识别准则模型,且它们获取的原理是相同的。
在所述步骤S3中,将每个里程段的对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值代入对应地质灾害的单指标测度函数中能够计算对应里程段的对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值的测度值uijp,然后将对应里程段得到的所有对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值的测度值uijp构成对应里程段的对应地质灾害的单指标测度评价矩阵;
通过公式:
向对应地质灾害的单指标测度评价矩阵赋予对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重能够获得对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵,式ujp中:wi表示对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重;uijp表示第j里程段的对应的评价指标体系的第i个评价指标的评价值属于对应地质灾害的评价指标体系的第p灾害等级的程度;ujp表示第j里程段属于对应地质灾害的评价指标体系的第p灾害等级的程度;
对应地质灾害的置信度识别准则模型为:
式pj中,λ≥0.5;将对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵内数据代入对应地质灾害的置信度识别准则模型中,通过判断p值满足式pj,能够判断第j里程段的对应地质灾害的灾害等级为pj。
每种地质灾害的评价指标体系的所有评价指标分别对应的单指标测度函数的构建方式为现有技术。通过每种地质灾害的评价指标体系的每个评价指标的单指标测度函数,能够计算对应指标的评价值的测度值。本方案中,评价指标的评价值代入对应的单指标测度函数,能够获得对应评价指标的评价值的测度值,该测度值表示该评价值属于对应地质灾害的评价指标体系的第p灾害等级的程度。将各个里程段对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值所得的测度值构成该里程段的对应地质灾害的单指标测度评价矩阵,向对应地质灾害的单指标测度评价矩阵赋予对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重,能够得到对应里程段属于对应地质灾害的评价指标体系的第p大灾害等级的程度ujp组成的对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵。将对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵内数据代入对应地质灾害的置信度识别准则模型中,能够准确的判断该里程段属于对应地质灾害的评价指标体系的大变形等级为pj。
在步骤S4中,单位损失程度为单位损失造价,单位损失量为单位损失成本,总损失量为总损失成本,根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失造价,然后根据下式计算各候选线路因地质灾害产生的总损失成本Ex:
;式中:x=1、2、…、m,j=1、2、…、q,y=1、2、…、n,p=1、2、…、k,Vxjyp表示第x候选线路的第j里程段的第y地质灾害在对应的评价指标体系中为第p灾害等级的单位损失造价,Lxy表示第x候选线路的第j里程段的长度。
关于高原地区铁路各地质灾害的单位造价,采用工程类比法或参照法进行大致估算单位损失造价。其中,工程类比法是指参考类似地质条件下铁路工程投资费用概况,并综合考虑配套机械、人工和原材料等行业价格波动等因素,最终确定项目单位造价;参照法是参考相近行业(公路、水利水电站、矿山等)的投资费用概况,并综合考虑配套机械、人工和原材料等行业价格波动等因素,最终确定项目单位造价。
在步骤S4中,当在高海拔复杂山区进行铁路选线时,根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失造价,然后根据下式计算高海拔复杂山区的各候选线路因地质灾害产生的总损失成本Eλx:
;式中:x=1、2、…、m,j=1、2、…、q,y=1、2、…、n,p=1、2、…、k,Vxjyp表示第x候选线路的第j里程段的第y地质灾害在对应的评价指标体系中为第p灾害等级的单位损失造价,Lxy表示第x候选线路的第j里程段的长度,λxjyp表示第x候选线路的第j里程段的第y地质灾害在对应的评价指标体系中为第p灾害等级的高原施工增加费率。
铁路高原施工增加费率,如表O-1所示。
表O-1铁路高原施工增加费率
在步骤S5中,计算出每条候选线路因地质灾害产生的总损失成本后,选取所有候选线路的总损失成本最低的为最优线路。以每条候选线路的因地质灾害产生的总损失成本Ex作为每条候选线路的因地质灾害产生的总损失量,体现出了总损失量与各里程段关于各地质灾害的灾害等级评估结果之间的联系,为铁路减灾选线提供更好的评估结果。
本方案中,对应n种地质灾害建立n个评价指标体系,每个评价指标体系的对应地质灾害所受的影响因素和评价指标是一一对应的。每个评价指标体系均能够反映:对应地质灾害所受的影响因素和影响因素的数量、对应地质灾害的灾害等级和灾害等级数量,以及对应地质灾害的每个灾害等级对应的该种地质灾害的所有评价指标的定量化评价值范围。所有评价指标体系均考虑了对应地质灾害的影响因素,且能够将对应地质灾害的影响因素和对应地质灾害的灾害等级做一一对应的定量化分析,能够充分反映该地质灾害的所有影响因素分别对候选线路的影响,但该地质灾害的不同影响因素之间的相互影响对该地质灾害的灾害等级的评估结果的影响并不能直接体现。
在构建的某一个地质灾害的评价指标体系后,以对各条候选线路的地质勘测结果获取该地质灾害的对应所有评价指标的评价值为基础,将所有候选线路关于该地质灾害的对应所有评价指标中的同一种评价指标的评价值采用权重确定方法进行主观评价和客观评价,能够分别计算得出所有候选线路通用的该种地质灾害对应的所有评价指标中的对应评价指标的主观权重和客观权重,再引入距离函数对该种地质灾害对应的所有评价指标中的对应评价指标的主观权重和客观权重进行组合赋权能够获得该种地质灾害对应的所有评价指标中的对应评价指标的组合赋权权重,解决了该种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的单一主观权重和客观权重存在的差异性问题,使得该种地质灾害对应的评价指标体系的权重的确定更加合理、可靠和符合实际工况,为该种地质灾害的对应灾害等级的评价采用理想点法或未确知测度理论提供了该种地质灾害的评价指标体系的各评价指标在该种地质灾害的对应灾害等级的评价中的真实可靠的权重系数。
本方案可以基于理想点法并采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数,构建每种地质灾害的理想点评价模型,一共获得n种地质灾害的理想点评价模型;其中,采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数来配合理想点法构建了每种地质灾害的理想点评价模型,来保证每种地质灾害的理想点评价模型的灾害等级评价结果的准确性,是经过多次工程试验的验证得出。或本方案可基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行地质灾害评价,构建每种地质灾害的未确知测度评价模型,一共获得n种地质灾害的理想点评价模型。通过将每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值和所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重输入对应地质灾害的理想点评价模型或对应地质灾害的未确知测度评价模型,能够获得对应里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级;根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失造价,以此来计算每条候选线路因n种地质灾害造成的总损失成本选取所有候选线路中的最优线路。
下面以川藏铁路某段为例,对本方案基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法进行应用研究。
川藏铁路东起于成都铁路枢纽,西至拉萨,途中经雅安、泸定、康定、新都桥、昌都、波密、林芝,初步规划线路全长1567km。由于川藏铁路线路较长,受篇幅限制,本次研究仅以川藏铁路某段某隧道和某大桥为例来验证本发明基于多源地质灾害危险性评价的山区铁路减灾选线模型的合理性和可行性。川藏铁路某段东起昌都市贡觉县,西至昌都室察雅县,长度约93km。该段具有高海拔、大高差的特殊地质背景,地质条件复杂,构造作用强烈,主要分布有岩爆、大变形、高地温及危岩落石崩塌等典型地质灾害。
川藏铁路某隧道线路方案对比如图4所示,3条线路进出口位置相同,崩塌等地面地质灾害对线路影响相当。结合现场勘测和区域地质资料,3条线路洞身高程相差不大,岩性主要为灰岩、花岗闪长岩、砂岩夹页岩、板岩夹砂岩、砂岩泥岩互层等,大角度穿越纳巴断层、央巴断层、边坝-洛隆断裂、拉不学断层等,高地温、突涌水对隧道工程影响相对较小,因此,该隧道线路的主要影响因素是岩爆、大变形等地下地质灾害。
川藏铁路某大桥是设计跨度大于1000m的悬索桥,是川藏铁路的控制性工程之一。结合沿线地质条件及影响桥位选择的地质因素,细化研究了CK、C1K、C2K共3处桥梁选址方案,如图5所示。根据现场勘测和区域地质资料可知,3处桥梁方案均处于班公湖-怒江结合带,地层岩性以花岗岩、闪长岩等硬质岩为主,危岩落石崩塌是制约桥位选址最典型的地质灾害之一。
通过现场地质勘察、室内岩石力学试验、初始地应力场反演分析和工程类比法等手段相结合,并参考《铁路隧道设计规范》和《工程岩体分级标准》,计算确定川藏铁路某隧道和某大桥各个里程段多源地质灾害评价指标的具体值。受篇幅限制,本文仅列出川藏铁路某隧道3条候选线路12个典型里程段(每段100m)的地质数据,岩爆和大变形评价指标值分别如表1和2所示;川藏铁路某大桥5条候选线路进口及出口端10个里程段的崩塌评价指标值如表3所示。
表1川藏铁路某隧道岩爆灾害的各评价指标的评价值
表2川藏铁路某隧道大变形灾害各评价指标的评价值
表3川藏铁路某大桥崩塌灾害的各评价指标的评价值
根据表1、2、3中的数据,按照层次分析法、熵权法和组合赋权法的基本原理,计算可得:川藏铁路某隧道5个岩爆灾害的评价指标的组合赋权权重系数依次为0.105、0.264、0.039、0.196、0.396;川藏铁路某隧道7个大变形灾害的评价指标的组合赋权权重系数依次为0.092、0.180、0.217、0.140、0.122、0.066、0.183;川藏铁路某大桥8个崩塌灾害的评价指标的权重系数依次为0.121、0.213、0.172、0.186、0.092、0.085、0.059、0.072。
本发明基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法采用理想点法构建岩爆灾害的理想点评价模型、大变形灾害的理想点评价模型和崩塌灾害的理想点评价模型,将表1川藏铁路某隧道每个里程段的岩爆灾害的各评价指标的评价值和川藏铁路某隧道5个岩爆灾害的评价指标的组合赋权权重系数对应代入岩爆灾害的理想点评价模型中,能够获得每个里程段的关于岩爆灾害的灾害等级;将表2中川藏铁路某隧道每个里程段的大变形灾害各评价指标的评价值和藏铁路某隧道7个大变形灾害的评价指标的组合赋权权重对应代入大变形灾害的理想点评价模型中,能够获得每个里程段的关于大变形灾害的灾害等级;将表3中川藏铁路某大桥的每个里程段的崩塌灾害的各评价指标的评价值和川藏铁路某大桥8个崩塌灾害的评价指标的权重对应代入大变形灾害的理想点评价模型和崩塌灾害的理想点评价模型中,能够获得每个里程段的关于崩塌灾害的灾害等级。具体的,川藏铁路某隧道岩爆灾害和大变形灾害的灾害等级评价示例结果分别如表4和5所示,川藏铁路某大桥崩塌灾害的灾害等级评价示例结果如表6所示。根据岩爆和大变形危险性评价结果,相比于C13K、C14K线路,CK线路的高地应力及工程效应(岩爆灾害和大变形灾害)危害影响较小。根据川藏铁路某大桥崩塌灾害危险性评价结果,CK线路发生崩塌灾害的可能性和危害性最小。
表4川藏铁路某隧道岩爆危险性评价示例
表5川藏铁路某隧道大变形危险性评价示例
表6川藏铁路某大桥崩塌危险性评价示例
将川藏铁路某隧道各个里程段(每段100m)的岩爆灾害和大变形灾害的评价指标的评价值代入对应地质灾害的理想点评价模型中,3条候选线路的岩爆灾害和大变形灾害的灾害等级评价结果分别如图6和7所示。同理,川藏铁路某大桥5条候选线路的崩塌灾害的灾害等级评价结果如图8所示。
根据图6可知,川藏铁路某隧道CK线路总岩爆段落占比24.9%,C1K线路总岩爆段落占比32.5%,C2K线路总岩爆段落占比34.7%,从总岩爆段落占比来看,CK线路岩爆发生的区段最少,C2K线路岩爆发生的区段最多。CK线路中不可控岩爆(中等岩爆和强烈岩爆)段落占比13.4%,C1K线路中不可控岩爆段落占比16.4%,C2K线路中不可控岩爆段落占比22.5%。CK线路和C1K线路相比,C1K线路中不可控岩爆段落占比CK线路高3.0%,可以看出CK线路优于C1K线路;CK线路和C2K线路相比,C2K线路中不可控岩爆段落比CK线路高9.1%,可知CK线路优于C2K线路。此外,关于高原地区铁路各地质灾害的单位造价,暂无统一的标准或规范。目前工程行业中通常采用工程类比法或参照法进行大致估算单价。其中,工程类比法是指参考类似地质条件下铁路工程投资费用概况,并综合考虑配套机械、人工和原材料等行业价格波动等因素,最终确定项目单位造价;参照法是参考相近行业(公路、水利水电站、矿山等)的投资费用概况,并综合考虑配套机械、人工和原材料等行业价格波动等因素,最终确定项目单位造价。计算可得CK线路因岩爆地质灾害产生的总损失成本最小,故CK线路是该隧道的最优线路。同理,根据图7可知,川藏铁路某隧道CK线路发生大变形的区段最少,且其发生中等和严重大变形的区段分别比C1K、C2K线路低5.0%、5.3%,CK线路因大变形地质灾害产生的总损失成本也小于C1K、C2K线路,故CK线路优于C1K、C2K线路。根据图8可知,相比于C1K、C2K线路,川藏铁路某大桥CK线路发生崩塌的可能性和风险等级最小,CK线路因崩塌地质灾害产生的总损失成本远小于C1K、C2K线路,且CK线路桥梁两端引线的工程条件较好,因此CK线路是川藏铁路某大桥的最优线路。综合对比分析可以得出,CK线路因地质灾害产生的总损失成本最小,即山区铁路减灾选线模型推荐的川藏铁路某隧道和某大桥优选方案均为CK线路。这与最终确定的铁路线路是一致的,间接验证了本发明基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法的合理性和可行性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、根据对工程区域的现场地质勘察,在该工程区域内规划获得m条候选线路;
S2、对m条候选线路进行现场地质勘测,根据对各条候选线路的地质勘测结果初步确定所有候选线路共有n种地质灾害;然后基于每种地质灾害的多个具有共性特征的影响因素,构建每种地质灾害对应的评价指标体系,每种地质灾害对应的评价指标体系包括该地质灾害的k个灾害等级、t个与该种地质灾害的所有影响因素一一对应的评价指标、以及该种地质灾害的每个灾害等级对应的该种地质灾害的所有评价指标的定量化评价值范围;
然后根据对各条候选线路的地质勘测结果获取:每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值,将所有候选线路的所有里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的同一评价指标的评价值采用权重确定方法计算得出:所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重和客观权重,再引入距离函数对每种地质灾害对应的评价指标体系的每个评价指标的主观权重和客观权重进行组合赋权获得:所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重;
基于理想点法并采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数,构建每种地质灾害的理想点评价模型;或基于未确知测度理论及计算规则并采用置信度准则进行地质灾害评价,构建每种地质灾害的未确知测度评价模型;
S3、将每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值和所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重输入理想点评价模型或未确知测度评价模型,获得对应里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级;
S4、根据每个里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级能够获取每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度,根据每个里程段的每种地质灾害的单位损失程度与对应里程段的长度相乘获得每个里程段的每种地质灾害单位损失量,将每条候选线路的所有里程段的所有地质灾害单位损失量相加获得对应候选线路的总损失量;
S5、选取所有候选线路的总损失量最低的为最优线路。
2.根据权利要求1所述的基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,其特征在于,在步骤S2中,n种地质灾害包括崩塌灾害、滑坡灾害、泥石流灾害、冰湖溃决灾害、岩爆灾害、大变形灾害、高地温灾害、突涌水灾害和瓦斯有害气体灾害9种地质灾害中的至少两种。
3.根据权利要求2所述的基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,其特征在于,当n种地质灾害包括崩塌灾害时,崩塌灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于8,崩塌灾害的评价指标体系的所有评价指标至少包括坡高、坡度、岩体结构类型、距断裂带距离、地层岩性、岩石风化程度、年均降雨量和地震烈度8个评价指标;
当n种地质灾害包括滑坡灾害时,滑坡灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于7,滑坡灾害的评价指标体系的所有评价指标至少包括坡高、坡度、距断裂带距离、滑体物质类型、变形迹象、年均降雨量和地震烈度7个评价指标;
当n种地质灾害包括泥石流灾害时,泥石流灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于9,泥石流灾害的评价指标体系的所有评价指标至少包括流域面积、主沟长度、主沟纵坡降、植被覆盖率、沿沟松散物储量、一次最大冲出量、沟道堵塞程度、下游沟槽横断面形态和日均降雨量9个评价指标;
当n种地质灾害包括冰湖溃决灾害时,冰湖溃决灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于9,冰湖溃决灾害的评价指标体系的所有评价指标至少包括海拔高度、冰湖面积、冰舌前端距离、终碛堤坝宽、背水坡坡度、主沟床纵比降、松散固体物质发育情况、地震烈度和冰川补给量9个评价指标;
当n种地质灾害包括岩爆灾害时,岩爆灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于5,岩爆灾害的评价指标体系的所有评价指标至少包括围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比、岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比、岩石强度脆性系数、岩石弹性能指数和完整性系数5个评价指标;
当n种地质灾害包括大变形灾害时,大变形灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于7,大变形灾害的评价指标体系的所有评价指标至少包括围岩洞壁最大主应力、岩石抗压强度、围岩强度应力比、岩石弹性模量、围岩级别、地质构造和地下水7个评价指标;
当n种地质灾害包括高地温灾害时,高地温灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于3,高地温灾害的评价指标体系的所有评价指标至少包括隧道埋深、热泉温度和热源距离线位长度3个评价指标;
当n种地质灾害包括突涌水灾害时,突涌水灾害的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于6,突涌水灾害的评价指标体系的所有评价指标至少包括日均降雨量、汇水面积、静水压力、地下水高程差、突水通道宽度和围岩水系连通性6个评价指标;
当n种地质灾害包括瓦斯有害气体灾害时,瓦斯有害气体的评价指标体系的评价指标的数量t大于或等于6,瓦斯有害气体的评价指标体系的所有评价指标至少包括地质构造、地下水、煤体结构类型、瓦斯涌出量、瓦斯压力和距煤层距离6个评价指标。
4.根据权利要求3所述的基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,其特征在于,在步骤S2中,地质灾害的灾害等级数量k=4;
当n种地质灾害包括崩塌灾害时,t=8,崩塌灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无崩塌灾害,坡高小于300m,坡度小于35°,岩体结构类型大于6,距断裂带距离小于20km,地层岩性大于6,岩石风化程度大于6,年均降雨量小于800mm,地震烈度小于4,
Ⅰ级崩塌灾害,坡高为300-500m,坡度为35°-55°,岩体结构类型为5-6,距断裂带距离为20-40km,地层岩性为5-6,岩石风化程度为5-6,年均降雨量为800-1500mm,地震烈度为4-5,
Ⅱ级崩塌灾害,坡高为500-1000m,坡度为55°-75°,岩体结构类型为4-5,距断裂带距离为40-60km,地层岩性为4-5,岩石风化程度为4-5,年均降雨量为1500-3000mm,地震烈度为5-6,
Ⅲ级崩塌灾害,坡高大于1000m,坡度大于75°,岩体结构类型小于4,距断裂带距离大于60km,地层岩性小于4,岩石风化程度小于4,年均降雨量大于3000mm,地震烈度大于6;
当n种地质灾害包括滑坡灾害时,t=7,滑坡灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无滑坡灾害,坡高小于300m,坡度小于35°,距断裂带距离小于20km,滑体物质类型大于6,变形迹象小于4,年均降雨量小于800mm,地震烈度小于4,
Ⅰ级滑坡灾害,坡高为300-500m,坡度为35°-55°,距断裂带距离为20-40km,滑体物质类型为5-6,变形迹象为4-5,年均降雨量为800-1500mm,地震烈度为4-5,
Ⅱ级滑坡灾害,坡高为500-1000m,坡度为55°-75°,距断裂带距离为40-60km,滑体物质类型为4-5,变形迹象为5-6,年均降雨量为1500-3000mm,地震烈度为5-6,
Ⅲ级滑坡灾害,坡高大于1000m,坡度大于75°,距断裂带距离大于60km,滑体物质类型小于4,变形迹象大于6,年均降雨量大于3000mm,地震烈度大于6;
当n种地质灾害包括泥石流灾害时,t=9,泥石流灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无泥石流灾害,流域面积小于0.5km2,主沟长度小于1km,主沟纵坡降小于5%,植被覆盖率大于50%,沿沟松散物储量小于10万m3、一次最大冲出量小于1万m3、沟道堵塞程度小于4、下游沟槽横断面形态小于4,日均降雨量小于25mm,
Ⅰ级泥石流灾害,流域面积为0.5-10km2,主沟长度为1-5km,主沟纵坡降为5%-15%,植被覆盖率为35%-50%,沿沟松散物储量为10万-100万m3,一次最大冲出量为1万-10万m3,沟道堵塞程度为4-5,下游沟槽横断面形态为4-5,日均降雨量25-50mm,
Ⅱ级泥石流灾害,流域面积为10-35km2,主沟长度为5-10km,主沟纵坡降为15%-30%,植被覆盖率为20%-35%,沿沟松散物储量为100万-200万m3,一次最大冲出量为10万-100万m3,沟道堵塞程度为5-6,下游沟槽横断面形态为5-6,日均降雨量50-100mm,
Ⅲ级泥石流灾害,流域面积大于35km2,主沟长度大于10km,主沟纵坡降大于30%,植被覆盖率小于20%,沿沟松散物储量大于200万m3,一次最大冲出量大于100万m3,沟道堵塞程度大于6,下游沟槽横断面形态大于6,日均降雨量大于100mm;
当n种地质灾害包括冰湖溃决灾害时,t=9,冰湖溃决灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无冰湖溃决灾害,海拔高度小于2500m,冰湖面积小于0.1km2,冰舌前端距离大于1000m,终碛堤坝宽大于1000m,背水坡坡度小于20°,主沟床纵比降小于13.3%,松散固体物质发育情况小于4,地震烈度小于4,冰川补给量小于2,
Ⅰ级冰湖溃决灾害,海拔高度为3500-4000m,冰湖面积为0.1-0.2km2,冰舌前端距离为500-1000m,终碛堤坝宽为60-1000m,背水坡坡度为20%-25%,主沟床纵比降为13.3%-21.6%,松散固体物质发育情况为4-5,地震烈度为4-5,冰川补给量为2-3,
Ⅱ级冰湖溃决灾害,海拔高度为4000-5000m,冰湖面积为0.2-0.6km2,冰舌前端距离为0-500m,终碛堤坝宽为3-60m,背水坡坡度为25%-33%,主沟床纵比降为21.6%-29.9%,松散固体物质发育情况为5-6,地震烈度为5-6,冰川补给量为3-6,
Ⅲ级冰湖溃决灾害,海拔高度大于5000m,冰湖面积大于0.6km2,冰舌前端距离小于0m,终碛堤坝宽小于3m,背水坡坡度大于33%,主沟床纵比降大于29.9%,松散固体物质发育情况大于6,地震烈度大于6,冰川补给量大于6;
当n种地质灾害包括岩爆灾害时,t=5,岩爆灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无岩爆灾害,围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比小于0.2,岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比大于7,岩石强度脆性系数大于40,岩石弹性能指数小于0.2,完整性系数小于0.55,
Ⅰ级岩爆灾害,围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比为0.2-0.3,岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比为4-7,岩石强度脆性系数为26.7-40,岩石弹性能指数为2.0-3.5,完整性系数为0.55-0.6,
Ⅱ级岩爆灾害,围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比为0.35-0.55,岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比为2-4,岩石强度脆性系数为26.7-14.5,岩石弹性能指数为3.5-5.0,完整性系数为0.6-0.8,
Ⅲ级岩爆灾害,围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比大于0.55,岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比小于2,岩石强度脆性系数小于14.5,岩石弹性能指数大于5,完整性系数大于0.8;
当n种地质灾害包括大变形灾害时,t=7,大变形灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无大变形灾害,围岩洞壁最大主应力小于20MPa,岩石抗压强度大于30MPa,围岩强度应力比大于0.50,岩石弹性模量大于2.0,围岩级别小于4,地质构造小于4,地下水小于2,
Ⅰ级大变形灾害,围岩洞壁最大主应力为20-30MPa,岩石抗压强度为15-30MPa,围岩强度应力比为0.25-0.50,岩石弹性模量为1.5-2.0Gpa,围岩级别为4-5,地质构造为4-5,地下水为2-3,
Ⅱ级大变形灾害,围岩洞壁最大主应力为30-45MPa,岩石抗压强度为5-15MPa,围岩强度应力比为0.15-0.25,岩石弹性模量为1.0-1.5Gpa,围岩级别为5-6,地质构造为5-6,地下水为3-6,
Ⅲ级大变形灾害,围岩洞壁最大主应力大于45MPa,岩石抗压强度小于5MPa,围岩强度应力比小于0.15,岩石弹性模量小于1.0GPa,围岩级别大于6,地质构造大于6,地下水大于6;
当n种地质灾害包括高地温灾害时,t=3,高地温灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无高地温灾害,隧道埋深小于600m,热泉温度小于28℃,热源距离线位长度小于600m,
Ⅰ级高地温灾害,隧道埋深为600-800m,热泉温度为28-40℃,热源距离线位长度为600-1200m,
Ⅱ级高地温灾害,隧道埋深为800-1200m,热泉温度为40-52℃,热源距离线位长度为1200-1800m,
Ⅲ级高地温灾害,隧道埋深大于1200m,热泉温度大于52℃,热源距离线位长度大于1800m;
当n种地质灾害包括突涌水灾害时,t=6,突涌水灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无突涌水灾害,日均降雨量小于5mm,汇水面积小于2km2,静水压力小于0.35MPa,地下水高程差小于5m,突水通道宽度小于0.25m,围岩水系连通性小于2,
Ⅰ级突涌水灾害,日均降雨量为5-10mm,汇水面积为2-4km2,静水压力为0.35-0.55MPa,地下水高程差为5-15m,突水通道宽度为0.25-0.45m,围岩水系连通性为2-3,
Ⅱ级突涌水灾害,日均降雨量为10-20mm,汇水面积为4-6km2,静水压力为0.55-0.75MPa,地下水高程差为15-25m,突水通道宽度为0.45-0.65m,围岩水系连通性为3-6,
Ⅲ级突涌水灾害,日均降雨量大于20mm,汇水面积大于6km2,静水压力大于0.75MPa,地下水高程差大于25m,突水通道宽度大于0.65m,围岩水系连通性大于6;
当n种地质灾害包括瓦斯有害气体灾害时,t=6,瓦斯有害气体灾害的评价指标体系的每个灾害等级的t个评价指标的定量化评价值范围为:
无瓦斯有害气体灾害,地质构造大于6,地下水大于6,煤体结构类型大于6,瓦斯涌出量为0m3/min,瓦斯压力为0MPa,距煤层距离大于20m,
Ⅰ级瓦斯有害气体灾害,地质构造为5-6,地下水为3-6,煤体结构类型为5-6,瓦斯涌出量小于0.5m3/min,瓦斯压力小于0.35MPa,距煤层距离为10-20m,
Ⅱ级瓦斯有害气体灾害,地质构造为4-5,地下水为2-3,煤体结构类型为4-5,瓦斯涌出量为0.5-3m3/min,瓦斯压力为0.35-0.75MPa,距煤层距离为2-10m,
Ⅲ级瓦斯有害气体灾害,地质构造小于4,地下水小于2,煤体结构类型小于4,瓦斯涌出量大于3m3/min,瓦斯压力大于0.75MPa,距煤层距离小于2m。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,其特征在于,在所述步骤S2中,每种地质灾害的理想点评价模型均包括:对应地质灾害的理想点评价指标函数、对应地质灾害的理想点决策矩阵和对应地质灾害的理想点评价函数D;
对应地质灾害的理想点评价指标函数为:
式中:i=1、2、…、t,fi *(+)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的理想值,fi(x)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的评价值,Vi u为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最大临界值,Vi l为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最小临界值;fi *(+)=maxfi(x)为增长型,fi *(+)=minfi(x)为减少型,为区间型;
基于式以及对应地质灾害的评价指标体系能够获取t个对应地质灾害的评价指标体系的评价指标分别在k个灾害等级的理想值,t*k个对应地质灾害的理想值能够构建成所有候选线路的所有里程段通用的对应地质灾害的理想点决策矩阵;
采用闵可夫斯基距离函数中的欧式距离函数来获取对应地质灾害的理想点评价函数D:
式中:D为里程段与对应地质灾害的理想点的距离,wi为对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重,fi(x)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的评价值,fi *(+)为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的理想值,Vi u为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最大临界值,Vi l为对应地质灾害的评价指标体系的第i个评价指标的最小临界值;
在步骤S3中,将每条候选线路的每个里程段的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的评价值、所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的所有评价指标的组合赋权权重、以及对应地质灾害的理想点决策矩阵均代入对应地质灾害的理想点评价函数D中,获得对应里程段在每个评价指标体系的对应灾害等级。
6.根据权利要求5所述的基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,其特征在于,获取每种地质灾害的理想点决策矩阵时,若对应地质灾害的评价指标体系的k个灾害等级中的任一个灾害等级的评价指标无法在其评价值范围内取理想点,则在该灾害等级的评价指标的理想点附近选择一个近似理想点,近似理想点的选取方式是:
依据对应地质灾害的评价指标体系的该灾害等级的所有评价指标的评价值范围情况,修正对应地质灾害的评价指标体系的该灾害等级的所有评价指标的评价值范围的最小临界值和/或最大临界值,然后再选取近似理想点。
7.根据权利要求1-4任一所述的基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,其特征在于,在步骤S2中,每种地质灾害的未确知测度评价模型均包括:对应地质灾害的单指标测度函数、对应地质灾害的单指标测度评价矩阵、对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵和对应地质灾害的置信度识别准则模型;
在步骤S3中,将每个里程段的对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值代入对应地质灾害的单指标测度函数中能够计算对应里程段的对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值的测度值uijp,然后将对应里程段得到的所有对应地质灾害的评价指标体系的所有评价指标的评价值的测度值uijp构成对应里程段的对应地质灾害的单指标测度评价矩阵;
通过公式:
向对应地质灾害的单指标测度评价矩阵赋予对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重能够获得对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵,式ujp中:wi表示对应地质灾害的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重;uijp表示第j里程段的对应的评价指标体系的第i个评价指标的评价值属于对应地质灾害的评价指标体系的第p灾害等级的程度;ujp表示第j里程段属于对应地质灾害的评价指标体系的第p灾害等级的程度;
对应地质灾害的置信度识别准则模型为:
式pj中,λ≥0.5;将对应地质灾害的多指标综合测度评价矩阵内数据代入对应地质灾害的置信度识别准则模型中,通过判断p值满足式pj,能够判断第j里程段的对应地质灾害的灾害等级为pj。
8.根据权利要求1-4任一所述的基于多源地质灾害危险性评价的铁路减灾选线方法,其特征在于,在步骤S2中,所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重的计算采用层次分析法,所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的客观权重的计算采用熵权法,引入的距离函数M:
且需要引入距离函数M的定解和约束条件:
式中:wi为所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的组合赋权权重,wi a为所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的主观权重,wi e为所有候选线路通用的每种地质灾害对应的评价指标体系的对应评价指标的客观权重,α为层次分析法的分配系数,β为熵权法的分配系数。
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