基于AHP-FUZZY法的水下爆破影响区域危险性评价

2019-07-29

长江科学院院报 2019年7期

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074；2.湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南湘潭 411201；3.长江重庆航道工程局，重庆 400011)

1 研究背景

作为水下爆破工程中的主要有害效应，水下爆破过程中形成的地震波和水击波对爆破影响区域内建(构)筑物、船舶和鱼类等具有巨大的破坏作用[1-4]。目前，对水下爆破影响区域危险性进行研究的相关内容很少，研究热点为削弱措施及传播特性，如：张社荣等[5]对冲击波在空气和水中的传播特性进行了对比；贾虎等[6]对削减水下爆破有害效应措施提出了新的方法。同时，针对水下爆破作用对象的研究中，研究重点也主要集中于安全判据的探讨：石崇等[7]基于小波理论提出了爆破振动速度-频率作为安全准则的分析技术；阳生权等[8]对爆破地震安全判据中存在的缺陷提出了改进方法。以上研究都丰富了水下爆破理论，但都未对水下爆破影响区域危害等级开展初步分析。梁开水等[9]虽然利用AHP-FUZZY技术在水下爆破安全施工方面展开了研究，却没有将水下爆破影响区域危险性等级化。

鉴于此，本文结合理论分析和工程实例，采用层次分析法和模糊数学构建评价模型，开展水下爆破影响区域危险性等级评价，为工程防护施工提供参考。

2 水下爆破影响区域危险性评价方法

2.1 AHP-FUZZY法基本流程

AHP-FUZZY评价方法结合了由美国运筹学家萨蒂(T. L. Satty)提出的层次分析法和模糊数学中模糊关系合成的原理[10]。该方法刚好弥补了水下爆破影响区域危险性评价中因素繁多、单一定量分析困难等实际问题。AHP-FUZZY方法基本流程如下[11]：①采用层次分析法构建层次结构模型，划分评价等级，得到评价指标的绝对权重；②在模糊数学中选用隶属函数对指标进行量化并构建模糊矩阵，具体步骤如图1所示。

2.2 层次分析法确定指标权重

本文从工程实践经验出发，以水下爆破影响区域危险性评价为决策目标，结合水下爆破影响区域的工程地质、炸药爆炸、地震波和水击波的传播以及评价对象的振动响应，将地质特征、爆破参数、传播特性、安全控制设为一级影响因子。为确保指标之间的独立性，各个指标独立取值于水下爆破不同环节。

2.2.1 指标分析

结合水下爆破特性和区域性评价原理，将上述4种因子进一步细分如下。

2.2.1.1 地质特征指标(A1)

以岩土工程地质为出发点，借鉴其稳定性评价内容，对地质特征指标细分如下：①地层岩性(B1)对振动参数的影响较大，包括不同地层的风化程度、岩石破碎程度等性质；②地形地貌(B2)直观地还原了水下爆破区域内地表以上地质特征，并直接影响水下爆破地震波的传播以及振动响应特征；③不良地质条件(B3)分析是对区域内受水下爆破影响而发生泥石流、滑坡等不良地质现象的概率性分析，许多研究也证明爆破对不良地质作用的产生或复活有直接性的影响[12]。

2.2.1.2 爆破参数指标(A2)

参考工程实例和已有研究成果，爆破设计参数在实际工程中的取值往往差异较大，但经过选取优化后对水下爆破有害效应的影响效果较为明显。将爆破参数指标细分如下：①单段最大药量(B4)是计算水击波峰值压力和地震波振幅的重要参数，具体的取值应考虑实际工程的爆破要求和周围环境；②堵塞长度(B5)的合理性直接影响水下爆破有害效应峰值以及爆破效果，其取值与水下爆破有害效应呈负相关；③延时设置(B6)利用分段起爆的时间差使得各段爆破振动产生干扰叠加，从而达到降低振动强度的目的,文献[13]采用小波包分析振动幅值，本文对优化延时设置的取值主要根据降振率来确定；④孔间距(B7)、孔排距(B8)是为提高爆破质量而进行设计优化的爆破孔网参数；⑤最小抵抗线(B9)的大小对水下爆破振动的强弱以及频率都有影响。

2.2.1.3 传播特性指标(A3)

考虑水域环境对爆破器材以及爆破效果的影响，参考水下爆破形成的地震波和水击波传播特性的研究,对传播特性指标细分如下：①水深(B10)对炸药的爆速和猛度会产生明显的影响，爆速和猛度会随着水压的增加呈一定比例下降，而不同水深下的水压也直接影响水击波压力峰值以及地震波的传播[14]；②相对高程(B11)是影响区域相对于水下爆破区域的高度差，地震波的高程放大效应是不容忽视的研究因素[15]；③爆源距离(B12)是评价影响区域危险性等级最为直接的参数。

注：地层岩性引用文献[17]中的参数，S为志留系；K为白垩系；D为泥盆系；Qn为第四系更新统；N为上第三系；Z为震旦系；J为侏罗系；P为二叠系；C为石碳系；T为三叠系；O为奥陶系；E为下第三系；vδ，ε，δ，βμ，∑分别代表辉长闪长岩、霞石正长岩、闪长岩、辉绿岩和辉绿玢岩、未分的超级性岩

2.2.1.4 安全控制指标(A4)

针对水下爆破作用下评价对象的承受能力，对安全控制指标细分如下：①允许振速(B13)是反映区域内建(构)筑物、道路在水下爆破作用下能承受的最大振动幅度；②频率系数(B14)是为了研究评价对象受水下爆破影响而发生共振的概率性指标，采用fb/fg计算，fb为水下爆破引起的主震频率，fg为研究对象自振频率；③爆破振动持续时间(B15)从1 s增加至50 s的过程中爆破的破坏能力可增大40倍[16]；④冲击波峰值压力(B16)作为水下爆破水击波的最大值，对紧邻的建(构)筑物及岸坡等不良地质体存在巨大威胁。

综合上述观点，采用YAAHP层次分析软件建立影响区域危险性评价等级的层次结构模型，如图2所示。

图2 层次结构模型图Fig.2 AHP structure model

2.2.2 划分指标等级

为了更具体、详细地描述水下爆破影响区域危险性，本文采用5级评价体系将危险性等级划分为微度、轻度、中度、高度以及极度5个危险等级，分别对应Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级。等级边界值参考各评价指标研究成果以及《爆破安全规程》(GB 6722—2014)。16种危险性评价因素与危险等级的对应关系如表1所示。

2.2.3 构建矩阵及其一致性检验

为排除个体主观差异性，本文采用层次分析法中1—9标度法对各级评价指标之间的相对重要性进行定量化描述，邀请了多位学术专家和爆破工程师对各级评价指标进行打分。通过两两比较的方式得到T-A,A1-B,A2-B,A3-B,A4-B5个评价矩阵，最终确定A1—A4，B1—B13相应的权重分值。在YAAHP层次分析软件输出检验评价矩阵的一致性比例Rc的结果中，T-A,A1-B,A2-B,A3-B,A4-B5个评价矩阵均<0.10，矩阵一致性检验满足要求。将构建的矩阵及一致性检验结果列于表2—表6。

表2 T-A判断矩阵及一致性检验结果Table 2 T-A judgment matrix and consistency test result

表3 A1-B判断矩阵及一致性检验结果Table 3 A1-B judgment matrix and consistency testresult

表4 A2-B判断矩阵及一致性检验结果Table 4 A2-B judgment matrix and consistency testresult

表5 A3-B判断矩阵及一致性检验结果Table 5 A3-B judgment matrix and consistency testresult

表6 A4-B判断矩阵及一致性检验结果Table 6 A4-B judgment matrix and consistency testresult

2.2.4 绝对权重结果

将总决策目标分层拆分可得到下级指标相对上级指标的相对权重值。为获得最下层指标对总决策目标的独立影响程度，应进一步计算层次总排序的绝对权重值。各级指标绝对权重结果如表7所示。

用向量形式将绝对权重结果表示为：A[0.142 6，0.283 3，0.336 9，0.238 2]；T[0.028 3, 0.056 7, 0.056 7, 0.122 1,0.033 4,0.056 7,0.018 9,0.018 9,0.033 4,0.070 7,0.080 9,0.185 2,0.069 3,0.058 3,0.041 2,0.069 3]。

2.3 模糊数学确定指标隶属度

由表1不难看出，本文给出的区域危险性等级间分界标准虽然清晰简单，但实际数值在边界取值时容易出现模糊状态，而模糊数学(FUZZY)通过选取隶属函数可充分考虑等级划分间的过渡。本文遵循文献[18]中确定隶属函数的原则，对于表1中定量指标，采用岭型隶属函数，依照式(1)构建隶属函数(具体隶属函数略)。

表7 水下爆破各级指标绝对权重Table 7 Absolute weights of indicators for underwaterblasting

(1)

式中ai为危险等级的边界值。

对于表1中定性指标，需要按照相应的准则进行量化，本文采用分级法确定其模糊矩阵，即将指标分为5个等级：优(0.9)、良(0.7)、中等(0.5)、差(0.3)、劣(0.1)。通过赋值标准给出确定的数值，后采用梯形隶属函数，构建隶属函数如下(以微度危险和极度危险为例)：

(2)

式中下标Ⅰ和V分别代表微度危险等级和极度危险等级。

在实际工程应用中，将获得的指标赋值依次代入式(1)、式(2)和式(3)，获得可以反映所有指标隶属度的模糊矩阵R。

2.4 AHP-FUZZY综合评价模型

结合上述步骤，建立AHP-FUZZY综合评价模型，将表1中划分的5个等级和指标论域表示如下：等级论域V={V1，V2，V3，V4，V5}={I，II，III，IV，V}；指标论域U={U1，U2，U3，U4}。其中：Vi为评价等级；Ui为4个评价指标因子，U1为地质特征，包括3个子指标；U2为爆破参数，包括6个子指标；U3为传播特性，包括3个子指标；U4为安全控制，包括4个子指标。

2.4.1 一级综合评价

将绝对权重向量T中所有子指标按Ui域构建4个权重向量Ti，并通过隶属函数构建与评价等级V相对应的模糊矩阵R={r1，r2，r3，r4，r5}。则可求出模糊向量Bi=Ti·ri。

表8 水下爆破影响区域评价指标参数取值Table 8 Values of the parameters of evaluation indicators for underwater blasting

2.4.2 二级综合评价

将模糊向量Bi组成4行5列的模糊矩阵Bk，而总的二级评价结果为：B=A·Bk,式中A为一级指标论域U的绝对权重向量。最后，根据模糊数学的最大隶属度原理选取向量B中最大值以确定区域的危险性等级。

3 工程实例

3.1 工程概况

本文选取长江上游九龙坡—朝天门河段水下炸礁工程作为评价实例。河段长22 km，属于山区河道，流经川南丘陵地带，较山地河道地势相对较缓，河床较为开阔，河道走向迂回曲折，河床宽窄相间。河段沿线环境复杂多变，既有桥梁、道路、房屋等建筑，也有边坡等不良地质体。本文选取位于航道里程675～678 km的砖灶子滩段，沿线有李家沱大桥、道路、民房、厂房等，炸礁区域周围环境分布见图3。

图3 炸礁区域周围环境分布Fig.3 Circumstances around the underwater blasting area

参考施工区域工程勘察资料、技术交底报告、爆破方案等资料，将危险性评价相关参数取值列于表8。

3.2 模型计算

以李家沱大桥北侧的主桥墩计算为例，依照模型计算步骤，将表8中的数据代入隶属函数获得由4个模糊子集构成的模糊矩阵R，以r1为例的矩阵形式如下。

将权值Ti代入Bi=Ti·ri。进行一级综合评价得到模糊向量Bi(以B1为例)，即

可得B1=(0,0.03,0,0.11,0);B2=(0,0,0.13,0.12,0.03);B3=(0，0.01，0.24，0，0.08);B4=(0,0,0.03,0.03,0.17)。将模糊向量Bi组成4行5列的模糊矩阵Bk[B1,B2,B3,B4]，则二级评价向量B为

B=A·Bk=

得B=(0，0，0.13，0.06，0.08)，根据最大隶属度原理，可知李家沱大桥的北侧主桥墩属于中度危险区域。

依照AHP-FUZZY模型，计算得到南桥墩评价向量B=(0，0，0.08，0.11，0.08)；巴滨路评价向量B=(0,0,0.09,0.05,0.12);九渡口公路评价向量B=(0,0,0.09,0.11,0.06)；民房、北岸电厂泵房评价向量B=(0，0，0.09，0.08，0.10)。由此可知该区域内属于轻度危险等级的有南桥墩和九渡口公路，微度危险等级有巴滨路和民房、北岸电厂泵房，中度危险等级有北桥墩。

4 结果验证分析

为验证本文AHP-FUZZY模型的可行性以及准确性，以爆破安全规范中建筑物损害程度为参考标准，采用TCTC-4850型爆破测振仪和国产Blast PRO型爆破冲击波测试仪配以美国PCB产W138A型压力传感器对评价对象开展爆破水击波、地震波等参数的监控测量工作。桥墩、公路及民房的监测布设情况如图4所示。