基于组合赋权-云模型岸坡稳定性评价

2019-10-22郭学潮

水利科技与经济 2019年9期

郭学潮

(山东省鄄城县水务局，山东鄄城 274600)

0 引言

岸坡稳定可以有效保障汛期城镇安全，防止洪水泛滥。杨文东等[1]使用云模型选取相关因素划分权重对边坡稳定性进行预测评价研究，该方法可以较为快速、准确地获取边坡稳定性情况，适用性较好。邢志龙[2]以青走道水库库岸边坡为例，通过室内试验和理论计算方法，预测蓄水后岸坡塌方量。李鹏岳等[3]使用可拓学模型结合层次分析法获取指标权重，综合评价长寿至丰都段库岸稳定性。徐镇凯等[4]认为云模型在评价边坡稳定性中的应用快捷、方便、准确。许波等[5]以孟底沟水库为例，确定影响因素，使用层次分析法进行单体库岸边坡稳定性评价。刘明发[6]利用Geo-studio研究不同地下水位下边坡稳定性情况，结果表明地下水是影响边坡稳定性的一个重要因素。朱文炜等[7]、熊爽等[8]分别使用不同的数值模拟方法，研究边坡稳定性情况，认为岩土体强度是影响边坡稳定性的重要因素。

夏季雨水多发，河道水位变化剧烈，岸坡侵蚀、冲刷现象严重，岸坡稳定性必将急剧变化。因此，快速获取现状岸坡稳定性等级的现实意义重大。

1 确定评价指标和岸坡稳定性等级

岸坡稳定性影响因素评价指标选取应当全面、客观。综合分析，岸坡自身特征、地下水位特征是影响其稳定性的主要因素。因此，选取岩土体强度参数(内聚力、内摩擦角)、水位(岸坡内、外水位)、坡型(坡高、坡比)以及外部荷载因素共7个定量因素建立评价指标体系。参考前人研究，可将岸坡稳定性分为3个等级，Ⅰ-Ⅲ级表示稳定性逐渐提高。指标体系见图1。

图1 评价指标体系图

表1 指标评价等级表

2 云模型-组合赋权评价模型

2.1 云模型概念

李德毅等[9]在1995年提出云模型的概念，现在应用于风险评价、算法改进、数据挖掘、智能控制等各个行业，效果显著。云模型针对岸坡稳定性评价中的不确定问题，有一定解决问题的优势，可获取不确定性的度量值。

2.2 组合赋权权重计算

权重表示某一指标对评价结果影响的重要程度。使用改进层次法和熵权法组合赋权获取各指标权重。

2.2.1 改进层次分析法

1979年，Satty[10]首次提出层次分析法用于解决评价指标权重计算的问题。但人为主观因素对权重值影响较大，因此采用粗糙集[11]改进层次分析法，获取客观权重，提高评价结果的准确性。

计算过程如下：

σCB(A)=γC(B)-γC-A(B)

(1)

(2)

式中：σ为不同的集合；γ为集合中的元素；Δσij为各指标的相对重要程度。

2.2.2 熵值法

河道岸坡的稳定性具有时空差异性，是一个随时间、空间变化的结果。熵权法使用理论计算的方法获取权重，避免了人为因素扰动，可获取客观权重。

(3)

(4)

式中：yji为各指标实际值；p为选取指标总数。

2.2.3 组合权重计算

(5)

组合权重为wz：

(6)

式中：α，β为分配系数，满足以下条件：

(7)

α+β=1

(8)

各指标权重见表2。

表2 评价指标权重表

2.2.4 不同指标间的相互作用分析

当河道水位上涨时，岸坡岩土体类型决定了河道(坡外)水位补给岸坡地下(坡内)水位的速率，同时坡外水位也决定了坡内水位最终能达到的水位高度。反之，若是坡内水位补给坡外水位时，坡内水位的高度决定了坡外水位的高度。两者之间的转化是一个动态过程，此时岸坡的稳定性也是一个动态变化过程。

同时水位的变化，造成坡体内部岩土体含水率产生变化，含水率的变化造成岩土体强度(黏聚力和内摩擦角)变化。

2.3 云模型参数的选取

在选取评价指标的条件上，李健等[12]提出了云参数(Ex,En,He)的求解公式：

Ex=(Bmin+Bmax)/2

En=(Bmax-Bmin)/6

He=k

(9)

式中：Bmax，Bmin分别为某等级标准的最大和最小边界；k为常数。

为了评价结果清晰可辨别，作出以下修改，见表3。

表3 云模型的数字特征表

2.4 评价云模型指标的生成

使用云模型确定参数Ex，En，He，生成云模型见图2。

综合确定度U计算方法如下：

(10)

式中：δi为确定度；ωz为指标组合权重，岸坡稳定性等级L为：

L=max{U1,U2,…,Un}

(11)

图2 各评价指标云图

3 工程应用

以山东菏泽市某河流岸坡为例，使用本文研究方法评价其稳定性，并与专家现场评价结果进行对比，验证本文所提出方法的准确性。随着雨季到来，河道水位上涨，河水侵蚀、冲刷造成河道岸坡(未治理段)形态改变，同时坡体内部地下水位发生改变，造成岸坡稳定性急剧变化。通过现场调查以及室内力学实验，岸坡主要岩土体类型为堆积层，力学试验结果表明内聚力为22 kPa，内摩擦角为18°，由于天然状态下含水率较高，饱和状态下强度参数变化较小。其中一段河道岸坡P1坡比1.75，坡高3.0 m，工程区人类工程活动较少，坡顶荷载选择为0 kPa，岸坡内、外水位分别为1.5和3 m(平均高度)。

以内聚力为22 kPa为例，使用云发生器确定该指标隶属于各级别的确定度：U(Ⅰ)=0.000 0，U(Ⅱ)=0.009 6，U(Ⅲ)=0.345 5，所以指标内聚力为22 kPa属于Ⅲ级。综合计算5处岸坡P1-P5的稳定性评价结果，评价结果见表4。