基于改进G2-EWM-TOPSIS模型的引水隧洞塌方风险评价

2023-11-23谭立伟温少卿李开华靳春玲安祥

科学技术与工程 2023年30期

谭立伟,温少卿,2,李开华,靳春玲,安祥

(1.中铁开发投资集团有限公司,昆明 650501; 2.中铁二局第五工程有限公司,成都 610091;3.中铁西南科学研究院有限公司,成都 611731; 4.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)

引水工程中的隧洞规模越来越大,地域跨度广,地质条件复杂,施工难度大,成为整个线路的关键工程。引水隧洞施工过程中安全事故不仅会造成人员伤亡,而且给国家和社会带来了不良影响。滇中引水工程作为云南省可持续发展的战略性工程,具有引水规模大、隧洞线路长、穿越地质条件十分复杂等特点,存在岩溶地下水、活动断裂、高地应力、软岩大变形等重大工程地质和环境地质问题,而塌方是滇中引水工程中最为常见的工程事故,是影响隧洞安全施工运营的重要隐患[1],如何预防塌方事故是我们面临的重要问题。因此,在滇中引水工程施工中,开展引水隧洞塌方风险的评价具有重要的意义。

中外学者在引水隧洞塌方风险评价方面进行了许多研究,吕擎峰等[2]采用模糊层次综合分析法确定塌方风险影响因素的判断矩阵、权重及隶属度,引用风险后果当量估计法建立风险事故后果评估模型;王婧等[3]从工程地质、勘察设计、施工技术与管理3方面分析隧道塌方的风险因素,建立铁路隧道塌方风险评价指标体系;詹金武等[4]在综合考虑影响隧道塌方风险因素的基础上,构建了山岭隧道塌方风险等级评估模型;贡力等[5]通过主成分分析法对原始数据进行预处理后作为神经网络训练样本,利用粒子群算法优化径向基函数神经网络(radical basis function,RBF)训练过程;刘灿等[6]选取工程地质等4项一级指标,建立熵权-改进灰色关联的公路隧道塌方风险评价模型;王天瑜等[7]利用可拓集合理论的关联函数计算预警指标对预警等级的关联系数,建立基于熵权的可拓评价预警方法;Kim等[8]采用层次分析法和德尔菲调查分析法对隧道塌方风险评价的影响因素和分级体系进行量化,提出了隧道塌方危险性评价模型;Chen等[9]提出了一种基于案例推理、粗糙集理论和未确知测度集对分析理论的隧道塌方风险综合评价新方法。

综上所述,上述研究均获得了一定的成果,但存在对于评价指标的选取考虑不周全、数据处理不完善等问题。因此,现针对滇中引水工程特点选取全面考虑隧洞塌方风险的指标,建立隧洞塌方风险评价体系,构建改进G2-EWM-TOPSIS模型,在隧洞塌方事故风险评价方面具有一定的研究意义,为滇中引水工程的施工运营提供理论支持。

1 建立引水隧洞塌方风险评价指标体系

引水隧洞往往地势恶劣且遭受寒冷气候的影响,容易产生冻融破坏,导致引水隧洞表面破坏,经常导致塌方事故,使得引水隧洞出现侧墙开裂、底板隆起等状况。经过分析,造成塌方事故的主要因素包括:①工程地质,岩体完整性越好,其自稳能力越强;岩层倾角越大,隧道偏压越严重,可能造成隧道塌方;②自然条件,地下水会影响岩体稳定性,并极大可能会造成突水突泥事故,影响施工安全;③施工设计,隧道埋深越浅,发生塌方的可能性越高;过大的爆破扰动经常会导致岩体坍塌;隧洞的支护强度不够、不及时支护等问题会造成塌方事故。

在引水隧洞塌方事故普遍影响因素的基础上,考虑复杂的地质构造,并参考《水利水电工程地质勘察规范》《水工隧洞设计规范》《水利水电工程施工质量检验与评定规程》等相关规范标准,遵循全面性、科学性、层次性和实用性的原则[10],选取了11个代表性指标,建立了引水隧洞塌方风险评价指标体系,如图1所示。参照中外隧洞塌方风险等级划分标准、隧道塌方特征及相关文献,将各指标的标准进行分级,划分为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个等级,分别代表低风险、中风险、高风险、极高风险。其中,低风险表示风险极低,不需要采取应对措施;中风险表示事故影响在可接受范围内,可采取一定应对措施减少损失;高风险表示事故影响超出可接受范围,必须采取相应措施;极高风险表示必须重视并采取所有可实施的应对措施防止事故发生。具体分级标准如表1所示。

2 引水隧洞塌方风险评价模型

引水隧洞塌方风险评价模型运用改进G2法及熵权法对引水隧洞塌方风险评价指标进行赋权,再运用矩估计理论进行组合赋权,将赋权后的结果引入改进G2-EWM-TOPSIS模型中,评价引水隧洞的塌方风险等级,其评价流程如图2所示。

图2 改进G2-EWM-TOPSIS模型的引水隧洞塌方风险评价流程

2.1 改进G2法

G2法是一种主观赋权法,又名唯一参照物比较判断法,可以体现专家的风险意识和主观信息[11]。但G2法受主观因素影响较大,因此本文研究引用改进G2法。改进G2法使用客观数据计算的变异系数之比替代专家赋予指标的重要程度之比,尽可能地避免主观因素的影响[12]。

专家在评价指标集{Xj}中挑选出他认为是最不重要的一个且只一个指标并记为Xk,然后将其余指标标记为Xk1,Xk2,…,Xkm。将最不重要的指标Xk作为参照物,通过指标间的变异系数之比确定其余指标相对于Xk的重要程度,最后分布计算指标Xj的权重。计算步骤如下。

步骤1根据各个指标的均值¯xj以及标准差sj确定指标的变异系数。

(1)

式(1)中:Vj为指标变异指数。

步骤2根据变异系数确定指标Xj与Xk相对重要程度之比的客观赋值。

(2)

式(2)中:rj为相对重要程度比值;Vk为指标Xk的变异指数。

步骤3计算指标权重。

(3)

式(3)中:wj为指标权重。

2.2 熵权法

熵权法(entropy weight method,EWM)是一种根据各项指标观测值所提供的信息量的大小来确定指标权重的客观赋权方法[13]。熵权法根据各指标的变异程度,利用信息熵来度量这种信息量的大小,通过熵权对各指标进行修正,从而计算出较为客观的权重,减少了主观因素的干扰,使得指标权重更加精确可信[14]。计算步骤如下。

步骤1对指标数据进行无量纲化处理。评价指标体系往往包含多项指标,由于数量级不同不能直接比较,为了将各项指标进行统一比较,需要先进行无量纲化处理。

正向指标的计算公式为

(4)

负向指标的计算公式为

(5)

步骤2对指标数据进行归一化处理。

(6)

步骤3计算指标信息熵值及信息效用值。

(7)

dj=1-ej

(8)

式中:ej为信息熵值;dj为信息效用值;m为评价对象数。

步骤4计算指标权重。

(9)

式(9)中:wj为指标权重。

2.3 组合权重的确定

主观赋权法主要依靠专家经验确定指标权重,受人为因素影响较大。客观赋权法能够避免主观因素影响,但对于数据的依赖性较高,赋权不合理情况时常发生。矩估计理论组合赋权法能够综合考虑主客观因素,既保证数据的客观联系,又尊重专家的主观经验,处理后的权重更加合理可靠[15]。因此,本文研究运用矩估计理论对主客观权重进行处理,既可以直观体现改进G2法的主观信息和风险意识,同时可以保持熵权法对指标客观描述的特点。

组合权重为

W=αW1+βW2

(10)

式(10)中:W为组合权重,0≤W≤1;W1、W2分别为主、客观权重;α+β=1。

计算上述两种权重对应的期望值为

(11)

(12)

式中:E(w1i)为主观权重对应的期望值;E(w2i)为客观权重对应的期望值。

则有

(13)

(14)

则α、β为

(15)

(16)

2.4 TOPSIS法

TOPSIS法的基本原理是通过计算评价对象与“正理想解”和“负理想解”之间的接近程度来对各个评价对象进行优劣排序[16]。TOPSIS法中的正理想解就是各评价对象中能够达到的最优解,其各项属性都能达到最优;负理想解则是各评价对象中的最劣解,各项属性都达到最劣。TOPSIS法的基本思路是将各评价对象的正理想解和负理想解相比较,其中最接近正理想解且远离负理想解的评价对象即为最优[17]。TOPSIS法计算步骤如下。

步骤1对于m个评价对象A={a1,a2,…,am}都有n个评价指标r={r1,r2,…,rn},首先建立评价矩阵R为

(17)

式(17)中:rij为第i个评价对象的第j项评价指标;i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。

对初始评价矩阵进行平方和归一化处理,从而求得标准化矩阵Y为

(18)

(19)

步骤2将标准化矩阵Y与综合权重相乘,得到加权标准化矩阵T为

(20)

tij=yijWj,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(21)

式(21)中:Wj为第j项指标的综合权重。

步骤3计算加权标准化矩阵T的正理想解和负理想解。

(22)

式中:t+为正理想解;t-为负理想解。

(23)

对于越小越优型指标,其理想解tj+和负理想解tj-分别为

(24)

步骤4计算各评价对象与理想解和负理想解的欧式距离。

i= 1,2,…,m

(25)

i= 1,2,…,m

(26)

步骤5计算各评价对象的相对贴近度。

(27)

式(27)中:Ni为相对贴近度。

将计算得出的相对贴近度Ni作为依据评价风险等级,相对贴近度越大则评价对象距离正理想解越近,表明风险等级越低,反之,相对贴近度越小表明风险等级越高。

3 实例分析

3.1 数据准备

滇中引水工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程中的标志性工程,工程多年平均引水量34.03亿m3,渠首流量135 m3/s,末端流量20 m3/s。线路区位于云南山字型构造前弧与青、藏、滇、缅、印尼歹字型构造体系东支中段复合部位,总体地质构造背景复杂。输水隧洞全长165.433 km,经初步围岩分类统计,其中Ⅳ、Ⅴ类围岩合计占比57.14%,占比偏大,易产生塌方事故。本文研究选取滇中引水工程里程范围为YX24+100～24+850、YX24+850～25+165、YX25+165～25+545、YX25+545～26+897、YX26+897～27+500、YX27+500～27+750、YX27+750～28+200、YX28+200～28+826、YX28+826～29+462的典型隧洞段进行塌方风险评价。

3.2 工程数据

选取滇中引水工程中的9段引水隧洞进行风险分析,根据《工程测量标准》(GB50026—2020)的指标量化细则及滇中引水工程勘察设计、地质报告及现场统计资料得到具体数据如表2所示。

3.3 改进G2-EWM-TOPSIS评价分析模型

3.3.1 指标权重计算

运用改进G2法和熵权法确定评价对象的主、客观权重,再结合矩估计理论赋权法确定综合权重,权重结果如表3所示,指标权重雷达图如图3所示。

图3 指标权重雷达图

结合图3评价指标权重雷达图可知,矩估计综合权重与G2法权重折线趋势一致,说明G2法得到的指标权重更符合优化权重结果。由表3指标权重表可以看出,在11个隧洞塌方风险评价指标中,综合权重值大于0.1的评价指标有岩石单轴饱和抗压强度、节理面平均间距、施工对围岩的扰动量,说明该3项指标是对隧洞塌方影响较大的指标,结合该地区地质情况及引水隧洞施工情况,岩石含水量的增加,削弱了颗粒间的联系,导致抗压强度明显减小;岩体的完整性是表现岩体强度、岩体变形性的重要标志之一,节理面平均间距是直接影响岩体完整性的重要因素,对岩石的稳定性有较大影响;施工对围岩的扰动会导致衬砌的破坏,反复扰动有可能形成裂缝,更易造成塌方。

3.3.2 综合评价等级分析

根据引水隧洞塌方风险评价指标体系,结合某工程某隧洞实际情况,通过改进G2-EWM-TOPSIS模型进行数据处理后,得到各隧洞段的正理想解、负理想解的欧式距离及相对贴近度,其中相对贴近度大于0.8为Ⅰ级,(0.5,0.8]为Ⅱ级,(0.2,0.5]为Ⅲ级,≤0.2为Ⅳ级。为对比该模型的准确性,运用云模型求出熵值表示评价结果分散度,计算出塌方风险等级最大隶属度,得出各评价样本塌方风险等级与相应置信度因子,从而对滇中引水工程隧洞进行塌方风险等级评价,并分别与现场工程地质勘察结果相比较,评价结果如表4所示。

表4 引水隧洞塌方风险评价结果

3.3.3 结果分析

(1)通过指标权重计算可知,结构面黏聚力、岩石单轴饱和抗压强度、节理面平均间距是可能造成塌方事故的主要因素,在引水隧洞的施工运营期间应加强监控和管理。

(2)通过计算可知,引水隧洞里程范围为YX24+100～24+850、YX24+850～25+165、YX25+545～26+897、YX27+750～28+200段的塌方评价等级为Ⅱ级,里程范围为YX25+165～25+545、YX26+897～27+500、YX27+500～27+750、YX28+200～28+826、YX28+826～29+462段的塌方风险评价等级为Ⅲ级。与实际等级相比,除YX28+826～29+462外其他段塌方评价等级均相同。

(3)改进G2-EWM-TOPSIS模型计算的评价等级与实际情况基本吻合,该模型能够分析出研究对象的典型分布规律,得出可靠评价结果,评价等级为Ⅱ级风险的引水隧洞,围岩为微风化,节理裂隙不发育,岩体完整,不需要采取特殊措施,只需保证合理施工,及时处理意外情况,避免事故发生;评价等级为Ⅲ级风险的引水隧洞发育有断层,岩体主要呈块裂结构,部分呈碎块状结构,以Ⅳ类围岩为主,部分为Ⅴ类围岩。可以采用钻孔灌浆法进行加固,自上而下分段灌浆,使裂缝中充满水泥浆,同时要抽排塌方流水,清理流泥及流沙,可以提高隧洞的整体性及防渗性能。