基于未确知测度理论-反熵法的土质边坡稳定性评价.pdf

水 力 发 电第 卷第 期 年 月 .基于未确知测度理论反熵法的土质边坡稳定性评价张丽娟 房 伟 刘 雨 胡红胜 周明明(淮安市水利勘测设计研究院有限公司 江苏 淮安 江苏省水利勘测设计研究院有限公司 江苏 扬州 河海大学水利水电学院 江苏 南京)摘 要:为了对影响土质边坡稳定的不确定性因素进行定量分析和定性评价 采用未确知测度理论 实现对影响边坡安全稳定的不同因素的统一度量 并基于影响边坡安全的因素层级构建边坡安全评价指标体系 采用反熵法对评价指标的权重进行客观赋值 实现对多层级、多指标的土质边坡安全稳定性评价 结果表明 该评价方法可以较好地反映边坡安全状态 评价结果与安全鉴定结果一致关键词:土质边坡 稳定性评价 影响因素 未确知测度理论 反熵法 .中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家重点研发计划课题()作者简介:张丽娟()女 江苏淮安人 高级工程师主要从事水利工程规划设计与工程评价研究工作.0引言边坡是水利工程中需要重点关注的地形地质环境之一 边坡的滑坡、塌陷以及较大的位移错动都会不同程度影响水利工程的安全运行 相较于岩质边坡 土质边坡更容易受到自然环境和人工活动的影响 因此 在涉及土质边坡的水利工程无论在施工还是服役过程中都应掌握边坡的安全稳定状态以保障工程的安全 由于影响土质边坡安全的因素比较多 如环境因素的降雨、地下水、水库水位、植被、地震等 人类活动的施工、边坡加固、交通等 边坡特性的边坡高度、坡度、土质特性等需要考虑影响土质边坡的稳定因素的复杂性以及不确定性 综合全面地评价边坡的安全稳定性 由于水利工程的土质边坡的破坏具有随机性和难预测性受水位波动、降雨和地下水等外荷载影响很大 为了跟踪掌握边坡的稳定性态 对边坡进行结构安全评价十分必要 同时对边坡后续的维护及加固也具有重要意义第 卷第 期张丽娟等:基于未确知测度理论反熵法的土质边坡稳定性评价 .目前 关于土质边坡的安全稳定性的研究成果比较多 一类聚焦于模型仿真计算进行分析 如孙玉琢等基于强度双折减理论研究了粉土质边坡的安全稳定性 李泽莹借助有限元方法研究了大变形情况下的土质边坡稳定性及破坏模式 徐小平基于 模型研究了土质边坡的随机场模拟及其可靠度 另一类则侧重于基于安全评价体系进行研究 如胡杰等基于 决策树算法综合评价了土质边坡的安全稳定性 褚雪松全面研究了土质边坡稳定性系统的可靠度与风险评价方法及其工程应用 模型仿真计算的优点在于可定量研究边坡的变形位移等安全特性 其缺点在于模型的假设条件过多 土体的随机性和不均质性较难模拟 建模计算的时间较长等未确知测度理论已经成功应用在很多领域的指标评价中 如李佳美等基于组合赋权未确知测度理论评价高速公路高陡边坡施工安全风险 周航等以川藏交通廊道桑珠岭隧道为例 基于组合赋权和未确知测度评价深埋隧道岩爆的危险性 由于土质边坡容易受到自然环境和人为的影响而变化通常边坡安全评价体系的权重赋值有主观打分和客观权重赋值 为了能快速高效综合地定性评价边坡的安全等级 根据土质边坡的特点 本文构建边坡安全评价体系 其中 主观打分评价的结果主要依靠专家经验如层次分析法 主观评价由于人为因素势必会增加评价结果的不准确性 为了避免主观权重赋值的缺点 本文采用反熵法进行土质边坡的指标权重的定量研究和赋值 大量研究成果表明该方法的可靠性 如向思阳等基于 反熵法对配电网低碳运行进行的模糊综合评价 陈小刚等结合物元法采用反熵法对防护工程损毁后内部空间的环境质量进行的评价本文采用未确知测度理论刻画影响边坡安全的不同评价指标 建立土质边坡综合评价指标体系 采用反熵法确定评价指标的权重 构建土质边坡评价模型 通过工程实例检验评价模型的可靠性 以期为同类工程土质边坡的安全评价提供参考1构建边坡稳定性评价体系及其基本理论 未确知测度理论为解决工程领域中常见的未确知问题 王光远于 年提出了未确知测度理论 该理论能够解决多指标不确定问题 并对指标定量研究 由于影响土质边坡安全的因素存在不确定性 采用未确知测度理论可以较好地对影响指标进行统一度量 能够解决人为赋值带来的主观性 确保评价结果更加符合工程实际安全性态该方法的基本原理是:假定边坡的评价对象为 共 个对象待评定 其中单个对象 ()有 个影响因素 从而评价指标空间 各评价指标 ()的量值为 因此评价对象 对应的评价指标 的量值设为 设 分为 个评价等级 第 个评价等级为 ()以及评价空间为 如果评价等级 优于 说明 假设 或者 把 定义为有序分割类 若 ()()为评价指标量值 是第 个评价等级 的表征 从而有下列条件 即 ()()()()()式()中的 具有非负有界性、归一和可加性等性质 如果 满足式()中的所有条件 便能够把 定义成未确知测度 即为测度 其中 单个指标的未确知测度评价矩阵为()()土质边坡指标权重的赋值及评价体系的构建 反熵法计算评价指标的客观权值反熵法()可以较好地刻画不同指标的差异化 同时能够解决特殊情况下的指标时效的难题 传统的熵权法存在权值赋值差异大的问题而导致评价结果失真 为了尽可能的避免该问题 法能够在小样本条件下充分提取原始数据的有效内容 使其评价指标权值在合理的范围内和尽可能限制人为因素对评价结果的影响 评价指标 的信息反熵可用下式表示 ()()式中 为评价指标 的信息反熵 为评价指标的权重值 /若 则 为评价对象 的第 指标的评价标准值 取值范围为 水 力 发 电 年 月 .表 土质边坡的影响因素评价指标体系及风险等级评价指标一级二级风险等级 级()级()级()级()级()地质因素地质构造 节理裂隙基本没有节理裂隙极少节理裂隙很少节理裂隙较发育节理裂隙很发育土体类型 完整的黄土质黏土较完整的黄土质黏土 一般完整的黄土质黏土黄土质砂黏土其他类型土高度 坡度 防护方式 防护良好 排水良好防护一般 排水一般 防护不合理 排水一般防护与排水都不合理防护与排水很不好监控频率 次 次 次 次 次人员因素企业资质 特级一级二级三级无或很低施工人员 经验很丰富经验丰富经验较丰富有一定经验无经验管理人员 经验很丰富经验丰富经验较丰富有一定经验无经验安全员 满足要求基本满足较缺乏很缺乏未配置管理因素培训频率 周 次 周 次 周 次 月 次 月 次专项应急预案完备度 有优化应急预案有应急预案 无优化有较详细的应急预案有简单的应急预案无应急预案组织机构设置完善度 机构健全 职责分明且履行到位机构健全 职责履行不到位机构较健全 职责履行不到位机构设置较健全无职责划分条例机构不健全职责划分模糊由反熵法理论能够计算每个评价指标的客观权重向量 ()的计算公式为 /()指标的量化及权重为更加全面客观真实地评价边坡的安全稳定性需对影响土质边坡的因素进行分析分类 尽可能排除相关性高的重叠因素 不同因素的指标量化是评价边坡的关键 按照巡视情况进行定量评价 参照文献 根据水利工程的特点 构建土质边坡的影响因素评价指标体系及风险等级 见表 土质边坡评价指标中的定性指标风险等级取值见表 表 定性指标风险等级取值区间风险等级取值区间级(低风险)级(较低风险)级(中等风险)级(较高风险)级(高风险)置信判别条件为对评价结果的可靠度进行校验 采用置信度评估其准确度 如果评价空间 中有 则可以把评价对象 定义成评价空间 的 个有序分割类 假设 并 且 置 信 度 设 为 (通 常 取 )则 :进 而可以把评价对象 的结果等级定为第 个评价等级 边坡稳定性评价的实现流程综上理论 土质边坡安全等级评价的实现流程为:第一步 收集边坡的主要资料和信息 确定影响评价对象的指标因子 第二步 基于边坡资料信息 结合未确知理论建立构建评价体系 第三步根据评价指标的赋分准则 综合确定未确知测度的评价指标函数 第四步 采用反熵法计算各评价子指标的客观权重 第五步 判断和分析评价结果的置信度 第六步 确定安全评价等级 并与工程鉴定结果进行对比 分析评价结果的准确性并进一步优化指标的权重因子 基本流程的技术路线见图 2工程案例 工程概况及确立测度函数某水库的上游有 处需要重点监控的土质边坡依照表 建立水库边坡的单指标测度函数 其中 个评价指标中的定量指标有、和 各测度函数见图 其他评价指标为定性指标 定性第 卷第 期张丽娟等:基于未确知测度理论反熵法的土质边坡稳定性评价 .图 边坡安全等级评价的基本流程指标的测度函数见图 个边坡的各定量与定性评价的指标量值见表 表 土质边坡各评价指标的量值边坡边坡 边坡 边坡 边坡 边坡边坡 边坡 边坡 边坡 图 定量单指标的测度函数本文计算以边坡 为案例 把表 中的 评价指标的量值代入图 和图 的对应的测度函数 计算边坡 的评价矩阵 即图 定性指标的测度函数()确定评价指标权重通过 法计算边坡 的客观权重 评价指标的标准值及计算结果见表 边坡稳定性评价结果及分析由边坡 的评价矩阵和表 中边坡的各子指标客观权重 计算得到风险等级的评价矩阵为 本文采用置信度判定准则对边坡 的安全等级进行定级 置信度 取 由有序分割类的边坡风险等级判别准则可知 风险等级分别由低到高和由高到低相加 结果首次大于水 力 发 电 年 月 .表 边坡 各评价指标的标准值及客观权重评价指标标准值 客观权重 评价指标标准值 客观权重 等于置信度的等级为边坡的风险等级 并且要求 次评价结果的等级一致 说明评价结果满足置信度判定准则 边坡 的风险等级由低到高相加首次大于等于置信度的为 边坡 的安全等级定级为级 风险等级从高到低相加首次大于等于置信度的为 边坡 的安全等级定级为级 次对边坡 的安全等级的评价结果一致 故为边坡 的风险定级是级 其他 个边坡同边坡 的计算方法一致 风险等级评价结果见表 表 边坡稳定性安全风险评价结果评价边坡风险等级 级级级级 级评价结果边坡 级边坡 级边坡 级边坡 级同时 边坡的工程鉴定结果:边坡 为安全稳定性较高 边坡 为安全稳定性一般 边坡 为安全稳定性较高 边坡 为安全稳定性一般 由工程鉴定结果可知 本文的边坡风险等级的评价结果与现场的鉴定结果相符 说明本文的评价方法可靠具有工程实际意义3结语本文基于未测度理论 建立了土质边坡的评价模型 并对某水库的上游有 处需要重点监控的土质边坡进行安全评价 主要结论如下:()未测度理论可以较好地解决定量与定性边坡评价指标的刻画赋值 反熵法可以对评价指标进行客观赋值 构建的风险等级为 个等级、评价指标为二级 个子指标的安全评价体系能够全面地对土质边坡进行综合评价()通过工程实例可知 该评价模型可以较好地对边坡进行风险评价 个边坡的评价结果与工程鉴定结果一致 该评价模型具有较高的工程应用意义 可以用于同类边坡的评价研究()由于土质边坡的安全稳定性受外界因素的影响较大且变动较大 可以进一步研究动态化权重指标的边坡风险评价参考文献:杨健 黄静波.水电水利工程边坡若干问题探讨.水力发电():.郭一博.基于探地雷达与高密度电法的边坡体岩性结构识别研究.郑州:华北水利水电大学.张石 郑东健 武鑫.降雨类型对粉土边坡渗流及稳定性的影响.水力发电 ():.周越.典型边坡滑坡地球物理特征与演化机理研究.长春:吉林大学.孙玉琢 李明宝.基于强度双折减理论的粉土边坡稳定性研究.水力发电 ():.李泽莹.土质边坡稳定性及破坏模式的大变形有限元研究.太原:太原理工大学.徐小平.基于 模型的随机场模拟及土质边坡可靠度分析.重庆:重庆大学.姚勇 穆鹏.模糊四元联系数在土质边坡稳定性评价中的应用.水力发电 ():.胡杰 綦春明 孙冰 等.基于.决策树算法的土质边坡稳定性评价研究.长江科学院院报 ():.褚雪松.土质边坡稳定性系统可靠度分析与风险评价方法及工程应用.青岛:青岛理工大学.李佳美 邓唯 田学泽.基于组合赋权未确知测度理论的高速公路高陡边坡施工安全风险评价.公路 ():.周航 廖昕 陈仕阔 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