基于模糊层次法的渣土场边坡韧性评价方法探析

冯少杰 邓王倩 孙世国

(北方工业大学，北京 100144)

0 引言

随着城市化进程的加快，超高层建筑拔地而起，基坑开挖越来越深，不可避免地产生大量渣土。渣土堆积场越来越多，特别是遇到暴雨，渣土场极有可能发生边坡失稳，成为城市安全发展的隐患之一[1]。例如，“12·20深圳山体滑坡”作为目前世界上已知的最大渣土场滑坡事件[2]，给城市发展带来了巨大经济损失和社会影响。

边坡安全问题备受关注，其本身构造复杂，影响因素较多[3]。关于滑坡问题，已有诸多学者进行了相关研究。如王艳霞[4]认为将边坡大量数据统计资料采用模糊数学的方法进行处理，对边坡稳定性进行综合评价，可得到更切实际的结果；阮航等[5]运用最大熵原理和工程模糊集理论，确定了指标权重，提出了一种改进的公路边坡稳定性评价理论；张士伦等[6]提出了用边坡模糊评价模型评价分析复杂结构松散体边坡，该方法可以全面考虑影响松散体边坡安全性的因素，且方便易行；张懿等[7]基于改进的层次分析法对沐抚滑坡场地提出了9个评价因子，得出改进的层析分析法对滑坡场地规划建设用地分类和预测具有重要意义。

由于渣土具有离散性大、强度低等特点[8]，其特殊性致使渣土场滑坡机理不同于传统边坡。目前，国内外关于渣土场边坡问题的研究较少。此外，“韧性城市”作为未来城市应对灾害的主要手段，其方法理念已被人们普遍接受[9-10]。笔者首次将模糊理论与城市韧性安全评价结合起来，基于模糊层次分析法，建立渣土场边坡韧性评价方法，为城市安全韧性评价提供了一种探索。

1 模糊层次分析法

模糊层次分析法是一种将模糊数学与层次分析法结合起来的评价方法，是把层次分析法运用于模糊环境中[11]。若仅使用传统的层次分析法，人为主观因素影响太强；在指标的数量较大时，若仅使用模糊评价法，会造成权重向量与模糊矩阵不匹配的情况。模糊层次分析法的基本原理是将模糊变换原理与最大隶属度原则相结合，对目标层和影响其的相关因素作严格细致的分析研究[12]；再根据模糊变换特点选取因素集、确定评价集，建立因素集对评价集的隶属关系；之后构造模糊关系矩阵；最后结合各因素权重值得出综合评价结果[13]。因此，将模糊数学与层次分析法相结合在理论上和实践上克服了传统层次分析法与模糊评价法的不足，可较好地解决现实中遇到的问题，该方法的评价结果更具有说服力。其流程图如图1所示。

图1 模糊层次分析法流程图

采用该法可全面考虑到渣土场边坡韧性的影响因素，故笔者使用该法对渣土场边坡进行韧性评价。

2 渣土场边坡韧性指标及评价模型

2.1 北京渣土场现状调查

截至2019年4月，北京市渣土场共有55处，主要分布于通州区，占比为42%，如图2所示。

图2 北京市渣土场分布统计

由图2可知，北京市渣土场的分布以通州区为主，其他区为辅。因通州区作为北京城市副中心，正处于大力开发建设阶段，在建设过程中必将产生大量的渣土，故通州区的渣土场数量会更多。同时，出于对环境的考虑，如，建设渣土场的基本原则是不能影响周围居民的生活秩序，也不能影响周围土地的开垦，故渣土场很少分布在城区，主要分布在远郊区。

2.2 韧性评价指标的选取及模型的建立

通过对渣土场实地调研及查阅相关资料，结合笔者所研究的渣土场，根据调研区域内工程地质条件和滑坡特征，将影响渣土场边坡韧性的因素划分为内在因素与外在因素，从而构建韧性评价模型的目标层与指标层。

根据影响渣土场边坡韧性的渣土场物料特性、渣土场边坡特性、环境与基础设施、组织机制4个方面，将渣土韧性评价模型分为3层。即：(1)目标层，为渣土场的韧性评价；(2)准则层，为影响最终实现目标所涉及的中间步骤；(3)指标层，此层由12个指标构成。渣土场边坡韧性评价模型如图3所示。

图3 渣土场边坡韧性评价模型

在建立渣土场边坡评价模型的基础上，根据评价目标，确定各指标的分级标准。评价集是对滑坡韧性进行评价的语言表述，笔者选取4个等级(Ⅰ级:韧性强、Ⅱ级:韧性较强、Ⅲ级:韧性一般、Ⅵ级:韧性弱)，建立渣土场边坡韧性模糊评级，并结合渣土场实例，将各评价指标进行定量与定性表达，各评价指标分级标准及评分值如表1所示。

表1 渣土场边坡韧性评价标准表

2.3 评价指标的隶属度函数确定

渣土场边坡韧性评价一级矩阵A-B由一级评价指标相对于4个评价等级的隶属度构成，故一级评判矩阵的确定可转化为一级评价指标对各评价等级隶属度的确定[14]。

韧性综合评判集B表示滑坡韧性等级的隶属度，可根据最大隶属度原则来判定滑坡的韧性等级。根据隶属度函数进行计算取值，常见的隶属度函数类型有三角形、正态型、戒上(下)型和降(升)半梯形等，上述二级指标均为连续型指标，并且定量分值指标越大越好，故采用“升半梯形”分布建立隶属度函数[15]，可得4个评价等级的隶属度计算公式：式(1)～式(4)，其中，x为评价指标的实测数据评分(分值)。

3 渣土场工程实例分析

3.1 渣土场工程概况

笔者以北京某渣土场为例，其现场图如图4所示。该渣土场主要为工程开挖槽土堆排场地，堆积时间为8个月，堆排场下方为项目场地及工作人员生活区。现场渣土堆积体表层较为松散，深层因土体自重作用，密实度较大。渣土的主要成分为粉质黏土，其中掺杂有少量破碎砖块及混凝土渣块，渣土场底部地基土为黏性土。在渣土堆积部分上下韧性参数存在空间差异，故取平均值作为实测指标。根据渣土场边坡现场状况，结合表1的渣土场边坡韧性评价标准，对各二级指标进行评分量化，并根据式(1)～式(4)，计算各二级指标隶属度向量R，二级指标量化结果及其隶属度向量R计算结果如表2所示。

(a)俯视图 (b)正视图图4 某渣土场现场图

表2 某渣土场边坡评价指标值

表2(续)

3.2 工程实例韧性评价

利用建立的渣土场边坡韧性评价方法对该渣土场边坡进行韧性评价。采用层次分析法确定各指标权重值W。判断矩阵的最大特征值λmax用于计算矩阵的一致性指标CI(CI=(λmax-n)/n-1，其中，n为矩阵阶数)。RI为随机一致性指标，用来衡量CI的大小，其取值如表3所示。

表3 一致性指标RI对应数值

CR(CR=CI/RI)为检验系数，若CR<0.1，则认为该判断矩阵一致性检验通过，否则，不能通过检验，需对矩阵重新进行调整[16]。

建立一(二)级指标判断矩阵，如表4、表5所示。其中，W为指标权重向量。

表4 一级指标权重值(A-B)

表5 二级指标权重值(B1-C)

同理对二级指标B2，B3和B4构造判断矩阵，权重向量分别为W2=(0.25，0.75)，W3=(0.55，0.21，0.24)，W4=(0.26，0.33，0.41)。

为得到二级指标(C)对目标层(A)的影响权重值，需对权重向量从高到低逐层进行总排序，以确定各影响因素排序，结果如表6所示。

表6 层次总排序矩阵(A-C)

表6(续)

由表6可知，坡角、坡高、黏聚力、内摩擦角、重度及排水能力等影响因素对渣土场边坡韧性的影响程度较大。因此，在进行渣土场边坡韧性评价时，应着重考虑这6个因素。

根据二级指标评价权重向量和表2，应用模糊综合评价模型E=W·R，可计算渣土物料特性隶属度向量

E1=W1·R1=(0.223 0.631 0.146 0)

(5)

同理，可计算出其余一级评价指标的隶属度向量，如表7所示。

表7 一级评价指标的隶属度向量

根据一级指标评价权重向量和表7，应用模糊综合评价理论B=W·E[17]，可得模糊综合评价结果：

B=W·E=(0.359 0.476 0.063 0.103)

(6)

根据最大隶属度原则，该渣土场边坡韧性评价结果为Ⅱ级，韧性较强。

4 结论

笔者在对北京市渣土场现状进行调研的基础上，总结了北京市渣土场现状及区域分布特点；基于模糊层次法构建了渣土场边坡韧性指标及评价模型，确定了各评价指标的权重和隶属度，并结合工程实例进行了分析验证，为渣土场边坡的韧性评价方法提供了一条新的思路。