崩塌灾害危险性评价云模型及其应用.pdf

第 卷第 期 年 月灾 害 学 李琛曦 潘怡 翟星 等.崩塌灾害危险性评价云模型及其应用.灾害学 ():.():/崩塌灾害危险性评价云模型及其应用李琛曦 潘 怡 翟 星 李 辉 李建朋 袁 维(河北省地质环境监测院 河北 石家庄 河北省地质资源环境监测与保护重点实验室河北 石家庄 河北地质职工大学 河北 石家庄 河北省交通规划设计研究院有限公司河北 石家庄 石家庄铁道大学 土木工程学院 河北 石家庄)摘 要:为综合考量评价过程中的模糊性和随机性 基于层次分析法与云模型理论建立了崩塌灾害危险性的云模型评价方法 在崩塌形成机制分析的基础上 选定了 个评价因子 分别为危岩体特征、坡高、坡度、年均降雨量、地震动峰值加速度、人类活动影响距 进而采用层次分析方法确定各因子权重 依据单因素分级标准计算各评价指标隶属于不同评价级别的云模型数字特征后 由正向高斯云算法和因子权重值计算综合确定度根据最大确定度得到崩塌灾害危险性级别 最后通过工程实例探讨了该方法的可行性与有效性 研究表明 采用云模型进行崩塌灾害危险性评价具有可行性 实例验证结果与赤平投影分析法一致 不仅可以考虑评价过程中的随机性和模糊性 而且能根据综合确定度判断同一危险性级别内不同危岩体的危险程度关键词:崩塌 云模型 危险性评价 因子权重 层次分析()中图分类号:文献标志码:文章编号:():/由于崩塌灾害具有突发性、隐蔽性 一旦发生可能引发严重的后续效应 因此 崩塌灾害的危险性评价一直受到人们的关注现有的崩塌灾害危险性评价方法主要包括定性评判、理论公式、数值计算和统计数学方法其中定性评判法一般采用岩体结构面赤平投影图进行定性评价 是当前工程界常用的方法 对工程经验要求较高 理论公式和数值计算方法属于定量评价方法 但在概化模型的代表性和参数取值方面尚需深入研究以提高其结果的可信度 近年来 模糊数学理论、灰色理论等统计数学方法的应用 使得崩塌灾害危险性评价更趋科学化、合理化 然而 这些成果在评价因子的选取和综合考虑评价过程中的模糊性与随机性等方面存在不足崩塌地质灾害影响因子多、复杂且各影响因子作用权值显著不同 在崩塌灾害危险性综合评价实践中 人们常常会遇到数据和指标的模糊性与随机性问题:由于评价因子与评价结果之间的关系呈现高度非线性 导致众多评价因子的实测值常常不能同时满足某一等级标准 由于观测、计算误差的存在 导致评价因子的实测值在评价标准阈值附近时 出现评价结果亦此亦彼的现象基于以上考虑 本文拟将云模型理论引入崩塌灾害危险性评价中 以综合考虑评价过程中的模糊性和随机性 法赋权与云模型简介 法赋权由美国匹兹堡大学运筹学家 于 年代中期提出的层次分析法 是一种多层次权重分析决策方法 其基本原理是把所研究的复杂问题看作一个大系统 通过对系统的多因素分析划分出各因素相互联系的有序层次 再请专家对每一层次因素进行客观判断后 相应给出相对重要性的定量表示 进而可计算出每一层次因素的相对重要性的权值 云模型理论云模型是我国学者李德毅院士提出的一种用于定性知识与定量知识之间转换的认知模型 该模型已在数据挖掘、智能控制和围岩稳定性分类、岩爆分级等多个领域得到应用 收稿日期:修回日期:基金项目:河北省自然资源厅项目资助()河北省重点研发计划()河北省自然科学基金优秀青年基金项目()湖南省自然科学基金面上项目()第一作者简介:李琛曦()男 汉族 河北信都人 高级工程师 主要从事地质灾害防治、矿山环境监测及地质遗迹保护方面的研究.:.通信作者:袁维()男 汉族 湖南常宁人 副教授 主要从事工程地质灾害安全防控方面的研究.:灾 害 学 卷()云的定义 设 是一个用精确数值表示的定量论域 是 上的一个定性概念 若定量值 且 是定性概念 的一次随机实现 对 的确定度()是有稳定倾向的随机数:()()则 在论域 上的分布称为云 每一个 称为一个云滴()云模型的数字特征 云的数字特征包括期望 熵 和超熵 期望 是云滴在论域空间分布中的数学期望 是定性概念的基本确定性的度量 熵 是定性概念的不确定性度量 由概念的随机性和模糊性共同决定 超熵 是熵的熵即是熵的不确定性度量 也可以称为二阶熵()云模型的实现 云模型的实现方法可以有多种 基于不同的概率分布可以构成不同的云最常用的是基于高斯分布的高斯云 根据定性知识和定量知识转化方向不同还可分为正向高斯云和逆向高斯云 本文采用了正向高斯云模型 其定义如下:设 是一个用精确数值表示的定量论域()是 上的定性概念 若定量值()是定性概念 的一次随机实现 服从以 为期望、为方差的高斯分布 ()其中 又是服从以 为期望、为方差的高斯分布 ()的一次随机实现 进而 对 的确定度满足:()()()则 在论域 上的分布称为高斯云 基于云模型的崩塌灾害危险性评价方法 基本思路假设待评样本的实测数据隶属于某一危险性等级的确定度 服从高斯分布 崩塌灾害危险性评价云模型的实现流程为:()在崩塌形成机制分析的基础上选定评价因子()根据所确定的评价因子和分级标准计算相应等级的云数字特征()进而由正向高斯云算法生成该评价因子隶属于某危险性级别的云模型()通过层次分析法得到各评价因子的权重()基于待评测对象的实测数据 计算每种评价指标属于各个级别的确定度 将所得的确定度与其相应的权重值相乘并累加即可得到该待评测样本属于某一级别的综合确定度 由最大综合确定度确定崩塌灾害危险性级别 具体流程如图 所示图 基于云模型的崩塌危险性评价方法流程图 崩塌形成机制分析与评价因子选定()崩塌灾害形成机制分析 具有多个构造裂隙和合适裂隙产状的高陡边坡岩体是崩塌灾害形成的内部要素 降水、风化作用、人为影响与地震、重力等外部要素通过单个或多个因素组合的方式作用于被构造裂隙切割的高陡边坡岩体造成或加速了危岩体的形成与垮塌外部作用的典型机制如图 所示 崩塌危岩体的破坏过程可概括如下:原生节理裂隙和褶皱、断层构造运动使得高陡边坡上的岩体存在大量结构面 岩体裂隙在降水、风化作用、人为影响与地震、重力等外部因素的作用下萌生、扩展、连通 直至形成具有一个或多个临空面的危岩体在自重应力以及水压力、地震力等的作用下 危岩体发生拉裂破坏 与母岩脱离 并通过向下倾倒或坠落或沿坡面滚动等运动消耗其重力势能此时 岩块沿陡坡翻滚而下加速运动 冲击力迅速增加 形成对坡脚建构筑物和人员生命财产破坏性较强的崩塌灾害图 崩塌典型破坏模式示意图()因子集 基于崩塌形成机制并参考相关文献 本着“必要性和代表性”原则 选定的崩塌灾害危险性评价的各层级因子如图 所示 其中崩塌灾害危险性评价为目标层级 代号为 内部因素、外部因素为第一层级 分别用代码、表示 危岩体特征、坡高、坡度、年均降雨量、人类活动影响距、地震动峰值加速度为第二层级分别用代号、表示图 崩塌灾害危险性评价指标体系()因子权重赋值 根据图 所示的评价因子 期李琛曦 等:崩塌灾害危险性评价云模型及其应用层次结构模型 采用 标度法对各层中的因子相对上一层次目标的重要性进行两两比较 根据表 的两因素比较标度原则建立相应的判断矩阵见表 表 表 因子标度原则标度分值 语言描述(前者比后者)备注同等重要稍微重要明显重要强烈重要极其重要 分别表示重要程度处于本表 中 比 较 等 级 之间者表 判断矩阵/表 判断矩阵/表 判断矩阵/建立判断矩阵后 计算各判断矩阵的最大特征根和对应的特征向量 并进行一致性检验 若检验通过则认为权重赋值合理 以矩阵 为例说明上述过程:()矩阵 最大特征值 归一化特征向量为()()判断矩阵 阶数 相应的一致性指标 、为:()()故判断矩阵满足一致性检验 权重分配合理经上述分析过程得到的各评价因子权重见表 由表 可知 危岩体特征、坡度和年均降雨量的权重分别为 、与其他三个因素权重值相比明显更大 因而危岩体特征、坡度和年均降雨量为崩塌灾害形成的控制性因素 分级标准的确定参考相关文献 确定了崩塌灾害危险性评价单因素分级标准(表)表 崩塌灾害评价因子权重分配表评价目标 评价因子权值崩塌危险性一级()内部因素外部因素二级()危岩体特征坡高坡度年均降雨量人类活动影响距地震动峰值加速度 表 崩塌危险性评价分级标准评价因子危险性分级标准(危险性逐级提高)(低)(中等)(高)(极高)内部因素危岩体特征坡高/坡度/外部因素年平均降雨量/人类活动影响距/注:危岩体特征赋分依据见表 人类活动影响距指开挖坡脚或采空巷道、露天采坑距危岩体的水平投影距离 年均降雨量以河北省为研究对象表 危岩体特征赋分表赋分项目赋分依据分值岩体结构特征岩体结构单一 危岩体上下部风化程度或岩性基本无差别岩体结构复杂 危岩体上下部风化程度或岩性有差异 且下部岩体较上部岩体完整性好、强度高岩体结构复杂 危岩体上下部风化程度或岩性有差异 且下部岩体较上部岩体完整性差、强度低节理裂隙特征无明显节理裂隙节理裂隙仅 组节理裂隙数大于 组且无张性裂隙节理裂隙数大于 组且含张性裂隙落石情况崩塌物质沿坡脚地带形成条带状堆积(宽度小于长度 平面形态呈扁带形)、坡脚出现的大块崩塌孤石等现象坡脚无崩塌物质或孤石灾 害 学 卷 评价因子云模型的生成按云模型原理可知 崩塌灾害危险性评价因子对某一等级标准的全云数字特征为:()/()/()式中:和 分别为某一等级的最小和最大边界 为可根据变量模糊阈度调整的常数 根据文献本文取 对于单边界限的变量 一般先根据实测数据合理确定边界值 然后再根据式()和式()计算云模型参数根据上述方法确定的崩塌灾害危险性评价因子的云模型数字特征如表 所示表 云模型的数字特征云数字特征因子危险性等级 综合确定度在获得云模型数字特征的基础上 由正向高斯云算法 计算各指标数据隶属于各危险性级别云的确定度 再结合各评价因子权重 按式()可计算得到综合确定度 根据最大综合确定度即可判别危岩体的危险性级别 ()式中:为依据第 个评价指标得到的属于等级 的确定度 为等级个数 是第 个评价指标的权重 为评价指标个数 应用实例以唐山丰润区火石营镇岩口村两处危岩体(图、图)为例 对本文提出的崩塌危险性评价云模型进行验证图 危岩体 照片(镜像西南)与典型剖面图图 危岩体 照片(镜像西南)与典型剖面图评价对象位于丰润区东北部 地貌属于低山丘陵区 区域地势东高西低 海拔高程为 地形起伏变化较大 出露的地层主要为长城系高于庄组白云岩()和第四系松散地层年平均降雨量 (年)季节性冻土标准冻深度 勘查区附近有一条北西向推断正断层 该断层延伸长度约为 该区抗震设防烈度为度危岩体():该危岩体三面临空 被裂隙切割成高约 长约 宽约 体积约 的危岩体 其主控结构面有:岩层层面裂隙 产状为 竖向裂隙 产状为 近水平方向裂隙 危岩体失稳后主崩方向约为 危岩体():长 高约 卸荷带宽度约 体积约 其主控结构面有:岩层层面裂隙 产状为 竖向裂隙 产状为 近水平方向裂隙 危岩体失稳后主崩方向约为 分析危岩体工程地质资料 可得两处危岩体 和 各评价指标的实测值(表)将表 中数据代入前文提出的崩塌灾害危险性评价云模型即可得到上述两危岩体危险性级别的综合确定度 依据最大综合确定度可得危岩体的危险性级别(表)表 案例各评价指标实测值评价对象危岩体特征坡高/坡度/年均降雨量/人类活动影响距/地震动峰值加速度/(/)注:依据表 和 危岩体特征分中“岩体结构特征”取 分“节理裂隙特征”取 分“落石情况”取 分 故 和 危岩体特征分均为 分表 本文方法评价结果与赤平投影法分析结果评价对象综合确定度()()()()本文模型评价结果赤平投影法分析结果 (极高危险)欠稳定 (极高危险)欠稳定 期李琛曦 等:崩塌灾害危险性评价云模型及其应用 依据危岩体的坡面、岩层层面以及主控结构面三维空间组合特征 采用赤平投影法分析了危岩体 和 的稳定性 如图、图 所示 结果表明 和 均处于欠稳定状态图 危岩体 照片赤平投影分析图图 危岩体 照片赤平投影分析图为说明利用综合确定度获得评价结果的分析过程 这里以危岩体 为例介绍 根据正向高斯云的计算方法 可以得到危岩体 中各评价因子隶属于各危险级别的确定度(表示不同的危险性级别 表示不同的评价因子)再依据式()就能得到表 中所示的危岩体 的综合确定度:()()()()综合确定度的最大者是其最可能从属的等级 故危岩体 应隶属于危险性级别 级 即具有极高危险性 这与赤平投影分析结果一致 初步证明本文方法具有可行性和有效性此外 由表 可知 危岩体 的综合确定度()危岩体 的综合确定度()这表明 比 更加危险 制定处置对策和处置施工应该优先考虑危岩体 显然 崩塌灾害危险性是一个定性概念 对其进行分类定级过程中受诸多因素影响与控制常规评价方法难以考虑评价过程中的随机性与模糊性 本文方法通过正态高斯云算法将具有模糊性与随机性特征的危险性级别概念转化为定量化的确定度 揭示了危险性评价过程中的不确定性规律 使得评价结果更具实际意义 结论()本文提出的崩塌灾害危险性评价云模型将“低危险性”“中等危险性”“高危险性”“极高危险性”等定性概念转化为定量的数值 即云模型的数字特征 在转化过程中同时考虑了数据和指标的模糊性与随机性()通过典型破坏模式分析选定了评价因子分别为:危岩体特征、坡高、坡度、年均降雨量、人类活动影响距、地震动峰值加速度()采用层次分析方法确定了各评价因子的权重赋值 危岩体特征、坡高、坡度、年均降雨量、人类活动影响距、地震动峰值加速度的权重分别为:、()工程实例分析表明 本文提出的崩塌灾害危险性评价方法有效可行 且能根据综合确定度判断同一危险性级别内不同危岩体的危险程度参考文献:胡显明 晏鄂川 杨建国 等.巫溪南门湾危岩体稳定性分区研究.工程地质学报 ():周福川 唐红梅 王林峰.缓倾角塔柱状危岩压裂损伤 突变失 稳 预 测 .岩 土 力 学 ():陈鹏宇 曾红彪 师华鹏 等.危岩稳定性评价的颗粒流断裂力学法.自然灾害学报 ():薛凯喜.极端降雨诱发山地公路地质灾害风险评价及应用研究.重庆:重庆大学 谢全敏 夏元友.危岩块体稳定性的综合评价方法分析.岩土力学 ():赵焕臣 许树柏 和金生 等.层次分析法:一种简易的新决策方法.北京:科学出版社 李德毅 杜鹢.不确定性人工智能.版.北京:国防工业出版社 李健 汪明武 徐鹏 等.基于云模型的围岩稳定性分类.岩土工程学报 ():王迎超 靖洪文 张强 等.基于正态云模型的深埋地下工程岩爆烈度分级预测研究.岩土力学 ():郝杰 侍克斌 王显丽 等.基于模糊 均值算法粗糙集理论的云模型在岩爆等级评价中的应用.岩土力学():铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册.版(修订版).北京:中国铁道出版社 中华人民共和国铁道部.铁路工程不良地质勘察规程:.北京:中国铁道出版社 刘传正.地质灾害勘查指南.北京:地质出版社 谢立军 朱智强 孙磊 等.基于隶属度理论的云服务行为信任评估模型研究.计算机应用研究 ():黄海生 王汝传.基于隶属云理论的主观信任评估模型研究.通信学报 ():董军强 张艳春 张泽润 等.丰润区火石营镇岩口村小型崩塌勘查报告.秦皇岛:河北省地矿局秦皇岛资源环境勘查院 灾 害 学 卷 (.):.:()(上接第 页)():.: