基于AHP的岩质高边坡风险评估指标体系

何海鹰¹，胡甜²，赵健²

(1. 湖南省高速公路管理局，湖南 长沙，410001；

2. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410004)

摘要：以高速公路岩质高边坡风险评估指标体系为研究对象，在调查多条高速公路300余处岩质高边坡的基础上，根据高速公路岩质高边坡的养护管理的工程实际并结合已有研究成果，确定高速公路岩质高边坡的4种主要破坏模式，并针对每种破坏模式总结岩质高边坡失稳风险的主要影响因素及相应风险检查指标，根据各检查指标的重要性程度结合AHP方法(层次分析法)计算得到各指标所占权重，建立适于高速公路边坡养护管理的岩质高边坡风险评估指标体系。最后结合工程实例，验证该方法的准确性和有效性。研究结果表明：此风险评估指标体系提出了一套完整的高速公路岩质高边坡风险评估方法和养护对策，对高速公路高边坡管养单位确定岩质高边坡滑坡风险并合理安排养护资金有参考价值。

关键词：高速公路；岩质高边坡；层次分析；风险评估

中图分类号：U416.1+4         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)07-2861-08

Risk assessment indexes system of high rock slope based on AHP

HE Hai-ying¹, HU Tian², ZHAO Jian²

(1. Hunan Expressway Administration Bureau, Changsha 410001, China;

2. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

Abstract: The risk assessment indexes system of high rock slope distributed to expressway was studied. According to practical situation of expressway high rock slope engineering and the existing research results, four main failure modes of the high rock slope of expressway were determined, and the main influence factors and corresponding risk examination index of the high rock slope were summarized for each failure mode on the basis of the investigation of more than 300 high rock slopes distributed to several expressways. The weight of each index was calculated according to the importance degree of each examination index based on the method of analytic hierarchy process. The engineering example was analyzed by the method. The results prove the correctness and effectiveness of this method. The risk assessment indexes system put forward a set of comprehensive risk evaluation methods and the corresponding maintenance countermeasure, which has important reference for determining high rock slope landslide risk and reasonably arranging maintenance funding of expressway slope management and maintenance unit.

Key words: expressway; high rock slope; analytic hierarchy process; risk assessment

随着高速公路通车里程不断增加和运营时间的延长，高边坡的运营安全问题日益突出^[1]。其中，岩质高边坡的治理、防护是我国中西部地区尤其是山区高等级公路建设与养护工作中的重大工程问题之一。通过多条运营期高速公路300余处岩质高边坡实地调查发现，存在过度防护、防护不足、防护措施不当等问题，前者造成了人力物力的巨大浪费，而后二者则不能有效地保证高边坡的安全。岩质高边坡滑坡风险的影响因素众多，关系复杂。国内外学者对边坡滑坡风险进行了研究。Enstein^[2]提出了边坡滑坡风险评价的框架；Anbalagan等^[3]在其前期关于山区滑坡灾害风险评价制图和区划制图研究基础上，提出了滑坡灾害风险评价制图的新方法。文献[4-8]利用层次分析法及模糊数学方法对边坡失稳因素进行了定量分析,但没有区分边坡类型和破坏模式。文献[9-10]基于人工神经网络的方法或者结合模糊数学的理论对边坡稳定性影响因素进行了敏感性分析及稳定性评价。吴燕玲等^[11]根据岩体结构、地质构造等特征，利用层次分析法分析了大冶高陡边坡的危险性，确定了稳定区、欠稳定区、不稳定区和最不稳定区，将层次分析法应用于高边坡风险分析工程实践。张雷等^[12]利用因子识别成果构建了边坡风险因子的层次分析模型，并以此建立了风险评估模型。张永兴等^[13]以地理信息系统为基础进行二次开发，建立了边坡风险评估系统，根据模型的物理力学参数等属性数据分析边坡风险。李典庆等^[14]基于香港地区近20年的切坡观测资料，提出了考虑时间效应的滑坡风险评估和管理方法。综合分析国内外研究现状，这些边坡风险评估方法一般或者广泛针对各类边坡工程，或者未区分岩质边坡破坏模式，不能较好地反映岩质边坡风险评估的工程特点，或者针对某个特殊高边坡建立的分析方法,不能广泛应用于高速公路边坡养护管理的工程实践。为保证高速公路运营安全，掌握岩质高边坡的安全风险和稳定状况，以采取合理措施加强高边坡的安全防控工作,本文作者根据高速公路岩质高边坡的养护管理的工程实际并结合前人研究成果，确定高速公路岩质高边坡的4种主要破坏模式，并在此基础上建立岩质高边坡的风险评价指标体系，使岩质高边坡的养护设计与管理工作更加精细、科学、可操作性强。

1  岩质高边坡破坏模式

目前，公路岩质高边坡变形破坏模式的分类暂时没有统一的标准。孙玉科等^[15]归纳总结我国岩质高边坡变形破坏的主要地质模式有5种：反倾边坡的倾倒破坏(金川模式)；沿水平软弱岩层的整体性滑动(葛洲坝模式)；顺层边坡的快速滑动破坏(塘岩光模式)；座落式平推滑移(白灰厂模式)；具滑移倒坍特征的山崩(盐池河模式)。罗缵锦等^[16]把岩质边坡破坏模式分为简单模式和复杂破坏模式2类，其中简单破坏模式包括崩塌破坏模式、平移滑动破坏模式、楔形破坏模式、倾倒破坏模式和圆弧破坏模式5种，复杂破坏模式为2个或者2个以上简单破坏模式相互组合而成。结合前人对岩质边坡破坏模式的研究及对邵怀(湖南邵  阳—怀化)、怀新(湖南怀化—新化)、耒宜(湖南耒阳—宜章)、常张(湖南常德—张家界)等多条运营期高速  公路300余处岩质高边坡实地调查结果，将高速公路岩质高边坡破坏模式分为以下5类：(1) 崩塌破坏；  (2) 倾倒破坏；(3) 平面破坏；(4) 楔形破坏；(5) 前4种破坏模式中的2种及其相互组合。

2  风险指标评估体系建立流程

高速公路岩质高边坡风险评估指标体系的建立流程分以下几步：(1) 组成由边坡专家为首的项目研究小组，由专家根据高速公路边坡养护管理的工程实际及工程经验确定岩质高边坡检查指标及相关评分标准；(2) 并填写各风险检查评价指标相对重要性程度调查表，并经多次反馈修改后经层次分析法计算确定风险因子权重值，制定现场风险评估检查表格；(3) 组成由边坡专家牵头的边坡现场勘察小组，对各条高  速公路高边坡进行现场风险检查并填写相关表格；  (4) 根据各指标权重计算风险评分；(5) 确定风险分级标准；(6) 在养护运营过程中进一步修正完善风险评估指标体系。其中步骤(5)的具体操作方法为：审查高速公路以前发生过边坡失稳破坏的边坡记录并估算其发生前的总分数(R_S)；如果无法得到足够多曾发生失稳的边坡记录以确定R_S，则加入在目前检查的边坡中发现需要即时进行抢险工程和加固工程的边坡的总分数R_S 作为参考；根据上述2点得到的参考总分数R_S位于某个区间，其上限值可以作为R_S(II/III)，而下限值则可作为R_S(I/II)，完成风险评级分类，初步建立岩质高边坡的风险评估体系，体系建立的流程见图1。

3  岩质高边坡风险指标层次分析

采用AHP方法^[17]，结合边坡专家意见及高速公路高边坡养护设计与管理的工程实际，建立高速公路岩质高边坡稳定性风险评价的层次分析模型，半定量地计算风险因子权重，构建高速公路岩质高边坡风险评估指标体系。

图1  岩质高边坡风险评估指标体系建立流程图

Fig.1  Flowchart of establishing risk assessment indexes system of high rock slope

3.1  高边坡稳定性风险评价的影响因子

影响岩质高边坡风险评估的因素很多，考虑所有的因素不切实际，指标太少又容易造成较大误差，指标过多会导致计算量太大，可操作性不强。岩质高边坡风险评价影响因子的确定考虑高速公路边坡养护工作的可操作性并根据岩质高边坡风险评估指标体系建立的科学性、系统性、合理性原则，参考边坡养护工作经验，由具有多年工程实践经验的著名边坡专家根据不同岩质高边坡的工程地质条件、不同破坏模式下影响因素，结合岩质高边坡形成的地质历史、滑坡历史和所处的自然地理位置及地质环境、加固措施的完整情况等分析主要影响因素及相应的风险评价基础指标。根据AHP方法分别确定出4种破坏模式下岩质高边坡风险评价指标层次模型。层次模型以各破坏模式下高边坡稳定总风险作为目标层，将高边坡风险影响因子作为中间层(第2层)，继续细分第2级因子构成基础指标层(第3层)。目标层、中间指标层和基础指标层的相应分析指标介绍如下。

3.1.1  岩质边坡(崩塌剥落)

目标层: 崩塌剥落T₁。

中间指标层：边坡断面几何特征A；岩体状况B；渗水C；滑坡历史D；加固措施E。

基础指标层：坡高A₁、坡脚A₂，岩性B₂、岩体风化程度B₃、孤石或悬空岩块分状况B₄，排水系统C₁、历史日最大降雨量C₂、地下水位C₃、渗流C₄、以往发生的滑坡D、防护结构状况E₁、加固结构状况E₂。

3.1.2  岩质边坡(倾倒破坏)

目标层：倾倒破坏T₂。

中间层：边坡断面几何特征A；岩体状况B；渗水C；滑坡历史D；加固措施E。

基础指标层：岩质边坡高度A₁、岩质边坡角度A₂，岩体不连续面特征B₁(不连续面种类B₁₁，岩体不连续面间距B₁₂，不连续面结合程度B₁₃，不连续面发育程度B₁₄，主要不连续面外倾角B₁₅)、岩性B₂，排水系统C₁、历史日最大降雨量C₂、地下水位C₃、渗流C₄、以往发生的滑坡D、防护结构状况E₁、加固结构状况E₂。

3.1.3  岩质边坡(平面破坏)

目标层：平面破坏T₃。

中间层：边坡断面几何特征A；岩体状况B；渗水C；滑坡历史D；加固措施E。

基础指标层：岩质边坡高度A₁、岩质边坡角度A₂，岩体不连续面特征B₁(不连续面种类B₁₁，岩体不连续面间距B₁₂，不连续面结合程度B₁₃，不连续面发育程度B₁₄，边坡走向与结构面走向夹角B₁₆)、岩性B₂，排水系统C₁、历史日最大降雨量C₂、地下水位C₃、渗流C₄、以往发生的滑坡D、防护结构状况E₁、加固结构状况E₂。

3.1.4  岩质边坡(楔形破坏)

目标层：楔体破坏T₄。

中间层：边坡断面几何特征A；岩体状况B；渗水C；滑坡历史D；加固措施E。

基础指标层：岩质边坡高度A₁、岩质边坡角度A₂，岩体不连续面特征B₁(不连续面种类B₁₁，岩体不连续面间距B₁₂，不连续面结合程度B₁₃，不连续面发育程度B₁₄，两组不连续面交线夹角B₁₇)、岩性B₂，排水系统C₁、历史日最大降雨量C₂、地下水位C₃、渗流C₄、以往发生的滑坡D、防护结构状况E₁、加固结构状况E₂。

3.2  影响因子权重计算

通过专家评分建立次一级因子对上一层因子重要性两两比较结果的判断矩阵。两两重要性比较按1~9取值，数值越大则表示前者比后者越重要，具体见表1。专家评分通过向多名著名边坡专家发放因素相互重要性调查表，并经多次反馈修改后确定。然后计算判断矩阵R的最大特征值和特征向量；同时，要求判断矩阵满足一致性和随机检验以保证其合理性，从而求得各层风险因子相对权重。

以崩塌剥落破坏模式下岩质高边坡稳定性指标层次分析计算为例，介绍高边坡稳定性风险指标层次分析的过程及其合理性。其他各类破坏模式下的边坡稳定性指标权重确定方法参照以上崩塌剥落模式不同破坏模式，其检查指标权重层次总分析计算值见表2。

表1  标度法取值含义

Table 1  Meaning of value in the scare method

3.2.1  中间层指标权重计算及一致性检验

中间层指标包括：边坡断面几何特征A；岩体状况B；渗水C；滑坡历史D；加固措施E。

(1) 中间层指标判断矩阵为：

         (1)

 (2) 计算最大特征根及特征向量(即权重,以下称为权向量)，最大特征值，归一化特征向量(权向量)为(0.077, 0.179, 0.056, 0.230, 0.458)。

(3)一致性检验。判断矩阵阶数n=5，查表得到   R_I＝1.12, C_I=(λ_max-n)/(n-1)＝0.089。

C_R=C_I/R_I=0.08＜0.1，故矩阵满足一致性检验,权重分配合理。具体项目指标权重见表2。

表2  各检查指标权重层次总分析计算值

Table 2  Total analysis calculated values from weights and levels of each examination index

3.2.2  基础指标权重计算及一致性检验

基础指标包括：坡高A₁、坡角A₂，岩性B₂、岩体风化程度B₃、孤石或悬空岩块分状况B₄，排水系统C₁、历史日最大降雨量C₂、地下水位C₃、渗流C₄。判断矩阵及其指标权重与一致性检验方法与分类指标相同，具体计算结果如表2，各指标判断矩阵满足一致性检验，权重分配合理。

基础指标小于2项的指标权重由具有多年边坡工程实践经验的边坡专家经验直接给出，如断面几何特征A的基础指标权重分别为：坡高A₁(0.25)，坡角A₂(0.75)，加固措施E的基础指标权重分别为：加固结构状况E₁(0.8)，防护结构状况E₂(0.2)，中间指标对应的基础指标大于2项的，其指标权重由层次分析法计算得出，计算方法及一致性检验过程与上述中间层指标检验过程相同。

岩体状况B指标判断矩阵为：

              (2)

权向量(0.733, 0.199, 0.068)；一致性指标C_R= 0.081＜0.1，矩阵满足一致性检验，权重分配合理。

渗水指标C判断矩阵为：

          (3)

权向量为(0.058, 0.321, 0.167, 0.454)；一致性指标C_R=0.080＜0.1，矩阵满足一致性检验，权重分配合理。

3.2.3  层次总排序及一致性检验

依次沿递阶层次结构由上而下逐层计算可得出最低层次因素相对于最高层(总目标)的相对重要性的排序值，即层次总排序。

C_I=0.18×0.05+0.06×0.07=0.01；

R_I=0.18×0.58+0.06×0.90=0.15。

所以，C_R=0.01/0.15=0.08＜0.10。故可以认为判断矩阵具有满意一致性。

4  风险评价

对于岩质高边坡主要4种破坏模式(崩塌剥落、倾倒破坏、平面破坏、楔形破坏)，每种破坏模式风险的主要影响因素不同。各因素的风险评价权重见表2，各因素评分标准见表3。

进行岩质高边坡风险评价时，分别对每种破坏模式进行失稳风险指标打分，并取各种破坏模式中的风险评分最大值(以此考虑破坏模式的事先不确定性及其相互组合的情况，即4种破坏模式中2种及以上相互组合的情况)，作为该岩质高边坡的风险评分。

风险评分计算方法：通过赋予岩质高边坡4种破坏模式下相应因素一定的权重和数值, 将这些因素的参数值转换的分值相加, 得出4种破坏模式下边坡风险分级的基本值，取其最大值作为最后评分，并依此划分为Ⅰ~Ⅲ类边坡。3类边坡风险分级标准的确定过程及方法见前述岩质高边坡风险评估指标体系建立流程见图1，Ⅰ~Ⅲ类风险分级及相应养护对策见表4，风险评分计算公式见式(4)～(8)。

R_S=max{R_S1, R_S2, R_S3, R_S4}         (4)

R_S1＝A₁×W₁A₁+A₂×W₁A₂+B₂×W₁B₂+B₃×W₁B₃+

B₄×W₁B₄+C₁×W₁C₁+C₂×W₁C₂+C₃×W₁C₃+

C₄×W₁C₄+D×W₁D+E₁×W₁E₁+E₂×W₁E₂)     (5)

R_S2＝A₁×W₂A₁+A₂×W₂A₂+B₁₁×W₂B₁₁+B₁₂×W₂B₁₂+

B₁₃×W₂B₁₃+B₁₄×W₂B₁₄+B₁₅×W₂B₁₅+B₂×W₂B₂+

C₁×W₂C₁+C₂×W₂C₂+C₃×W₂C₃+C₄×W₂C₄+D×W₂D+

E₁×W₂E₁+E₂×W₂E₂)              (6)

R_S3＝A₁×W₃A₁+A₂×W₃A₂+B₁₁×W₃B₁₁+B₁₂×W₃B₁₂+

B₁₃×W₃B₁₃+B₁₄×W₃B₁₄+B₁₆×W₃B₁₆+C₁×W₃C₁+

C_2×W₃C₂+C₃×W₃C₃+C₄×W₃C₄+D×W₃D+

E₁×W₃E₁+E₂×W₃E₂)             (7)

R_S4＝A₁×W₄A₁+A₂×W₄A₂+B₁₁×W₄B₁₁+B₁₂×W₄B₁₂+

B₁₃×W₄B₁₃+B₁₄×W₄B₁₄+B₁₇×W₄B₁₇+C₁×W₄C₁+

C₂×W₄C₂+C₃×W₄C₃+C₄×W₄C₄+D×W₄D+

E₁×W₄E₁+E₂×W₄E₂)             (8)

注：(1) W₁A₁，W₁A₂，W₁B₁，…，W₁E₂为考虑崩塌破坏下各指标权重；W₂A₁，W₂A₂，W₂B₁，…，W₂E₂为考虑倾倒破坏下各指标权重；W₃A₁，W₃A₂，W₃B₁，…，W₃E₂为考虑平面破坏下各指标权重；W₄A₁，W₄A₂，W₄B₁，…，W₄E₂为考虑楔体破坏下各指标权重。具体数值见表2。(2) A₁，A₂，B₁，…，E₂为各项指标实际所得分数，根据建议分数按实际情况轻重打分，评分标准见表3。

表3  岩质高边坡风险检查基础指标及其评价标准

Table 3  High rock slope risk index and its evaluation standard

表4  岩质高边坡风险分级及养护对策

Table 4  Risk classification of high rock slope and corresponding maintenance countermeasure

5  工程实例

以2010年调查的耒宜(湖南耒阳—宜章)高速公路某处右侧挖方边坡(见图2)为例分析本文风险评价方法的合理性。风险评价权重见表2，各因素评分标准见表3。挖方高边坡长度为160 m，边坡平均坡高为36.0 m(A₁=50)，坡度45° (A₂=50)。一级边坡坡脚设置了1.5 m高的路堑矮墙，有局部损坏(E₂＝80)；第１级边坡采用浆砌片石护面墙护坡，局部有小裂缝(E₁=80)，第１级边坡以上边坡裸露，其上部分岩块有松动(B₄=80)，坡脚散落岩块和碎屑(D=60)。经现场调查，该边坡岩土性质为：强风化页岩呈灰黑色，炭泥质结构，中-薄层状，节理裂隙发育(B₁₁=80)，层厚变化较大；中风化页岩呈灰黑色，炭泥质结构，中-薄层状,节理裂隙较发育，层厚较大；夹杂部分碎石呈褐黄色，褐色，稍密，稍湿，粒径一般为20~60 mm(B₂=80，B₃=80)，不连续面间距为0.5 m，不连续面较粗糙，裂隙张开度为8 mm(B₁₃=60)，不连续面发育(B₁₄=80)，外倾角大于坡角(B₁₅=50)。边坡走向与结构面走向夹角为15°(B₁₆=50)，不连续面交线倾角10°(B₁₇=50)，且2个不连续面有轻微-中等渗流(C₄=80)，该边坡存在着坡面冲刷，坡面冲刷主要来自大气降水对边坡的直接冲刷和坡面径流的冲刷，使边坡沿坡面流水方向形成冲沟(C₁=80)。历史日最大降雨量为80 mm(C₂=70)，地下水浸润线在坡脚以上(C₃=90)。2010年上半年的持续降雨后出现了坡体石块滚落现象，严重影响到行车安全。

由表2中权重及各因素打分计算崩塌剥落破坏模式、倾倒破坏破坏模式、平面破坏破坏模式、楔形破坏破坏模式4种破坏模式下的风险评分分别为72.85，68.89，68.51和69.10。

取4种破坏模式下风险评分最大值，即崩塌剥落破坏模式下的风险评分(72.85分)为最后评分，根据表4中风险分类标准此处边坡属于Ⅲ类高风险边坡，应立即采取工程处治措施。风险评价结果与委托专业勘察单位勘察结果基本吻合，验证了该风险评价方法准确性与科学性。

图2  耒宜高速公路某处岩质高边坡

Fig.2  High rock slope of Leiyang-Yichang expressway

6  结论

(1) 通过对高速公路岩质高边坡的工程实际分析并结合前人研究成果，确定了高速公路岩质高边坡的４种主要破坏模式，并针对每种破坏模式总结了岩质高边坡稳定性的影响指标，根据各影响指标的重要性程度基于层次分析法计算得到各指标所占权重，结合边坡专家多年工程经验制订各指标评分标准，建立了较为科学、合理、系统的岩质高边坡风险评估指标   体系。

(2) 结合工程实例分析评价了耒宜(湖南耒阳—宜章)高速公路某处岩质高边坡的破坏风险，评价结果与实际结果相符。岩质高边坡风险评估指标体系对于高速公路高边坡管养单位确定岩质高边坡失稳风险并合理安排养护资金有参考价值。此外，各种破坏模式下的基础指标构成了高速公路岩质高边坡的具体检查参数，可为高速公路高边坡管养单位日常检查提供依据。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-08-10；修回日期：2011-10-24

基金项目：交通运输部重大科技专项(2011318824350)

通信作者：何海鹰(1963-)，男，湖南岳阳人，高级工程师，从事高速公路养护管理工作；电话：13637412796；E-mail: hehaiying0802@163.com