一种边坡安全风险评价方法
阅读说明：本技术 一种边坡安全风险评价方法 (Slope safety risk evaluation method ) 是由 张洪达 杜岩 谢谟文 白云飞 霍磊晨 黄正均 马国星 吴志祥 张晓勇 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种边坡安全风险评价方法,属于边坡稳定性评价与安全监测领域。所述方法包括：确定风险评价等级和评价指标,并确定各评价指标在不同风险评价等级下取值范围；确定各评价指标权重；根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围及各评价指标权重,确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值；根据得到的待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值,对待评价边坡进行安全风险评价。采用本发明,能够准确评估中小型边坡的安全风险。(The invention provides a slope safety risk evaluation method, and belongs to the field of slope stability evaluation and safety monitoring. The method comprises the following steps: determining risk evaluation grades and evaluation indexes, and determining value ranges of the evaluation indexes under different risk evaluation grades; determining the weight of each evaluation index; determining the comprehensive association degree of the slope to be evaluated under each risk evaluation level and the risk evaluation level characteristic value of the slope to be evaluated according to the value ranges of the determined evaluation indexes under different risk evaluation levels and the weights of the evaluation indexes; and performing safety risk evaluation on the side slope to be evaluated according to the obtained comprehensive association degree of the side slope to be evaluated under each risk evaluation level and the risk evaluation level characteristic value of the side slope to be evaluated. By adopting the method and the device, the safety risk of the small and medium-sized side slopes can be accurately evaluated.)
技术领域
本发明涉及边坡稳定性评价与安全监测领域，特别是指一种边坡安全风险评价方法。
背景技术
虽然边坡安全风险评价的非确定性方法有很多，但大部分都是以国外创立的理论为主，如蒙特卡洛法、事故树分析法、支持向量机等，且都需要大数据样本的支撑，在中小型边坡上应用存在问题。针对边坡安全风险评价国内原创理论方法研究的不足和在中小型边坡的应用技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了边坡安全风险评价方法，能够准确评估中小型边坡的安全风险。
本发明实施例提供了一种边坡安全风险评价方法，该方法应用于电子设备，该方法包括：
确定风险评价等级和评价指标，并确定各评价指标在不同风险评价等级下取值范围；
确定各评价指标权重；
根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围及各评价指标权重，确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值；
根据得到的待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值，对待评价边坡进行安全风险评价。
进一步地，风险评价等级分为四级，即I级、II级、III级、IV级，对应边坡风险依次为：低风险、中低风险、中高风险与高风险。
进一步地，评价指标包括：内摩擦角、黏聚力、边坡高度、边坡坡度、不均匀系数、层厚比、降雨强度和场地温度。
进一步地，所述确定各评价指标权重包括：
采用主客观权重相结合的综合权重法，计算各评价指标权重；
其中，第i个评价指标的权重λi表示为：
其中，αi为主观权重，βi为客观权重，n表示评价指标的数目。
进一步地，客观权重βi表示为：
其中，Ei表示第i个评价指标的熵值，m表示风险评价等级的数目，为归一化处理后的aij，aij表示第i个评价指标关于第j个风险评价等级的关联函数值，Pij表示第i个评价指标在第j个风险评价等级下的比重。
进一步地，所述根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围及各评价指标权重，确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值包括：
确定待评价边坡物元，根据确定的待评价边坡物元及各评价指标在不同风险评价等级下取值范围，利用关联函数计算单评价指标关联度；
根据得到的单评价指标关联度及各评价指标权重，确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度；
根据确定的待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度，确定待评价边坡的各风险评价等级变量特征值。
进一步地，所述确定待评价边坡物元，根据确定的待评价边坡物元及各评价指标在不同风险评价等级下取值范围，利用关联函数计算单评价指标关联度包括：
根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围，确定经典域物元Rj及节域物元Rp；其中，
经典域物元Rj表示为：
其中，Nj表示I级-IV级四种风险评价等级，j＝1，2，3，4，ci表示边坡的8个评价指标，i＝1，2，3，4，5，6，7，8，vji＝<aji，bji>表示评价指标ci在各风险评价等级Nj下的取值范围；
节域物元Rp表示为：
其中，P表示全部风险评价等级，vpi＝<api，bpi>表示评价指标ci在全部风险评价等级下的取值范围；
确定待评价边坡物元Rx：
其中，Px表示待评价边坡，xi为Px关于评价指标ci的实际取值；
根据确定的经典域物元Rj、节域物元Rp和待评价边坡物元Rx，确定各个评价指标关于每个风险评价等级的可拓距；
根据确定的各个评价指标关于每个风险评价等级的可拓距，利用关联函数计算单评价指标关联度。
进一步地，若风险评价等级属于II级或III级，则第i个评价指标的实际取值xi关于第j个风险评价等级的可拓距ρ(xi，Xji)表示为：
若风险评价等级属于I级或IV级，则第i个评价指标的实际取值xi关于第j个风险评价等级的可拓距ρ(xi，Xji)表示为：
其中，Xji表示第i个评价指标关于第j个风险评价等级区间，Xji＝<aji，bji>，X1、X4分别表示风险评价等级I级、IV级区间。
进一步地，单评价指标关联度表示为：
ρ(Xji)＝|bji-aji|
其中，Kj(xi)表示第i个评价指标关于第j个风险评价等级的关联函数，X表示第i个评价指标的全部区间，api、bpi分别表示第i个评价指标的全部区间的上限和下限；
综合关联度表示为：
其中，Kj(Px)表示待评价边坡在第j个风险评价等级下的综合关联度。
进一步地，待评价边坡的各风险评价等级变量特征值表示为：
其中，j*表示风险评价等级变量特征值，min、max分别表示取最小值、最大值，表示待评价边坡在第j个风险评价等级下的综合关联度的归一化数值。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例中，确定风险评价等级和评价指标，并确定各评价指标在不同风险评价等级下取值范围；确定各评价指标权重；根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围及各评价指标权重，确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值；根据得到的待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值，对待评价边坡进行安全风险评价。这样，综合考虑影响边坡稳定的多种风险因素(即：评价指标)，建立一种适用于中小型边坡的安全风险评价方法，能够准确评估中小型边坡的安全风险，可实现矿山边坡等安全评价指标的综合评价。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的边坡安全风险评价方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的风险评价指标体系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种边坡安全风险评价方法，包括：
S101，确定风险评价等级和评价指标，并确定各评价指标在不同风险评价等级下取值范围；
S102，确定各评价指标权重；
S103，根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围及各评价指标权重，确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值；
S104，根据得到的待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值，对待评价边坡进行安全风险评价。
本发明实施例所述的边坡安全风险评价方法，确定风险评价等级和评价指标，并确定各评价指标在不同风险评价等级下取值范围；确定各评价指标权重；根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围及各评价指标权重，确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值；根据得到的待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值，对待评价边坡进行安全风险评价。这样，综合考虑影响边坡稳定的多种风险因素(即：评价指标)，建立一种适用于中小型边坡的安全风险评价方法，能够准确评估中小型边坡的安全风险，可实现矿山边坡等安全评价指标的综合评价。
在前述边坡安全风险评价方法的具体实施方式中，进一步地，风险评价等级分为四级，即I级、II级、III级、IV级，对应边坡风险依次为：低风险、中低风险、中高风险与高风险。
本实施例中，参考风险分级管控原则，可将边坡风险评价等级(例如，边坡失稳风险评分为四级，即I级(绿色)、II级(蓝色)、III级(黄色)、IV级(红色)，对应边坡失稳风险依次为：低风险、中低风险、中高风险与高风险。
在前述边坡安全风险评价方法的具体实施方式中，进一步地，评价指标包括：内摩擦角、黏聚力、边坡高度、边坡坡度、不均匀系数、层厚比、降雨强度和场地温度。
本实施例中，从内部因素和外部因素出发，分别选取内摩擦角、黏聚力、边坡高度、边坡坡度、不均匀系数、层厚比、降雨强度、场地温度这8个评价指标，建立风险评价指标体系，如图2所示。
本实施例中，通过综合考虑影响边坡稳定的风险因素(指：上文的8个评价指标)，并确定各评价指标在不同风险评价等级下的取值范围，如表1所示。
表1各评价指标在不同风险评价等级下的取值范围
评价指标
Ⅰ级
Ⅱ级
Ⅲ级
Ⅳ级
内摩擦角/°
[38,50]
[31,38)
[27,31)
[0,27)
黏聚力/K<sub>pa</sub>
[40,80]
[16,40)
[8,16)
[0,8)
边坡高度/<sub>m</sub>
[0,43)
[43,98)
[98,144)
[144,200]
边坡坡度/°
[0,33)
[33,40)
[40,46)
[46,60]
不均匀系数
[11,20]
[6,11)
[4,6)
[1,4)
层厚比
[1/2，3/4)
[3/4，9/10)
[9/10，19/20)
[19/20，1)
降雨强度/<sub>mm</sub>
[0,25)
[25,50)
[50,100)
[100,150)
场地温度/℃
[0,30)
[30,50)
[50,90)
[90,300)
在前述边坡安全风险评价方法的具体实施方式中，进一步地，所述确定各评价指标权重包括：
采用主客观权重相结合的综合权重法，计算各评价指标权重；
其中，第i个评价指标的权重λi表示为：
其中，αi为主观权重，βi为客观权重，n表示评价指标的数目。
本实施例中，可以层次分析法计算主观权重αi，具体的：
根据上文确定的内摩擦角、黏聚力、边坡高度、边坡坡度、不均匀系数、层厚比、降雨强度和场地温度8个评价指标及其指标重要性排序首先建立判断矩阵Rn×n，如表2所示。
表2判断矩阵
评价指标
内摩擦角
黏聚力
高度
坡度
不均匀系数
层厚比
降雨强度
场地温度
内摩擦角
1
1/2
3
2
5
4
2
3
黏聚力
2
1
4
3
6
5
3
4
高度
1/3
1/4
1
1/3
3
2
1/2
1
坡度
1/2
1/3
3
1
4
3
1
2
不均匀系数
1/5
1/6
1/3
1/4
1
1/2
1/4
1/3
层厚比
1/4
1/5
1/2
1/3
2
1
1/3
1/2
降雨强度
1/2
1/3
2
1
4
3
1
2
场地温度
1/3
1/4
1
1/2
3
2
1/2
1
基于得到的判断矩阵Rn×n，经过层次分析法计算，内摩擦角、黏聚力、边坡高度、边坡坡度、不均匀系数、层厚比、降雨强度和场地温度8个评价指标的主观权重分别为0.2045，0.3080，0.0723，0.1349，0.0321，0.0471，0.1261，0.0751。
本实施例中，可以利用熵值法计算客观权重βi，具体可以包括以下步骤：
在将条件信息熵引入到属性重要度和权重分析时，首先需要建立判断矩阵Rm×n然后对判断矩阵Rm×n进行归一化处理，m表示风险评价等级的数目，其中，黏聚力、内摩擦角、不均匀系数按式(2)进行归一化处理，其他评价指标按式(3)进行归一化处理，式(2)、式(3)表示为：
其中，i＝1，2，3，4，5，6，7，8,j＝1，2，3，4，aij为第i个评价指标关于第j个风险评价等级的关联函数值，即aij＝Kj(xi)，Kj(xi)表示第i个评价指标的取值xi关于第j个风险评价等级的关联函数，为归一化处理后的aij，分别为第i个评价指标关于第j个风险评价等级的关联函数值的最大值、最小值。
根据式(4)计算评价指标熵值Ei：
其中，Ei表示第i个评价指标的熵值，Pij表示第i个评价指标在第j个风险评价等级下的比重；
若Pij为0，为保证lnPij有意义按式(6)进行修正：
进而可以根据式(7)计算8种评价指标的客观权重：
在前述边坡安全风险评价方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围及各评价指标权重，确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值包括：
A1，确定待评价边坡物元，根据确定的待评价边坡物元及各评价指标在不同风险评价等级下取值范围，利用关联函数计算单评价指标关联度；具体可以包括以下步骤：
A11，根据确定的各评价指标在不同风险评价等级下取值范围，确定经典域物元Rj及节域物元Rp；其中，
经典域物元Rj表示为：
其中，Nj表示I级-IV级四种风险评价等级，j＝1，2，3，4，ci表示边坡的8个评价指标，i＝1，2，3，4，5，6，7，8，vji＝<aji，bji>表示评价指标ci在各风险评价等级Nj下的取值范围；
节域物元Rp表示为：
其中，P表示全部风险评价等级，vpi＝<api，bpi>表示评价指标ci在全部风险评价等级下的取值范围；
A12，确定待评价边坡物元(简称：待评物元)Rx：
其中，Px表示待评价边坡，xi为Px关于评价指标ci的实际取值；
A13，根据确定的经典域物元Rj、节域物元Rp和待评价边坡物元Rx，确定各个评价指标关于每个风险评价等级的可拓距；
本实施例中，若风险评价等级属于II级或III级，即j＝2或3时，则第i个评价指标的实际取值xi关于第j个风险评价等级的可拓距ρ(xi，Xji)表示为：
若风险评价等级属于I级或IV级，即j＝1或4时，则第i个评价指标的实际取值xi关于第j个风险评价等级的可拓距ρ(xi，Xji)表示为：
其中，Xji表示第i个评价指标关于第j个风险评价等级区间，Xji＝<aji，bji>，X1、X4分别表示风险评价等级I级、IV级区间。
A14，根据确定的各个评价指标关于每个风险评价等级的可拓距，利用关联函数计算单评价指标关联度。
本实施例中，单评价指标关联度表示为
ρ(Xji)＝|bji-aji| (16)
其中，Kj(xi)表示第i个评价指标关于第j个风险评价等级的关联函数，X表示第i个评价指标的全部区间，api、bpi分别表示第i个评价指标的全部区间的上限和下限。
A2，根据得到的单评价指标关联度及各评价指标权重，确定待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度；
本实施例中，综合关联度表示为：
其中，Kj(Px)表示待评价边坡在第j个风险评价等级下的综合关联度。
A3，根据确定的待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度，确定待评价边坡的各风险评价等级变量特征值。
本实施例中，待评价边坡的各风险评价等级变量特征值表示为：
其中，j*表示风险评价等级变量特征值，min、max分别表示取最小值、最大值，表示待评价边坡在第j个风险评价等级下的综合关联度的归一化数值。
本实施例中，根据得到的待评价边坡在各风险评价等级下的综合关联度及待评价边坡的风险评价等级特征值，对待评价边坡进行安全风险评价，具体的：
根据综合关联度判断风险评价等级，若Kj(Rk)＝maxKj(Rk)，则待评价边坡Rk对应风险评价等级为j；
当风险评价等级特征值增大时，预示边坡失稳风险增大，反之，则代表边坡失稳风险降低。
为了验证本发明实施例提供的边坡安全风险评价方法的有效性，选取内蒙古王家岭煤矿矸石边坡为案例，其场地所在区域属温暖带半干旱大陆季风气候，最高气温42.5℃，最低气温-19.9℃。年平均降雨量496.7mm，最大降雨强度122.9mm，降雨多集中在7～9月。所选边坡高度60m，边坡坡度26.6°。通过室内试验确定内摩擦角为30.54°，黏聚力为6.48kPa，不均匀系数为16，矸石与土的层厚比为10/11。通过现场监测，分别选取7月7日与8月14日2次工况进行分析，表3为两种工况下的风险评价指标取值。
表3两种工况下的风险评价指标取值
评价指标
2018/7/7
2018/8/14
内摩擦角/°
30.54
30.54
黏聚力/K<sub>pa</sub>
6.48
6.48
边坡高度/<sub>m</sub>
60
60
边坡坡度/°
26.6
26.6
不均匀系数
16
16
层厚比
10/11
10/11
降雨强度/<sub>mm</sub>
0
41
场地温度/°
63.79
51.58
将边坡评价指标与风险评价等级对应表归一化后，风险评价等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对应的经典域R1、R2、R3、R4分别为：
2种工况对应的待评价边坡物元Rx1、Rx2分别为：
根据式(1)可得各评价指标权重，各评价指标权重如表4所示。
表4各评价指标权重
评价指标权重
2020/7/7
2020/8/14
C<sub>1</sub>
0.0994
0.1440
C<sub>2</sub>
0.1875
0.2717
C<sub>3</sub>
0.0632
0.0916
C<sub>4</sub>
0.1454
0.2107
C<sub>5</sub>
0.0602
0.0872
C<sub>6</sub>
0.0180
0.0261
C<sub>7</sub>
0.3161
0.1230
C<sub>8</sub>
0.1103
0.0458
风险评价等级变量特征值与风险评价等级计算结果如表5所示。由表5可知，2020年7月7日到2020年8月24日的风险评价等级由I级上升至II级，由低风险变为中低风险；风险评价等级变量特征值由原有的1.284上升到2.263，偏向于II级，需加强防范工作。与现场稳定性评价结果与现场勘测分析结果相一致。基于现场应用案例可知，该风险评价模型通过分析实时监测数据，可动态评价边坡的风险评价等级与风险评价等级变量特征值，为现场工程师更加准确的掌握边坡的失稳风险提供可靠的技术支持。
表5风险评价等级变量特征值与风险评价等级计算结果
监测日期
2020/7/7
2020/8/14
j<sup>*</sup>
1.284
2.263
风险评价等级
I
II
表6不同工程案例风险综合评价结果
工程案例
稳定性系数
风险评价等级特征值
风险评价等级
中梁山边坡
1.293
1.464
低风险
大雁边坡
1.31
1.116
低风险
屯兰边坡
0.927
3.402
中高风险
田师傅边坡
1.203
1.961
中低风险
南桐边坡
1.079
1.788
中低风险
表6为不同工程案例风险综合评价结果。由表6可知，该方法通过与传统的稳定性评价技术结合使用，可实现基于稳定性与风险评价的综合考量，进而为中小型边坡更好的实现科学风险管控提供技术支持。
综上，本发明实施例，通过应用可拓理论，综合考虑影响边坡稳定的8种评价指标，并在此基础上建立一种新的边坡安全风险评价方法。该方法不仅考虑了现场实际的降雨量与温度等监测数据来进行失稳概率分析，且不需要大样本训练与复杂的数值模拟计算，因此可有效应用于各种中小型边坡的风险管理中。此外，由于该方法已经综合分析了现场降雨等监测数据，因此在边坡安全监测中，可通过应用该方法对实时监测数据进行分析，弥补工程监测报告结论主观定性结论过多的不足，改变目前边坡工程安全监测“重采集，轻分析”的现状。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。