基于层次赋权的特大危岩体爆破削方风险评价云模型.pdf

第37卷第2期 2020年6月 Vo l . 37 No . 2 Jun . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.02.024 基于层次赋权的特大危岩体 爆破削方风险评价云模型* 郑泰，祝文化,黄建,夏元友 武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉430070 摘要针对特大型危岩体爆破削方治理过程中的风险因素具有随机性和不确定性，基于云模型理论，提 出了组合赋权的危岩体云模型风险评价方法。从危岩体地质条件、环境因素、爆破削方施工及施工管理四个 方面进行危险源辨识，建立特大型危岩体爆破削方治理风险控制安全评价指标体系，应用层次分析法对评价 指标进行组合赋权处理。结合正向正态云模型和指标权重，计算评价对象的确定度及风险等级。应用该方 法对甑子岩特大危岩体爆破削方治理过程进行了风险评价。该工程根据风险分析进行的危险源施工控制， 能够满足施工安全。 关键词特大型危岩体；爆破削方；风险评价；赋权；云模型 中图分类号0383 文献标识码A 文章编号1001 -487X202002 - 0141 -08 Clo ud Mo del o f Risk Assessment fo r Blasting Cutting Oversize Dang ero us Ro ck Mass by A Hierarchical Weig hting Techno lo g y ZHENG Zhen, ZHU Wen-hua, HUANG Jian, XI A Yuan-you Sc ho o l o f Civil En gin eer in g a n d Ar c hit ec t ur e, Wuha n Un iver sit y o f Tec hn o l o gy, Wuha n 430070, Chin a Abstract Ac c o r din g t o t he r a n do mn ess a n d un c er t a in t y o t he r isk fa c t o r s dur in g t he bl a st in g c ut t in g p r o c ess fo r o ver siz e da n ger o us r o c k ma ss, a r isk a ssessmen t met ho d by t he c l o ud mo del t heo r y a n d a c o mbin ed weight in g t ec hn o l o gy wa s p r o p o sed. The ha z a r d iden t ific a t io n c o n sider ed fo ur a sp ec t s geo l o gic a l c o n dit io n s, en vir o n men t a l fa c t o r s, bl a s t in g c ut t in g c o n st r uc t io n a n d c o n st r uc t io n ma n a gemen t, a n d a sa fet y eva l ua t io n in dex syst em wa s est a bl ished a c c o r d in gl y. Fur t her mo r e, t he c o mbin a t io n a n d weight in g o f eva l ua t io n in dex es wer e est a bl ished by a n a n a l yt ic hier a r c hy p r o c ess. Fin a l l y,t he c er t a in t y degr ee a n d r isk l evel o f t he eva l ua t io n o bjec t wer e c a l c ul a t ed by c o mbin in g wit h t he p o sit ive n o r ma l c l o ud mo del a n d in dex w bl a st in g c ut t in g ； r isk eva l ua t io n ； weight in g ； c l o ud mo del s 危岩体是一种典型的灾害地质体，其失稳坍塌 具有突发性，尤其是在受到外界环境扰动时极易产 生崩塌，严重威胁人类生命财产安全与工程活 收稿日期2020-01 -13 作者简介郑臻1992 -，男，硕士研究生，从事岩土工程的研究， E-ma il 846603458 q q . c o mo 通讯作者祝文化1966 -，男，副研究员，主要从事岩土工程的教 学和科研工作,E-ma il jyz wh whut . edu. c no 基金项目国家自然科学基金面上项目51374163 动⑷。 危岩体治理主要有主动加固、被动防护、削方及 主被动组合等方法，其中爆破削方是危岩体防治工 程的重要措施，例如乌江鸡冠岭危岩体的治理⑵、 黄石市板岩山危岩体的治理等卩⑷。危岩体爆破削 方治理过程中，由爆破施工产生的风险对危岩体的 稳定性及相关环境安全具有极大的影响，制约着危 岩体治理工程的安全实施。因此，对危岩体爆破削 142爆破2020年6月 方治理过程进行风险评价及控制尤为重要。针对爆 破施工风险评价,国内外学者进行了相关研究，董家 兴等选取危险源自身、环境边坡、触发因素等建立T 环境边坡危险源危险度评价体系㈤，王俊采用事故 树方法，进行了露天煤矿爆破飞石危险源辨识与分 析同，陆瑜等采用云模型进行了爆破振动影响度评 估研究】，但是对特大型危岩体，由于其自身地质 结构的复杂性以及施工过程时间长、重复爆破次数 多等特殊性，目前国内外对此类工程的爆破施工风 险分析及控制研究较少。在风险评估过程中，风险 源的确定、权重的赋值、判断矩阵的形成等都存在极 大的不确定性。层次分析法是目前在安全评价方面 运用较为广泛的一种方法，可以进行定性与定量的 量化结合，求出最大特征值及对应的特征向量。但 层次分析法在各项指标上的模糊性与随机性上具有 一定的局限性。云模型属于不确定性人工智能范 畴，可以度量指标的模糊性与随机性同。因此将云 模型与层次分析法相结合,既能良好的进行危险源 影响因素的分析及权重赋值，也能更充分的表征不 确定性概念的模糊性与随机性,结合甑子岩特大型 危岩体爆破削方治理工程，建立基于云模型的特大 危岩体爆破削方治理风险评价方法,从而对危岩体 治理过程中的危险源影响因素进行风险控制，确保 工程的安全实施。 1云模型的基本理论 为了对具有模糊概念的问题进行更准确性的科 学分析，李德毅院士提出了云模型理论，用于实现定 性概念和定量值之间的不确定性转换⑼。 11云的定义云的定义 设U是一个精确数值表示的定量论域,C为U 上的定性概念，若一个定量值力e 且％是C的一 次随机实现，力对C的确定度“仏）e [0. 1]是有稳 定倾向的随机数，则％在论域U上的分布称为云， 每一个x称为一个玄滴。 12云模型的实现云模型的实现 采用正向正态云发生器来进行计算。具体算法 如下 计算云模型的三个数字特征期望八爛E”、超 爛Z （其中超爛根据经验取值），期望乞可通过下 式算出 d （C““CQ/2 （1） 式中久“、久”分别对应等级区间的上、下限边 界值,而对于单边界的情况，依据实测值的上、下限 确定缺省边界。 爛E”的确定可由公式推出，由于E；N（E”, 疋）且么的值较小，所以空可由E”代替，由于当某 一个影响因素的值为等级区间的上、下边界值时，该 ⑵ 影响因素同时隶属相邻等级，即对相邻等级的确定 度都为0.5,所以得下式 6XP{-（Cm2E）2}-5 代入式（2）化简得 E” （血” -CQ/2.355 根据已经确定的云”卫八比,运用MATLAB程序 3 生成云图。 2危岩体爆破削方风险评价指标及标准 特大型危岩体爆破削方治理不同于一般边坡的 爆破开挖,需考虑危岩体地质条件，严格控制施工过 程危岩体自身的稳定性及其对环境的影响。根据类 似工程及专家建议,从危岩体地质条件、环境因素、 爆破削方施工及施工管理四个方面来建立特大型危 岩体爆破削方治理风险控制安全评价指标体系。主 要包括危岩体规模、岩体条件、地形地貌、降雨、地 震、爆破粉尘、爆破振动、施工滚石、爆破飞石、爆破 方案、施工队伍素质、安全监测及火工材料运输等 13个因子构成风险评价因素集。如图1所示m⑶。 一危岩体规模一 图1危岩体爆破削方风险评价指标体系 Fig. 1 Risk eva l ua t io n in dex syst em o f da n ger o us r o c k bl a st in g c ut t in g 考虑危岩体岩体、环境条件以及对于风险控制 的接受程度，对各影响因素划分为安全、基本安全、 较不安全、不安全和极不安全5个等级。其中危岩 第37卷第2期郑臻,祝文化，黄建，等基于层次赋权的特大危岩体爆破削方风险评价云模型143 体规模依据相关规范按危岩体体积进行划分;岩体 条件依据危岩体中节理裂隙数量、地层岩性以及地 质构造等来进行分级；地形地貌依据危岩体宽度进 行分级;降雨采用观测日前期降雨量均值;地震烈度 根据中国地震烈度区划图给出；爆破粉尘根据爆破 后空气中粉尘的浓度来进行分级;爆破振动安全质 点振速及爆破飞石安全距离根据爆破安全规程 及相关设计规范给出；施工滚石根据爆破后滚石的 大小及数量等来进行分级；施工管理根据检查的力 度、管理规章的制定、监控的实施以及严格的检查等 方面进行分级。风险级别为极低风险0,2,表明 安全,不需要采取过多控制措施;低风险2,4表明 基本安全，风险不明显,采取少量针对性控制措施; 中等风险4,6表明较不安全，有风险存在，需采取 适度控制措施；高风险6,8表明不安全,风险明 显，需采取应急处理措施;极高风险8,10表明极 不安全,应停止施工,人员和设备紧急撤离。 具体分级标准如表1所示”如O 表1分级标准及赋值 Table 1 Grading standard and assig nment 因素安全基本安全较不安全不安全极不安全 危岩体规模C]/ 104 m3 100 岩体条件 0〜22〜44〜66〜88〜10 地形地貌危岩体宽度C3/m200 降雨 c4/ mm - d_1 200150 〜200120 〜15080 〜12080 爆破方案c100〜22〜44〜66-88-10 施工队伍素质C“0〜22〜44〜66-88-10 安全监测c120〜22〜44〜66〜88〜10 火工材料运输c130〜22〜44〜66-88-10 3确定风险指标权重 层次分析法可以在赋权的同时,对危险源指标 进行一致性检验，提高确定权重的效率及准确性。 具体步骤如下。 3.1建立层次结构模型建立层次结构模型 将风险问题分解为不同的因素组，根据因素间 的相互关系划分为不同的层次，分别为需评价危岩 体风险问题的目标层、危险源及影响因素。 3.2构造判断矩阵构造判断矩阵 判断矩阵是表示本层所有因素与上一层的某一 因素进行相对重要性的两两比较。从目标层到影响 因素有多少个相互关系，就要建立多少个判断矩阵。 3.3层次单排序及其一致性检验层次单排序及其一致性检验 定义一致性比率来衡量矩阵的一致性 CR CI /RI 4 式中C/为一致性指标,C/A -n /n -l , 刃为随机一致性指标。 当CR0. 1时，认为矩阵A的不一致性在允许 范围内，通过一致性检验，可用最大特征值所对应的 特征向量作为权向量，否则要对判断矩阵进行调整。 矩阵的特征值与特征向量可以用MATLAB软件进 行求解,提高了计算效率且更加准确。 3.4层次总排序及其一致性检验层次总排序及其一致性检验 层次总排序是指某一层次所有因素对于最高层 相对重要性的排序。设P层有“个因素 Pn，对总目标的权重为P l ,P2, ■■- ,Pn ,下一层Q层的 m个因素对上层P中的某一因素P,的层次单排序 为如,夠,，為G l ,2,，贝y Q层第i个因素 对总目标的权值为t p角。计算出的总排序需进 ;1 行一致性检验，设Q层弘，血，，9”对上层P层中 因素P｝的层次单排序一致性指标为C，随机一致 性指标为R右，则层次总排序的一致性比率为 n n CR PjCI j/PjRI j 5 J1 J1 当CR 0. 1时，认为层次总排序通过一致性检 验，否则需要重新调整那些不符合一致性的判断矩 阵的元素取值。 4特大危岩体爆破削方风险评价模型 首先根据层次分析法确定的各影响因素的权 144爆破2020年6月 重，得到各影响因素对目标层的总权重矩阵歹 [Wr,w2,,WJO再确定各影响因素的隶属度 矩阵，论域U上的任意一个随机元素％的分布满足 以仗为期望,为标准差的正态分布，即XN[EX, K2]，而的分布满足以E”为期望,0为标准差 的正态分布，即 N[ E”,疋],则对于这个随机元 素％存在一个稳定倾向的随机数“，称作隶属度，如 下式所示 -*E丿2 ft e 20 6 根据表1的分级标准,通过式1.3以及经 验取值得到的三个数字特征，画出各个影响因素所 对应的标准云图。 根据甑子岩特大型危岩体削方治理工程实际的 各项影响因素取值通过式6得到各因素隶属度, 计算各影响因素在各个安全等级下的隶属度矩阵 B “孑” x”。 将得到的权重矩阵甲与隶属度矩阵B通过模 糊综合评价理论进行数学运算,从而建立特大型危 岩体治理过程中的安全评价矩阵Z,如下式所示 Z WB [旳，兀，，W”] [“1 ,“2,,“”] ⑺ 通过最大隶属度识别原则确定特大型危岩体治 理过程中的安全等级，得到评价结果。 5实例分析 金佛山甑子岩危岩带位于重庆市南川区，该区 为构造侵蚀地貌,危岩带位于斜坡上部陡崖带，分布 数十处危岩体，由二叠系石灰岩及页岩组成,可能崩 塌总规模为593. 86 x 104 m3,为特大型危岩带。以 W29 ,W23号危岩体为代表的两级危岩带，总体积约 254.7 x 104 m3o通过对玖29、玖23号危岩体稳定性 综合评价分析，为达到消除其对威胁范围内保护对 象的安全隐患、阻止后侧岩体的进一步变形和确保 位于甑子岩危岩带下方的在建金佛山水库大坝工程 的安全,经多方论证和治理方案比选，最终设计采用 主体危岩体台阶式放坡清除、后缘台阶式放坡及封 闭卸荷裂隙、绿化开挖坡面的治理方案。如图2所 示叫 由于特大型危岩体的爆破削方治理无类似工程 借鉴,其爆破削方过程的风险评价及控制极为重要。 为了保障施工安全，在爆破削方施工过程中,对爆破 振动、施工滚石、爆破飞石、爆破粉尘等均采取了严 格的控制措施;对局部危岩体单体采取控制爆破措 施进行预处理;对危岩体施工过程的岩体变形及爆 破振动影响进行跟踪监测等少]。通过现场地质调 查及施工过程控制跟踪，确定了特大危岩体爆破削 方施工风险评价各影响因素的安全等级,采用层次 分析法赋权的云模型对特大危岩体爆破削方治理风 险进行评价。 图2危岩体爆破削方治理方案 Fig. 2 Co n t r o l sc heme o c ut t in g in da n ger o us r o c k bl a st in g 5.1确定权重矩阵确定权重矩阵 根据建立的特大型危岩体爆破削方治理过程风 险评价模型，对各影响因素按实际工程控制标准及 相关资料记载进行取值，通过层次分析法计算各影 响因素的权重赋值，得到各个影响因素的权重系数, 如表2,由各权重系数可构建权重矩阵Wo 表2影响因素权重及实例取值 Table 2 Influence facto r weig ht and instance value 影响因素权重取值 危岩体规模C]/ 104m3 0.0366254.7 岩体条件c20.0140 9 地形地貌危岩体宽度Cs/m 0.0640100 降雨 C4/mm * d_10.165926.75 地震烈度C/级0.08296 爆破粉尘C60.0264 1 爆破振动C7/c m s_10.2545 8 施工滚石c80.08263 爆破飞石安全距离C9/m0.1920300 爆破方案C1O0. 03741 施工队伍素质C“0. 00653 安全监测C120. 01691 火工材料运输C130.0203 3 5.2确定隶属度矩阵确定隶属度矩阵 根据表1各影响因素分级标准及计算的权重赋 值,通过式1.3计算确定云模型三个数字特征, 云模型数字特征计算结果如表3所示;应用MAT- 第37卷第2期郑 臻,祝文化，黄 建，等 基于层次赋权的特大危岩体爆破削方风险评价云模型145 LAB软件生成各影响因素在不同风险等级下的正 态云图，如图3所示。 1.0 0.9 0.8 0.7 疳6 竊0.4 0.3 0.2 0.1 0 I -2 0 2 4 6 8 10 12 岩体条件C地形地貌（危岩体厚度）G/m 0.6 0.5 祸0.4 .3 0.2 0 2 4 6 8 10 12 14 爆破粉尘G -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -4 〜2 0 2 4 6 8 0 12 爆破振动C7/cm 异 施工滚石C,爆破飞石安全距离 0.4 . . . 6 ..4 * * * 3 * 。転詈詈麗書再矍紹 * 詈 . . L0 0.9 0.8 0.7 0.3 0.2 0.1 0 0.7 盒;; 掳0.4 .3 .2 l n u t 1.0 0.9 0.8 -2 0 2 4 6 8 10 12 爆破方案 -2 0 2 4 6 8 10 12 施工队伍素质C“ 14 1.0 0.9 0.8 0.7 飆i s 碱.4 0,3 0.2 0.1 0 -2 0 2 4 6 8 10 12 安全监测二 F二二二 V_A 安全基本安全较不安全 不安全 极不安全 图3各影响因素所处安全等级 Fig. 3 Sa fet y l evel o f ea c h in fl uen c in g fa c t o r 146爆破2020年6月 表3云模型数字特征 Table 3 Clo ud mo del dig ital features 因素安全基本安全较不安全不安全极不安全 危岩体规模C]/（10 m3） 0.5,0.425,0.15.5,6.369,130,16.985,175,21.231,1200,84.926,1 岩体条件c2 1,0.849,0.13,0.849,0.15,0.849,0.17,0.849,0.19,0.849,0.1 地形地貌（危岩体宽度）G/m25,21.231,175,21.231,1125,21.231,1175,21.231,1250,42.463,1 降雨 C4/mm * d_112.5,10.616,1 32.5,6.369,155,12.739,195,21.231,1155,29.724,1 地震烈度C/级2.5,2.123,0.15.5,0.425,0.16.5,0.425,0.17.5,0.425,0.18.5,0.425,0.1 爆破粉尘C61,0.849,0.13,0.849,0.15,0.849,0.17,0.849,0.19,0.849,0.1 爆破振动C7/c m s_14,3.397,0.19,0.849,0.112.5,2.123,0.120,4.246,0.527.5,2.123,0.1 施工滚石c81,0.849,0.13,0.849,0.15,0.849,0.17,0.849,0.19,0.849,0.1 爆破飞石安全距离C9/m275,63.694,1175,21.231,1135,12.739,1100,16.985,140,33.970,1 爆破方案C1O1,0.849,0.13,0.849,0.15,0.849,0.17,0.849,0.19,0.849,0.1 施工队伍素质C“1,0.849,0.13,0.849,0.15,0.849,0.17,0.849,0.19,0.849,0.1 安全监测C121,0.849,0.13,0.849,0.15,0.849,0.17,0.849,0.19,0.849,0.1 火工材料运输C131,0. 849,0. 13,0. 849,0. 15,0. 849,0. 17,0. 849,0. 19,0. 849,0. 1 通过式（6）计算各影响因素隶属度，得到各影 响因素隶属度计算结果如表4所示。 表4各影响因素在相应等级下的隶属度 Table 4 Membership deg ree o f each influencing facto r under the co rrespo nding level 因素安全基本安全较不安全不安全极不安全 危岩体规模/（104 m3） 00000.813 岩体条件c20000.062 1 地形地貌（危岩体宽度）Cs/m0.002 0.4990.4990.0020 降雨 C4/mm d_1 0.4060.6650.08600 地震烈度0/级0. 2570. 5000. 5000. 0020 爆破粉尘C610. 062000 爆破振动C7/c m - s_1 0.4990.4990.1060.0180 施工滚石cs0. 06210. 06200 爆破飞石安全距离C9/m0.9260000 爆破方案C1O10. 062000 施工队伍素质C“0. 06210. 06200 安全监测C1210. 062000 火工材料运输C130.06210.06200 由表4可获得各影响因素所处的安全等级。例 如降雨，属于安全的隶属度为0. 406,属于基本安全 的隶属度为0. 665,属于较不安全的隶属度为 0.086,依据最大隶属度原则，判定降雨因素处于基 本安全等级。由各影响因素隶属度可构建隶属度矩 阵久 5.3特大危岩体治理评价结果特大危岩体治理评价结果 根据计算得到的权重矩阵17与隶属度矩阵B 进行数学运算,得到甑子岩特大危岩体爆破削方治 理风险评价综合计算计算结果，如表5所示。 表5特大危岩体爆破削方风险评价结果 Table 5 uatio n results o f treatment o f o versize dang ero us ro ck mass 安全等级安全基本安全较不安全不安全极不安全 隶属度0.48110.4250.12150.00580.0438 由计算结果可以看出，在采取一定控制措施的 条件下,甑子岩危岩体爆破削方治理施工阶段各危 险源影响因素风险评价的安全等级综合计算结果 为属于安全的隶属度为0.4811,属于基本安全的 隶属度为0.425,属于较不安全的隶属度为0.1215, 根据最大隶属度识别原则，可以看出甑子岩危岩体 爆破削方治理施工阶段处于安全等级。 通过危岩体风险分析的方法，对施工过程中各 第37卷第2期郑臻,祝文化，黄建，等基于层次赋权的特大危岩体爆破削方风险评价云模型147 危险源进行针对性控制措施的实施,各危险源影响 因素处于安全等级，保障了危岩体治理的安全实施。 验证了该评价方法的可行性，降低了模糊性与随机 性对风险评价结果的影响。已完成的危岩体治理如 图4所示。 图4治理完成的危岩体 Fig. 4 Tr ea t ed da n ger o us r o c k ma ss 6结论 1 针对特大型危岩体爆破削方治理其特殊 性，从危岩体地质条件、环境因素、爆破削方施工及 施工管理四个方面进行危险源辨识，建立了特大型 危岩体爆破削方治理风险控制安全评价指标体系。 2 建立基于层次赋权的危岩体爆破削方风险 评价云模型。在风险评价过程中，应用层次分析法 对各危险源影响指标进行组合赋权处理，可对风险 评价指标的随机性和模糊性进行综合处理，风险等 级可通过云发生器生成风险云图,简单直观。 3 通过建立的风险评价云模型对甑子岩特大 型危岩体爆破削方治理过程进行安全评价,能够有 效的进行爆破施工风险评价，保障了危岩体治理施 工安全。验证了该方法的可行性，可以为类似工程 提供借鉴。 参考文献参考文献References [1] 乐琪浪，王洪德，高幼龙，等.三峡库区望霞危岩体孕 灾地质环境条件分析[J] 地球学报,2015 ,362204- 212. 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