基于高边坡挖掘的水利水电工程施工风险评价
时间：2023-02-22 08:40:08 来源：千叶帆 本文已影响人
李春侬，王 莹
(1.大洼区水利服务中心，辽宁 盘锦 124200；
2.盘锦市水利服务中心，辽宁 盘锦 124010)
高边坡挖掘是水利水电工程中危险度较高的一种施工项目，针对高边坡施工存在的风险隐患利用风险评估模型进行准确预判，有利于保证工程项目的安全性和科学性。传统的评估方法主要有软集合理论、ANP结构模型等[1-4]。其中，软结合理论是对施工风险的综合指数敏感值利用双射软集合的方式进行比较，识别出关键风险因子，并采取有效的控制措施；
ANP结构模型是考虑风险指数敏感值和不同风险因素间的相互关系，从而确定各因素导致最终风险的贡献率。但这两种评估方法都存在评估准确性低、风险指数敏感度不高的问题。因此，文章利用层次分析法创建高边坡挖掘施工风险评估体系、划分风险等级，以实例工程为例科学评价了其施工风险状况，旨在为合理设计水利水电工程施工风险评估模型提供一定依据。
1.1 识别施工风险因素
在水利水电工程的高边坡挖掘施工中涉及的内容广、因素多，各因素之间存在复杂的作用关系，必须先精准识别各种风险因素及其属性，然后利用层次分析法搭建上层支配下层的层次结构，科学评价高边坡挖掘的总体风险，具体如下[5]：
步骤一：归一化处理。由于各风险因素的量纲或单位不同无法直接参与运算，必须利用下式进行归一化处理，从而消除各因素之间的不可通透性，即：
(1)
式中：xij、yij为风险因素归一化处理前、后的参数值，其中0≤yij≤1。
步骤二：构建判断矩阵。采用层次分析法确定各风险因素权重，通过深入分析不同风险因素的内在关联性，并结合专家意见和标度准则构造判断矩阵[6]，标度准则如表1所示。
表1 标度准则
步骤三：特征向量。采用公式(2)计算判断矩阵的行乘积，即：
(2)
式中：Hi为判断矩阵的行乘积；
aij为风险因素i相对于j的重要程度，即表1的判断准则。
(3)
(4)
(5)
步骤四：层次单排序。通过判断矩阵数字化决策者的主观思维具有一定的随意性，为了确保风险分析的合理性必须检验判断矩阵的一致性。若未通过检验，必须再次调整矩阵直至达到检验要求[7-8]。判断矩阵的偏离一致性利用不考虑最大特征根的其它特征值平均指标衡量，其计算公式为：
(6)
CR=CI/RI
(7)
式中：CI、RI为矩阵的离散一致性程度指标和不同阶数矩阵的平均随机一致性指标，其中RI值按表2确定。经计算，若CR<0.10时则认为矩阵通过一致性检验。
步骤五：层次总排序。通过自下而上逐级计算确定目标层的合成权重及其各风险因素的总排序。为保证整体逻辑关系的合理性还要检验层次总排序一致性，在单排序、总排序均都通过一致性检验的情况下识别出关键风险因子，即CR<0.10时特征向量W的各分项因素[9]。
1.2 创建风险评价体系
以指导安全施工、控制施工风险和降低事故发生概率为主要目标，遵循动态性、系统性、科学性以及可操作性等原则，通过现场调研和相关资料分析确定高边坡挖掘施工风险因素，并结合层次分析原理创建多因素多层次风险评价体系[10-18]，见表3。
表3 高边坡挖掘施工风险评价体系
1.3 划分风险评估等级
根据高边坡挖掘施工风险评价体系划分各项因素风险等级，评分值及其对应的风险等级如下：
1)挖掘规模u1。①高边坡高度u11处于≥55m、40～55m、25～40m、0～25m取值区间时，所对应的评分值依次为86～100、61～85、36～60、0～35分。②高边坡角度u12处于≥15°、10°～15°、5°～10°、0°～5°取值区间时，所对应的评分值依次为86～100、61～85、36～60、0～35分。
2)高边坡地质条件u2。①高边坡地层岩性u21为软弱层、易滑层、全风化层、强风化层和弱风化层时，所对应的评分值依次为86～100、61～85、36～60、0～35分。②高边坡坡体结构u22为顺坡向贯通软弱结构、顺坡向不贯通硬性与软弱组合结构、非顺坡向结构时，所对应的评分值依次为76～100、46～75、0～45分。
3)挖掘施工环境u3。①周边环境u31为开挖线外2.0H处、1.5H处、1.0H处有建筑设施时，所对应的评分值依次为76～100、46～75、0～45分。
4)风险诱发因素u4。①自然灾害u41为频繁发生、偶尔发生、极少发生时，所对应的评分值依次为76～100、46～75、0～45分。
5)施工资料完整度u5。①项目文件要求u51为1个、2个、3个、4个及以上勘探点时，所对应的评分值依次为86～100、61～85、36～60、0～35分。②地质条件u52为一图一坡一说明完整和不完整时，所对应的评分值依次为51～100、0～50分。
依据各因素权重、风险等级及其所对应的评分值，经计算确定最终的风险值F：F≥75、50≤F<75、25≤F<50、F<25时，高边坡挖掘施工分别为极高(Ⅳ级)、高度(Ⅲ级)、中度(Ⅱ级)、低度(Ⅰ级)风险水平。
2.1 参数设计
通过合理设置高边坡挖掘的地质参数，进一步检验该风险评估模型的有效性和稳定性，具体如下：上游边坡倾向NW方向，走向NE80°，倾角65.2°；
破顶面倾向NE方向，走向NW240°，倾角42.8°；
坝肩边坡倾向NE方向，走向NE240°，倾角32.7°。通过布设8个高边坡监测点位提取相关的数据，见表4。
表4 高边坡点位监测数据
依据各因素权重和风险值，经标准化处理及加权计算得到各风险指数的敏感值。为保证风险评估的准确性，将风险指数敏感值与传统的软集合理论和ANP结构模型评价结果进行对比分析，为便于比较引入SPSS软件进行统计计算。
2.2 结果分析
随机选择2#、3#、5#监测点进行测试，采用风险评估模型计算高边坡挖掘施工风险指数敏感度，如图1。
从图1(a)可以看出，总体上监测点2处于较高的风险状态，风险指数敏感度仅在接近尾声时有所下降，而监测点3、5具有较大的变化幅度，风险指数敏感度整体较低；
从图1(b)可以看出，监测点2整体表现出先减小后增大的变化趋势，而监测点3、5整体表现出先增大后减小的变化趋势，监测结果处于极不稳定状态；
从图1(c)可以看出，3个监测点的状态平稳，风险指数敏感度总体达到较高水平。
综上分析，传统的软集合理论和ANP结构模型计算的风险指数敏感度稳定性较差，整体呈较低水平且多次出现高低交替变化的情况，而文中所用层次分析法计算的风险指数敏感度始终处于较高水平，整体比较平稳，准确地反映了高边坡挖掘施工的风险状况。
高边坡挖掘施工的风险程度较高，应作为水利水电工程施工的控制要点。文章通过分析高边坡挖掘施工相关风险因素，应用层次分析法建立评价体系，通过评价分析各风险因素等级验证了模型的优越性。然而，采用层次分析法识别各风险因素时易受人为主观判断的影响，实际应用时具有一定的局限性，未来仍需进一步优化改进该评价方法，降低人为主观因素的影响保证风险评价的客观性。
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