城市非巖溶環(huán)境地面塌陷危險(xiǎn)性模糊評價(jià)

任建波，劉元雪，胡 明，彭國園

(后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系，重慶 401311)

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

城市非巖溶環(huán)境地面塌陷危險(xiǎn)性模糊評價(jià)

任建波，劉元雪，胡 明，彭國園

(后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系，重慶 401311)

在人類活動(dòng)的影響下，非巖溶環(huán)境中城市區(qū)域的塌陷越來越頻繁。與巖溶塌陷相比，非巖溶環(huán)境下的塌陷影響因素和作用方式有很大不同。分析了非巖溶環(huán)境下塌陷的主要影響因素，以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合層次分析法，對城市區(qū)域的非巖溶環(huán)境下的塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)方法進(jìn)行了研究，得出具體評價(jià)方法，建立相應(yīng)的權(quán)重矩陣和隸屬度矩陣，最終求得塌陷的危險(xiǎn)度矩陣。該方法應(yīng)用于重慶解放碑的地面塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)，評價(jià)方法是可行的，對非巖溶環(huán)境下的塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)研究有一定的參考意義。

非巖溶環(huán)境；地面塌陷；危險(xiǎn)性評價(jià)；模糊數(shù)學(xué)

隨著城市的飛速發(fā)展，人類工程活動(dòng)大量增加，塌陷的時(shí)空規(guī)律不斷變化，時(shí)間上，發(fā)生頻率不斷增加，空間上從自然環(huán)境向著城市區(qū)域不斷移動(dòng)?，F(xiàn)在城市非巖溶地質(zhì)環(huán)境成為了塌陷的高發(fā)區(qū)域，給人類社會帶來的影響遠(yuǎn)大于巖溶塌陷。從近年的新聞報(bào)道可以看出，市區(qū)的地面塌陷正在給人類生產(chǎn)生活帶來很大影響，人員傷亡時(shí)常發(fā)生。塌陷時(shí)空規(guī)律的變化，對塌陷研究工作提出了新的要求，新的環(huán)境賦予塌陷新的特點(diǎn)，需要在研究中重新建立一套適用于新情況的方法。塌陷的危險(xiǎn)性評價(jià)是塌陷研究工作的一個(gè)重要內(nèi)容。塌陷是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，體現(xiàn)在以下幾方面：① 影響因素很多，難以完全確定[1]；② 各影響因素的作用原理各不相同，作用大小也不一樣；③ 各因素之間相互影響，一個(gè)因素的變化可能帶動(dòng)其他因素的變化。從巖溶環(huán)境到非巖溶環(huán)境的塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)變化，主要在于影響因素的改變，隨之而來的各因素的相互關(guān)系也發(fā)生了變化。塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)的方法主要有:定性評價(jià)、模糊綜合評判法、灰色系統(tǒng)理論法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等?，F(xiàn)階段的災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)中，發(fā)展最成熟，使用最多的是模糊綜合評價(jià)法，模糊綜合評價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評標(biāo)方法，該綜合評價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評價(jià)。與其他方法相比，模糊綜合評價(jià)有很多優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。在塌陷的危險(xiǎn)性評價(jià)中，利用模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)已經(jīng)在很多方面都取得了一定的成果[2-4]。

綜合考慮不同評價(jià)方法的特點(diǎn)，結(jié)合非巖溶塌陷的特點(diǎn)，本研究采用模糊綜合評價(jià)的方法進(jìn)行塌陷的危險(xiǎn)性評價(jià)。

1 評價(jià)指標(biāo)選取和分析

1.1 評價(jià)指標(biāo)選取

非巖溶塌陷與巖溶塌陷的評價(jià)指標(biāo)不相同。巖溶塌陷以自然因素作用為主，城市區(qū)域的非巖溶塌陷的影響因素主要是人類活動(dòng)。最初的塌陷大部分都是發(fā)生在巖溶環(huán)境中，發(fā)生在市區(qū)非巖溶環(huán)境的塌陷極少，特別是在重慶這樣的地層穩(wěn)定的城市。但是近年來發(fā)生在城市的塌陷越來越頻繁，各種塌陷報(bào)道層出不窮，造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失也越來越大，原因是大量的地下空間開發(fā)。地下工程的施工可能導(dǎo)致上部地層破壞引發(fā)地面塌陷，是城市塌陷的主要誘因之一[5-6]。

塌陷影響因素眾多，為了方便管理和比較，將影響因素分為兩個(gè)層次，減小評價(jià)過程中的工作量，并且通過分層，可以更加直觀了解到各因素對塌陷作用的差異。本文通過對已有塌陷的分析，選取地質(zhì)條件、地下工程活動(dòng)情況、地下空間情況、地面建筑荷載情況、其他人類活動(dòng)情況、地下水情況、其他因素等7類19項(xiàng)作為塌陷危險(xiǎn)性的主要影響因素[7]。具體分類方法如圖1所示。

圖1 模糊評價(jià)模型

研究者習(xí)慣于將塌陷的影響因素分為自然因素和人為因素兩方面，對非巖溶環(huán)境塌陷的影響兩者都很大。在評價(jià)指標(biāo)的選取中，兩方面的影響都要進(jìn)行考慮，在圖1的分類中，地質(zhì)條件、地下水情況、其他因素屬于自然因素，地下工程活動(dòng)情況、地下空間情況、地面建筑荷載情況、其他人類活動(dòng)情況屬于人為因素。每種影響因素都有自己的作用原理，弄清這些原理，對塌陷的危險(xiǎn)性評價(jià)研究有很大的促進(jìn)作用。

1.2 評價(jià)指標(biāo)分析

地質(zhì)條件是影響塌陷的根本原因之一，對城市中的非巖溶環(huán)境，很難存在大面積的不良地質(zhì)體，更多的是在各種人類活動(dòng)影響下產(chǎn)生的小范圍土層破壞或者巖層破壞，影響深度較淺。填土區(qū)域等不良地質(zhì)發(fā)育程度高的區(qū)域是塌陷高發(fā)區(qū)，針對這些特點(diǎn)將地質(zhì)條件考慮為地層性質(zhì)、不良地質(zhì)體發(fā)育情況、不良地層厚度3類。

地下空間的開發(fā)是城市非巖溶環(huán)境下塌陷發(fā)生的主要影響因素之一，包括在建的地下工程和已有地下空間。城市的地下空間集中在地下室、地下商場、地下交通。它們共同的特點(diǎn)是埋深淺，對地層的影響巨大。相比而言在建的地下工程的影響更大[8]，在施工中各種振動(dòng)和應(yīng)力變化，會破壞周圍地層的結(jié)構(gòu)和受力，導(dǎo)致其受力性能下降，增加塌陷風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際工程中這類塌陷很多，杭州風(fēng)情大道的地鐵施工導(dǎo)致地面塌陷就是一個(gè)典型例子。已完成地下空間支護(hù)，擾動(dòng)基本停止，對塌陷的影響就相對要小很多。這里將地下工程的規(guī)模、距離、埋深、支護(hù)情況等作為主要影響因素。

地面建筑對塌陷的影響較小，主要影響為對周圍地層施加荷載，根據(jù)土力學(xué)中地層受力理論[9]，一定深度地層中上部荷載產(chǎn)生應(yīng)力與荷載的大小和距離有關(guān)，這里取建筑的荷載大小和距研究區(qū)域距離進(jìn)行研究。

其他人類工程活動(dòng)包括很多內(nèi)容，其中在城市區(qū)域?qū)λ萦绊戄^大的主要分兩類:車輛的荷載主要影響道路上的塌陷。在車輛的動(dòng)荷載作用下，地層結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞，導(dǎo)致塌陷發(fā)生。地下管網(wǎng)對塌陷的影響巨大，其中主要是輸水管線的影響，管線都埋設(shè)在土層中，滲漏產(chǎn)生的流水對土體的沖刷作用在掏空土層的同時(shí)，不斷破壞著地層的受力性能。這是城市中塌陷產(chǎn)生的主要原因之一，將兩個(gè)影響歸納為車流量和管網(wǎng)密度的影響。

地下水是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，同時(shí)和其他許多因素都有巨大的聯(lián)系，在模糊評價(jià)中，將地下水本身的影響單獨(dú)列出來，與其他因素的相互作用通過兩兩比較和權(quán)重體現(xiàn)，在城市區(qū)域一方面是地下水位以及水位變化幅度和徑流情況影響[10]，另一方面是抽取地下水的情況的影響[11,12]。降雨和地下水的聯(lián)系十分緊密，一定程度上，降雨對塌陷的影響就是雨水下滲過程的影響，主要影響因素是降雨強(qiáng)度。

地震對塌陷的影響本身比較大，但是由于地震發(fā)生頻率很低，不是經(jīng)常性的影響，在評價(jià)中不忽略，只是將它的權(quán)重降低。

1.3 評價(jià)指標(biāo)處理

在模糊評價(jià)方法中，用集合U表示非巖溶區(qū)域塌陷各影響因素的集合，U表示為

U={u1,u2,u3,…，um}

(1)

定義危險(xiǎn)性評價(jià)等級集合

V={v1,v2,v3,…,vn}

(2)

在評價(jià)中，首先進(jìn)行評價(jià)矩陣的確定，即確定各因素在集合V上的模糊集合

Ai={ai1,ai2,ai3,…,ain}

(3)

將每個(gè)因素的模糊集合進(jìn)行組合，得到評價(jià)矩陣A

(4)

2 危險(xiǎn)性評價(jià)

在模糊綜合評價(jià)中，評價(jià)過程就是確定每一個(gè)因素的權(quán)重和對各危險(xiǎn)性等級隸屬度的過程。評價(jià)的第一步是資料的收集，在實(shí)際評價(jià)中，地面建筑情況通過實(shí)地調(diào)查確定，其他影響因素通過相關(guān)的地質(zhì)、地勘資料獲取。

2.1 權(quán)重確定

權(quán)重表示的是各因素對塌陷的貢獻(xiàn)量。確定權(quán)重的方法很多，這里采用層次分析法進(jìn)行。層次分析法是將一個(gè)事件分為幾個(gè)層次，根據(jù)對一定客觀現(xiàn)實(shí)的主觀判斷結(jié)構(gòu)(主要是兩兩比較)把專家意見和分析者的客觀判斷結(jié)果直接而有效地結(jié)合，將同一層次因素兩兩比較的重要性進(jìn)行定量描述。層次分析法能將復(fù)雜問題中的各個(gè)因素通過劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟?，使之條理化，將專家意見和分析者判斷結(jié)合起來，提高判斷準(zhǔn)確度[13]。

通過相關(guān)資料和專家意見，結(jié)合各因素對塌陷的作用原理綜合分析，采用兩兩比較的方法，確定判斷矩陣。一級判斷矩陣為B，二級判斷矩陣為B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

對各因素相互之間的判斷矩陣求權(quán)重就是求對應(yīng)最大特征值的特征向量[14]。一個(gè)矩陣，特征根和特征向量滿足

BX=λX

(13)

式中:λ為判斷矩陣B的特征根;X為λ對應(yīng)于B的特征向量，經(jīng)計(jì)算得判斷矩陣B的最大特征根和對應(yīng)特征向量為：

λmax=7.013 6

X=[0.530 40.486 00.162 00.162 00.311 40.311 40.486 0]T

(14)

歸一化處理

(15)

在歸一化處理后的特征向量中，各數(shù)據(jù)就為其對應(yīng)的元素的權(quán)重。

2.2 一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)是判斷一個(gè)判斷矩陣設(shè)計(jì)得是否合理的必須過程。這里的一致性檢驗(yàn)采用隨機(jī)一致性比率CR進(jìn)行，指標(biāo)CI為

科學(xué)化技術(shù)的應(yīng)用，在高校財(cái)務(wù)管理的資金核算和支出記錄中有很大的幫助作用，尤其是在國庫集中支付度這個(gè)高水平、高質(zhì)量的起點(diǎn)之下。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件，建立并完善高校財(cái)務(wù)管理財(cái)政支出信息系統(tǒng)，一方面順應(yīng)了國庫集中支付制度，規(guī)范了高校財(cái)務(wù)資金的管理；另一方面完善高等學(xué)校管理信息系統(tǒng)，對以后的高校財(cái)務(wù)管理的健康發(fā)展有較大益處。完善的財(cái)務(wù)信息管理系統(tǒng)可以將高校的預(yù)算執(zhí)行情況進(jìn)行有效的反饋，為執(zhí)行財(cái)政國庫集中支付提供可靠、及時(shí)的參考依據(jù)，確保國庫集中制度下過小財(cái)務(wù)管理體系的構(gòu)建和實(shí)施。

(16)

隨機(jī)一致性指標(biāo)RI如表1所示。

表1 一致性指標(biāo)RI

可得隨機(jī)一致性比率CR=0.001 7<0.1,表明所構(gòu)建的判斷矩陣B具有較好的一致性。

同理可計(jì)算得B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7的最大特征值和對應(yīng)的歸一化特征向量，如表2所示。

從表2中可以看出，所有判斷矩陣一致性比率都小于0.1，符合隨機(jī)一致性要求。

式中：ai為第一層第i元素的權(quán)重；CIi為第一層第i元素對應(yīng)第二層的一致性指標(biāo)；RIi為第一層第i元素對應(yīng)第二層的隨機(jī)一致性指標(biāo)。

在表3可以看出，除B6外，其余判斷矩陣的一致性指標(biāo)均為0，所以組合一致性指標(biāo)CR=0.002 1<0.1,得到上述判斷矩陣的總權(quán)重值是可信的。

表2 計(jì)算結(jié)果

表3 評價(jià)因子危險(xiǎn)性級別標(biāo)準(zhǔn)

模糊評價(jià)的另一個(gè)關(guān)鍵是隸屬度函數(shù)的確定，隸屬度是一個(gè)0到1之間的數(shù)，用來表示一個(gè)因素對某一評價(jià)等級的隸屬程度，在這里表示因素屬于某一危險(xiǎn)度的程度。隸屬度確定的步驟為先確定分級標(biāo)準(zhǔn)，對各指標(biāo)進(jìn)行分級，然后通過隸屬度函數(shù)確定各指標(biāo)的隸屬度。

將危險(xiǎn)性等級分為4級:穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、易塌區(qū)、極易塌區(qū)。各指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

對于離散性的隸屬函數(shù)，通過專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，對于連續(xù)型的隸屬函數(shù)，采用分段函數(shù)的方式確定，以不良地層厚度為例，隸屬函數(shù)為：

(17)

(18)

(19)

(20)

函數(shù)圖如圖2所示。

3 實(shí)際工程檢驗(yàn)

以重慶解放碑區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行檢驗(yàn)，采用人民解放紀(jì)念碑為中心的區(qū)域進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)地勘資料和實(shí)地調(diào)查，可得如下數(shù)據(jù)。

紀(jì)念碑下地層主要為中風(fēng)化的砂巖，巖體完整性較好，部分區(qū)域有3 m左右的雜填土，取3 m?，F(xiàn)階段紀(jì)念碑周邊地下工程施工已經(jīng)停止，這部分的影響忽略不計(jì)。解放碑存在著大量的地下空間，一部分是高樓的地下室，另一部分是地下商場和地下交通，普遍埋深較淺，紀(jì)念碑周圍地下空間與研究區(qū)域面積的比值取0.5，埋深取1 m，這部分地下工程的支護(hù)情況都很好。紀(jì)念碑附近存在著大量建筑，它們荷載和距離均不相同，這里采用求平均數(shù)的方式進(jìn)行隸屬度計(jì)算，每個(gè)建筑分別求相應(yīng)的隸屬度αi,最終隸屬度：

(21)

紀(jì)念碑附近以步行街為主，車流量很小，周圍大量商場、寫字樓等建筑，人員密集，地下管網(wǎng)十分密集。從地勘資料可以看到，解放碑下地下水位很低，對塌陷的影響可以忽略不計(jì)。重慶降雨量大且十分集中，在降雨集中的月份月平均降雨量可以達(dá)到150 mm，重慶地層穩(wěn)定，屬于Ⅵ度設(shè)防地區(qū)，地震的影響很小。

圖2 不良地質(zhì)體厚度隸屬度函數(shù)圖

經(jīng)過計(jì)算，得到的各因素隸屬度矩陣:

(22)

一級評價(jià)：

(23)

二級評價(jià)得

(24)

在S中取最大值0.569 5，可得人民解放紀(jì)念碑周圍屬于地面塌陷的穩(wěn)定區(qū)域。實(shí)際解放碑的地層確實(shí)十分穩(wěn)定，地面塌陷發(fā)生很少，與屬于穩(wěn)定區(qū)域的結(jié)果吻合，證明評價(jià)結(jié)果可信度高，評價(jià)方法可行。

4 結(jié)論

根據(jù)研究成果得到以下結(jié)論：

1) 考慮多因素影響和各因素相互作用的模糊綜合評價(jià)方法，對城市區(qū)域的非巖溶環(huán)境下的塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)有較好的效果。

2) 對非巖溶環(huán)境下塌陷的危險(xiǎn)性評價(jià)重點(diǎn)是掌握這種環(huán)境下塌陷的規(guī)律，準(zhǔn)確地確定影響因素以及它們對塌陷的作用原理，建立準(zhǔn)確的權(quán)重和隸屬度函數(shù)。

[1] 馮躍封.廣西、四川等西南地區(qū)地面塌陷成因分析[J].研究探討,2011,6(1):37-39.

[2] 曾玉瑩，鄭小戰(zhàn).巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性模糊評價(jià)方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2007,15(1):62-65.

[3] 向靈芝，楊為民，石菊松，等.京西礦區(qū)地面塌陷危險(xiǎn)性模糊綜合評判[J].地質(zhì)通報(bào),2008,27(11):1862-1869.

[4] 宋丹青，鮑春.模糊數(shù)學(xué)在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)中的運(yùn)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2015,13(1):104-108.

[5] 趙學(xué)峰.城市隧道施工地面塌陷機(jī)理與控制[J].山西建筑,2014,40(11):216-217.

[6] 張成平，王夢恕，張頂立，等.城市隧道施工誘發(fā)地面塌陷的預(yù)測模型[J].中國鐵道科學(xué),2012,33(4):31-37.

[7] 侯超群，董滿生，逄煥平.松散土體型地面塌陷成因分析及機(jī)理研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,36(1):63-67.

[8] TAZIO STROZZI,RAFAEL CADUFF,URS WEGMULLER.Widespread surface subsidence induced in Alpine hard rocks by the construction of the 57 kilometers-long Gotthard Base Tunnel(Switzerland) observed with satellite SAR interferometry [J].Procedia Technology,2014,16:69-73.

[9] CHRIS J,BROMLEY,STEVE CURRIE,VERN R.MANVILLE.Recent ground subsidence at Crown Road,Tauhara and its probable causes[J].Geothermics,2009,38:181-191.

[10]SELVADURAI A P S,JUEUN KIM.Ground subsidence due to uniform fluid extraction over a circular region within an aquifer[J].Advances in Water Resources,2015,78:50-59.

[11]MODONI G,DARINI G,SPACAGNA S L.Spatial analysis of land subsidence induced by groundwater withdrawal[J].Engineering Geology,2013,167:59-71.

[12]趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].3版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.

[13]劉海，陳華.基于層次分析法的未知測度理論泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)[J].長江流域資源與環(huán)境,2012,21(8):1032-1038.

[14]駱承欽.工程數(shù)學(xué)線性代數(shù)[M].5版.北京:高等教育出版社,2007.

(責(zé)任編輯唐定國)

Fuzzy Evaluation Method for Collapse Risks in Non-Karst Urban Area

REN Jian-bo, LIU Yuan-xue, HU Ming, PENG Guo-yuan

(Department of Military Civil Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing 401311, China)

Under the influence of human activity, the collapse is more and more frequently in non-karst urban areas, and compared with the karst collapse, the influencing factors to non-karst environment subsidence have many differences. Basing on the fuzzy mathematics and analytic hierarchy process (AHP), we analyzed the main influence factors of the non-karst collapse, and studied the evaluation method for non-karst collapse risks in urban areas, and got a specific evaluation method, and set up relevant weight matrix and membership matrix, and finally obtained the collapse risk matrix, and it was applied to the Jiefangbei area in Chongqing. The results show that the evaluation method is feasible, and research on the risk assessment under the environment of non-karst collapse has certain reference significance.

non-karst environment; subsidence collapse; risk evaluation; fuzzy mathematics

2016-08-31；

2016-09-30 )

重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(cstc2015jcyjBX0073);重慶市國土資源和房屋管理局科技計(jì)劃項(xiàng)目(CQGT-KJ-2014052)

任建波(1991—)，男，碩士研究生，主要從事防災(zāi)減災(zāi)和巖土本構(gòu)關(guān)系、軍事地下工程穩(wěn)定性研究。

10.11809/scbgxb2017.01.038

任建波，劉元雪，胡明，等.城市非巖溶環(huán)境地面塌陷危險(xiǎn)性模糊評價(jià)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(1):168-173.

format:REN Jian-bo, LIU Yuan-xue, HU Ming, PENG Guo-yuan.Fuzzy Evaluation Method for Collapse Risks in Non-Karst Urban Area[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):168-173.

X4；P642

A