基于AHP的路堑护坡风险动态加权综合评估模型研究

牛乐乐,苏 谦,王牧麒,张 棋,周 珩，赵莉香

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

2008年以来，我国铁路建设发展迅速，到2018年底，铁路运营里程达到13.1万km以上，其中山区铁路所占比重较大。开挖路堑是山区铁路主要的通过方式之一，这种通过方式破坏了原有坡体的稳定性[1]。铁路运营期间，在自然营力和循环动荷载作用下，容易发生一系列灾害。因此，对于运营期既有铁路，有必要建立一套完善合理的路堑护坡风险评估体系，为路堑护坡风险管理提供科学依据[1-2]。

近年来，学者们提出了一些新的边坡稳定性评估方法。文献[3]提出了基于AHP 的模糊评判法评估边坡稳定性；李晖应用层次分析法、专家打分法和敏感性分析法对路堑地段进行了风险评估和决策[1]；文献[4]采用安全性评价与风险评价相结合的定性、定量地质灾害综合评估方法；王浩等提出一个基于霍尔三维结构的路堑边坡系统分析模型和路堑边坡全寿命周期风险评估模型[5]。由于专家打分法受人为因素影响较大，其中部分方法未涉及运营期评估，且未考虑边坡对铁路的危害性[1，3-6]。基于此，提出了采用基于AHP的路堑护坡风险动态加权综合评估方法，引入对铁路的危险性评价，得到护坡的风险等级，最后采用传统稳定性计算方法验证了该方法的合理性[6]。

1 工程概况

朔黄铁路穿越吕梁山脉及太行山脉，沿线山高谷深，深挖高填工程多，受复杂的地质条件、不利的气象条件、人类的工程活动条件、地震条件等影响，每年春季雪融期、夏秋雨季集中期都成为护坡病害高发期，且规模越来越大，病害频现，对行车安全威胁与日俱增[7]。为进一步掌握护坡病害对铁路运营安全的影响，也为后续整治防范提供依据，对原平分公司管内所有路堑护坡进行灾害排查评估。全线线路里程K0+000～K255+899，区段内共排查路堑护坡625段。基于此项目，得到各项评价指标，建立评价体系。

护坡病害的发生是多种不确定性因素综合作用的结果，不能单依靠数学方法对护坡危险性进行定量计算。为避免护坡病害危险性判识出现局限性，本次评价根据野外调查、物探和钻探结果，同时结合护坡所处位置的工程地质情况进行综合分析，确定护坡病害严重性评价指标[6，8-9]。

2 病害评价指标

2.1 病害类型

2.1.1 野外调查

野外调查主要对朔黄铁路公司原平分公司管内护坡目前稳定性、表面剥落、裂缝等破坏迹象进行调查。调查内容包括填写野外调查记录本作沿途观察记录，初步分析判断病害的类型，对危害或潜在危害较大的护坡病害点进行详细调查，收集调查点相关技术资料。调查方法在收集资料的基础上，以现场实地调查为主，对护坡进行拍照、测量和记录，并对调查结果进行统计分析。

通过对朔黄铁路原平管内255 km共计625段路堑护坡进行调查评估，查明冻害工点244处，边坡溜坍工点41处，陷穴工点1处，支挡防护结构病害工点524处，排水不良工点440处，危岩与崩塌落石工点7处，风化剥落工点51处[10]。野外调查结果如表1所示。

表1 护坡病害野外调查结果

2.1.2 地质雷达

本次雷达排查作业主要使用俄罗斯OKO-3与成都劳雷SIR两种型号地质雷达，雷达型号均为400 MHz，检测深度为1～3 m。测线沿线路纵向布置在护坡上，沿水平布设为上中下3条，间距一般为3～10 m，根据现场实际情况可加密测线，测线的布置方式如图1所示。

本次排查的地质雷达法检测主要对护坡结构内部疏松，护坡结构背后土体空洞及脱空等情况存在与否进行检测评估。其中，护坡结构内部疏松是指护坡结构内部因施工质量不达标，勾缝脱落及其他外界条件的影响造成护坡结构内部欠密实的现象；护坡背后土体空洞是指护坡背后的填土体因受雨水及其他外界条件的影响造成其内部土颗粒间距过大，土壤疏松欠密实的现象；脱空是指护坡结构与护坡背后填土体间彼此分离或护坡结构内部两层浆砌片石之间相互分离的现象[10]。

在此次排查范围(K0+000～K255+899)内，地质雷达计划检测护坡长度共计120 km，实际检测护坡工点499处，累积检测长度136.35 km。地质雷达排查情况结果见表2。

从检测结果来看，在上行线路已检测出的病害类型中，存在护坡结构内部疏松的工点占比最大，占上行工点数的70.56%，其次为存在护坡背后土体空洞的工点，占上行工点数的61.47%，脱空情况较轻，占上行工点数的7.79%；在下行线路已检测出的病害类型中，存在护坡结构内部疏松的工点占比最大，占下行工点数的65.91%，其次为存在护坡背后土体空洞的工点，占下行工点数的58.71%，脱空情况较轻，占下行工点数的11.36%。在洞门处已检测出的病害类型中，存在护坡结构内部疏松的工点占洞门总工点数的25%，存在护坡背后土体空洞的工点占洞门总工点数的75%。

2.1.3 高密度电法

本次排查作业主要通过使用重庆地质仪器厂生产的高密度电法装置，依照排查作业的勘测范围和目标要求，在105段护坡上共计布设118条测线、1 605个有效测点。护坡段的高密度电法测线条数布设由护坡段长度确定，护坡段长度小于50 m时布置1条剖面，50～100 m时布设2条剖面，大于100 m时每隔50 m布设1条，相邻电极测线剖面间距在5 m以上，电极测线需基本垂直线路。测线剖面上的电极布设形式采用单点三极法，相邻电极间距在0.5～2 m，对应的检测深度为1～5 m。

本次排查作业的高密度电法检测主要对边坡土体的裂隙、含水率与脱空情况进行检测。高密度电法计划工程量为1 500个测点，实际完成量超7%，实际检测护坡工点105段。通过高密度电法排查出的护坡病害类型主要有护坡背后填土欠密实、护坡背后土体含水率高与脱空3种。依据高密度电法排查出的护坡各主要病害类型情况，对各护坡病害工点对应的病害情况进行统计，见表3。

表3 高密度电法检测病害统计

从检测结果来看，在上行线路中，存在护坡背后填土含水率高的病害工点占比最大，占上行已检测工点数的65.90%，其次为存在护坡背后填土不密实的病害工点，占上行已检测工点数的27.27%，脱空情况最轻，占上行已检测工点数的15.91%；在下行线路中，存在护坡背后填土含水率高的病害工点占比最大，占下行已检测工点数的50.82%，其次为存在护坡背后填土不密实的病害工点，占下行已检测点数的36.07%，脱空情况较轻，占下行已检测工点数的21.31%。

2.1.4 钻探

在充分分析、研究既有竣工资料基础上，结合现场调查及病害发育程度，以及既有防护措施类型进行钻探，查明各工点场区的工程地质和水文地质条件。通过钻探查明地层岩性，为评估提供可靠依据。由于本区主要为冻胀病害，其中砂质黄土含量是影响冻胀程度的主要原因之一，因此，通过钻探获取地层中砂质黄土含量[11]。

根据野外调查和物探病害结果严重程度，朔黄铁路全线共布设30个钻探点，通过钻探得到各区段砂质黄土厚度如表4所示。

表4 钻探结果

2.2 评价指标

2.2.1 护坡自身病害严重性评价指标

护坡病害自身严重性指基于野外调查、物探与地质钻探结果评价得出的护坡病害的严重程度。护坡病害自身严重性共分为3个等级：严重、较严重与轻微。从排查的情况来看，朔黄铁路原平分公司管内护坡病害主要以冻害、排水不良与支挡防护结构病害为主，此外还包括边坡溜坍、危岩与崩塌落石等。

根据野外调查发现护坡病害类型情况，并结合地质雷达、高密度电法的检测结果与钻探结果，综合确定了护坡病害自身严重性评价指标为15个：坡面隆起/破损、坡面开裂、陷穴、伸缩缝/勾缝脱落、排水设施开裂、排水设施淤塞、排水设施不足、边坡溜坍、危岩与崩塌落石、风化剥落、护坡结构内部疏松、护坡背后填土欠密实/空洞、脱空、护坡背后填土含水率与护坡区域地层岩性。根据护坡病害的特征，分别对各病害的当前程度进行分析，并依据分析结果判断病害自身严重性。

护坡自身病害严重性的评价采取评价指标程度打分制：每项指标根据其实际状况划分为完好、轻微、较严重、严重四种程度，对应的扣分分值依次为0分、1分、2分与3分。基于上述评价指标的护坡病害自身严重性评定标准见表5。

表5 护坡病害自身严重性评定标准

2.2.2 护坡病害对铁路的危险性评价指标

护坡病害对铁路的危险性指护坡病害工点对临近线路安全的影响程度。护坡参数(高度、长度、坡率等)对邻近铁路线路的安全性具有不同程度的影响。通过排查，确定护坡病害对铁路的危险性评价指标为坡脚至线路最外侧中心线距离、护坡高度、护坡长度与护坡坡率。护坡病害对铁路的危险性评价采取评价指标程度打分制：每项指标根据其对铁路的危险性影响程度划分为一般危险、较危险与危险3种程度，对应的扣分分值依次为0，1，2。基于上述指标的护坡病害对铁路的危险性评定标准见表6[12]。

表6 护坡病害对铁路的危险性评定标准

3 建立基于AHP的综合评价模型

通过层次分析法，评价护坡自身病害严重性和护坡病害对铁路的危险性，然后运用动态加权综合评价方法，综合评价护坡安全风险等级，最后采用边坡常用稳定性计算方法，验证评价模型的合理性。

3.1 基于AHP确定各指标权重

3.1.1 AHP评价模型

护坡病害自身严重性各评价指标的权重采用层次分析法予以确定，通过构建各指标权重的判别矩阵A(式(1))，计算矩阵A对应于最大特征值λmax的特征向量w，经归一化后即可得各评价指标的权重。aij为各评价指标之间的相互重要程度关系[3]。

(1)

采用层次分析法计算各评价指标权重的具体操作如下：

(1)计算判断矩阵每一行元素的乘积

(2)

(2)计算Mi的n次方根

(3)

(4)

(4)一致性检验。

3.1.2 指标分层和权重计算

野外调查病害根据坡体内部病害>坡体表面病害，陷穴病害全线仅发现1处，所占权重最小；物探为边坡内部无损检测，病害均在护坡内部，因此权重一致。

第一层分层及重要性排序为：野外调查>物探=钻探；

第二层分层及重要性排序为：坡面开裂=边坡溜坍=危岩/崩塌落石=风化剥落>坡面隆起/破损=勾缝脱落=排水设施开裂=排水设施淤塞=排水设施不足>陷穴；

护坡结构内部疏松=护坡背后填土欠密实/空洞=脱空=护坡背后填土含水率。

通过Matlab程序计算得到各层指标权重见表7，且第一层和第二层权重结果均通过一致性检验。

各指标最终权重由两层权重相乘得到，各指标权重的最终结果见表8。

表7 护坡病害自身严重性各层指标权重

表8 护坡病害自身严重性评价指标权重值

3.2 自身严重性评价模型

护坡病害自身严重性按综合评定方法进行评定。综合评定方法是考虑各评价指标权重的综合评定方法：

(1)各评价指标的权重依次为W1、W2……Wn，指标权重之和为100，即ΣWn=100；

(2)综合各评价指标等级及对应的权重，可评价得到护坡病害自身严重性等级。评价方法见表9。

表9 护坡病害自身严重性评价方法

3.3 对铁路的危险性评价模型

护坡病害对铁路的危险性按综合评定方法进行评定。综合评定方法就是考虑各评价指标权重的综合评定方法：

(1)各评价指标的权重依次为T1、T2……Tn，指标权重之和为100，即ΣTn=100；

(2)综合各评价指标等级及对应的权重，可评价得到护坡病害对铁路的危险性等级。评价方法见表10。

表10 护坡病害对铁路的危险性评价方法

护坡病害对铁路的危险性的各评价指标权重可同样采用层次分析法予以确定。具体的计算方法可参见护坡自身病害严重性的评价指标权重计算，其计算结果为T1=T2=T3=T4=25。

3.4 护坡安全风险等级评价

基于护坡病害自身严重性评价结果与护坡病害对铁路的危险性评价结果，通过运用动态加权综合评价方法，综合评价护坡安全风险等级。

对于影响护坡安全风险等级的两个因素，每个因素都有3个等级，不同的等级护坡安全风险不同，用通常的定常权综合评价法做综合评价显然是不合理的，然而采用动态加权综合评价方法是合理且有效的[13-14]。

(1)指标数据的标准化处理

(2)动态加权函数的确定

根据本文实际问题，取动态加权函数为偏大型正态分布函数，即

(5)

(3)综合评价指标函数的确定

根据标准化后的各评价指标值，仍用xi表示，以及相应的动态权函数wi(x)(i=1,2,…,m)，建立综合评价模型来对n个被评价对象做出综合评价。在此，取综合评价模型为各评价指标的动态加权和，即

(6)

以此作为问题的综合评价指标函数。

(4)护坡病害综合评价

根据式(6)，护坡安全风险等级评价标准见表11。

表11 护坡安全风险等级评价标准

4 工程应用

4.1 工程概述

朔黄铁路滴硫蹬—猴刎站区间下行K163+043～K163+233路堑边坡位于滴硫蹬区间管辖范围，属低山地貌。该坡面朝会里村方向，西起会里隧道出口方向，东至滴硫蹬隧道进口方向，全长190 m，为三级土质边坡，坡高23～34 m，边坡坡率为1：0.75。坡腰设有平台，一级平台宽2.2 m，二级平台宽3.6 m，一、二级平台上未设置截水沟，边坡坡面采用浆砌片石护坡。堑顶设有截水沟，坡脚设有侧沟。坡面设置有泄水孔，泄水孔采用φ10 cm PVC管，呈梅花形布置，间距5～10 m，坡顶到坡脚间距逐渐减小。见图2。

图2 朔黄铁路滴流蹬—猴刎站区间下行K163+043～ K163+233路堑边坡设计 (单位：m)

4.2 病害描述

4.2.1 野外调查

(1)一级边坡K163+228处坡面存在长8 m，宽0.5～1 cm裂缝；K163+143处一级坡面存在长7 m，宽0.5～1 cm裂缝；K163+074里程处坡面存在贯通的竖向裂缝，缝宽1～2 cm；二级坡面K163+092处存在长5 m，宽1 cm裂缝；K163+113处二级坡面存在横向贯通裂缝，宽0.5～1 cm；三级坡面K163+140处存在宽0.5 cm裂缝，见图3(a)、图3(b)。

(2)一级边坡K163+200里程坡面存在2处网状裂缝，范围约为12 m2，见图3(c)。

(3)一级边坡K163+185～K163+179、K163+156、K163+111里程处坡面勾缝脱落，见图3(d)。

(4)二级坡面距平台约5 m高位置，存在1条纵向贯通裂缝，长约30 m，缝宽2～5 cm，见图3(e)。

(5)20%截水沟存在网状裂缝，勾缝脱落情况。

(6)30%泄水孔堵塞，见图3(f)。

(7)K163+180处伸缩缝开裂脱空，见图3(g)。

图3 边坡病害

4.2.2 地质雷达检测

通过对该段护坡进行地质雷达检测，其检测结果见表12。

表12 地质雷达检测结果

4.2.3 高密度电法检测

通过对该段护坡进行高密度电法检测，可见该段坡电阻率随埋深增加存在突变，电阻值变化率大于60%，坡顶内部可能存在排水不畅，产生水囊现象的病害。

4.3 风险等级评价

4.3.1 工点病害自身严重性

基于野外调查、物探结果，根据护坡自身病害严重性评定标准(表5)，确定护坡自身病害严重性评价指标的扣分，见表13。

根据护坡病害自身严重性评价方法(表9)，结合表13中各评价指标的扣分结果，该工点护坡自身病害严重性得分为55.80分，判定为严重病害(C)。

表13 护坡病害自身严重性指标评定结果

4.3.2 工点病害对铁路的危险性

根据护坡病害对铁路的危险性评定标准(表6)，确定护坡病害对铁路的危险性指标扣分，见表14。

表14 护坡病害对铁路的危险性指标评定结果

根据护坡病害对铁路的危险性评价方法(表10)，结合表14中各评价指标扣分结果，该工点护坡病害对铁路的危险性得分为25分，判定为危险(c)。

4.3.3 工点安全风险等级评价

根据动态加权综合评价方法，结合护坡自身病害严重性等级与护坡病害对铁路的危险性等级，计算得到该护坡X=3.403，判断为高度风险，因此该边坡急需整治。

4.4 稳定性计算

采用简化Bishop法对该边坡计算，各土层参数见表15。以坡脚为坐标原点(0，0)，得到最危险滑弧圆心坐标(-24.282 m，49.450 m)，滑动半径为 55.090 m，最危险滑弧位置如图4所示，稳定性系数为1.02。根据文献[4]可知，该边坡处于很不安全状态，急需整治，该结论与采用基于AHP的动态加权综合评价模型得到的结论一致。

表15 K163+150断面边坡计算参数

图4 最危险滑弧位置(单位：m)

5 结论

(1)基于朔黄铁路全线野外调查、物探和钻探结果，提出了两层15个护坡病害自身严重性评价指标及评定标准。护坡病害自身严重性评价指标：坡面隆起/破损、坡面开裂、陷穴、伸缩缝/勾缝脱落、排水设施开裂、排水设施淤塞、排水设施不足、边坡溜坍、危岩与崩塌落石、风化剥落、护坡结构内部疏松、护坡背后填土欠密实/空洞、脱空、护坡背后填土含水率与护坡区域地层岩性。

(2)基于护坡病害对邻近线路安全的影响程度，提出了4个护坡病害对铁路的危险性评价指标及评定标准。护坡病害对铁路的危险性评价指标：坡脚至线路中心距离、护坡高度、护坡长度与护坡坡率。

(3)对护坡病害自身严重性和对铁路的危害性各评价指标进行了分层和排序，通过层次分析法，得出各指标所占权重。对一特定既有边坡，护坡自身严重性和对铁路的危险性两种因素各处于不同等级，不同等级采用不同权重，提出采用动态加权综合评价模型评估护坡安全风险等级。

(4)经工程实例验证，基于AHP的动态加权综合评价模型可应用于运营期既有铁路路堑护坡风险评估。