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摘 要：

由于高原库区滑坡体的特殊高原地质构造，传统单一信息源的滑坡安全评价方法已经难以满足工程安全的需要。为此，采用多源信息融合技术、熵权法和层次分析法实现了数据信息的融合，基于监测数据构建了动态权重函数，并通过层次分析法建立了滑坡安全评价指标体系。通过对滑坡初始结构强度计算结果、滑坡的地质构造信息及监测数据的融合，分别由熵权法和层次分析法计算了三者的权重ω1和ω2,进一步融合计算了中间层综合权重ω,依据边坡评价标准，实现了动态安全评价滑坡的目的。由工程实例可知：该评价方法可以较全面地评价高原库区滑坡的安全性态，评价结果与工程实际相符，为高原库区滑坡的评价工作提供了新的方法。

关键词：

滑坡体;高原库区;安全评价;多源信息;

作者简介：

杨军(1977—),男，高级工程师，局长，硕士，主要从事水利工程建设管理和关键技术研究。

*田振华(1986—),男，高级工程师，副主任，硕士，主要从事水利工程结构安全分析和评价。

基金：

国家重点研发计划(2018YFC);

引用：

杨军, 旺加, 吕梽槟, 等. 基于多源信息融合的高原库区滑坡动态安全评价研究[ J] . 水利水电技术(中英文), 2022, 53(4): 165- 171.

YANG Jun, WANG Jia, LYU Zhibin, et al. Multi-source information fusion-based study on dynamic safety evaluation of landslide in plateau reservoir area[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(4): 165- 171.

0 引 言

由自然资源部发布2020年全国地质灾害统计报告显示,全年全国共发生地质灾害7 840起，其中滑坡4 810起、崩塌1 797起、泥石流899起、地面塌陷183起、地裂缝143起、地面沉降8起。据此可得，滑坡依然是我国最主要的地质灾害之一，确保滑坡的安全对国民经济和社会发展具有重要意义。特别是库区边坡滑坡体的安全性不仅影响水利枢纽工程的整体安全性，还关系到该地区的供水、灌溉、用电等经济及社会的安全。所以水库库区的滑坡较之一般滑坡，其安全性要求更高。我国中东部人口密集、经济发展较为快速的地区，对边坡、滑坡监测的投入大，滑坡的监控系统化高、灾害处理机制较为完善。而我国高原地区由于范围大、人员资金少等问题，对于滑坡体的监控和评定工作则需进一步加强。其中，实时化、动态化评定滑坡的安全是最突出的难题。随着高原地区水利建设的大力发展以及测绘、检测监测技术的发展，获取滑坡体的信息越来越多,针对高原地区地质地貌的特点，综合分析数据，动态评价滑坡的安全与风险，就显得尤为重要。

目前对库区边坡及滑坡的稳定性和安全性的评价多基于计算模拟或者对单一监测数据进行分析，没有有效地结合地质、地貌、结构计算等方面动态的评价其安全性。如：陈俊生等基于监测数据和资料分析评价了江坪河水电站梅家台滑坡体的安全状态；胡德秀等结合监测资料采用了突变理论对边坡进行安全评价；王双等引进物质点强度折减法评价边坡的稳定性；杜岩等研究了平推式滑坡的成因机制并评价了其稳定性。由于滑坡安全受外形特征、滑面特点、滑带强度、近期活动、河流作用、后缘加载、暴雨影响、地震影响等诸多因素的影响，单一的根据监测数据的评价结果不够精准，容易受数据的噪声波动的影响。因此为了提高评价结果的精度，就需要对滑坡的多源信息进行安全评价。为了解决由于信息的多源性和信息量纲的不同而不易实现对对象同一尺度的度量，本文引进多源信息融合方法。此方法已经在隧道、矿冶、农业、交通管网等工程领域得到较好的应用。例如：阮竹恩、王怀洪、谢超及施龙青分别应用不同的方法实现了煤矿隧道的底板突水灾害评价的多源信息融合；LI等基于改进证明理论的多源信息融合分析了管道涌水灾害；李红霞等采用了多源信息融合方法对天然气管网风险进行评价；蒋复量等利用多源信息融合的特点及优势较好地评价了矿岩可爆性。在水利工程方面，杨柳等基于多源信息融合决策方法完成了灌区生态环境评价指标的优选；郭宝航等运用多源信息融合方法提出了长距离引水工程结构安全风险的评价方法。综上可知，大量的工程实例已经验证了多源信息融合方法的稳定性和可行性，而目前该方法在高原库区边坡的评价和分析的问题上没有被较好地探讨和应用。本文采用熵权法和层次分析法进行滑坡的多源信息融合，基于监测数据建立动态权函数，综合运用滑坡的结构计算数值、滑坡特征、监测数据等信息动态地评价滑坡的安全性态。

1 库区滑坡安全的控制因素

根据工程生命周期，库区滑坡的安全评价工作主要分为施工期和运行期。其中施工期以结构强度计算信息、滑坡特征信息为主要的安全评价信息源；运行期以结构强度计算信息、滑坡特征信息和监测数据信息为主要的安全评价信息源。由于各库区边坡和滑坡具有各自的特点以及评价信息源具有较大的差异性，其安全控制因素的表征指标会有所区别和不同。本文依据青藏高原某水利工程的滑坡，研究和构建不同时期的安全评价指标体系，从而可以进行之后的指标赋权工作。该工程在施工周期与滑坡相关的评价指标信息包括不同工况下的结构强度计算结果和滑坡特征信息，施工期具体安全评价指标信息如表1所列。

该工程在运行周期与滑坡相关的评价指标信息包括不同工况下的结构强度计算结果、滑坡特征信息和监测数据信息。运行期具体安全评价指标信息如表2所列。

2 评价模型的构建

由于传统的单一滑坡安全评价方法容易使得评价模型的鲁棒性不高，采用多种评价方法进行权重融合则可以提高评价结果的稳定性和精度。本文运用熵权法和层次分析法进行综合评价。

2.1 熵权法

熵权法(Entropy Weight Coefficient Method),是一种客观地将多因素进行量化与综合，并对各因素进行赋值，体现评价指标间的变异性，计算各因素对评价目标影响程度的决策融合方法。通常，若某个因素指标的熵值越大，说明该因素指标包含的信息量越少，对评价对象的影响程度越小，其所占的评价权重越小，反之则权重越大。熵权法的计算一般分三步进行：

第一步，对因素指标进行无量纲化处理，得到归一化数值，即

第二步，根据信息论计算各因素指标的信息熵如下

最后一步，通过信息熵计算各指标的熵值权重，即

式中，xij为各指标的数值；K1为原始指标的数据标准化值；Pij为归一化数值；ej为信息熵；ω1为熵值权重；n为样本数；m为指标个数。

对于滑坡的不同阶段，其初始安全计算信息及滑坡特征信息都会发生变化，信息熵权也随着其改变而变化，特别是监测数据信息的突变。对于滑坡的安全主控因素——单位时间的位移量，即变形速率，基于变形速率的大小级数进行权重赋值从而实现动态赋权的目的。

2.2 层次分析法权重

层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一种多目标、定性与定量相结合、不同信息权重融合的决策评价方法。该方法根据评价的目标对象、评价指标的层次结构和评价的表征指标将各个层次分为最高层、中间层和最低层。对最低层的指标按照对工程安全的影响程度进行同一尺度下赋分。一般地，赋分方法有1～5和1～9两种，本文采用后者进行赋分计算权重，通过一致性检验后便可得层次分析法的权重ω2。对于滑坡的层次安全评价体系，其最高层为滑坡的安全性态；施工周期的中间层为结构强度计算信息和滑坡特征信息，运行期的中间层为结构强度计算信息、滑坡特征信息和监测数据信息。由库区滑坡安全的控制因素可以构建滑坡安全评价指标体系，评价指标体系层次的结构如图1所示。为了动态评价滑坡的安全性态，按照滑坡不同工作周期进行赋分，本文进行施工期和运行前期两种周期的安全评价。

图1 滑坡评价指标体系层次结构

2.3 动态权重融合

由以上可得的熵权法权重ω1和层次分析法权重ω2,两种进行线性相加便可得到融合综合权重ω如下

式中，ω为融合权重；ω1为熵权法权重；ω2为层次分析法权重；a1为熵权法的权重系数；a2为层次分析法的权重系数，其中a1+a2=1。

以两种权重的最小平方和Ymin为边界条件，可得约束方程为

由计算可得a1=a2=0.5,故综合权重为

3 案例分析

3.1 工程概况

西藏某水利枢纽及配套灌区工程位于西藏自治区日喀则市西部、雅鲁藏布江以南萨迦县和桑珠孜区，是雅鲁藏布江右岸一级支流夏布曲干流上的控制性工程。该工程包括枢纽工程和配套灌区工程，其中坝址区位于夏布曲干流距拉洛乡下游6 km峡谷进口河段。本工程由枢纽工程和配套灌区工程组成，为大(2)型Ⅱ等工程。枢纽控制流域面积3 366 km2,多年平均径流量4.45亿m3,多年平均输沙量120.9 t, 水库总库容2.965亿m3,调节库容1.305亿m3,正常蓄水位4 298 m。两岸斜坡共分布滑坡8个，左岸2个，右岸6个，各滑坡距坝轴线0.31～0.86 km(除位于左坝肩HB11#滑坡外)。本文以高原库区滑坡中编号HB2#和HB3#的滑坡为例进行评价研究。

3.2 滑坡安全评价指标的多源信息及赋值

评价滑坡安全的控制因素包括结构强度计算信息、滑坡特征信息和监测数据信息。三部分结合具体工程进行指标权重赋值。

3.2.1 结构强度计算信息

施工前期的HB2#滑坡体和HB3#滑坡体稳定计算结果分别如表3和表4所列。HB2#滑坡和HB3#滑坡加固后的稳定计算结果分别如表5和表6所列。结构强度计算指标赋值抗滑稳定安全系数计算值K与安全标准K0的比值为评判标准，具体赋值如表7所列。

3.2.2 滑坡特征信息

HB2#属岩质滑坡，两侧为凹槽，后缘为陡壁，前缘抵夏布曲，形成高10～20 m陡坎，前部地形稍缓，中、后部较陡；滑体物质上部为碎石土、下部为解体岩石；滑体厚5～25 m。HB3#属岩质滑坡，两侧以冲沟为界，后缘为陡壁，前缘抵夏布曲，形成高5～22 m陡坎；前部呈台地，中、后部地形较陡，坡度40°;主滑方向为南东。滑体物质为解体岩石，滑体厚3～25 m。HB2#和HB3#滑坡基本特征如表8所列。该工程滑坡的评价指标的赋值如表9所列。

3.2.2 监测数据信息

本工程针对滑坡规模较大的HB2#、HB3#滑坡体进行了监测，包括外部变形、内部变形。由监测资料将监测值x和速率dx分为4个安全级别，具体每个级别的赋值如表10所列。

3.3 多源信息权重融合

首先计算施工前期熵权：构建原始数据矩阵

可得ej=(0.826,0.941,0.926,…,0.952,0.997,0.912),进而计算ω′1=(0.10,0.02,0.04, …,0.03,0.01,0.05)矩阵等权加和得到中间层结构强度计算结果和滑坡特征信息的权重ω1=(0.71, 0.29)。

接着计算层次分析法权重，首先进行各指标赋分，赋分原则见上文，并通过一致性检验，最后根据最大隶属度原则进行评价，具体计算步骤详见文献[19],本文不再赘述，便得到中间层ω2=(0.64, 0.32)。

由ω1和ω2的值，可得施工前期综合权重ω=0.5ω1+0.5ω2=(0.675, 0.325)。

同理可以计算运行期滑坡的中间层综合权重ω=(0.395, 0.150,0.455)。

[19] 郭宝航，张社荣，王超，等.基于多源信息融合的长距离引水工程结构安全风险评价方法[J].水电能源科学，2020,38(6):84-88.GUO B H,ZHANG S R,WANG C,et al.Structural safety risk assessment method for long-distance water diversion project based on multi-source information fusion[J].Hydroelectric Energy Science,2020,38 (6):84-88.

3.4 滑坡安全评价结果

依据边坡的评价标准,通过对该工程滑坡安全评价指标体系的研究，将滑坡等级分为五类。滑坡的五类安全等级分别为Ⅰ类(安全)、Ⅱ类(基本安全)、Ⅲ类(较安全)、Ⅳ类(不安全)和Ⅴ类(极不安全),其中每个等级对应评价标准为(0～1. 00)、(1.00～2.00)、(2.00～3.00)、(3.00～4.00)、(4.00～5.00)。

施工前期综合权重ω=(0.675, 0.325),HB2#滑坡目标评价V=ω·F=(0.675, 0.325)·(2.78,2.43) =2.67,其中中间层的评价F由层次分析法的专家打分得到。故施工前期HB2#滑坡属于Ⅳ类滑坡，不安全。同理可计算施工前期HB3#滑坡V为2.73,所以HB3#滑坡也属于Ⅳ类滑坡，不安全。

为了验证方法的可靠性，分别计算运行期HB2#、HB3#滑坡的评价值为0.87,0.83,故在运行期HB2#、HB3#滑坡为Ⅰ类，安全。

根据该水利枢纽工程蓄水安全鉴定报告可知，施工前期的边坡不符合安全规范，运行期的边坡符合安全规范。说明该滑坡安全评价方法与工程安全鉴定的结果一致，则该方法能够满足工程的实际需要。

4 结 论

本文基于熵权法和层次分析法构建了高原库区滑坡的多源信息评价体系，结论如下：

(1)综合熵权法和层次分析法的特点和优点是可以优化评价指标的赋权方法，该方法能够实现对高原库区滑坡多源信息评价指标的融合。基于监测数据的动态赋权的评价方法能够对滑坡体的不同时期进行安全性态评价。

(2)由工程算例可知，多源信息方法的评价结果与安全鉴定报告结果一致，能够动态反馈滑坡的安全性态。说明该评价方法合理可靠，能够为高原库区滑坡的安全评价工作提供更高效的方法。

(3)由于滑坡的结构强度计算涉及到对滑坡体的地质勘探，本文的结构强度计算只进行了初始计算和加固后的计算。可以在工程运行五年或者十年后，再次对滑坡的地质勘探和强度计算，进一步提高评价结果的准确性。

水利水电技术（中英文）

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