黃　健，左得奇，肖金武

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610059)

隨著西部大開發(fā)的推進(jìn)，高速公路建設(shè)在西南山區(qū)得到了快速發(fā)展。但是該區(qū)域又是我國地質(zhì)條件最為復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育，且對山區(qū)公路、通行車輛及人員的安全威脅最大的地區(qū)。如2012年6月28日，四川涼山冕寧縣一段省道發(fā)生巖石崩塌災(zāi)害，直接造成2輛車被埋，死亡7人；2016年7月27日，在建的雅康高速天全段發(fā)生一處滑坡，直接造成8根橋墩垮塌，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)500萬元以上?？梢?，山區(qū)公路建設(shè)、運營過程中，針對邊坡的穩(wěn)定性評價及安全預(yù)警顯得尤為重要。

邊坡穩(wěn)定性分析是一個多因素的綜合評價過程[1-4]，常用的方法有模糊綜合評價法[7]、綜合指數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[4]。多因子權(quán)重的大小則常采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[1-2]、相互作用關(guān)系矩陣法[4]等來確定。考慮到山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評價過程中所涉及的多因素具有明顯的不確定性及難以量化等特點，本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合山區(qū)典型公路邊坡的具體特征，建立邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，分別利用灰色關(guān)聯(lián)分析法與綜合指數(shù)法構(gòu)建了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價方法，并針對目前普遍使用智能手機(jī)的現(xiàn)象，結(jié)合智能手機(jī)終端與高德地圖服務(wù)，進(jìn)一步利用Android二次開發(fā)技術(shù)，綜合集成地圖、氣象、公路邊坡等數(shù)據(jù)，研發(fā)了集定位、導(dǎo)航、邊坡穩(wěn)定性動態(tài)評價及實時預(yù)警提示功能為一體的山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅方便了大眾，更為地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)研究提供了一條新的途徑。

1　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評價方法

1. 1　建立邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系

邊坡穩(wěn)定性影響因素多，一般可分為控制因素和誘發(fā)因素兩類。邊坡形態(tài)(高度、坡度)、地質(zhì)條件(巖性、風(fēng)化程度)和巖體結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面組合、結(jié)構(gòu)面形態(tài))是控制邊坡穩(wěn)定狀況的關(guān)鍵因素，而水的作用(降雨、地下水)以及地震、人類工程活動是邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)因素[3-4]。因此，綜合已有的研究成果，本文建立了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，見圖1。

圖1　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系Fig.1　　　　Evaluation index system for stability analysis of road slope in mountain area

1. 2　評價指標(biāo)權(quán)重的確定

本文以安徽湯屯高速公路近40處邊坡詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)作為樣本，利用半定量專家取值法實現(xiàn)指標(biāo)的量化[4]，如巖體強(qiáng)度指標(biāo)取值詳見表1。基于此，以邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為參考數(shù)列，P1～P5為比較數(shù)列，計算關(guān)聯(lián)度，并對其加權(quán)平均后得到各指標(biāo)的權(quán)重，即{k1,k2,k3,k4,k5}={19.571 5,19.529 0,19.689 1,20.307 2,20.903 2}。

表1　巖體強(qiáng)度指標(biāo)(P3)取值[4]Table 1　Index of rockmass intensity (P3)[4]

1. 3　建立邊坡穩(wěn)定性快速評價方法

本文利用綜合指數(shù)法建立了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價方法，即計算邊坡不穩(wěn)定指數(shù)(?)，其中降雨作為誘發(fā)因素，并考慮對結(jié)構(gòu)面與巖體結(jié)構(gòu)類型指標(biāo)進(jìn)行修正。邊坡不穩(wěn)定指數(shù)?的計算公式為

式中:Pi為指標(biāo)i的取值；ki為指標(biāo)i的權(quán)重；φi為指標(biāo)i的降雨修正系數(shù)，φ1，2，3=1.0，φ4，5=1.5。

根據(jù)上述方法，利用收集的40處典型邊坡樣本數(shù)據(jù)，通過對邊坡不穩(wěn)定指數(shù)進(jìn)行等級劃分，得到了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性的等級區(qū)間，見表2。

表2　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性的等級區(qū)間Table 2　　　　Rating intervals of road slope stability in mountain area

為了進(jìn)一步檢驗方法的可靠性，利用該方法對安徽黃桃塔高速公路沿線邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評價，其推測結(jié)果與定性評價結(jié)果吻合度可達(dá)80%以上，表明所建立的邊坡穩(wěn)定性快速評價方法具有可靠性，也為軟件平臺研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

2　基于Android的山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價系統(tǒng)的研發(fā)

Android是基于Linux內(nèi)核，采用Java語言編寫的主要應(yīng)用在移動設(shè)備終端的一套開源系統(tǒng)。由于其市場占有率高，應(yīng)用程序開發(fā)難度不大，因此得到了廣大用戶的歡迎，并且開發(fā)出了諸多優(yōu)秀的應(yīng)用軟件，如奧維互動地圖等。利用該技術(shù)不僅可以實現(xiàn)山區(qū)公路邊坡信息化管理，而且還可以結(jié)合實時的降雨數(shù)據(jù)，實現(xiàn)山區(qū)公路邊坡安全預(yù)警功能，保障行駛中的車輛及人員安全。

2. 1　系統(tǒng)的架構(gòu)

山區(qū)公路邊坡安全快速評價系統(tǒng)(MS_APP)由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)傳輸層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用層組成，見圖2。數(shù)據(jù)庫主要存儲了山區(qū)公路邊坡基礎(chǔ)屬性信息、氣象降雨數(shù)據(jù)和高德地圖平臺；業(yè)務(wù)邏輯層主要實現(xiàn)邊坡不穩(wěn)定指數(shù)計算、空間信息服務(wù)及導(dǎo)航規(guī)劃功能；應(yīng)用層則是在邏輯層分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)邊坡安全提示與預(yù)警。

圖2　　　　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價系統(tǒng)(MS_APP)的架構(gòu)Fig.2　　　　System architecture of fast evaluation system for road slope stability in mountain area (MS_APP)

2. 2　系統(tǒng)的總體設(shè)計

山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計，見圖3。針對山區(qū)公路邊坡具有線狀分布的特點，利用高德地圖平臺提供的地圖服務(wù)，通過二次開發(fā)實現(xiàn)定位、導(dǎo)航、路線規(guī)劃等基礎(chǔ)功能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化地圖模塊，加載邊坡點位、屬性及動態(tài)穩(wěn)定性評價結(jié)果等信息，實現(xiàn)用戶交互式操作、終端與服務(wù)器的實時同步等功能。

圖3　山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計圖Fig.3　Dataflow design graph of MS_APP system

用戶登陸系統(tǒng)后，可以實時查看所在范圍內(nèi)的邊坡點信息，包括坐標(biāo)、類型等；服務(wù)器端通過調(diào)用實時天氣信息，利用建立的邊坡穩(wěn)定性評價方法，自動分析此時邊坡的穩(wěn)定狀況，實時推送給用戶，并在系統(tǒng)界面動態(tài)顯示。

2. 3　系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計要求，實現(xiàn)相應(yīng)的功能模塊涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)包括邊坡穩(wěn)定性狀況動態(tài)評價和空間地圖實時同步。

邊坡穩(wěn)定性狀況動態(tài)評價模塊主要是基于前述建立的計算方法，指標(biāo)數(shù)據(jù)源自現(xiàn)場調(diào)查，通過將其錄入數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)自動實現(xiàn)指標(biāo)量化處理，并計算對應(yīng)的邊坡不穩(wěn)定指數(shù)。針對降雨條件下的修正，則是通過調(diào)用高德地圖平臺提供的Weather類進(jìn)行降雨工況的邊坡不穩(wěn)定指數(shù)計算，得到實時的邊坡穩(wěn)定性狀況，并存儲于數(shù)據(jù)庫中，便于動態(tài)調(diào)用顯示。

空間地圖實時同步模塊主要是通過調(diào)用高德地圖平臺提供的二次開發(fā)類庫中的Amap類、Location類、Search類、Navimap類，分別實現(xiàn)路線規(guī)劃與顯示、定位、周邊搜索及實時提醒功能。當(dāng)用戶啟動系統(tǒng)進(jìn)行車輛行駛路線導(dǎo)航功能時，系統(tǒng)自動調(diào)取沿線邊坡當(dāng)前穩(wěn)定性信息，并以紅色標(biāo)示、語音通報等方式反饋給用戶，便于用戶知曉此時公路邊坡的穩(wěn)定性，及時作出相應(yīng)的決策與措施。

2. 4　系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與應(yīng)用

為了檢驗山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價系統(tǒng)的可靠性和實用性，本文以105省道某典型山區(qū)公路邊坡為應(yīng)用測試案例進(jìn)行檢測。該邊坡為變質(zhì)砂巖組成的緩傾順向坡，其穩(wěn)定性差，強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生整體失穩(wěn)。該邊坡基本地質(zhì)信息見表3。

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與展示效果見圖4。其中，圖4(a)、(b)主要是地圖導(dǎo)航功能的實現(xiàn)，用戶可以通過輸入起點與終點來確定行車路線，完成路線規(guī)劃；圖4(c)為用戶進(jìn)入導(dǎo)航功能模塊后，系統(tǒng)自動搜索當(dāng)前位置周邊500 m范圍內(nèi)的已有邊坡信息，并以相應(yīng)的顏色進(jìn)行標(biāo)示，即：紅色對應(yīng)邊坡穩(wěn)定性極差、橙色對應(yīng)邊坡穩(wěn)定性差、黃色對應(yīng)邊坡穩(wěn)定性一般、藍(lán)色對應(yīng)邊坡穩(wěn)定性良好，當(dāng)用戶行駛車輛進(jìn)入邊坡位置150 m范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)會通過語音播報的形式告知

表3　某邊坡基本地質(zhì)信息Table 3　Geology information of a slope

圖4　系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與應(yīng)用 Fig.4　Realization and application of the software functionalities

用戶；圖4(d)為當(dāng)前用戶正在通過一處危險等級的邊坡，即系統(tǒng)測試案例，系統(tǒng)以動態(tài)語音提示用戶，前方存在一處穩(wěn)定性極差的邊坡，需要注意安全。

由此可見，該系統(tǒng)可以輔助用戶進(jìn)行行駛路線的規(guī)劃，幫助用戶提前選擇安全性較高的路線通行；如果必須通行具有一定危險性的路段，在行駛過程中系統(tǒng)會動態(tài)給予提示或預(yù)警，在一定程度上保障了通行車輛及人員的安全。

3　結(jié)　論

本文通過對已有研究成果的總結(jié)，重點考慮西南山區(qū)公路邊坡的特點，選取具有代表性的邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法與綜合指數(shù)法建立了邊坡穩(wěn)定性快速評價方法，并在此基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代智能手機(jī)終端平臺Android二次開發(fā)技術(shù)以及高德地圖平臺空間數(shù)據(jù)服務(wù)等資源，綜合集成邊坡信息、實時氣象降雨信息、邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果等數(shù)據(jù)，研發(fā)了山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性快速評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性狀況的快速評價、存儲及同步個人終端等功能，便于用戶在出行之前進(jìn)行安全路線規(guī)劃，為行駛在山區(qū)公路上的通行車輛提供了一定的安全保障。

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