公路邊坡安全模糊綜合預(yù)警方法

李元松，段 鑫，李 洋

（武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)預(yù)警研究涉及到工程地質(zhì)調(diào)查，數(shù)據(jù)庫(kù)建立，滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，信息采集、傳輸、處理和管理，預(yù)警判據(jù)的研究，預(yù)警模型和預(yù)警信息發(fā)布等眾多學(xué)科的交叉領(lǐng)域．其中，最為關(guān)鍵的問題是穩(wěn)定性判據(jù)與預(yù)警閥值的確定．由于地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜多變，人們對(duì)滑坡機(jī)理的認(rèn)識(shí)不足，盡管各類判據(jù)均有成功的案例，但仍存在高度的不協(xié)調(diào)和不統(tǒng)一，目前還處于探索階段［1－4］．模糊理論由于能綜合考慮各種不確定性因素的作用，特別適用于邊坡工程穩(wěn)定性預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)［5－8］．本文試圖將基于監(jiān)測(cè)與調(diào)查數(shù)據(jù)的幾種常用判據(jù)作為評(píng)價(jià)因子，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)與案例分析賦予各因子權(quán)重，運(yùn)用模糊邏輯推理，確定邊坡穩(wěn)定性綜合預(yù)警等級(jí)，為高速公路災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)建立提供科學(xué)的理論依據(jù)．

1 模糊評(píng)價(jià)步驟

模糊評(píng)判模型可分為多級(jí)模型，以一級(jí)模型為例，模糊綜合評(píng)判步驟可歸納為［9］：

a．建立評(píng)判因素集G＝｛g1，g2，…，gn｝．因素就是對(duì)象的各種屬性，它們能綜合反映對(duì)象的質(zhì)量，可由因素評(píng)價(jià)對(duì)象．

b．建立評(píng)判結(jié)果集H＝｛h1，h2，…，hm｝．評(píng)判集是適應(yīng)度的集合．

c．建立評(píng)判關(guān)系，即從G到F（H）的模糊映射：

f：G→F（H），?gi∈G

式中：rji為第j個(gè)因素對(duì)i個(gè)等級(jí)的隸屬度．

n個(gè)因素對(duì)m個(gè)等級(jí)評(píng)判隸屬度構(gòu)成的矩陣：

d．模糊綜合評(píng)判．對(duì)G中各因素有不同的權(quán)重，可表示為H中的一個(gè)模糊子集A＝（W1，W2，…，Wn），并且有在給定R，A之后，模糊綜合評(píng)判模型為B＝A?R．假設(shè)B＝（b1，b2，…，bm），它為H中的一個(gè)模糊子集．根據(jù)A?R的不同算法，相應(yīng)有不同的評(píng)價(jià)模型．

2 邊坡綜合安全預(yù)警模型

2．1 評(píng)價(jià)因子

2．1．1 安全系數(shù) 安全系數(shù)是指通過極限平衡法、極限分析理論或有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)．安全系數(shù)小于1，邊坡不穩(wěn)定；安全系數(shù)大于1，邊坡穩(wěn)定；安全系數(shù)等于1時(shí)，邊坡處于臨界狀態(tài)．安全系數(shù)適用于邊坡的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，是長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中的常用判據(jù)．

2．1．2 監(jiān)控點(diǎn)累計(jì)位移 滑坡預(yù)報(bào)的方法或手段有較多，但最有效的是位移監(jiān)測(cè)．在均質(zhì)巖土體與特定的環(huán)境條件下，邊坡的穩(wěn)定性與監(jiān)測(cè)監(jiān)控點(diǎn)的位移密切相關(guān)．隧道圍巖穩(wěn)定性位移判別是在隧道施工實(shí)測(cè)位移U與隧道極限位移U0之間建立判別準(zhǔn)則，即：U＜U0時(shí)，隧道圍巖穩(wěn)定；U＞U0時(shí)，隧道圍巖不穩(wěn)定．近年來，根據(jù)位移－時(shí)間曲線變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)邊坡滑動(dòng)時(shí)間是常用的方法．

2．1．3 邊坡變形速率 邊坡滑坡的發(fā)生屬圍巖物質(zhì)以一定的速度沿特定滑移面向下移動(dòng)所致．因此以物質(zhì)變形速率的大小作為滑坡發(fā)生的預(yù)報(bào)判據(jù)更直觀、更可靠．目前，業(yè)界都直接或間接使用邊坡變形速率作為判據(jù)對(duì)邊坡作出臨滑預(yù)報(bào)．但邊坡變形速率受邊坡圍巖物質(zhì)組成、變形破壞方式以及外界誘發(fā)因素等諸多因素影響，失穩(wěn)前的變形速率存在很大差異，要確定統(tǒng)一的邊坡變形速率判據(jù)是不現(xiàn)實(shí)的．用變形速率作為邊坡臨滑判據(jù)時(shí)，必須對(duì)所預(yù)報(bào)邊坡進(jìn)行深入的工程地質(zhì)調(diào)查分析．

2．1．4 變形加速度 大量滑坡實(shí)例的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：在重力作用下，邊坡巖土體的變形演化曲線具有如圖1所示的演化特征［10］．

研究結(jié)果表明，邊坡巖體進(jìn)入加速變形階段是滑坡發(fā)生的基礎(chǔ)和前提，加速變形階段對(duì)于滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要意義．加速度a＞0可以作為邊坡預(yù)警的一項(xiàng)指標(biāo)．

圖1 邊坡變形演變過程Fig．1 Evolution process of slope deformation

2．1．5 降雨強(qiáng)度 降雨量判據(jù)是指一定地區(qū)突降大暴雨或持續(xù)降大雨，降雨量達(dá)到一定量使?jié)撛谖ｋU(xiǎn)的邊坡圍巖發(fā)生失穩(wěn)和快速滑動(dòng)；屬于外施的臨界誘發(fā)判據(jù)，不同地區(qū)的邊坡結(jié)構(gòu)和地質(zhì)環(huán)境條件差異較大，誘發(fā)滑坡的臨界降雨量存在較大差異，仍然難以形成統(tǒng)一的通用判據(jù)．但是，由于降雨量易于監(jiān)測(cè)，特別易于連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，是目前使用較為成功的滑坡預(yù)警判據(jù)．

因此，選取上述5種判據(jù)作為評(píng)價(jià)因子，建立評(píng)價(jià)因子模糊集合：

U ＝ ｛u1，u2，u3，u4，u5｝

邊坡預(yù)警等級(jí)分為穩(wěn)定、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)，建立模糊集合：

V ＝ ｛v1，v2，v3，v4，v5｝

2．2 隸屬度的確定

對(duì)于上述離散型變量的隸屬度的取值，目前還沒有精確的確定方法，只能根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況評(píng)定，其值可參考表1［10－11］．

2．3 各因子權(quán)重的確定

確定評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性因子的權(quán)重有多種方法．因邊坡環(huán)境的復(fù)雜性、模糊性和不可逆性，用精確的數(shù)學(xué)模型難以求得評(píng)價(jià)因子的權(quán)重．往往由于對(duì)邊坡的地質(zhì)、力學(xué)條件和環(huán)境條件分析不夠，而過分地相信數(shù)學(xué)模型，反而使權(quán)重不盡合理；相反，根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)綜合判斷，其結(jié)論相對(duì)較為可靠．本文采用層次分析法，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)判斷建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，經(jīng)運(yùn)算確定權(quán)重，是一種較為合理、可行、新穎的系統(tǒng)分析方法［12－13］．層次分析法確定權(quán)重的矩陣T．

然后分別按下列步驟進(jìn)行和積法運(yùn)算：

第一步，將判斷矩陣每一列歸一化：

第二步，每一列歸一化的判斷矩陣按行相加：

依次求得A＝（a1，a2，…，am）T，即為所求權(quán)重向量．

A ＝ ｛0．16，0．20，0．17，0．24，0．23｝

4.2.6 觀察到的物像不見了 雖然使用顯微鏡能觀察到所要的物像，但一段時(shí)間后，卻找不到剛才的物像。此時(shí)有兩種情況：（1）顯微鏡的焦距仍正確，即視野內(nèi)其他物像仍清晰；（2）顯微鏡的焦距發(fā)生了改變，視野中不再有任何清晰的物像。解決方法：出現(xiàn)第一種情況的原因是臨時(shí)標(biāo)本中的水較多，或顯微鏡鏡身傾斜角度過大，或者兩者兼而有之，使得標(biāo)本中的物體在重力作用下向下移動(dòng)，離開了視野范圍。此時(shí)可以稍微向上調(diào)節(jié)載物臺(tái)的高度，并將鏡身直立。出現(xiàn)第二種情況的原因可能是由于粗準(zhǔn)焦螺旋軸上的齒輪與鏡筒上的齒條磨損松動(dòng)，造成鏡筒自動(dòng)下滑，需要實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員修理。

2．4 邊坡綜合預(yù)警

依據(jù)模糊綜合評(píng)判理論，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，按如下步驟確定預(yù)警等級(jí)：

a．預(yù)警級(jí)別＝｛正常，一級(jí)，二級(jí)，三級(jí)，四級(jí)｝；

表1 邊坡穩(wěn)定性相關(guān)因素隸屬度取值（離散型變量）Table 1 The value of membership degree of evaluation factor with slope stability

b．判據(jù)因子集 ＝｛累計(jì)位移，變形速率，變形加速度，一次累計(jì)降雨量，安全系數(shù)｝；

c．權(quán)重集合A＝｛0．16，0．20，0．17，0．24，0．23｝；

d．根據(jù)隸屬度函數(shù)，確定因素的模糊隸屬度，從而建立監(jiān)控點(diǎn)單因素評(píng)判矩陣R；

e．計(jì)算模糊評(píng)判集B＝A?R；

f．根據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則確定邊坡各監(jiān)控點(diǎn)的預(yù)警等級(jí)．

3 工程應(yīng)用

3．1 工程概況

宜巴高速第3標(biāo)段，K23＋353～K23＋373有一長(zhǎng)200 m，高60 m邊坡，出露基巖為白堊系下統(tǒng)五龍組強(qiáng)～中風(fēng)化粉砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，屬軟質(zhì)巖類，力學(xué)強(qiáng)度較不均勻；表層零星分布第四系殘坡積粘性土等松散土層．地下水為基巖裂隙水，水量受降雨控制，設(shè)計(jì)按五級(jí)開挖．由于其地質(zhì)環(huán)境條件，施工方法具有典型代表性，因此選擇該邊坡作為背景工程．設(shè)計(jì)降雨量監(jiān)測(cè)儀1臺(tái)，地表位移GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)，自2011年4月安裝，至今已積累大量數(shù)據(jù)．運(yùn)用上述多判據(jù)綜合模型，研究宜巴高速公路邊坡破壞的安全預(yù)警模式．

3．2 綜合預(yù)警

運(yùn)用上述綜合預(yù)警模型，對(duì)背景邊坡5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)兩年來的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)警判斷．兩次典型的預(yù)警數(shù)據(jù)及結(jié)果見表2．

由表2可以看出，兩次預(yù)警最危險(xiǎn)結(jié)果均達(dá)到Ⅲ級(jí)．上述各監(jiān)控點(diǎn)具有一定的代表性，其穩(wěn)定性狀態(tài)直接決定研究邊坡整體的穩(wěn)定性，由此可以進(jìn)一步推定研究邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；事實(shí)上，研究邊坡自加固竣工兩年來一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，與模型預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合．

表2 背景邊坡工程兩次典型預(yù)警信息Table 2 Studied slope samples used for model testing

4 結(jié) 語

a．邊坡穩(wěn)定性是一個(gè)模糊性非線性問題．模糊理論能恰當(dāng)?shù)靥幚眍愃七吰鹿こ谭€(wěn)定性等影響因素眾多，定量與半定量化混合的問題，能將專家經(jīng)驗(yàn)有效結(jié)合，邏輯推理明確，用于邊坡穩(wěn)定性安全預(yù)警可較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)單一判據(jù)的不足；

b．工程實(shí)例應(yīng)用表明，本文提出的公路邊坡模糊預(yù)警模型，數(shù)據(jù)獲取便捷，意義明確，效果良好．綜合預(yù)警結(jié)果表明：目前研究邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)．

致謝

本文的研究工作是在宜巴高速指揮部的支持幫助下完成的，在此表示誠(chéng)摯的謝意！

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