基于模糊數(shù)學(xué)和Geo-Studio的滑坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

梁衛(wèi) 盧書強(qiáng) 劉欣

摘要：不確定分析方法可以多層次、多范圍量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，更好的反映各個(gè)影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的數(shù)值聯(lián)系。本研究應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)和Geo-Studio數(shù)值模擬對(duì)譚家河滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以分析。模糊數(shù)學(xué)得出隸屬度最大值為0.373，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值模擬滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.046，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，并結(jié)合位移監(jiān)測(cè)資料，得出滑坡最大位移位于滑坡中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG289，位移累計(jì)達(dá)2.4m。本次研究為后續(xù)的評(píng)價(jià)和治理提出理論依據(jù)和參考。

Abstract： The uncertainty analysis method can quantify the evaluation index at multiple levels and ranges， better reflect the numerical connection between each influencing factor and evaluation index. In this study， Fuzzy mathematics and Geo-Studio numerical simulation were applied to evaluate the stability of TanJiahe landslide. Fuzzy mathematics shows that the maximum membership degree is 0.373， the landslide is in an understable state. The numerical simulation shows that the stability coefficient of the landslide is 1.046， and the landslide is in an understable state. Combined with the displacement monitoring data， it is concluded that the maximum displacement of the landslide is located at the monitoring point ZG289 in the middle of the landslide， cumulative displacement is 2.4m. The results obtained by the two different analysis methods are consistent which effectively explains the stability of the landslide provides theoretical basis and reference for the subsequent evaluation and treatment.

關(guān)鍵詞：模糊數(shù)學(xué);Geo-Studio數(shù)值模擬;穩(wěn)定性評(píng)價(jià);譚家河滑坡

Key words： fuzzy mathematics;Geo-Studio numerical simulation;stability evaluation;Tanjiahe landslide

中圖分類號(hào)：P642.22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0264-04

0? 引言

滑坡作為我國常見的地質(zhì)災(zāi)害，尤其是在三峽庫區(qū)，自2003年蓄水以來，庫區(qū)上游諸多滑坡變形加劇，對(duì)人們的生產(chǎn)和生活都存在很大的威脅。地質(zhì)災(zāi)害方面的研究日漸成熟，已經(jīng)有很多專家學(xué)者研究出一系列理論對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警以及治理方法。1965年美國控制論專家L.A.Zadeh提出了模糊數(shù)學(xué)這一概念之后，模糊數(shù)學(xué)這種方法在很多領(lǐng)域開始得到應(yīng)用，可以用于礦產(chǎn)資源的評(píng)價(jià)，邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)判，本次研究主要是將這一理論結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在研究的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的治理措施。

模糊數(shù)學(xué)理論結(jié)合極限平衡法可以得出滑坡穩(wěn)定性，薛聰聰、盧書強(qiáng)結(jié)合這兩種方法對(duì)三峽庫區(qū)臥沙溪滑坡進(jìn)行研究，得出此滑坡目前處于不穩(wěn)定階段[1]。劉伊凡將模糊數(shù)學(xué)理論和數(shù)值分析方法結(jié)合，對(duì)三峽庫區(qū)白家包滑坡進(jìn)行研究，得出此滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)[2]。彭東黎通過模糊數(shù)學(xué)理論和AHP層次分析權(quán)重確定方法對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性多級(jí)評(píng)價(jià)，以某一高速公路邊坡為例，研究得出此高速公路邊坡評(píng)價(jià)等級(jí)為第三級(jí)，處于較不穩(wěn)定狀態(tài)[3]。模糊數(shù)學(xué)具有模型簡單、易掌握、多層次及定量化的特點(diǎn)，在滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用[4]。模糊數(shù)學(xué)在礦山災(zāi)害工程中也有很多應(yīng)用，王繼以某礦山為例，將地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)分為四個(gè)等級(jí)，求出該礦山地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)較高[5]。本文先采用模糊數(shù)學(xué)理論求解滑坡穩(wěn)定性系數(shù)，然后采用Geo-Studio數(shù)值模擬以及滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多方面證實(shí)理論分析滑坡穩(wěn)定性求解的可靠性。

1? 工程概況

譚家河滑坡位于湖北省秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)范家坪村一組，長江右岸涉水浮托減重型滑坡，大地坐標(biāo)：經(jīng)度110°29′36″，緯度31°02′08″。距三峽大壩壩址56km，是廣義的范家坪滑坡的東塊，是一個(gè)古老的特大型巖質(zhì)滑坡。滑體以第四系崩坡積碎塊石土為主，棕黃色，土為粉質(zhì)粘土，碎塊石成分為砂巖、粉質(zhì)砂巖以及泥巖等，碎塊石粒徑0.1m～0.3m不等，土石比為5：5～3：7。滑帶土年齡距今110萬年左右，受滑坡動(dòng)力作用影響，主要由滑體受擠壓形成重粉質(zhì)亞粘土及角礫組成。重粉質(zhì)亞粘土為黃灰色，硬塑狀。角礫成分為砂巖、泥巖，礫徑0.1～2mm不等，滑帶整體土石比為6：4～8：2?？碧劫Y料顯示滑床由兩套巖性構(gòu)成，侏羅系下統(tǒng)香溪組層狀石英砂巖、粉砂塊裂巖組成。順層段滑床由香溪組下段薄-中厚層炭質(zhì)粉砂巖組成，切層段滑床由香溪組中段褐黃色中厚-厚層狀石英砂巖組成?；w左側(cè)邊界測(cè)得基巖產(chǎn)狀為：0°∠28°。具體參數(shù)見表1。

滑坡前緣位于135m，后緣高程432m?；缕旅嫘纬啥鄺l沖溝，左右邊界以較深沖溝為界，滑坡所處斜坡為順斜向坡，地貌上為一典型的圈椅狀凹槽地形，中下部為平緩斜坡，上部為圈椅狀較陡斜坡。見圖1、圖2。

滑坡平面形態(tài)呈靴形，剖面形態(tài)呈階狀，坡度25°?；聦?00m，縱長1000m，面積40×104m2，平均厚度40m，體積約1600×104m3，主滑方向340°。

2? 模糊數(shù)學(xué)在滑坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

模糊數(shù)學(xué)理論采用的是隸屬度原則和模糊交換原則，需要建立因素集和評(píng)價(jià)集，通過確定研究對(duì)象的多種影響因素，多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后將有效數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，最終得到各層次因素影響結(jié)果。根據(jù)滑坡穩(wěn)定性可以將滑坡評(píng)價(jià)（μ）分為四級(jí)，建立評(píng)價(jià)分級(jí)集合

2.1 建立模糊數(shù)學(xué)模型

通過對(duì)譚家河滑坡穩(wěn)定性影響因素多方面綜合考慮，可以總結(jié)出6個(gè)一級(jí)影響指標(biāo)（水文地質(zhì)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、庫水位變化速率、其他因素），15個(gè)二級(jí)影響指標(biāo)，建立譚家河多層次模糊數(shù)學(xué)理論模型如表2。

2.2 確定影響滑坡穩(wěn)定性因素隸屬度

結(jié)合（表1）模糊數(shù)學(xué)理論模型，將影響因素兩兩進(jìn)行比較，通過具體的量化數(shù)值得出隸屬度。

上式中：ai為影響因素下限值，bi為影響因素上限值，xi為影響因素實(shí)際值此次研究采用的模糊擬合中“升半梯型”線性隸屬度函數(shù)，處理后的指標(biāo)如表3。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)譚家河滑坡勘察和地質(zhì)調(diào)查，前緣涉水長度確定15個(gè)二級(jí)影響指標(biāo)的隸屬度?；抡w寬度400m，涉水寬度達(dá)300m，據(jù)雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，最大日降雨量達(dá)85mm;滑坡坡度25°，滑坡體右側(cè)邊界內(nèi)側(cè)與公路交叉處，公路軸線向外偏移，擋墻中心線外移，公路及擋墻下沉60cm，路面破損嚴(yán)重，呈碎塊狀。右側(cè)邊界為縱向裂縫，斷續(xù)相連，直通后緣，裂縫走向350°，寬0.1～0.2m，新張裂縫寬3～5mm。右側(cè)邊界中部縱向張拉裂縫，縫寬2～3cm，走向0°，呈雁列式分布，左右兩側(cè)垮塌;滑體微風(fēng)化，風(fēng)化厚度達(dá)40m;2018年7月份水庫蓄水速度最大可達(dá)3m/d，最大泄洪速度最大約0.6m/d;工程活動(dòng)微弱。將資料模糊數(shù)學(xué)模型可得模糊矩陣R

B=W·R可以得出模糊評(píng)判集B={0.061 0.251 0.373 0.267}，從滑坡評(píng)判集數(shù)值可以看出，隸屬度最大為0.373，通過滑坡評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等級(jí)為欠穩(wěn)定（μ3），所以模糊數(shù)學(xué)分析得出滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3? 基于Geo-Slope數(shù)值模擬對(duì)滑坡的分析

Geo-Slope是常用分析滑坡穩(wěn)定性軟件，本研究取滑坡I-I縱剖面（圖1）建立滑坡模型，采用Morgenstern-Price極限平衡分析方法。庫水位變化采用2014～2018年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如（圖3），滑坡參數(shù)采用勘察資料（表1）。模型建立設(shè)計(jì)到二級(jí)影響指標(biāo)I11、I12、I21、I23、I41、I42、I43、I44、I51、I52、I61，據(jù)勘探資料可知滑坡滑帶深度和滑體厚度，所以滑動(dòng)面采用指定滑移面。建立模型如圖4，經(jīng)過分析近五年庫水位變化-降雨-滑坡特征等諸因素，求出最小穩(wěn)定系數(shù)為1.046，由此可知滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

利用Geo-Sigma可以模擬出滑坡變形最大的部位如圖5，并結(jié)合檢測(cè)點(diǎn)位檢測(cè)數(shù)據(jù)圖（圖6）進(jìn)行對(duì)比，證明模擬結(jié)果的可靠度。

經(jīng)過數(shù)值模擬可以計(jì)算出滑坡最大位移累計(jì)量達(dá)到2.4m，且最大位移位于滑坡中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG289，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)位移2.3m基本相吻合，位于滑坡后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG287、ZG288累計(jì)位移約2.2m，ZG290累計(jì)位移約1.5m，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)滑坡位于滑坡前緣，累計(jì)位移較小，滑坡變形后部較大，而前緣變形較小，這證明該滑坡為推移式滑坡[5]。可以說明數(shù)值模擬穩(wěn)定性結(jié)果可靠度較高。

4? 模糊數(shù)學(xué)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

模糊數(shù)學(xué)分析涉及到二級(jí)15個(gè)影響因素，Geo-Studio數(shù)值模擬只涉及到二級(jí)11個(gè)影響因素，地表裂縫發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、地震烈度等其他因素在數(shù)值模擬中未明顯體現(xiàn)出來，這四種影響因子在模糊數(shù)學(xué)分析中的權(quán)重分別為0.017、0.017、0.017、0.025，這幾種影響因子權(quán)重較小，所以在一定程度上對(duì)模糊數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。模糊數(shù)學(xué)得到滑坡穩(wěn)定性為欠穩(wěn)定狀態(tài)，但沒有具體的量化值反應(yīng)欠穩(wěn)定程度。數(shù)值模擬得出滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.046，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)值模擬分析雖然考慮的影響因素沒有模糊數(shù)學(xué)全面，但有具體的量化穩(wěn)定性系數(shù)值，可以反應(yīng)出滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的程度。結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、地震烈度作為地質(zhì)構(gòu)造二級(jí)指標(biāo)，通過實(shí)際GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以很好的反映滑坡數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。這些地質(zhì)構(gòu)造類因素對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此模糊理論分析和數(shù)值模擬在結(jié)果上沒有太大的差別。

5? 結(jié)論

①模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)譚家河滑坡理論分析，通過6類一級(jí)指標(biāo)和15類二級(jí)影響指標(biāo)，多層次、多范圍對(duì)滑坡進(jìn)行量化分析，得出滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

②Geo-Studio數(shù)值模擬得出譚家河滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.046，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)位移，證實(shí)滑坡模擬結(jié)果的可靠性?；轮胁课灰谱畲?，穩(wěn)定系數(shù)最低。前緣位移較小，后緣位移相對(duì)較大，可以說明譚家河滑坡屬于推移式滑坡。

③兩種方法通過不同的角度求得滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，模糊數(shù)學(xué)涉及的影響因素較數(shù)值分析多，說明很多非權(quán)重較小的影響因子在一定程度上對(duì)滑坡穩(wěn)定性沒有多大影響。模糊數(shù)學(xué)作為一種理論方法，在計(jì)算方面較數(shù)值模擬復(fù)雜，所以將兩種方法結(jié)合，加以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證明，可以很好的得出滑坡穩(wěn)定狀態(tài)。

④滑坡位移最大值位于中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG289處，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)中部治理，提高中部滑坡穩(wěn)定性，可以在一定程度上達(dá)到最優(yōu)治理效果。

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