基于概率統(tǒng)計的可拓學(xué)分析方法在邊坡巖體質(zhì)量分級中的應(yīng)用研究

◆周全華

(四川科技職工大學(xué))

一、引言

可拓學(xué)是用形式化模型研究事物拓展的可能性和開拓創(chuàng)新的規(guī)律與方法，并用于解決矛盾問題的科學(xué)。通俗地說，可拓學(xué)研究產(chǎn)生創(chuàng)意的理論和方法，成為生產(chǎn)創(chuàng)意的理論依據(jù)和方法來源。可拓學(xué)的研究對象是矛盾問題，基本理論是可拓論，方法體系是可拓方法，邏輯基礎(chǔ)是可拓邏輯，與各領(lǐng)域的交叉融合形成可拓工程?？赏卣摗⒖赏貏?chuàng)新方法和可拓工程構(gòu)成了可拓學(xué)。目前，已形成初步的理論框架，并建立了在人工智能、計算機、管理、控制、檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用方法，廣泛的運用到科學(xué)實踐分析中。

在自然界和現(xiàn)實生活中，事物是可以分成截然不同的兩大類:一類是確定性的現(xiàn)象;另一類是不確定性的現(xiàn)象。研究自然界中隨機現(xiàn)象統(tǒng)計規(guī)律的數(shù)學(xué)方法，叫做概率統(tǒng)計，又稱數(shù)理統(tǒng)計方法。概率論——就是根據(jù)大量同類隨機現(xiàn)象的統(tǒng)計規(guī)律，對隨機現(xiàn)象出現(xiàn)某一結(jié)果的可能性作出一種客觀的科學(xué)判斷，對這種出現(xiàn)的可能性大小做出數(shù)量上的描述;比較這些可能性的大小、研究它們之間的聯(lián)系，從而形成一整套數(shù)學(xué)理論和方法。

近幾十年來，隨著科技的蓬勃發(fā)展，概率論大量應(yīng)用到國民經(jīng)濟、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及各學(xué)科領(lǐng)域。許多興起的應(yīng)用數(shù)學(xué)，如信息論、對策論、排隊論、控制論等，都是以概率論作為基礎(chǔ)的。概率論和數(shù)理統(tǒng)計是一門隨機數(shù)學(xué)分支，它們是密切聯(lián)系的同類學(xué)科。但是應(yīng)該指出，概率論、數(shù)理統(tǒng)計、統(tǒng)計方法又都各有它們自己所包含的不同內(nèi)容。目前，隨著概率統(tǒng)計研究的發(fā)展，在工程建設(shè)和巖體測定中也得到了一定的運用，本文從概率統(tǒng)計的視角著眼，就是對之前應(yīng)用研究的一個回顧。

二、邊坡巖體質(zhì)量分級的研究

1.邊坡巖體概述

根據(jù)巖體工程不同種類，可以對巖體進(jìn)行分類，其分類標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)地質(zhì)條件的不同以及巖體本身所具備的物理力學(xué)特性對巖體穩(wěn)定性的影響來進(jìn)行劃分的，可以根據(jù)其穩(wěn)定程度，劃分為幾個不同類別，同時，將其作為標(biāo)準(zhǔn)來初步評價巖體穩(wěn)定性。工程巖體的性質(zhì)一般由巖體的完整程度以及堅硬的程度來決定，并將其作為巖體基本質(zhì)量，其是巖體分級分類主要標(biāo)準(zhǔn)，是在對工程巖體受影響因素充分考慮的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步修正巖體基本質(zhì)量而提出的。在巖石力學(xué)的角度來看，對巖體的分類一般不僅僅局限在定量描述巖體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)上，還需要對巖體穩(wěn)定性進(jìn)行有效的評價，比如，在目前，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用南非體系以及Q體系作為地下圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，并且可以直接將其分類評分成果作為評價穩(wěn)定性的資料，并提出相應(yīng)的加固對策。

從整個國內(nèi)外的巖體質(zhì)量的分類上來看，可以清楚地看出巖體的分類隨著時間的推移不論在廣度上還是在其深度上都有了很大的進(jìn)展。以下是巖石的質(zhì)量分類的特點以及是其發(fā)展的趨勢

第一，在早期的分級階段，只會從某一個單一的影響因素去分析作出評價，雖然影響巖體質(zhì)量有著眾多的因素，但是早期的分類只會注重單一的指標(biāo)的定性分類或者是單一指標(biāo)的定量分類。這樣的分類方法存在著很大的不足，其評價的標(biāo)準(zhǔn)并不能滿足實際工程的需要，而且在有了巖體以及巖體結(jié)構(gòu)的觀念以來，人們已經(jīng)開始慢慢地意識到了單一評價的分級并不能全面地對巖體的整體性質(zhì)進(jìn)行反映，由于其分級存在著不科學(xué)性，因此巖體分級從單一因數(shù)逐漸地想多因素的綜合評價發(fā)展。

第二，巖體質(zhì)量分級因素開始逐漸向定性以及定量兩者相結(jié)合的方向發(fā)展。

第三，在對壩基巖體質(zhì)量分級的過程中，合理的做法是不應(yīng)該太過追求其精確，所謂物極必反。太過的精確，反而會令分級變得模糊。相反，適當(dāng)?shù)哪：軌蛘故酒渚_。在實際的應(yīng)用上，借鑒加拿大康拜爾主張的巖體三分概念是具有一定意義的。

在工程建設(shè)中，巖體質(zhì)量分級意義重大，其是工程從設(shè)計到開工等過程的參考依據(jù)，因此，需要將巖體質(zhì)量分級作為一項重大工程對待。在分級中，應(yīng)先篩選對工程穩(wěn)定性造成影響的各類因素，并將其歸入作為巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)的地質(zhì)指標(biāo)中，但是需要把握好一點，要牢記所謂的指標(biāo)，應(yīng)該是影響巖體穩(wěn)定性最為基本和準(zhǔn)確的因素，指標(biāo)不能太多，要不然可能會造成分級方法的無效性和非科學(xué)性。同時，還應(yīng)確保不同分級因素不會相互影響，防止其任意搭接或者重復(fù)。例如，在評價巖體質(zhì)量時，不能將點荷載強度以及單軸抗壓強度這兩個指標(biāo)同時作為其跟卸荷及風(fēng)化之間關(guān)系的評價標(biāo)準(zhǔn)。因為卸荷及風(fēng)化較為嚴(yán)重的地方，其巖體質(zhì)量也不高。所以，巖體質(zhì)量的分部會呈現(xiàn)帶形。另外，除了一些裂隙和斷層較為密集的地帶，從岸坡的表面到內(nèi)部，巖體質(zhì)量一般都會逐漸改善，這種規(guī)律同樣適用于河床壩基中。只要把握這種規(guī)律，那么巖體質(zhì)量分級便有了更清晰的思路。

2.邊坡巖體質(zhì)量分級的方法研究

巖體質(zhì)量分級在工程建設(shè)中占有重要的地位，它是工程設(shè)計、開挖的直接依據(jù)，因此，做好巖體質(zhì)量的分級工作是一項需要慎重對待的問題。在當(dāng)前的各類工程建設(shè)過程中，巖體穩(wěn)定性是決定工程基礎(chǔ)是否牢固的關(guān)鍵，我們必須深入理解巖體質(zhì)量分級的含義，經(jīng)過科學(xué)的測定和研究，設(shè)計合理有效的分級方案。當(dāng)前，學(xué)界對于邊坡巖體質(zhì)量分級的研究主要包括三個方面:

(1)RMR體系

RMR是巖體力學(xué)中的巖石分類方法，該分類體系由比尼衛(wèi)斯基于1973年提出，包擴了巖塊強度、巖石質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理間距、節(jié)理條件、地下水這5個參數(shù)。分類時，根據(jù)各類參數(shù)的實測資料，按照標(biāo)準(zhǔn)分別評分;然后將各類參數(shù)的評分值相加得巖體質(zhì)量總分RMR值;再按節(jié)理分類對其進(jìn)行修正;最后，用修正后的RMR值將巖體分級。

RMR體系是巖體分類方法中的一個很詳盡的方法體系，它對巖體本身質(zhì)量的評定給出了一個較為全面的標(biāo)準(zhǔn)。但RMR體系在現(xiàn)實操作中存在著不夠?qū)I(yè)化的問題，沒有考慮到不同地區(qū)不同地質(zhì)的影響。處于這樣的考慮，學(xué)者諾曼那后來據(jù)此提出的SMR體系可以視為對其的一個補充。SMR體系充分考慮了不同的巖體結(jié)構(gòu)對于巖體分類和穩(wěn)定性的影響，在具體的巖體分級標(biāo)準(zhǔn)中加入了結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使得巖體質(zhì)量分級更為科學(xué)，也更具有可操作性。

(2)CSMR體系

CSMR是我國自主研發(fā)的巖體質(zhì)量分級體系，可以視為SMR體系的本土化。如前所述，我國的地形極為復(fù)雜，而工程建設(shè)在很多時候都是在地形惡劣的情況下展開，所以CSMR體系的發(fā)展可以說是解決我國業(yè)內(nèi)人員在具體建筑施工過程中的問題。該體系的最大特色是對當(dāng)前邊坡巖體分級評價指標(biāo)進(jìn)行了多種修正，考慮到了特殊地形的影響，同時還將巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面等指標(biāo)加入了進(jìn)去。

(3)Q體系

Q體系最早發(fā)展于隧道工程，是早期多指標(biāo)分類的代表。該系統(tǒng)綜合考慮了RQD、節(jié)理狀況、涌水量、應(yīng)力條件等因素，指標(biāo)提取簡便易行。適用于隧道、硐室等地下工程，在工程建設(shè)中也有一定使用價值。但是，由于Q體系使用范圍有著比較強的限制性，所以尚未在諸多領(lǐng)域全面展開。

三、可拓學(xué)視角下邊坡巖體質(zhì)量分級的應(yīng)用分析

可拓學(xué)自從上個世紀(jì)70年代被提出以后，經(jīng)過10多年的發(fā)展，在理論上已初步形成了其特有的理論框架;目前，可拓學(xué)正向應(yīng)用方向發(fā)展，可拓工程作為可拓學(xué)特有的方法，在產(chǎn)品設(shè)計，企業(yè)策劃，過程控制，識別與評價，技術(shù)科學(xué)與人工智能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在地質(zhì)工程和巖石工程中，可拓學(xué)也進(jìn)一步得到了發(fā)展，在與概率論結(jié)合之后，在巖體質(zhì)量分級方面有著明顯的優(yōu)勢。

1.邊坡巖體分級影響因素的可拓學(xué)分析

邊坡巖體分級的目的在于對邊坡巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，從而為工程的展開奠定基礎(chǔ)。而要對邊坡巖體進(jìn)行有效的分級，很重要的一個方面，就是要對巖體分級的影響因素進(jìn)行分析，力求在科學(xué)測量和論證的基礎(chǔ)上有一個準(zhǔn)確的認(rèn)識。一般來說，巖體分級及其穩(wěn)定性的影響因素包括了氣象水文;地形地貌;地層巖性;地質(zhì)構(gòu)造;水文地質(zhì);植被和氣候等因素。在不同的地區(qū)，這些條件的表現(xiàn)方式各不相同，要準(zhǔn)確的對其進(jìn)行測量和預(yù)測，在現(xiàn)有的技術(shù)條件無法達(dá)到完全的實現(xiàn)。這就使得可變量和模糊因素大量存在著，從而為工程的后續(xù)進(jìn)程造成阻礙。而可拓學(xué)的核心，就是對隨機和模糊現(xiàn)象進(jìn)行分析歸納，它以不相容問題為研究中心，去尋求事物矛盾的內(nèi)在機制。建立物元模型，通過各種變換去尋求事物的解是物元分析解決不相容問題的一般方法。但是可拓學(xué)的視角缺乏數(shù)據(jù)支撐，為此，概率論的引入能為其模型的建立提供具體的指標(biāo)和數(shù)據(jù)，使得可拓學(xué)模型的建立成為可能。

2.邊坡巖體穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)的可拓學(xué)分析

如前所述，影響邊坡巖體穩(wěn)定的因素包括了地質(zhì)、水文等，然而這并不是說所有的標(biāo)準(zhǔn)都處于同等重要的位置，不同的標(biāo)準(zhǔn)必須有著不同的輕重之分。

我們要根據(jù)具體巖土的實際情況，設(shè)定一個能反映穩(wěn)定程度的定量值。建立邊坡巖體穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)的過程一般可以分為以下幾個階段:

首先，確定邊坡巖土體穩(wěn)定性經(jīng)典域，即通過對邊坡穩(wěn)定性的分級，結(jié)合物元概念，得到經(jīng)典域。

其次，是確定節(jié)域，節(jié)域需要通過參考各評估指標(biāo)歷史資料的最小值及最大值來確定。

再次，確定待評邊坡物元以及簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)和初等關(guān)聯(lián)函數(shù)，其中，關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算結(jié)果對可拓權(quán)系數(shù)的確定有著重要意義。

最后，利用層次分析法確定權(quán)系數(shù)，在前面計算的基礎(chǔ)之上根據(jù)各評價指標(biāo)的重要性排序，并建立相關(guān)的評價指標(biāo)體系。

［1］葛華，吉鋒等.巖體質(zhì)量分級方法—CSMR法的修正及其應(yīng)用［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2006，(17).

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