王新忠

(中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司，陜西西安 710075)

基于模糊信息優(yōu)化處理的黃土滑坡穩(wěn)定性分析

王新忠

(中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司，陜西西安 710075)

基于呂梁機(jī)場(chǎng)H2黃土滑坡現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘察，對(duì)該滑坡特征進(jìn)行分析。結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)資料，綜合考慮影響黃土邊坡穩(wěn)定性的五個(gè)主要因素粘聚力、內(nèi)摩擦角、滑坡坡度、滑坡高度和地震動(dòng)參數(shù)，運(yùn)用模糊信息優(yōu)化處理方法中的信息分配、信息集中等方法對(duì)黃土滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)還利用極限平衡法計(jì)算該滑坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明:兩種評(píng)價(jià)結(jié)果均與實(shí)際情況符合，模糊信息優(yōu)化處理法適用于黃土地區(qū)滑(邊)坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，與極限平衡法相比更利于提高工程經(jīng)濟(jì)效益。

黃土滑坡;穩(wěn)定性;模糊信息優(yōu)化處理

黃土滑坡是一類十分嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，隨著黃土地區(qū)工程建設(shè)的增多，尤其是機(jī)場(chǎng)建設(shè)這樣重大工程，更應(yīng)該提高對(duì)山體滑坡災(zāi)害的重視。在黃土邊坡穩(wěn)定性分析中涉及到的影響因素很多，有很大的不確定性(隨機(jī)性、模糊性及知識(shí)不完備性)。為此許多學(xué)者采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)原理和方法建立了一系列的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法［1－6］。而模糊數(shù)學(xué)分析方法的特點(diǎn)就是考慮客觀模糊因素的影響和事物發(fā)生本質(zhì)變化的中介過(guò)渡過(guò)程，能更好地體現(xiàn)出客觀事物的固有特征和模糊屬性［7］。王家鼎［8］早在1990年就應(yīng)用模糊信息分析法評(píng)價(jià)了蘭州市斜坡穩(wěn)定性;后來(lái)又逐步提出信息分配概念，初步建立了模糊信息優(yōu)化處理推理體系，并在實(shí)際中大量應(yīng)用，取得了良好的效果［8，9，10］。本文結(jié)合呂梁民用機(jī)場(chǎng)黃土滑坡，運(yùn)用模糊信息優(yōu)化處理理論體系進(jìn)行黃土邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1 模糊信息優(yōu)化處理理論［10］

1.1 模糊近似推論

模糊近似推論，是進(jìn)行大系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)分析的主要環(huán)節(jié)。其數(shù)學(xué)公式表達(dá)為:

為了避免專家打分的主觀影響，王家鼎［1］曾提出以下公式:

式(4)中的Δ為步距，即Δ = αi+1－αi。式(2)和(3)表明當(dāng)原始信息元素α超出Ai的范圍時(shí)(α?Ai)，應(yīng)突出Ai兩頭元素(αmin，αmax) 的信息。

1.2 信息分配

以元素ui、uj作為行列構(gòu)成信息矩陣Q(n×n)，記錄了U在V軸上的可能性分布。每個(gè)原始信息數(shù)據(jù)提供一個(gè)單位信息，并按一定形式分配給相鄰的控制點(diǎn)。公式如下:

式中:Δ為基礎(chǔ)變量各檔次的步距，即Δ=ui+1;Qij是構(gòu)成信息矩陣的元素，信息矩陣正規(guī)化后為模糊關(guān)系R。

1.3 信息集中

信息擴(kuò)散是一種將非模糊的數(shù)據(jù)變成了模糊信息的變換。一個(gè)非模糊數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信息擴(kuò)散后帶有了模糊的色彩。為了消除這種影響，同時(shí)也為了求取最佳預(yù)測(cè)值，需要進(jìn)行信息集中:

式中:u為要求得變量的最終結(jié)果;bi為模糊近似推論求出的第i個(gè)元素的可能性分布;ui為i等級(jí)變量的大小;k為常數(shù)，視情況而定。本文中取k=2。

2 黃土滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 滑坡特征

該滑坡(如圖1)位于山西呂梁境內(nèi)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查及詢問(wèn)當(dāng)?shù)厝罕?，該滑坡至少?00年前已經(jīng)發(fā)生過(guò)明顯滑動(dòng)。主滑坡后緣位于馬群踏上坡半山腰，其后緣高程為1 139 m，滑坡前緣直抵馬群溝，前緣高程為1 055 m，前后緣相對(duì)高差84 m，滑坡北西側(cè)界位于前黃草洼，南東側(cè)界位于后黃草洼(見(jiàn)圖2)。

圖1 滑坡全貌

圖2 黃土滑坡剖面圖

滑坡整體平均坡度為20°，前緣坡度較陡，約27°?？傮w上，滑坡體近似疊瓦形或圈椅形，主滑體長(zhǎng)193 m，平均寬186 m，地表面積約35 898 m2。西溝滑坡后緣位于主滑坡西側(cè)半山腰陡坎處，與主滑坡Ⅱ級(jí)滑坡西側(cè)界相鄰，其后緣高程為1 094 m，滑坡前緣直抵后黃草洼，前緣高程為1 056 m，前后緣相對(duì)高差38 m，西溝滑坡長(zhǎng)46 m，平均寬92 m，地表面積約4 232 m2?；w平均坡度為32°，前緣較陡，多在52°左右，滑坡后壁近似圈椅形。

該滑坡從地貌上呈現(xiàn)三級(jí)臺(tái)階，可據(jù)此將該滑坡劃分為三級(jí)坡，Ⅱ級(jí)滑坡的發(fā)育，導(dǎo)致Ⅲ級(jí)滑坡的變形，Ⅱ級(jí)滑坡上又發(fā)育了Ⅰ級(jí)滑坡。

2.1.1 Ⅰ級(jí)滑坡

該滑坡曾在早些年發(fā)生過(guò)明顯滑動(dòng)，因此，滑動(dòng)面及滑體邊界比較明確。滑體上由于雨水的沖刷作用形成多條“V”字型黃土沖溝，其滑坡前緣直抵馬群溝，由于馬群溝的下蝕和側(cè)蝕作用，使滑坡前緣臨空面不斷抬升，從而降低了滑坡的阻力，加之滑坡體后緣可見(jiàn)部分裂縫，降雨時(shí)有大量地表匯水灌入滑體，侵蝕軟化滑動(dòng)帶巖土，降低其抗剪強(qiáng)度，連降大雨時(shí)，水體還將通過(guò)各種作用形式直接增加下滑力，導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)。目前，該滑坡尚處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2 Ⅱ級(jí)滑坡

調(diào)查表明，該滑坡發(fā)生明顯滑動(dòng)的時(shí)間至少可推至100年以前，滑坡體上極其發(fā)育的沖溝也可作為老滑坡的證據(jù)。從該滑坡本身觀察，滑坡后壁十分清晰，高約20 m，傾角60°左右，后壁上發(fā)育3～8 m深的沖溝，但后壁整體穩(wěn)定;滑坡平臺(tái)寬緩，平均寬度30～40 m，傾角約10°，局部反坡，且有落水洞分布，平臺(tái)未見(jiàn)明顯變形跡象;滑坡前緣因受馬群溝季節(jié)性洪水側(cè)蝕、下蝕影響，出現(xiàn)了次生滑坡，這些次生滑坡的繼續(xù)活動(dòng)對(duì)上級(jí)滑坡穩(wěn)定不利?？傮w來(lái)看，該滑坡邊界清晰，巖土結(jié)構(gòu)整體性較好，滑體坡度較緩，穩(wěn)定性相對(duì)較好，但是，從后緣灌入的地表水，對(duì)滑坡的穩(wěn)定性極為不利，而且，馬群溝的強(qiáng)烈切割侵蝕，使滑坡前緣長(zhǎng)期保持高陡臨空面，為滑坡的主滑動(dòng)面向深層發(fā)展創(chuàng)造了條件。

2.1.3 Ⅲ級(jí)滑坡

雙溝同源的向源侵蝕限定了老滑坡的周界，目前向源侵蝕尚差約40 m即可閉合，說(shuō)明向源侵蝕正在沿老滑坡側(cè)壁作用。

就Ⅲ級(jí)滑坡本身而言，除了不斷深化的向源侵蝕，滑坡后壁下錯(cuò)不明顯，滑坡體中后部巖土體基本完整，滑坡平臺(tái)寬緩，寬約60～80 m，傾角約10°。從斜坡上游方向來(lái)的匯水面積不大，因此，大氣降水對(duì)Ⅲ級(jí)滑坡的影響將降低。但高陡的Ⅱ級(jí)滑坡后壁，馬群溝洪水對(duì)滑坡前緣的側(cè)蝕、下蝕，滑坡區(qū)內(nèi)的降雨匯水沿落水洞下滲等均對(duì)滑坡穩(wěn)定不利。

根據(jù)鉆孔、探坑及探槽揭示出的滑帶位置及特征，得知西溝滑坡和主滑坡滑動(dòng)面均在黃土層內(nèi)，且均在離石黃土古土壤層內(nèi)。離石黃土呈塊狀，孔隙較發(fā)育，硬塑，可見(jiàn)古土壤與姜石互層、混雜，工程性能一般。根據(jù)野外勘察和室內(nèi)土工試驗(yàn)得到相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 黃土邊坡基本參數(shù)

2.2 滑坡產(chǎn)生的誘發(fā)因素

滑坡區(qū)地處于Ⅵ度地震區(qū)，但特殊類工程應(yīng)提高一度設(shè)防(甲類構(gòu)筑物)，故設(shè)防烈度為Ⅶ度，由于黃土的孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育，透水性好，該滑坡下部含多層姜石層，在巖層分界面容易形成流塑性軟弱結(jié)構(gòu)面，抗剪強(qiáng)度大大降低，在地震力影響作用下，滑坡很可能失穩(wěn)下滑。

2.3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算的極限平衡法

式中:Fs為穩(wěn)定性系數(shù);θi為第i塊段滑體所受重力(KN/m);Ri為作用于第i塊段的抗滑力(KN/m);Ni為第i塊段滑動(dòng)面的法向分力(KN/m);φi為第i塊段土的內(nèi)摩擦角(°);ci為第i塊段土的粘聚力(KPa);Li為第i塊段滑動(dòng)面的長(zhǎng)度(m);ψi為第i塊段的剩余下滑力傳遞至塊的傳遞系數(shù)(j=i);Ti為作用于第i塊滑動(dòng)面上的滑動(dòng)分力(kN/m)。

通過(guò)計(jì)算可以得到在地震作用下三級(jí)滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別是 SⅢ=0.99，SⅡ=0.80，SⅠ=0.80。

2.4 模糊信息優(yōu)化處理法評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性

在滑坡發(fā)育過(guò)程中如滑坡的形成和運(yùn)動(dòng)機(jī)理目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，其過(guò)程存在有大量的不確定性，其中模糊性是其最主要的特征。模糊信息優(yōu)化處理技術(shù)是解決模糊現(xiàn)象的一種有效的工具。黃崇福和王家鼎教授多年來(lái)做了大量研究工作［12］，建立了模糊信息優(yōu)化處理的理論體系，其中，在黃土滑坡穩(wěn)定性的模型計(jì)算中效果良好，并已應(yīng)用于黃土地區(qū)多個(gè)防災(zāi)規(guī)劃中。

通過(guò)綜合考慮，本文擬采用黃土滑坡穩(wěn)定性中的模糊信息處理方法來(lái)研究該機(jī)場(chǎng)的滑坡穩(wěn)定性以資對(duì)比。此處選取粘聚力，內(nèi)摩擦角，滑坡坡度，滑坡高度，地震動(dòng)參數(shù)等五個(gè)因素進(jìn)行對(duì)斜坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。

文獻(xiàn)［10］中收集了黃土高原150組黃土斜坡穩(wěn)定性資料，采用信息擴(kuò)散法建立了粘聚力C，內(nèi)摩擦角φ，斜坡坡度，斜坡高度H，地震動(dòng)參數(shù)Amax(g)與斜坡穩(wěn)定性論域S的模糊關(guān)系 Rc，s(表2至表6)。

先以粘聚力C推論斜坡穩(wěn)定性各級(jí)的可能性分布，以Ⅲ級(jí)滑坡為例，從表2可知C＜C1，按式(2)得到C=［1，0，…，0］(7)

表2 模糊關(guān)系

表3 模糊關(guān)系

表4 模糊關(guān)系

表5 模糊關(guān)系

表6 模糊關(guān)系

同理，可以得到Ⅲ級(jí)滑坡其他指標(biāo)對(duì)斜坡穩(wěn)定性的可能性分布如下所示:Sφ= ［0.553，0.083，0.047，0.001］;Sα= ［0.020，0.028，0.091，2.324］;SH= ［0.991，0.938，0.642，0.315］;

因?yàn)榛聟^(qū)設(shè)防烈度為Ⅶ度，對(duì)應(yīng)的地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為 0.125，根據(jù)表 6 和式(2):Sα= ［0.479，0.641，1.000，0.855］同理，Ⅱ級(jí)滑坡各指標(biāo)對(duì)斜坡穩(wěn)定性的可能性 分 布 為:Sc= ［0.002，0.403，0.804，1.000］;Sφ=［1.330，0.173，0.098，0.005］;Sα= ［0.021，0.030，0.097，2.485］;SH= ［0.994，0.959，0.759，0.360］;SQ= ［0.479，0.641，1.000，0.855］。Ⅰ 級(jí)滑坡各指標(biāo)對(duì)斜坡穩(wěn)定性的可能性分布如下:Sc= ［0.002，0.403，0.804，1.000］;Sφ=［1.330，0.173，0.098，0.005］;Sα= ［0.024，0.036，0.139，2.746］;SH= ［0.999，0.996，0.976，0.443］;SQ= ［0.479，0.641，1.000，0.855］。

以上是分別利用單因素評(píng)價(jià)斜坡穩(wěn)定性，為了綜合考慮這些因素的影響，就必須進(jìn)行二級(jí)模糊近似推論［12］:B［2］=A［2］·R［2］(7)

式中:A［2］為每個(gè)單因素的權(quán)重。本文中 A［2］= ［0.15，0.15，0.30，0.25，0.15］

對(duì)于Ⅲ級(jí)滑坡的R［2］為:

按式(6)中的信息集中原理得:

由此計(jì)算可知，Ⅲ級(jí)滑坡、Ⅱ級(jí)滑坡和Ⅰ級(jí)滑坡均屬于極不穩(wěn)定滑坡。極限平衡法計(jì)算該滑坡也屬極不穩(wěn)定滑坡。而從實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各種滑動(dòng)跡象明顯，已處于微動(dòng)階段，兩種穩(wěn)定性計(jì)算法的結(jié)果均與實(shí)際情況相符。相對(duì)于常規(guī)力學(xué)計(jì)算方法，模糊信息優(yōu)化處理的優(yōu)點(diǎn)是不需要確定滑動(dòng)面，只要考慮影響斜坡穩(wěn)定性的影響因素，減少了大量的野外工作量，節(jié)省了大量的人力和物力。提高了工程經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

(1)本文綜合考慮了粘聚力、內(nèi)摩擦角、坡角、坡高和地震動(dòng)參數(shù)等五個(gè)影響斜坡穩(wěn)定性的內(nèi)、外部因素，并利用模糊信息優(yōu)化處理方法評(píng)價(jià)了黃土斜坡的穩(wěn)定性。

(2)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符，說(shuō)明了應(yīng)用模糊信息優(yōu)化處理評(píng)價(jià)黃土邊坡穩(wěn)定性可靠可信。

(3)在斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，模糊信息優(yōu)化處理方法優(yōu)于常規(guī)力學(xué)計(jì)算方法，能提高工程經(jīng)濟(jì)效益。

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P642.22

B

1004－1184(2013)05－0117－03

2013-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(40972193);高等學(xué)校博士點(diǎn)學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20116101130001)

王新忠(1974-)，男，陜西西安人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)。