黃國(guó)林， 韋秉旭

(1.新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司， 新疆 烏魯木齊　830011；　2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410114)

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基于范例推理的邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

黃國(guó)林1， 韋秉旭2

(1.新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司， 新疆 烏魯木齊830011；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410114)

摘要：利用已經(jīng)成熟的范例推理理論對(duì)14個(gè)邊坡失穩(wěn)案例進(jìn)行分析，并用其結(jié)果對(duì)某國(guó)道K1694+830～K1694+960段邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明：圓弧形滑坡的主要誘因是邊坡過(guò)陡、巖體的不利產(chǎn)狀、軟弱夾層的力學(xué)性能差和降雨入滲導(dǎo)致孔隙水壓力增大和巖土體的強(qiáng)度參數(shù)劣化，從而使巖土體更易屈服失穩(wěn)；某國(guó)道K1694+830～K1694+960段邊坡范例推理的滑坍風(fēng)險(xiǎn)大，建議采取必要的措施進(jìn)行加固和防護(hù)。

關(guān)鍵詞：邊坡失穩(wěn)； 范例推理； 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估； 相似度

0引言

我國(guó)國(guó)土面積大約70%為山區(qū)，是世界上滑坡比較嚴(yán)重的國(guó)家之一，每年因滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100～200億元人民幣。因此，滑坡的預(yù)防和治理是我國(guó)巖土工程地質(zhì)領(lǐng)域中重大課題之一。有效地治理和預(yù)防滑坡就必須對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。目前，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的研究主要集中在采用剛性極限平衡法和數(shù)值模擬的方法，但是這些方法一般都是針對(duì)個(gè)別案進(jìn)行分析處理，并且要求建立合適的物理模型和大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使用者需要具有一定的力學(xué)和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)。邊坡失穩(wěn)的不確定性太多、機(jī)理復(fù)雜，難以求得適合的模型，應(yīng)用起來(lái)不太方便[1]。對(duì)于邊坡失穩(wěn)這樣頻繁發(fā)生的突發(fā)性事故，如何采用簡(jiǎn)單有效的方法進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)是值得研究的課題。

為此，本文利用已經(jīng)成熟的范例推理理論對(duì)已有的邊坡失穩(wěn)案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用其結(jié)果對(duì)某國(guó)道K1694+830～K1694+960浙江開(kāi)化段邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

1范例推理(CBR)理論

1.1范例推理理論介紹

基于范例推理是人類(lèi)推理的一種重要形式。1982年Roger Shonk在《Dynamic Memorg》中提出范例推理(Case based reasoning，CBR)的理論。此后，CBR技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

在范例推理中，把需要解決的問(wèn)題作為目標(biāo)范例(Target case)，把已知的相似問(wèn)題作為源范例(Base Case)。范例推理的基本原理就是從源范例庫(kù)中挑出與目標(biāo)范例最相似的范例，對(duì)源范例進(jìn)行對(duì)比修正，然后對(duì)目標(biāo)范例進(jìn)行評(píng)估，從而得到適合的解決方案。范例推理常包括四個(gè)過(guò)程[1]： ①檢索(Retrieve)，根據(jù)目標(biāo)范例的信息，從源范例庫(kù)中檢索相似的范例集； ②重用(Reuse)，從檢索到的一組相似范例中找到與目標(biāo)范例相符的范例，重用該方案； ③修改(Revise)，根據(jù)修正規(guī)則對(duì)相似源范例進(jìn)行修正，使之符合目標(biāo)范例的條件； ④存儲(chǔ)(Retain)，將新范例存儲(chǔ)到范例庫(kù)中，進(jìn)一步完善源范例。

1.2范例推理的檢索方法

范例推理的成功與否取決于目標(biāo)范例與源范例的相似程度，因之相似度是檢索過(guò)程的關(guān)鍵。

1.2.1相似度的確定

范例一般是由許多屬性組成，范例間的相似度是根據(jù)屬性之間的相似度定義的。通常用距離來(lái)計(jì)算相似性度，典型的有絕對(duì)值距離、歐氏距離、海明距離、切比雪夫距離和麥考斯基距離等。在此采用海明距離對(duì)邊坡穩(wěn)定性范例檢索中的相似度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：diT為目標(biāo)范例T與源范例庫(kù)中第i個(gè)范例之間的相似度。diT的計(jì)算結(jié)果有正有負(fù)，距離絕對(duì)值最小，則目標(biāo)范例與此源范例最相似。正值表示表示目標(biāo)范例比源范例邊坡穩(wěn)定性好；反之，負(fù)值則表示目標(biāo)范例比源范例邊坡穩(wěn)定性差。n為范例屬性總數(shù)；wh為范例屬性權(quán)重值；vi(h)為范例庫(kù)中第i個(gè)范例的第h個(gè)屬性值；vT(h)為目標(biāo)范例T的第h個(gè)屬性值。

1.2.2數(shù)據(jù)歸一化處理

在進(jìn)行相似度計(jì)算時(shí)，不同指標(biāo)因素有不同的量綱，不同參數(shù)間存在不可共度性，為防止具有較大初始值域的屬性與具有較小初始值域的屬性相比，權(quán)重過(guò)大，同時(shí)為了體現(xiàn)“獎(jiǎng)優(yōu)罰劣”[2]的原則，引入歸一化效應(yīng)函數(shù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理[3]。

X=X11X12…X1nX21X22…X2n…Xm1Xm2…Xmné?êêêêêù?úúúúú

(2)

對(duì)效益型指標(biāo)，記中間變量Mij：

(3)

(4)

1.2.3權(quán)重值確定

因?yàn)槟繕?biāo)范例由多個(gè)屬性構(gòu)成，每個(gè)屬性對(duì)范例的影響程度不盡相同，常需要用權(quán)重來(lái)衡量各屬性的相對(duì)影響程度。權(quán)重的評(píng)估方法較多，主要包括專(zhuān)家咨詢(xún)法(Delphi)、主成分分析法(PCA)、特征向量法、AHP層次分析法、熵值法(Entropy)、因子分析法(Factor Analysis)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[4]。

本文用特征向量法評(píng)估權(quán)重值。具體計(jì)算方法如下：假設(shè)有n個(gè)目標(biāo)范例，各有m個(gè)指標(biāo)，得矩陣M：

M=X11X12…X1nX21X22…X2n…Xm1Xm2…Xmné?êêêêêù?úúúúú

M×MT可以得到一個(gè)m階的方正A：

A=a11a12…a1ma21a22…a2m…am1am2…ammé?êêêêêù?úúúúú

則第i個(gè)指標(biāo)的特征向量li為：

由歸一化處理得：

2邊坡穩(wěn)定性分析

以往邊坡穩(wěn)定性研究結(jié)果表明，影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括內(nèi)因與外因兩個(gè)方面。內(nèi)在因素主要包括：邊坡的巖土特性、巖土結(jié)構(gòu)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力場(chǎng)、植被條件等；外在因素主要包括：地表水與地下水相互作用、氣候條件、地震情況、施工方法(爆破等)。

2.1巖土特性及結(jié)構(gòu)

邊坡的巖土特性及結(jié)構(gòu)是影響邊坡穩(wěn)定的主要內(nèi)因之一，不同巖土間的節(jié)理發(fā)育程度不同，所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)及破壞機(jī)理也不相同，軟硬相間，并有軟化、泥化或易風(fēng)化的夾層時(shí)，最易造成邊坡失穩(wěn)。

2.2地形地貌

深河谷地區(qū)邊坡易發(fā)生松動(dòng)破裂、蠕動(dòng)、崩塌、滑坡等情況，前緣開(kāi)闊的山坡、鐵路、公路和工程建筑物的邊坡等也易發(fā)生滑坡。一般來(lái)說(shuō)，坡度越陡，坡高越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定越不利。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系到巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、規(guī)模、連通性、充填程度和充填物成分，以及結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。組成斜坡的巖土體被各種構(gòu)造面切割分離成不連續(xù)狀態(tài)時(shí)，易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

2.4外在誘發(fā)因素

在發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水方面，晉城市引入了“利用就是保護(hù)”煤礦排水利用新理念，市政府出臺(tái)了《關(guān)于利用煤礦廢水發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的實(shí)施辦法》，要求煤礦企業(yè)要支持興建蓄水工程，收集煤礦排水，就近發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水園區(qū)，簡(jiǎn)稱(chēng)“一礦一池一園區(qū)”工程。為促進(jìn)項(xiàng)目的落實(shí)，各級(jí)水利部門(mén)編制了采煤排水利用規(guī)劃，實(shí)行以工補(bǔ)農(nóng)、以煤補(bǔ)水的優(yōu)惠政策，采取各類(lèi)農(nóng)水、農(nóng)業(yè)資金捆綁運(yùn)作，分級(jí)配套實(shí)施。該項(xiàng)目的實(shí)施，遏制了地下水無(wú)序排放，提高了資金使用效率和水資源利用率。

2.4.1自然因素

地震可以引起巖土體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的變化。

水使巖土軟化或溶蝕，降水一方面惡化邊坡圍巖的力學(xué)性能，另一方面降低圍巖的有效應(yīng)力，從而更易屈服失穩(wěn)。

2.4.2人為活動(dòng)

施工中的爆破行為、刷破、開(kāi)挖等，都會(huì)引起巖土力學(xué)性質(zhì)的相應(yīng)改變，誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。

3邊坡失穩(wěn)突發(fā)事件統(tǒng)計(jì)及范例推理評(píng)估

影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，但對(duì)某一區(qū)域或某一類(lèi)型的邊坡穩(wěn)定性，并非上述所有影響因素都對(duì)其起重要作用，為便于范例推理的應(yīng)用，需對(duì)影響因素作一定取舍和細(xì)化。根據(jù)英國(guó)專(zhuān)家Stead1984年對(duì)露天礦失穩(wěn)邊坡統(tǒng)計(jì)結(jié)果，影響巖石邊坡穩(wěn)定性的主要因素一般不超過(guò)5個(gè)[5]。

3.1邊坡失穩(wěn)突發(fā)事件統(tǒng)計(jì)

采用文獻(xiàn)[6]中14個(gè)圓弧形滑坡的實(shí)例進(jìn)行，對(duì)目標(biāo)范例進(jìn)行范例推理，以巖土容重、邊坡高度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、邊坡角、孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素。邊坡穩(wěn)定性范例統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 邊坡實(shí)例和穩(wěn)定狀況序號(hào)范例位置容重/(kN·m-3)內(nèi)聚力c/kPa內(nèi)摩擦角/(°)坡角/(°)坡高h(yuǎn)/m孔隙水壓比α穩(wěn)定系數(shù)Fs邊坡穩(wěn)定狀態(tài)1加拿大阿爾伯塔露天煤礦222.4010.0035.0045.0010.000.400.90破壞2意大利阿隆里露天煤礦23.000.0020.0020.00100.000.301.20破壞3加拿大阿爾伯塔露天煤礦122.40100.0045.0045.0015.000.251.80穩(wěn)定4英國(guó)諾索爾特滑坡19.6311.9720.0022.0012.190.401.35破壞5澳大利亞紐卡斯特碼頭邊坡418.005.0030.0020.008.000.302.05穩(wěn)定6印度果阿露天鐵礦214.0011.9726.0030.0088.000.450.63破壞7加拿大阿爾伯塔河岸滑坡19.0611.7128.0035.0021.000.111.09破壞8英國(guó)約克郡賽爾賽特滑坡20.828.6232.0028.0012.800.491.03破壞9澳大利亞紐卡斯特碼頭邊坡122.000.0040.0033.008.000.351.45穩(wěn)定10澳大利亞紐卡斯特露天煤礦20.0020.0036.0045.0050.000.250.96破壞11英國(guó)肯特富科斯通沃倫滑坡21.430.0020.0020.0061.000.501.03破壞12加拿大薩斯咯徹溫大壩20.4133.5211.0016.0045.720.201.82破壞13英國(guó)諾索爾特滑坡218.8415.3230.0025.0010.670.381.63穩(wěn)定14澳大利亞紐卡斯特碼頭邊坡320.000.0025.0020.008.000.301.37穩(wěn)定T開(kāi)化馬金邊坡20.3012.0022.0045.00100.000.461.25—

3.2基于范例推理的邊坡失穩(wěn)突發(fā)事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

某國(guó)道K1694+830～K1694+960段邊坡，位于浙江省開(kāi)化縣馬金鎮(zhèn)西北方向約15km處，嶺里-毛凹一帶，邊坡高100m，區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，土層比較雜亂，碎石含量不均。地層主要為第四系殘坡積含碎石粘性土、含粘性土碎石，最大厚度23.6m，下部地層為花崗巖，邊坡的坡角為45°，根據(jù)地質(zhì)部門(mén)提供的邊坡潛在滑動(dòng)面巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，容重20.3kN/m3，內(nèi)聚力12kPa，內(nèi)摩擦角為22°，孔隙水壓比為0.46，穩(wěn)定性系數(shù)為1.25。2008年公路改擴(kuò)建，路塹邊坡受到擾動(dòng)，產(chǎn)生了蠕動(dòng)變形，需要判斷該段邊坡是否穩(wěn)定。

將范例庫(kù)中前14組數(shù)據(jù)作為源范例，開(kāi)化馬金邊坡數(shù)據(jù)作為目標(biāo)范例，根據(jù)公式(2)、(3)、(4)對(duì)邊坡穩(wěn)定性范例統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行歸一化處理得表2，對(duì)于邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)(評(píng)價(jià)結(jié)果的屬性值)進(jìn)行量化處理，當(dāng)邊坡破壞時(shí)為0，穩(wěn)定時(shí)為1。

表2 邊坡實(shí)例歸一化處理序號(hào)容重/(kN·m-3)內(nèi)聚力c/kPa內(nèi)摩擦角/(°)坡角/(°)坡高h(yuǎn)/m孔隙水壓比α穩(wěn)定系數(shù)Fs10.133-0.21370.454450.64881-0.214-0.453-0.44192-0.0106-0.4621-0.0743-0.07430.9257-0.457-0.44183-0.1570.772050.184290.18429-0.265-0.459-0.440340.27738-0.02140.290980.36236-0.013-0.449-0.418650.25041-0.28220.640930.32733-0.163-0.452-0.39186-0.2103-0.24970.0320.113370.8619-0.455-0.451970.07509-0.14550.331970.505230.133-0.46-0.435980.19958-0.20620.522240.41736-0.068-0.449-0.434490.23051-0.46210.683620.53854-0.229-0.453-0.423210-0.0932-0.09320.227610.392360.4748-0.458-0.4466110.10469-0.46210.064610.064610.8403-0.451-0.4389120.055120.38999-0.1981-0.06470.6313-0.458-0.4223130.146430.026510.486170.3445-0.133-0.452-0.4169140.41154-0.46210.586180.41154-0.124-0.451-0.4101T-0.1455-0.2831-0.11640.276180.8458-0.456-0.4448

根據(jù)權(quán)值公式計(jì)算各屬性的權(quán)重值wi，得w1=0.055 5；w2=0.104 3；w3=0.149 0；w4=0.144 2；w5=0.167 4；w6=0.194 8；w7=0.184 8。

最后利用相似度公式(1)計(jì)算diT，得表3。從表3可以看出該邊坡與范例庫(kù)中第6個(gè)源范例的相似度絕對(duì)值最小，且為負(fù)值，所以開(kāi)化馬金邊坡比最相似的源范例邊坡穩(wěn)定性差。因?yàn)榈?個(gè)源范邊坡破壞，開(kāi)化馬金邊坡有可能出現(xiàn)較大坍方，建議采取必要的措施進(jìn)行加固和防護(hù)，避免滑坡。

表3 相似度評(píng)價(jià)結(jié)果d1T～d7T相似度值d8T～d14T相似度值10.0147580.00720.0417990.0160230.0446610-0.027840.01367110.0072150.016 120.01216-8E-05130.00967-0.0081140.01856

4結(jié)論

1) 范例推理不需要明確的模型，可以應(yīng)用于沒(méi)有明確模型的領(lǐng)域，使用方便簡(jiǎn)單。

2) 邊坡過(guò)陡、地下水入滲導(dǎo)致空隙水壓力增大以及巖土體強(qiáng)度劣化使開(kāi)化馬金邊坡存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。建議采用有效支擋結(jié)構(gòu)、削坡減載及封閉坡面對(duì)邊坡進(jìn)行處治。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U 416.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-844X(2016)01-0028-04