常天龍，馮加遠

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

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黃土
—泥巖接觸邊坡穩(wěn)定性的模糊綜合評判研究

常天龍，馮加遠

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

[摘要]中國西北地區(qū)分布大面積的黃土，黃土滑坡是黃土地區(qū)工程建設(shè)最大的威脅。在呂梁新建鐵路過程中，出現(xiàn)多處誘發(fā)因素類似的黃土-泥巖接觸面滑坡，常規(guī)的極限平衡方法或有限元法在計算該類不同介質(zhì)接觸型邊坡問題時很難準確的評價邊坡穩(wěn)定性，因而提出借助于模糊數(shù)學(xué)綜合評判的方法。建立適合呂梁地區(qū)黃土-泥巖接觸面滑坡評價的數(shù)學(xué)模型，綜合各種影響因素，根據(jù)各因素的權(quán)重進行計算評價。通過實際鐵路建設(shè)中開挖路塹導(dǎo)致工程滑坡的實例，綜合各種影響因素較準確的評價了該邊坡的穩(wěn)定性，與工程實際相符，證明本模型在該地區(qū)具有簡單可行，客觀實際的優(yōu)點，具有一定的實用性。

[關(guān)鍵詞]黃土—泥巖接觸面滑坡；模糊數(shù)學(xué)綜合評判；隸屬度函數(shù)

在中國的西北地區(qū)，黃土分布廣闊，第四紀特有的沉積環(huán)境使得該地區(qū)的黃土厚度巨大，地層連續(xù)完整，形成了獨具特色的黃土地貌單元，伴隨而生的卻是黃土地區(qū)特有的黃土滑坡自然災(zāi)害問題。根據(jù)吳偉江[1]的分類，黃土滑坡可以分為黃土層內(nèi)滑坡，黃土接觸面滑坡，黃土—泥巖順層滑坡，黃土—泥巖切層滑坡四大類[2,3,4]，在呂梁地區(qū)新建鐵路建設(shè)施工過程中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生最多最嚴重的滑坡類型要屬黃土—泥巖順曾滑坡。由于黃土本身遇水結(jié)構(gòu)強度迅速降低，再加上泥巖為不透水層，在雨季、開春凍融等豐水時節(jié)，地下水發(fā)育地段，極易發(fā)生工程滑坡。而在呂梁地區(qū)地質(zhì)、地貌環(huán)境基本一致，因此筆者認為可以提出一種簡而易行的評價方法對該區(qū)域邊坡穩(wěn)定性進行有效的評價，為鐵路建設(shè)設(shè)計和危險地段鑒別提供有價值的參考。由于邊坡穩(wěn)定性評價涉及多個方面，具有一定的不確定性和模糊性，傳統(tǒng)計算多采用數(shù)值計算或者數(shù)值模擬的方法進行定值分析，但每一種計算方法都有大量的假設(shè)條件，進而增加了結(jié)果的不確定性。在數(shù)值計算穩(wěn)定性過程中需要詳細的勘察和實驗資料，在鐵路勘察初期往往不能獲得如此大量詳盡的資料，這些計算方法也沒有考慮到氣候、地理條件等多方面因素，計算所得的安全系數(shù)往往不能真實的反應(yīng)評價對象在客觀實際環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。模糊綜合評判法是從多目標決策中劃分出來的數(shù)學(xué)方法，可以全面的對多因素相互影響的復(fù)雜問題進行客觀評價，評價結(jié)果具有客觀性、真實性的特點，而滑坡穩(wěn)定性評價恰恰是這樣一類問題，因此可以采用模糊綜合評價的方法研究邊坡的穩(wěn)定性。

1建立模糊綜合評價模型

模糊評價模型其實就是用隸屬度函數(shù)將評價論集和評判論集聯(lián)系起來的一個評價體系，設(shè)評價因素組成的集合為U={u1，u2，u3，.....，un}(ui為評價因素)，評價結(jié)果組成的集合為V={v1，v2，v3.....,vn}(Vi為評判等級)，因素集到評判集的映射為f，對因素集U中的每一個元素ui做一次評判f(ui)，可以得到一個U到V的模糊映射，通過計算因素集中的所有元素，可以得到模糊矩陣R=(ri,j)n·m 0

1.2確定價因素及權(quán)重

邊坡穩(wěn)定性與多種因素有關(guān)，其不僅受制于邊坡組成土體的工程性質(zhì)，同時也受到包括地理條件，氣候條件等多因素的綜合影響，雖然影響因素眾多，但也不能追求全面而把所有影響因素都作為評價因素而使模型過于復(fù)雜，同時評價因素過多反而會降低主要因素的權(quán)重，使得評價結(jié)果不貼合實際，因此要結(jié)合實際情況，確定參與評價的評價因素和各因素間的權(quán)重。[7,8]根據(jù)國家、行業(yè)規(guī)范標準、已有的科研成果，結(jié)合線路勘察、施工過程中遇到的實際情況和研究區(qū)地質(zhì)、地理特征，通過對各種影響因素的重要性、關(guān)聯(lián)性、易測性:綜合分析，最終選取了12個因素作為本模糊評價模型的評價因素，并根據(jù)實際情況將滑坡穩(wěn)定性分為五個等級，分別將其列入表1。

1.3構(gòu)造隸屬度函數(shù)

表1中所列的各項評價因素都是單獨的個體因子，而模糊評價是一個系統(tǒng)的評價過程，在這過程中隸屬度函數(shù)便是聯(lián)系評價因素和評價結(jié)果的橋梁，是整個模糊評價模型的基石，模糊綜合評價模型的準確度主要依靠隸屬度函數(shù)的準確性。[9]由于影響滑坡穩(wěn)定性的各項因素都是單獨、明確的個體，而滑坡穩(wěn)定性這個概念又是具有明顯的不確定性和模糊性，實際當(dāng)中滑坡危險性等級是不存在明顯界限的，由于模糊綜合評價法采用隸屬度進行評價，評價結(jié)果更接近哪一個等級便定為哪個等級，評價結(jié)果相對合理，直觀。常用的隸屬度函數(shù)有正態(tài)分布型、梯型、嶺型、拋物型，本文第一級評價采用梯型分布函數(shù)進行評價。

對邊坡內(nèi)摩擦角構(gòu)造隸屬度函數(shù)：

(1)

(2)

(3)

(4)

同理，可以構(gòu)建出粘聚力、基巖傾角、土體天然含水率、地面坡度、坡面高度、日降雨量、坡腳開挖高度這幾個定量數(shù)據(jù)的隸屬度函數(shù)，在此不一一贅述。

對于定性的評價因素也可以采用人為賦值，構(gòu)建隸屬度函數(shù)進行綜合評價，根據(jù)前文已分的邊坡安全等級標準，可以將五種等級分別賦值：Ⅰ級為優(yōu)(0.9)Ⅱ級為良好(0.7)Ⅲ級為良(0.5)Ⅳ級為中(0.3)Ⅴ級為差(0.1)，對于定性指標，同樣采用梯形分布函數(shù)構(gòu)建隸屬度函數(shù)，如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

由于滑坡穩(wěn)定性分析問題是一個“多維”因素決定的復(fù)雜問題，地質(zhì)因素、地貌因素、地理因素三者間分有主次關(guān)系，故要根據(jù)三者之間影響邊坡穩(wěn)定性的程度進行權(quán)重賦值，由于本評價模型是雙層評價模型，還要對各主要因素中的子因子進行權(quán)重賦值，考慮黃土—泥巖接觸面滑坡具有滑動面受下伏基巖影響較大，后壁陡高，動能較大等特點，故對評價因素進行以下賦值[11]，見表2。

2工程實例

山西呂梁一新建鐵路邊坡由于路塹開挖發(fā)生滑動，該滑坡位于山西省呂梁地區(qū),為黃土高原丘陵地貌，地形起伏較大。歷年最大降水量601 mm。歷年最大蒸發(fā)量2 618.9 mm。工程所在位置為山前黃土緩坡地帶，溝谷發(fā)育，南東側(cè)為一河流，地形單傾，西高東低，表覆黃土，局部基巖出露。區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀330°∠10°，巖層平緩，為穩(wěn)定的緩傾單斜構(gòu)造，該區(qū)地層巖性為：第四系上更新統(tǒng)坡洪積(Q3dl+pl)新黃土、圓礫土，第四系中更新統(tǒng)洪積(Q2pl)老黃土；下伏二疊系上統(tǒng)(P2)泥巖、砂巖?；峦庑纬时鈾E圓形，軸向長170 m，橫向?qū)?10 m，滑體最大厚度36 m，為一厚層堆積面中大型黃土滑坡，滑移方向與線路走向近垂直，受開挖臨空面控制明顯。路基以路塹形式通過該路段，路塹邊坡最大挖深達52 m。根據(jù)勘察報告土工實驗數(shù)據(jù)對該邊坡內(nèi)摩擦角取25.8°，粘聚力取29.2KPa，土壤天然含水率19.2%，坡度36°，根據(jù)氣象資料顯示2013年最大單日降雨量41.1 mm。

對研究所得數(shù)據(jù)利用SPSS 18.0軟件進行處理,計數(shù)資料n/%表示,用χ2檢驗,P值小于0.05,則提示經(jīng)比較兩組數(shù)據(jù)間差異存在統(tǒng)計學(xué)意義。

根據(jù)上述工程基本情況結(jié)合土工實驗室測得的數(shù)據(jù)，對該滑坡應(yīng)用本文模型進行穩(wěn)定性模糊綜合評判。

表2 　 影響因素值

(1)對所有單因素代入隸屬度函數(shù)進行單因素評價計算。計算過程略過，通過計算得到影響度，見表3。

表3　 影響因素計算結(jié)果表

(2) 將隸屬度計算結(jié)果與各因子的第一級權(quán)重進行模糊運算，運算采用普通乘，得出第一級評價結(jié)果子集b：

b11={0.35,0.35,0.2,0.3,0.2,0.2}·

(3) 將第一級評價結(jié)果再與第二級各因素權(quán)重進行模糊運算，運算仍采用普通乘，得到最后的評價子集N：

N=A·B={0.4,0.3,0.3}·

(4)評價結(jié)果根據(jù)最大隸屬度原則，N中各元素的最大值即為該邊坡的穩(wěn)定性等級為N集合中的最大值為Nmax=0.348，證明該邊坡在開挖路塹的工況下屬于不穩(wěn)定邊坡，極易產(chǎn)生滑動，這與工程實際吻合，而采用常用的極限平衡方法進行驗算該邊坡則是穩(wěn)定的。

3結(jié)語

固然現(xiàn)在工程建設(shè)及勘察設(shè)計中仍然較多的采用極限平衡法數(shù)值計算甚至是有限元法進行邊坡穩(wěn)定性的驗算，但是邊坡穩(wěn)定性問題是一個不確定的具有模糊性的多因素影響下的復(fù)雜問題，不僅要考慮邊坡本身的力學(xué)特征，更要考慮邊坡所處的環(huán)境影響，人為因素等條件，而模糊數(shù)學(xué)綜合評判的方法恰恰能全面、客觀的考慮了這些外在因素對問題的影響，更能客觀的反應(yīng)邊坡的狀態(tài)。

極限平衡法或者有限元法雖然有充分的力學(xué)證明，但是其計算極其依賴參數(shù)選取的準確性，而模糊綜合評判模型具有簡單易行，客觀直觀的特點，比較適合在工程勘察初期，對工程邊坡穩(wěn)定性進行初判，且具有很好的效果，可以用于指導(dǎo)勘察設(shè)計工作。

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[收稿日期]2015-09-24

[作者簡介]常天龍(1990-)，男，天津人，在讀碩士研究生，主攻方向：黃土邊坡穩(wěn)定性分析。

[中圖分類號]P642.22

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0229-03