楊文騰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

我國西南地區(qū)多為山區(qū)，地勢復(fù)雜，地質(zhì)條件惡劣，受到強(qiáng)降雨等氣候條件的影響或地震等強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用的沖擊，坡體極易失穩(wěn)引起滑坡，進(jìn)而引發(fā)其他災(zāi)害，如泥石流、水毀等，形成災(zāi)害鏈，造成鐵路設(shè)施的嚴(yán)重?fù)p壞，對人民生命及財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅[1]。在西南地區(qū)鐵路選線過程中，不可避免要通過可能存在滑坡的區(qū)域。因此，需要綜合考慮滑坡的影響因素指標(biāo)，以及選擇合適的通過方式及相應(yīng)治理措施。

我國自20世紀(jì)50年代便開始針對不良地質(zhì)制定相應(yīng)選線措施，在此后幾十年里，積累了大量的針對滑坡選線的工程案例[2]，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，楊宗佶等通過貢獻(xiàn)權(quán)重法對設(shè)計(jì)的4種選線方案危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，從中推選出最優(yōu)方案[3]；張喆深入分析天水北山滑坡群的特性，采用隧道內(nèi)穿的方式通過，既避繞滑坡群，又避免外繞造成過大投資[4]。

以往工程案例包含大量的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，但多數(shù)研究僅集中于目標(biāo)滑坡案例，未能充分利用歷史案例，若能將歷史案例利用到鐵路選線決策中，并參考其處理措施，將大幅提高鐵路選線決策的合理性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可將過往工程累積的，針對土質(zhì)邊坡滑坡進(jìn)行選線設(shè)計(jì)的案例搭建成相應(yīng)的案例庫[5]。

以下針對西南地區(qū)常見的滑坡災(zāi)害，考慮可能引發(fā)土質(zhì)邊坡滑坡的影響因素指標(biāo)，利用已有滑坡工程案例資料建立案例庫，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法匹配相似案例，借鑒過去成功的案例進(jìn)行滑坡區(qū)域選線設(shè)計(jì)的輔助決策，以期有效提高決策效率與可靠度。

1 滑坡案例庫及其因素指標(biāo)

1.1 案例庫建立流程

案例庫是指將已有的工程案例收集并添加至數(shù)據(jù)庫中，在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫，即得到可供參考的具有極大相似性的歷史案例，再結(jié)合新工程實(shí)際情況及專家意見，對相應(yīng)解決辦法進(jìn)行優(yōu)化，得到可靠的決策方案。同時(shí)，將新案例資料信息存儲至數(shù)據(jù)庫，不斷更新案例庫，從而達(dá)到增量式學(xué)習(xí)的效果。案例庫的建立和使用主要包含4個(gè)步驟：案例匹配、案例重用、案例修正和案例保存。相較于以往的規(guī)則推理模式，案例庫充分利用了歷史知識與經(jīng)驗(yàn)，獲取知識較為容易，知識表達(dá)能力較高，求解效率高、質(zhì)量好[6]。案例庫建立流程見圖1。

圖1 案例庫建立流程

1.2 影響因素指標(biāo)

滑坡是指邊坡在重力作用下，受其他因素誘發(fā)，失去自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，沿內(nèi)部破裂面發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)，整體產(chǎn)生向下或向外位移。滑坡成因機(jī)制復(fù)雜、暴發(fā)規(guī)模大、危害性嚴(yán)重，已造成大量經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，在滑坡區(qū)域進(jìn)行鐵路選線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)影響因素后進(jìn)行決策。

滑坡是邊坡演化的產(chǎn)物，受到控制因素和誘發(fā)因素共同作用而導(dǎo)致，控制因素主要是指邊坡自身因素，包括地形地貌、地質(zhì)水文、植被覆蓋率等；而誘發(fā)因素一般是指外部活動(dòng)因素，如強(qiáng)降雨、地質(zhì)板塊活動(dòng)、人類工程活動(dòng)等。控制因素和誘發(fā)因素之間產(chǎn)生各種直接或間接的影響，正是這種長期而復(fù)雜的相互作用，最終啟動(dòng)了滑坡[7-8]。以下選取8個(gè)與滑坡相關(guān)的影響因素指標(biāo)進(jìn)行分析，見圖2。

圖2 滑坡影響因素指標(biāo)

1.3 因素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)前文所述，引起土質(zhì)邊坡滑坡的因素指標(biāo)大部分都難以定量分析。因此，決定采用定性和定量分析相結(jié)合的方式，在充分分析相應(yīng)的滑坡資料，挖掘語義關(guān)鍵詞，消除量綱影響的基礎(chǔ)上，將上述所有因素指標(biāo)的初始值進(jìn)行規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化處理。

根據(jù)其他學(xué)者的研究成果和過往滑坡工程案例，將滑坡風(fēng)險(xiǎn)性分為5個(gè)等級：①無風(fēng)險(xiǎn)，②低風(fēng)險(xiǎn)，③中風(fēng)險(xiǎn)，④高風(fēng)險(xiǎn)，⑤極高風(fēng)險(xiǎn)，各個(gè)因素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化范圍見表1。

1.4 因素指標(biāo)權(quán)重確定

由表1可知，上述因素均有可能誘發(fā)滑坡災(zāi)害，但是其重要程度不同，為了提高案例匹配的精確性，需要對各個(gè)因素指標(biāo)按其對滑坡產(chǎn)生影響進(jìn)行定量分析，給予不同的權(quán)重。以下選用熵權(quán)法，信息和熵分別表示系統(tǒng)的有序程度和混亂程度，并以此計(jì)算每個(gè)因素指標(biāo)的權(quán)重，當(dāng)指標(biāo)的熵越小，指標(biāo)的離散程度越大，則其所蘊(yùn)含的信息量越大，影響力和權(quán)重也應(yīng)當(dāng)越大；反之，當(dāng)指標(biāo)的熵較大時(shí)，其離散程度相對較小，所蘊(yùn)含的信息量也相對較少，影響力小，該指標(biāo)分配的權(quán)重也應(yīng)減小。選用熵權(quán)法分配權(quán)重能避免主觀上的隨意性，保證計(jì)算客觀和準(zhǔn)確[8-9]。熵權(quán)法的計(jì)算步驟如下。

表1 滑坡影響因素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

(1)數(shù)據(jù)歸一化處理

假設(shè)目前共有m個(gè)案例即評價(jià)對象，每個(gè)案例有n個(gè)影響因素即評價(jià)指標(biāo)，則構(gòu)成了判斷矩陣A，有

(1)

式中，aij為第i個(gè)案例的第j個(gè)影響因素，將其按下式進(jìn)行歸一化處理，有

(2)

歸一化處理后，有

(3)

(2)計(jì)算確定第j個(gè)影響因素下、第i個(gè)案例所占比例

(4)

(3)計(jì)算第j個(gè)因素指標(biāo)的熵

(5)

式中，K=1/lnm；當(dāng)rij=0時(shí)，定義rijlnrij=0。

(4)計(jì)算各個(gè)因素指標(biāo)的權(quán)重

(6)

1.5 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的案例匹配

確定各個(gè)因素指標(biāo)的權(quán)重后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)—案例匹配。其主要工作原理是將目標(biāo)案例與案例庫中各個(gè)既有案例的相似度進(jìn)行比較，從而得到與目標(biāo)案例最為匹配的既有案例，獲得可輔助決策的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。案例匹配的效率和準(zhǔn)確率決定了案例庫的可靠度，故選用合適的方法建立相應(yīng)的匹配機(jī)制尤為重要。以下選用灰色關(guān)聯(lián)分析法相關(guān)理論進(jìn)行案例匹配。

灰色關(guān)聯(lián)分析法是在決策行為中常用的關(guān)聯(lián)分析方法，其優(yōu)勢在于對樣本數(shù)量和出現(xiàn)規(guī)律要求不高，可根據(jù)少量的既有數(shù)據(jù)，深度挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部信息，經(jīng)過一定規(guī)范化的計(jì)算處理后，匹配目標(biāo)案例與案例庫既有案例之間的共性，繼而確定兩者的相似度。

(1)確定比較對象

依據(jù)上文假設(shè)，案例庫目前共有m個(gè)案例，每個(gè)案例有n個(gè)影響因素指標(biāo)，則案例庫中案例的因素指標(biāo)序列為：pi={pi1，pi2，…，pin}，目標(biāo)案例的因素指標(biāo)序列為：p0={p01，p02，…，p0n}。

(2)確定案例的因素指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)上文所述，采用熵權(quán)法確定各個(gè)因素指標(biāo)的權(quán)重為：w={w1，w2，…，wn}。其中，wj表示第j個(gè)因素指標(biāo)的權(quán)重。

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

目標(biāo)案例與數(shù)據(jù)庫中第i個(gè)案例第j個(gè)因素指標(biāo)的鄧氏關(guān)聯(lián)計(jì)算式[10]為

(7)

(4)考慮權(quán)重后的相似度

目標(biāo)案例與案例庫中第i個(gè)案例的相似度為

(8)

2 工程實(shí)例

選用某山區(qū)鐵路滑坡工點(diǎn)作為目標(biāo)案例，將其與前文建立的案例庫中的案例進(jìn)行匹配，從而得出可行的選線策略，并與現(xiàn)行方案進(jìn)行比對，以驗(yàn)證案例庫的適用性[11]。

2.1 工程概況

Ⅰ區(qū)位于四川甘孜州，雅礱江的支流自其東側(cè)流過，水系發(fā)達(dá)，屬于鐵路沿線的一處潛在滑坡群工點(diǎn)。

(1)地形條件

河谷海拔為3 600 m，頂部最高海拔超過4 000 m，可見由冰川發(fā)育形成的寬谷和侵蝕形成的陡坡。該滑坡有過多次滑動(dòng)變形歷史，前緣滑體厚重，后緣滑體相對較薄，呈現(xiàn)出上緩下陡的形態(tài)，平均坡度約30°，前后緣相對高程差約480 m，主滑方向?yàn)?0°，斜坡長度約900 m，寬度約820 m，平均厚度約40 m，土方總體積為3 248萬m3，屬于特大型滑坡，滑坡體情況見圖3。

圖3 滑坡體情況

(2)地質(zhì)條件

滑坡基巖為中風(fēng)化的炭質(zhì)板巖，節(jié)理較發(fā)育。上部滑體土主要為碎石土?；瑤林饕獮榛疑蚧液谏姆圪|(zhì)黏土夾角礫土，粉質(zhì)黏土為軟塑狀態(tài)，角礫土主要成分為砂質(zhì)板巖，呈棱角狀和次棱角狀，滑帶厚度為1.5～3.3 m，含水率較高。由于滑動(dòng)歷史的影響，滑坡表面呈現(xiàn)階梯狀，存在多個(gè)緩坡平臺?；麦w地質(zhì)情況見圖4。

圖4 滑坡體工程地質(zhì)剖面

(3)氣象水文

Ⅰ區(qū)所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷母咴瓪夂?，常年高寒缺氧，年平均降雨量?05 mm，旱雨季分明，每年的5～9月為雨季。

滑坡下緣為雅礱江支流，坡腳常年受到水流侵蝕，坡體表面有水系徑流，由于高寒山區(qū)晝夜溫差極大，該滑坡受到嚴(yán)重的凍融循環(huán)影響。

(4)地震

Ⅰ區(qū)處于青藏高原的東南部，夾于兩大斷裂帶之間，其周邊地區(qū)曾發(fā)生多次大規(guī)模地震?？ㄗ永降貐^(qū)地震烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g。

2.2 基于案例庫選線決策推理

運(yùn)用上文熵權(quán)法算式，可計(jì)算出滑坡災(zāi)害案例中各項(xiàng)影響因素指標(biāo)的權(quán)重，見表2。

表2 滑坡影響因素指標(biāo)權(quán)重

按照上文對目標(biāo)案例影響因素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，其結(jié)果見表3。

表3 滑坡因素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

根據(jù)目標(biāo)案例相應(yīng)情況，廣泛收集西部地區(qū)土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)害案例，組建案例庫，對其影響因素指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[12-18]，結(jié)果見表4。

表4 西部地區(qū)滑坡災(zāi)害案例庫標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法將目標(biāo)案例與案例庫中既有案例進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表5 案例庫匹配結(jié)果

由表5可知，內(nèi)江至六盤水鐵路K285滑坡與目標(biāo)案例匹配的相似度最高，達(dá)到0.910 0。查閱內(nèi)江至六盤水鐵路K285滑坡資料，分析其成因，可知該案例與目標(biāo)案例滑體組成相似，滑體土均為碎石土，結(jié)構(gòu)松散，滑動(dòng)帶均位于土石分界處。兩個(gè)滑坡地形陡峻，均具有較大的前后緣高程差，較高的臨空面，坡體易沿臨空方向發(fā)生滑動(dòng)。兩滑坡所處位置均位于河谷附近，河流下切坡腳，且干濕季節(jié)分明，雨季均集中在5～9月份，滑坡區(qū)域地震活動(dòng)頻繁。

針對內(nèi)江至六盤水鐵路K285滑坡，綜合各項(xiàng)調(diào)研資料可知，滑坡體處于極限平衡狀態(tài)，穩(wěn)定性不高，一旦受到強(qiáng)降雨、地震等因素影響，極易誘發(fā)滑坡災(zāi)害，威脅鐵路安全。因此，鐵路選線過程中應(yīng)盡量繞避，且應(yīng)減少鐵路施工產(chǎn)生的擾動(dòng)。

專家選線建議是繞避，選擇滑坡旁的山脊處作為隧道進(jìn)口，盡管目前滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但施工行為可能誘發(fā)滑坡災(zāi)害的發(fā)生，因此需要規(guī)范施工行為，盡量減少施工擾動(dòng)。

對比可知，兩個(gè)案例的建議方案有一定相似度，因此，可認(rèn)為基于匹配案例得到的選線措施具有一定合理性。

3 結(jié)語

(1)建立鐵路沿線土質(zhì)邊坡歷史滑坡災(zāi)害案例庫，滑坡災(zāi)害的發(fā)生受控制因素和誘發(fā)因素的影響，選取6個(gè)控制因素和2個(gè)誘發(fā)因素為指標(biāo)。上述指標(biāo)在滑坡案例中多有描述，易獲取，可靠度高，具有代表性，便于案例庫的標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)選用熵權(quán)法求取各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，可有效避免主觀隨意性；選用加權(quán)后的灰色關(guān)聯(lián)分析法，可根據(jù)少量規(guī)律不明顯的數(shù)據(jù)，獲得兩者之間的關(guān)聯(lián)性，保障了匹配的效率和準(zhǔn)確率。

(3)匹配案例和目標(biāo)案例相似度達(dá)到0.910 0。兩案例的地形地貌、土體性質(zhì)、氣候條件、地震烈度等均有一定的相似性，最終建議的處理方案也具有一定相似性。因此，在項(xiàng)目前期選線時(shí)，可使用案例庫匹配既有案例，參考其選線措施。

(4)本研究僅考慮造成土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)害的8種影響因素，之后可增加其他影響滑坡的因素指標(biāo)，以增強(qiáng)滑坡案例庫的豐富性和準(zhǔn)確性。