《武汉工程大学学报》 2014年03期
28-32
出版日期：2014-03-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
公路边坡安全模糊综合预警方法
0引言边坡稳定性预测预报、监测预警研究涉及到工程地质调查，数据库建立, 滑坡实时监测，信息采集、传输、处理和管理,预警判据的研究，预警模型和预警信息发布等众多学科的交叉领域.其中, 最为关键的问题是稳定性判据与预警阀值的确定.由于地质环境条件复杂多变，人们对滑坡机理的认识不足，尽管各类判据均有成功的案例，但仍存在高度的不协调和不统一，目前还处于探索阶段［14］.模糊理论由于能综合考虑各种不确定性因素的作用，特别适用于边坡工程稳定性预测和评价［58］.本文试图将基于监测与调查数据的几种常用判据作为评价因子，结合专家经验与案例分析赋予各因子权重，运用模糊逻辑推理，确定边坡稳定性综合预警等级，为高速公路灾害预警系统建立提供科学的理论依据.1模糊评价步骤模糊评判模型可分为多级模型，以一级模型为例，模糊综合评判步骤可归纳为［9］：a.建立评判因素集G={g1,g2,…,gn}.因素就是对象的各种属性，它们能综合反映对象的质量，可由因素评价对象.b.建立评判结果集H={h1,h2,…,hm}.评判集是适应度的集合.c.建立评判关系，即从G到F(H)的模糊映射：f：G →F(H)， gi∈GRj=f(gj)=rj1h1+rj2h2+…+rjmhm式中：rji为第j个因素对i个等级的隶属度.n个因素对m个等级评判隶属度构成的矩阵：R=r11r12…r1mr21r22…r2m…………rn1rn2…rnmd.模糊综合评判.对G中各因素有不同的权重，可表示为H中的一个模糊子集A=（W1,W2,…,Wn），并且有∑ni=1=1.在给定R，A之后，模糊综合评判模型为B=AR.假设B=(b1,b2,…,bm)，它为H中的一个模糊子集.根据AR的不同算法，相应有不同的评价模型.2边坡综合安全预警模型2.1评价因子2.1.1安全系数安全系数是指通过极限平衡法、极限分析理论或有限元强度折减法计算的边坡稳定性系数.安全系数小于1，边坡不稳定；安全系数大于1, 边坡稳定；安全系数等于1 时, 边坡处于临界状态.安全系数适用于边坡的长期预报, 是长期预报中的常用判据.2.1.2监控点累计位移滑坡预报的方法或手段有较多，但最有效的是位移监测.在均质岩土体与特定的环境条件下，边坡的稳定性与监测监控点的位移密切相关.隧道围岩稳定性位移判别是在隧道施工实测位移U与隧道极限位移U0之间建立判别准则，即：UU0时，隧道围岩不稳定.近年来，根据位移时间曲线变化趋势预报边坡滑动时间是常用的方法.2.1.3边坡变形速率边坡滑坡的发生属围岩物质以一定的速度沿特定滑移面向下移动所致.因此以物质变形速率的大小作为滑坡发生的预报判据更直观、更可靠.目前，业界都直接或间接使用边坡变形速率作为判据对边坡作出临滑预报.但边坡变形速率受边坡围岩物质组成、变形破坏方式以及外界诱发因素等诸多因素影响，失稳前的变形速率存在很大差异，要确定统一的边坡变形速率判据是不现实的.用变形速率作为边坡临滑判据时，必须对所预报边坡进行深入的工程地质调查分析.第3期李元松，等：公路边坡安全模糊综合预警方法 武汉工程大学学报第36卷2.1.4变形加速度大量滑坡实例的监测数据表明：在重力作用下，边坡岩土体的变形演化曲线具有如图1 所示的演化特征［10］.研究结果表明，边坡岩体进入加速变形阶段是滑坡发生的基础和前提，加速变形阶段对于滑坡的预测预报具有重要意义.加速度a>0可以作为边坡预警的一项指标.2.1.5降雨强度降雨量判据是指一定地区突降大暴雨或持续降大雨，降雨量达到一定量使图1边坡变形演变过程Fig.1Evolution process of slope deformation潜在危险的边坡围岩发生失稳和快速滑动；属于外施的临界诱发判据，不同地区的边坡结构和地质环境条件差异较大，诱发滑坡的临界降雨量存在较大差异，仍然难以形成统一的通用判据.但是，由于降雨量易于监测，特别易于连续实时监测和数据传输，是目前使用较为成功的滑坡预警判据.因此，选取上述5种判据作为评价因子，建立评价因子模糊集合：U={u1,u2,u3,u4,u5} 边坡预警等级分为稳定、一级、二级、三级和四级，建立模糊集合：V={v1,v2,v3,v4,v5}2.2隶属度的确定对于上述离散型变量的隶属度的取值，目前还没有精确的确定方法，只能根据专家经验，结合现场情况评定，其值可参考表1［1011］.2.3各因子权重的确定确定评价边坡稳定性因子的权重有多种方法.因边坡环境的复杂性、模糊性和不可逆性，用精确的数学模型难以求得评价因子的权重.往往由于对边坡的地质、力学条件和环境条件分析不够，而过分地相信数学模型，反而使权重不尽合理；相反，根据专家的经验综合判断，其结论相对较为可靠.本文采用层次分析法，结合专家经验判断建立适当的数学模型，经运算确定权重，是一种较为合理、可行、新颖的系统分析方法［1213］.层次分析法确定权重的矩阵T.T=12/34/53/43/43/214/33/43/45/43/413/43/54/34/34/315/44/34/35/34/51然后分别按下列步骤进行和积法运算：第一步，将判断矩阵每一列归一化：uij=uij∑mk=1ukj （i,j=1,2,…,m）(1)第二步，每一列归一化的判断矩阵按行相加：wi=∑mj=1ukj （i,j=1,2,…,m）(2)第三步，对向量： wi=(w1,w2,…,wm)T作正则化处理：ai=wi∑mj=1wj （i=1,2,…,m）(3)依次求得A=(a1,a2,…,am)T，即为所求权重向量.A={0.16,0.20,0.17,0.24,0.23}2.4边坡综合预警依据模糊综合评判理论，结合专家经验，按如下步骤确定预警等级：a.预警级别＝{正常，一级，二级，三级，四级}；表1边坡稳定性相关因素隶属度取值（离散型变量）Table 1The value of membership degree of evaluation factor with slope stability评价因子状态类别隶属度μ正常一级二级三级四级累计位移值*/mmU01.00.30.00.00.00.30.60.30.00.00.10.50.50.30.00.00.10.10.60.50.00.00.00.31.0变形速率*/(mm/d)v00.80.50.30.00.00.70.60.50.00.00.30.50.50.50.00.00.20.50.60.70.00.00.50.60.8变形加速度>0.20.06~0.2-0.06~0.05-0.2~-0.05<-0.20.00.30.50.81.00.00.30.50.80.80.00.70.80.50.30.30.80.90.60.01.00.80.50.30.0一次累计降雨量/mm0~7071~125126~150151~180>1800.80.30.00.00.00.50.70.30.00.00.00.20.50.50.00.00.00.50.60.70.00.00.50.60.8安全系数>1.351.26~1.351.10~1.251.0~1.09<1.00.90.80.60.50.00.60.60.70.80.00.50.70.90.80.30.30.50.80.90.80.00.50.60.81.0*此值因监测点位置不同而异，表中显示研究边坡最低点的阈值.b.判据因子集 ={累计位移，变形速率，变形加速度，一次累计降雨量,安全系数}；c.权重集合A={0.16,0.20,0.17,0.24,0.23}；d.根据隶属度函数，确定因素的模糊隶属度，从而建立监控点单因素评判矩阵R；e.计算模糊评判集B=AR; f.根据最大隶属度准则确定边坡各监控点的预警等级.3工程应用3.1工程概况宜巴高速第3标段，K23+353～K23+373有一长200 m，高60 m边坡，出露基岩为白垩系下统五龙组强～中风化粉砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，属软质岩类，力学强度较不均匀；表层零星分布第四系残坡积粘性土等松散土层.地下水为基岩裂隙水，水量受降雨控制，设计按五级开挖.由于其地质环境条件，施工方法具有典型代表性，因此选择该边坡作为背景工程.设计降雨量监测仪1台，地表位移GPS监测点5个，自2011年4月安装，至今已积累大量数据.运用上述多判据综合模型，研究宜巴高速公路边坡破坏的安全预警模式.3.2综合预警运用上述综合预警模型，对背景边坡5个监控点两年来的监测结果进行预警判断.两次典型的预警数据及结果见表2.由表2可以看出，两次预警最危险结果均达到Ⅲ级.上述各监控点具有一定的代表性，其稳定性状态直接决定研究边坡整体的稳定性，由此可以进一步推定研究边坡处于稳定状态；事实上，研究边坡自加固竣工两年来一直处于稳定状态，与模型预测结果基本吻合.表2背景边坡工程两次典型预警信息Table 2Studied slope samples used for model testing日期/测点 累计位移/mm 变形速率/(mm/d) 变形加速度 降雨量/mm安全系数实测阈值计算阈值计算阈值测量阈值计算阈值预警级别一致性检验［14］2011725YDZ115.520.00.110.150>01501801.251ⅡYDZ210.115.00.080.150>01501801.251ⅡYDZ37.67.50.070.150>01501801.251ⅢYDZ413.214.50.100.150>01501801.251ⅡYDZ56.07.00.040.150>01501801.251Ⅱλmax=5.25CI=0.06CR=0.05<0.12012820YDZ118.520.00.120.150>01701801.201ⅢYDZ212.615.00.100.150>01701801.201ⅡYDZ37.87.50.050.150>01701801.201ⅡYDZ413.514.50.110.150>01701801.201ⅡYDZ56.27.00.040.150>01701801.201Ⅱλmax=5.30CI=0.075CR=0.07<0.14结语a.边坡稳定性是一个模糊性非线性问题.模糊理论能恰当地处理类似边坡工程稳定性等影响因素众多，定量与半定量化混合的问题，能将专家经验有效结合，逻辑推理明确，用于边坡稳定性安全预警可较好地弥补传统单一判据的不足；b.工程实例应用表明，本文提出的公路边坡模糊预警模型，数据获取便捷，意义明确，效果良好.综合预警结果表明：目前研究边坡处于稳定状态.致谢本文的研究工作是在宜巴高速指挥部的支持帮助下完成的，在此表示诚挚的谢意！