《武汉工程大学学报》
2018年04期
419-422
出版日期：
2018-08-23
ISSN:
1674-2869
CN:
42-1779/TQ
基于多判据的“三高”地区公路边坡稳定性的综合评价
随着我国“一带一路”倡议的推进，大批公路、铁路等基础设施建设在我国西部地区陆续开展，该类地区具有典型高寒、高海拔、高地震烈度的“三高”特征，岩土体风化强烈、高陡边坡林立，对坡体稳定状态判断受野外工作环境差、现场原位试验难度大等诸多因素的影响。结合地区特征选择合适的边坡稳定性评价方法，对地质灾害风险评估、公路选线及滑坡防治设计具有重要的工程实际意义。国内外学者对复杂地区边坡稳定性的评价方法已进行了一系列的研究工作。冯守中等［1］认为严寒地区的岩质边坡需考虑冻胀作用力的影响，在模型中设置一定的冻胀范围，采用有限条分法计算边坡安全系数；袁广祥等［2］运用刚体极限平衡法对川藏公路冰碛堆积体边坡进行稳定性分析，考虑各地震烈度下冰碛土强度特征的变化；李建峰等［3］构建了高寒高海拔地区模糊综合评判体系模型，结合模糊评价理论对该类地区岩质边坡稳定性进行分析；王掌权等［4］考虑黄土冻融过程抗剪强度劣化特性，运用有限元强度折减法对黄土地区边坡稳定性进行数值分析。上述各类方法都能在一定限度内考虑地区地质环境特殊性，得到边坡稳定性基础评价结果。但由于地质体复杂性边坡工程问题是信息不全、信息模糊问题，因此，必须引入更为综合性的评价方法才能得到相对客观的评价结论。本文提出多判据的“三高”地区公路边坡稳定性综合评价方法，将不同评价方法结果作为评价指标，采用模糊数学理论，建立多指标的边坡稳定性评价模型，集多种方法的结论于一体，有效克服传统单一判据所得结论可信度偏低的缺陷。1 “三高”地区特性及评价方法的选择1.1 区域特点我国“三高”地区主要包括新疆、甘肃和青海的高山地带及青藏高原。受印度板块与欧亚大陆的碰撞和推挤，区内形成了天山、祁连山、昆仑山、阿尔泰山、喜马拉雅山等山脉，多由太古、元古、下古生界的结晶岩类构成，变质较深，岩质坚硬［5］，山高坡险，平均海拔多在2 000 m~4 000 m。由于海拔较高、气候寒冷，部分区域终年积雪覆盖，平均最暖月温度不足10 ℃。受大陆性气候影响，降雨量较少，蒸发量较大，空气干燥多风。地区内存在羌塘、巴颜喀拉、柴达木-陇西、塔里木等活动地块，地块边界构造运动强烈、褶皱广泛发育，活动断裂的形成对强震有控制作用［6］。根据中国地震动峰值加速度区划图［7］，“三高”地区地震动峰值加速度多在0.2g（g=9.806 65 m/s2）以上。1.2 边坡稳定性影响因素1.2.1 高寒区冻融风化作用 “三高”地区日照较强，昼夜温差明显。由于温度变化大，原本存在于岩体裂缝中的降雨或融雪结冰体积膨胀，对岩石内部产生冻胀作用力，使其节理裂隙逐渐发展，向内部扩张。重复循环的冻融作用导致岩体深处破碎，整体稳定性降低，容易造成滑坡。此外，融化的雪水侵入岩土体，使得岩石裂缝内充填物吸水饱和、土体中含水量提高发生强度软化，也是引发整体或局部滑动的诱因。风化作用使裸露基岩表面剥离、脱落，形成碎块石土层，为滑坡、崩落提供物质来源。1.2.2 高地震烈度区地震作用 具有高烈度（地震烈度Ⅷ~Ⅸ）特点的“三高”地区地壳运动活跃。地震发生时，地震波以作用力的方式传播于岩体，产生的垂直向地震惯性力会增加边坡下滑力。岩体内部结构会受到扰动，已经存在的结构面开始松弛，强度降低，新生成的结构面还有可能使得岩体内孔隙水压力增强，导致裂缝扩展，引起岩层根部岩体破坏。1.2.3 人类工程活动 “三高”地区的公路建设，大多需要对山体进行开挖，边坡开挖促进岩体卸荷裂隙发展，产生局部范围内的位移、变形。开挖时的扰动，容易使得山体表面破碎块石崩塌、滚落，造成次生灾害。1.3 边坡稳定性评价方法的选择模糊综合评价法能将某些无法定量描述的影响因子，如岩体风化程度（高海拔条件下岩体强、中风化特征不明显）、冻融条件（不同地形季节性温差各异、不同性质岩土体冻结温度各异）、边坡坡形等纳入边坡稳定性评价体系，更全面反映边坡实际情况；极限平衡法采用摩尔-库伦理论，满足力和力矩平衡、应力边界条件［8］，概念明确、操作简单；数值计算法理论完善，能考虑岩土体的受力特征，模拟冻融、风化作用对岩土体内部强度造成的损伤，计算精度较高；可靠度分析法以概率理论为基础，能考虑不同边坡特点，反映介质特性［9］。由于“三高”地区自然环境脆弱、气候条件恶劣、工程地质条件复杂、野外勘察困难，对边坡的稳定性评价需要考虑多种影响因素；实际工程中又常出现现场取样困难、岩体结构面状况难以识别、岩土体力学参数无法准确测定、强度参数试验离散型较大等状况，综合应用上述常规边坡稳定性评价手段，能丰富完善边坡稳定性评价结果。同时，公路沿线边坡的稳定性评价容易受工程勘察时间紧、任务重、调查深度不足的限制，多判据方法的使用能在短期内得到一个相对快速可靠的评价结论。2 多判据的边坡稳定性评价模型建立2.1 因素集与评价集的确定将上述的边坡稳定性评价方法作为评价指标，构建因素集[x=x1，x2，x3，x4]=｛模糊综合评价法，极限平衡法，数值计算法，可靠度评价法｝。根据实际需要将边坡稳定性划分为5个级别，用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别表示边坡稳定、基本稳定、潜在不稳定、欠稳定、不稳定状态，构建评价集[y=y1，y2，y3，y4，y5]=｛稳定，基本稳定，潜在不稳定，欠稳定，不稳定｝。模糊综合评价结果属于离散型指标，对其计算结果需做数量化处理，以满足评价数据统一规范量化要求［10］，各等级分别对应的量化值为：Ⅰ（0.9），Ⅱ（0.7），Ⅲ（0.5），Ⅳ（0.3）和Ⅴ（0.1）。极限平衡法与数值计算法计算结果皆为边坡稳定性安全系数，属于连续性指标；可靠性方法计算结果包括可靠度指标和失效概率两种形式，可靠度指标属离散型变量，失效概率是连续型变量，为便于计算分析，本文将可靠性评价结果统一为失效概率，作为连续性指标参与计算。多判据的边坡稳定性综合评价分级标准见表1。2.2 改进层次分析法确定权重层次分析法根据两两比较的标度建立判断矩阵，从而表征各元素之间相对重要性大小，是模糊数学中最常用的权重确定方法。由于“三高”地区地域环境的特殊性，单一方法的评价结果无法全面界定边坡稳定状态，为合理考虑各方法计算结果权值，引入可拓学理论，用可拓比例区间代替单一精确值指标，以降低主观判断影响［11］。改进层次分析法的权重确定步骤如下：1）构造可拓区间判断矩阵A=
，其中A-、A+分别为区间上下端点构成的矩阵，即结合实际情况，考虑不同工况下各指标的重要性程度，将层次分析法中比较判断所采用的1-9 标度中的单值，用区间范围代替。2）求出A-、A+的最大特征值所对应的具有正分量的归一化特征向量X-、X+。3）由A-=[(a-ij)n×n]、A+=[(a+ij)n×n]，计算k和m的值，其中[k=j=1n(1/i=1na+ij)]；m=[j=1n(1/i=1na-ij)]，式中k，m应满足[0