王新忠

(中國民航機場建設集團公司西北分公司，陜西西安 710075)

基于模糊信息優(yōu)化處理的黃土滑坡穩(wěn)定性分析

王新忠

(中國民航機場建設集團公司西北分公司，陜西西安 710075)

基于呂梁機場H2黃土滑坡現(xiàn)場工程地質勘察，對該滑坡特征進行分析。結合室內(nèi)土工試驗資料，綜合考慮影響黃土邊坡穩(wěn)定性的五個主要因素粘聚力、內(nèi)摩擦角、滑坡坡度、滑坡高度和地震動參數(shù)，運用模糊信息優(yōu)化處理方法中的信息分配、信息集中等方法對黃土滑坡穩(wěn)定性進行評價。同時還利用極限平衡法計算該滑坡穩(wěn)定性，結果表明:兩種評價結果均與實際情況符合，模糊信息優(yōu)化處理法適用于黃土地區(qū)滑(邊)坡穩(wěn)定性評價，與極限平衡法相比更利于提高工程經(jīng)濟效益。

黃土滑坡;穩(wěn)定性;模糊信息優(yōu)化處理

黃土滑坡是一類十分嚴重的地質災害，隨著黃土地區(qū)工程建設的增多，尤其是機場建設這樣重大工程，更應該提高對山體滑坡災害的重視。在黃土邊坡穩(wěn)定性分析中涉及到的影響因素很多，有很大的不確定性(隨機性、模糊性及知識不完備性)。為此許多學者采用現(xiàn)代數(shù)學原理和方法建立了一系列的邊坡穩(wěn)定性評價方法［1－6］。而模糊數(shù)學分析方法的特點就是考慮客觀模糊因素的影響和事物發(fā)生本質變化的中介過渡過程，能更好地體現(xiàn)出客觀事物的固有特征和模糊屬性［7］。王家鼎［8］早在1990年就應用模糊信息分析法評價了蘭州市斜坡穩(wěn)定性;后來又逐步提出信息分配概念，初步建立了模糊信息優(yōu)化處理推理體系，并在實際中大量應用，取得了良好的效果［8，9，10］。本文結合呂梁民用機場黃土滑坡，運用模糊信息優(yōu)化處理理論體系進行黃土邊坡的穩(wěn)定性評價。

1 模糊信息優(yōu)化處理理論［10］

1.1 模糊近似推論

模糊近似推論，是進行大系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)分析的主要環(huán)節(jié)。其數(shù)學公式表達為:

為了避免專家打分的主觀影響，王家鼎［1］曾提出以下公式:

式(4)中的Δ為步距，即Δ = αi+1－αi。式(2)和(3)表明當原始信息元素α超出Ai的范圍時(α?Ai)，應突出Ai兩頭元素(αmin，αmax) 的信息。

1.2 信息分配

以元素ui、uj作為行列構成信息矩陣Q(n×n)，記錄了U在V軸上的可能性分布。每個原始信息數(shù)據(jù)提供一個單位信息，并按一定形式分配給相鄰的控制點。公式如下:

式中:Δ為基礎變量各檔次的步距，即Δ=ui+1;Qij是構成信息矩陣的元素，信息矩陣正規(guī)化后為模糊關系R。

1.3 信息集中

信息擴散是一種將非模糊的數(shù)據(jù)變成了模糊信息的變換。一個非模糊數(shù)據(jù)經(jīng)過信息擴散后帶有了模糊的色彩。為了消除這種影響，同時也為了求取最佳預測值，需要進行信息集中:

式中:u為要求得變量的最終結果;bi為模糊近似推論求出的第i個元素的可能性分布;ui為i等級變量的大小;k為常數(shù)，視情況而定。本文中取k=2。

2 黃土滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 滑坡特征

該滑坡(如圖1)位于山西呂梁境內(nèi)，經(jīng)過現(xiàn)場實際調查及詢問當?shù)厝罕?，該滑坡至少?00年前已經(jīng)發(fā)生過明顯滑動。主滑坡后緣位于馬群踏上坡半山腰，其后緣高程為1 139 m，滑坡前緣直抵馬群溝，前緣高程為1 055 m，前后緣相對高差84 m，滑坡北西側界位于前黃草洼，南東側界位于后黃草洼(見圖2)。

圖1 滑坡全貌

圖2 黃土滑坡剖面圖

滑坡整體平均坡度為20°，前緣坡度較陡，約27°。總體上，滑坡體近似疊瓦形或圈椅形，主滑體長193 m，平均寬186 m，地表面積約35 898 m2。西溝滑坡后緣位于主滑坡西側半山腰陡坎處，與主滑坡Ⅱ級滑坡西側界相鄰，其后緣高程為1 094 m，滑坡前緣直抵后黃草洼，前緣高程為1 056 m，前后緣相對高差38 m，西溝滑坡長46 m，平均寬92 m，地表面積約4 232 m2。滑體平均坡度為32°，前緣較陡，多在52°左右，滑坡后壁近似圈椅形。

該滑坡從地貌上呈現(xiàn)三級臺階，可據(jù)此將該滑坡劃分為三級坡，Ⅱ級滑坡的發(fā)育，導致Ⅲ級滑坡的變形，Ⅱ級滑坡上又發(fā)育了Ⅰ級滑坡。

2.1.1 Ⅰ級滑坡

該滑坡曾在早些年發(fā)生過明顯滑動，因此，滑動面及滑體邊界比較明確。滑體上由于雨水的沖刷作用形成多條“V”字型黃土沖溝，其滑坡前緣直抵馬群溝，由于馬群溝的下蝕和側蝕作用，使滑坡前緣臨空面不斷抬升，從而降低了滑坡的阻力，加之滑坡體后緣可見部分裂縫，降雨時有大量地表匯水灌入滑體，侵蝕軟化滑動帶巖土，降低其抗剪強度，連降大雨時，水體還將通過各種作用形式直接增加下滑力，導致滑坡失穩(wěn)。目前，該滑坡尚處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2 Ⅱ級滑坡

調查表明，該滑坡發(fā)生明顯滑動的時間至少可推至100年以前，滑坡體上極其發(fā)育的沖溝也可作為老滑坡的證據(jù)。從該滑坡本身觀察，滑坡后壁十分清晰，高約20 m，傾角60°左右，后壁上發(fā)育3～8 m深的沖溝，但后壁整體穩(wěn)定;滑坡平臺寬緩，平均寬度30～40 m，傾角約10°，局部反坡，且有落水洞分布，平臺未見明顯變形跡象;滑坡前緣因受馬群溝季節(jié)性洪水側蝕、下蝕影響，出現(xiàn)了次生滑坡，這些次生滑坡的繼續(xù)活動對上級滑坡穩(wěn)定不利?？傮w來看，該滑坡邊界清晰，巖土結構整體性較好，滑體坡度較緩，穩(wěn)定性相對較好，但是，從后緣灌入的地表水，對滑坡的穩(wěn)定性極為不利，而且，馬群溝的強烈切割侵蝕，使滑坡前緣長期保持高陡臨空面，為滑坡的主滑動面向深層發(fā)展創(chuàng)造了條件。

2.1.3 Ⅲ級滑坡

雙溝同源的向源侵蝕限定了老滑坡的周界，目前向源侵蝕尚差約40 m即可閉合，說明向源侵蝕正在沿老滑坡側壁作用。

就Ⅲ級滑坡本身而言，除了不斷深化的向源侵蝕，滑坡后壁下錯不明顯，滑坡體中后部巖土體基本完整，滑坡平臺寬緩，寬約60～80 m，傾角約10°。從斜坡上游方向來的匯水面積不大，因此，大氣降水對Ⅲ級滑坡的影響將降低。但高陡的Ⅱ級滑坡后壁，馬群溝洪水對滑坡前緣的側蝕、下蝕，滑坡區(qū)內(nèi)的降雨匯水沿落水洞下滲等均對滑坡穩(wěn)定不利。

根據(jù)鉆孔、探坑及探槽揭示出的滑帶位置及特征，得知西溝滑坡和主滑坡滑動面均在黃土層內(nèi)，且均在離石黃土古土壤層內(nèi)。離石黃土呈塊狀，孔隙較發(fā)育，硬塑，可見古土壤與姜石互層、混雜，工程性能一般。根據(jù)野外勘察和室內(nèi)土工試驗得到相關參數(shù)見表1。

表1 黃土邊坡基本參數(shù)

2.2 滑坡產(chǎn)生的誘發(fā)因素

滑坡區(qū)地處于Ⅵ度地震區(qū)，但特殊類工程應提高一度設防(甲類構筑物)，故設防烈度為Ⅶ度，由于黃土的孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育，透水性好，該滑坡下部含多層姜石層，在巖層分界面容易形成流塑性軟弱結構面，抗剪強度大大降低，在地震力影響作用下，滑坡很可能失穩(wěn)下滑。

2.3 滑坡穩(wěn)定性計算的極限平衡法

式中:Fs為穩(wěn)定性系數(shù);θi為第i塊段滑體所受重力(KN/m);Ri為作用于第i塊段的抗滑力(KN/m);Ni為第i塊段滑動面的法向分力(KN/m);φi為第i塊段土的內(nèi)摩擦角(°);ci為第i塊段土的粘聚力(KPa);Li為第i塊段滑動面的長度(m);ψi為第i塊段的剩余下滑力傳遞至塊的傳遞系數(shù)(j=i);Ti為作用于第i塊滑動面上的滑動分力(kN/m)。

通過計算可以得到在地震作用下三級滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別是 SⅢ=0.99，SⅡ=0.80，SⅠ=0.80。

2.4 模糊信息優(yōu)化處理法評價滑坡穩(wěn)定性

在滑坡發(fā)育過程中如滑坡的形成和運動機理目前還沒有一個統(tǒng)一的認識，其過程存在有大量的不確定性，其中模糊性是其最主要的特征。模糊信息優(yōu)化處理技術是解決模糊現(xiàn)象的一種有效的工具。黃崇福和王家鼎教授多年來做了大量研究工作［12］，建立了模糊信息優(yōu)化處理的理論體系，其中，在黃土滑坡穩(wěn)定性的模型計算中效果良好，并已應用于黃土地區(qū)多個防災規(guī)劃中。

通過綜合考慮，本文擬采用黃土滑坡穩(wěn)定性中的模糊信息處理方法來研究該機場的滑坡穩(wěn)定性以資對比。此處選取粘聚力，內(nèi)摩擦角，滑坡坡度，滑坡高度，地震動參數(shù)等五個因素進行對斜坡穩(wěn)定性的評價。

文獻［10］中收集了黃土高原150組黃土斜坡穩(wěn)定性資料，采用信息擴散法建立了粘聚力C，內(nèi)摩擦角φ，斜坡坡度，斜坡高度H，地震動參數(shù)Amax(g)與斜坡穩(wěn)定性論域S的模糊關系 Rc，s(表2至表6)。

先以粘聚力C推論斜坡穩(wěn)定性各級的可能性分布，以Ⅲ級滑坡為例，從表2可知C＜C1，按式(2)得到C=［1，0，…，0］(7)

表2 模糊關系

表3 模糊關系

表4 模糊關系

表5 模糊關系

表6 模糊關系

同理，可以得到Ⅲ級滑坡其他指標對斜坡穩(wěn)定性的可能性分布如下所示:Sφ= ［0.553，0.083，0.047，0.001］;Sα= ［0.020，0.028，0.091，2.324］;SH= ［0.991，0.938，0.642，0.315］;

因為滑坡區(qū)設防烈度為Ⅶ度，對應的地面運動最大加速度為 0.125，根據(jù)表 6 和式(2):Sα= ［0.479，0.641，1.000，0.855］同理，Ⅱ級滑坡各指標對斜坡穩(wěn)定性的可能性 分 布 為:Sc= ［0.002，0.403，0.804，1.000］;Sφ=［1.330，0.173，0.098，0.005］;Sα= ［0.021，0.030，0.097，2.485］;SH= ［0.994，0.959，0.759，0.360］;SQ= ［0.479，0.641，1.000，0.855］。Ⅰ 級滑坡各指標對斜坡穩(wěn)定性的可能性分布如下:Sc= ［0.002，0.403，0.804，1.000］;Sφ=［1.330，0.173，0.098，0.005］;Sα= ［0.024，0.036，0.139，2.746］;SH= ［0.999，0.996，0.976，0.443］;SQ= ［0.479，0.641，1.000，0.855］。

以上是分別利用單因素評價斜坡穩(wěn)定性，為了綜合考慮這些因素的影響，就必須進行二級模糊近似推論［12］:B［2］=A［2］·R［2］(7)

式中:A［2］為每個單因素的權重。本文中 A［2］= ［0.15，0.15，0.30，0.25，0.15］

對于Ⅲ級滑坡的R［2］為:

按式(6)中的信息集中原理得:

由此計算可知，Ⅲ級滑坡、Ⅱ級滑坡和Ⅰ級滑坡均屬于極不穩(wěn)定滑坡。極限平衡法計算該滑坡也屬極不穩(wěn)定滑坡。而從實際現(xiàn)場勘察結果發(fā)現(xiàn)，各種滑動跡象明顯，已處于微動階段，兩種穩(wěn)定性計算法的結果均與實際情況相符。相對于常規(guī)力學計算方法，模糊信息優(yōu)化處理的優(yōu)點是不需要確定滑動面，只要考慮影響斜坡穩(wěn)定性的影響因素，減少了大量的野外工作量，節(jié)省了大量的人力和物力。提高了工程經(jīng)濟效益。

3 結論

(1)本文綜合考慮了粘聚力、內(nèi)摩擦角、坡角、坡高和地震動參數(shù)等五個影響斜坡穩(wěn)定性的內(nèi)、外部因素，并利用模糊信息優(yōu)化處理方法評價了黃土斜坡的穩(wěn)定性。

(2)計算結果與實際相符，說明了應用模糊信息優(yōu)化處理評價黃土邊坡穩(wěn)定性可靠可信。

(3)在斜坡穩(wěn)定性評價中，模糊信息優(yōu)化處理方法優(yōu)于常規(guī)力學計算方法，能提高工程經(jīng)濟效益。

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P642.22

B

1004－1184(2013)05－0117－03

2013-04-02

國家自然科學基金(40972193);高等學校博士點學科點專項科研基金(20116101130001)

王新忠(1974-)，男，陜西西安人，高級工程師，主要從事巖土工程勘察設計。