施建業(yè) ，趙 俊 ，王 盼 ，蔣利俊

（1.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007；2.宜興市水利農(nóng)機局，江蘇 宜興 214200）

在基礎(chǔ)建設(shè)中，經(jīng)常出現(xiàn)邊坡開挖的情況，其中層狀巖質(zhì)邊坡是最為常見的一種類型也是工程中遇到的重大問題。其主要原因是：層狀邊坡的復雜巖體結(jié)構(gòu)在差異性開挖條件下的變形失穩(wěn)模式和機制具有多變性、多樣性；邊坡開挖前地質(zhì)信息不完備導致傳統(tǒng)穩(wěn)定性預測結(jié)果出現(xiàn)較大偏差[1]。

本文以具有不同巖體結(jié)構(gòu)類型的層狀邊坡在差異性開挖條件的變形失穩(wěn)模式、機制和穩(wěn)定性預測為研究重點，通過對89處層狀巖質(zhì)邊坡開挖工程的地質(zhì)調(diào)查、統(tǒng)計分析，提出一種新的層狀巖質(zhì)開挖邊坡穩(wěn)定性研究思路：以邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型為基礎(chǔ)，建立基于組合賦權(quán)-云模型理論穩(wěn)定性評價方法。

1 確定評價指標和開挖邊坡穩(wěn)定性等級

開挖邊坡的穩(wěn)定性受多個因素影響，最為重要的是其所處的工程地質(zhì)環(huán)境。除此之外，還包括人類工程活動、降水、邊坡開挖高度等條件。結(jié)合現(xiàn)場資料和前人研究成果[2～4]基礎(chǔ)上，選取了層狀邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型、巖石強度（MPa）、巖層組合、巖體特征、單次降雨量（mm）、巖層傾向與坡面夾角（°）、軟弱夾層、地下水特征、原始與開挖坡度差（°）、坡體雨水下滲特征、開挖擾動特征這11個指標作為層狀巖質(zhì)邊坡開挖穩(wěn)定性評價的指標。邊坡穩(wěn)定性用5個等級表示，見表1、表2。

表1 層狀邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型和指標評價等級

表2 層狀邊坡穩(wěn)定性影響指標和評價等級

2 云模型-組合賦權(quán)評價模型

2.1 云模型

影響邊坡穩(wěn)定性因素眾多且影響程度各不相同，之前許多方法只為了解決隨機性或者模糊性問題，對不確定問題尚未解決。對于不確定性的表現(xiàn)云模型具有一定的優(yōu)勢，采用云模型方法可將不確定性變?yōu)榇_定度量值。

2.2 組合賦權(quán)

（1）Roughset理論優(yōu)化層次分析法

上世紀70年代Satty[10]提出層次分析法（AHP），應用于確定不同層次的指標權(quán)重。該方法簡便，但被認為影響較大沒存在誤差。為此，使用Roughset理論[11]對層次分析法進行改進，使得選取的權(quán)重結(jié)果更加客觀。

計算方法如下：

式中：σCB(A)為屬性集C中去掉A后對B的影響程度；γC(B)為屬性B對屬性集C的關(guān)聯(lián)度；γC-A(B)為屬性B對去掉了屬性A后的屬性集的關(guān)聯(lián)度。將式（2）的計算結(jié)果兩兩相除，可得到相對的重要程度：

（2）熵值法

熵可以定量表達一個系統(tǒng)的無序和有效性。邊坡穩(wěn)定性具有多變性，時間、地點不同穩(wěn)定性也可能不同。傳統(tǒng)方法較難客觀賦權(quán)各個評價指標。使用熵值法構(gòu)建矩陣，減小了賦權(quán)過程中人為主觀影響。

式中：yji為各指標值，p 為指標個數(shù)。綜上所述，可采用（4）（5）求出各指標權(quán)重。

（3）評價方法

采用組合賦權(quán)的方法，對選取的定性定量指標賦予權(quán)重。設(shè)Roughset理論改進層次分析法得到權(quán)重為wi′，熵值法計算得到的權(quán)重為wi″,設(shè)層次分析法和熵值法權(quán)重的距離函數(shù)為d(wi′,wi″)，其表達式為:

2.3 云模型參數(shù)的選取

在選取了評價指標的條件上，汪明武等[13]提出了云參數(shù)（Ex,En，He）的求解公式：

式中：Bmax，Bmin分別為某等級標準的最大和最小邊界；k為常數(shù)。為了評價結(jié)果清晰可辨別，作出以下修改，見表3。

表3 云模型的數(shù)字特征

2.4 評價云模型指標的生成

使用云模型確定參數(shù)Ex,En,He，使用云發(fā)生器對選取的11個指標生成對應的云模型，見圖1。

計算某一評價指標數(shù)據(jù)x0隸屬于云的確定度，結(jié)合權(quán)重，得到綜合確定度U：

式中：δi為確定度，ωz為評價指標組合權(quán)重，根據(jù)綜合確定度值，層狀邊坡開挖后穩(wěn)定性等級L的判別模型為：

圖1 各評價指標隸屬于邊坡各穩(wěn)定性等級的云模型

表4 層狀邊坡穩(wěn)定性影響指標和取值

表5 影響指標組合賦權(quán)值

3 工程應用

為了對模型適用性進行驗證，選取宜興市張渚鎮(zhèn)南門村“美麗庫區(qū)、幸福家園”建設(shè)工程開挖邊坡為研究對象。

邊坡上覆0.5 m～1.0 m第四系殘坡積層(Qel+dl4)，含大量植物根系，下伏三疊系關(guān)嶺組(T2g3)泥質(zhì)白云巖夾薄層頁巖、泥巖。巖層產(chǎn)狀為356°∠24°，層厚度15 cm～35 cm不等，含有3組優(yōu)勢節(jié)理：28°∠75°，198°∠79°，318°∠88°，節(jié)理間距 15 cm～60 cm不等，呈微張～張開狀態(tài)。邊坡原始地形為平均坡度為16°～18°，前部較陡，后部較緩的順層斜坡。邊坡巖體呈層狀鑲嵌狀，由于長期雨水下滲侵蝕、風化，部分節(jié)理面表層風化以及雨水下滲攜帶泥質(zhì)物質(zhì)，含有少量泥質(zhì)填充。層間存在由于構(gòu)造錯動等作用，薄層頁巖、泥巖形成而形成狀泥質(zhì)軟弱夾層，厚度為0.5 cm～2.5 cm，遇水易軟化。

該邊坡設(shè)計為由上及下逐級開挖，形成每級高度為10.0 m，坡比為1:1.0，坡向為正北。采用爆破和機械開挖，據(jù)多年降雨量統(tǒng)計，單次過程降雨量平均為53.0 mm～57.0 mm。

工程地質(zhì)評價：對照表1，邊坡結(jié)構(gòu)屬于Ⅱ類（Ⅱ-Ⅰ亞類）順層巖質(zhì)邊坡。巖層傾角24°，設(shè)計開挖坡度45°和高度50 m，層間含有軟弱夾層且易遇水軟化等特征分析；穩(wěn)定性預測：邊坡穩(wěn)定性較差，在降雨工況下，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

通過式（6～9），計算權(quán)重值見表 5。

根據(jù)云模型，結(jié)合表1、表2可得各評價指標各穩(wěn)定性級別的界限值。依據(jù)表（3）可以求出計算標準求解層狀巖質(zhì)邊坡開挖后穩(wěn)定性預測的云模型參數(shù)，根據(jù)工程實際測值，由式(1)可計算不同穩(wěn)定性等級的確定度。則最大確定度的級別為邊坡穩(wěn)定性評價等級。為方便理解，本文以邊坡P1為例，（X5=115）來說明綜合確定度的計算過程。使用云發(fā)生器確定該指標隸屬于各級別的確定度：U(Ⅰ)=0.3247,U(Ⅱ)=0.6444,U(Ⅲ)=0.0319,U(Ⅳ)=0,U(Ⅳ)=0;因此，計算邊坡P1穩(wěn)定性評價指標X5=115隸屬于Ⅱ級。

表6 評價結(jié)果對比

由表6可知，P1～P5邊坡的穩(wěn)定性等級依次為，Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅰ、Ⅳ；本文方法分析結(jié)果與工程地質(zhì)評價結(jié)果相吻合，表明運用本文方法對開挖層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進行評價是可靠的。

4 結(jié)論

（1）通過對89個工程邊坡的資料的收集和對計算邊坡工程地質(zhì)條件調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取了11個評價指標，其中6個定量指標，5個定性指標。使用Roughset理論改進層次分析法和熵值法組合得到每個指標較為客觀的權(quán)重，并使用云模型的方法對工程邊坡進行穩(wěn)定性預測評價。

（2）通過組合賦權(quán)的方法確定了影響層狀巖質(zhì)開挖邊坡穩(wěn)定性的主要因素為邊坡的高度、坡度以及邊坡的巖體特征。通過云模型理論對實際工程邊坡的應用，邊坡P1～P5的穩(wěn)定性情況依次為：Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅰ、Ⅳ，與實際工程情況相符合。工程實例的運用表明本文中提出的計算方法對邊坡開挖后穩(wěn)定性預測評價方便簡單、快捷有效，為邊坡開挖后穩(wěn)定性預測評價提供了一種新的方法。