公路邊坡安全模糊綜合預警方法

李元松，段 鑫，李 洋

（武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

邊坡穩定性預測預報、監測預警研究涉及到工程地質調查，數據庫建立，滑坡實時監測，信息采集、傳輸、處理和管理，預警判據的研究，預警模型和預警信息發布等眾多學科的交叉領域．其中，最為關鍵的問題是穩定性判據與預警閥值的確定．由于地質環境條件復雜多變，人們對滑坡機理的認識不足，盡管各類判據均有成功的案例，但仍存在高度的不協調和不統一，目前還處于探索階段［1－4］．模糊理論由于能綜合考慮各種不確定性因素的作用，特別適用于邊坡工程穩定性預測和評價［5－8］．本文試圖將基于監測與調查數據的幾種常用判據作為評價因子，結合專家經驗與案例分析賦予各因子權重，運用模糊邏輯推理，確定邊坡穩定性綜合預警等級，為高速公路災害預警系統建立提供科學的理論依據．

1 模糊評價步驟

模糊評判模型可分為多級模型，以一級模型為例，模糊綜合評判步驟可歸納為［9］：

a．建立評判因素集G＝｛g1，g2，…，gn｝．因素就是對象的各種屬性，它們能綜合反映對象的質量，可由因素評價對象．

b．建立評判結果集H＝｛h1，h2，…，hm｝．評判集是適應度的集合．

c．建立評判關系，即從G到F（H）的模糊映射：

f：G→F（H），?gi∈G

式中：rji為第j個因素對i個等級的隸屬度．

n個因素對m個等級評判隸屬度構成的矩陣：

d．模糊綜合評判．對G中各因素有不同的權重，可表示為H中的一個模糊子集A＝（W1，W2，…，Wn），并且有在給定R，A之后，模糊綜合評判模型為B＝A?R．假設B＝（b1，b2，…，bm），它為H中的一個模糊子集．根據A?R的不同算法，相應有不同的評價模型．

2 邊坡綜合安全預警模型

2．1 評價因子

2．1．1 安全系數 安全系數是指通過極限平衡法、極限分析理論或有限元強度折減法計算的邊坡穩定性系數．安全系數小于1，邊坡不穩定；安全系數大于1，邊坡穩定；安全系數等于1時，邊坡處于臨界狀態．安全系數適用于邊坡的長期預報，是長期預報中的常用判據．

2．1．2 監控點累計位移 滑坡預報的方法或手段有較多，但最有效的是位移監測．在均質巖土體與特定的環境條件下，邊坡的穩定性與監測監控點的位移密切相關．隧道圍巖穩定性位移判別是在隧道施工實測位移U與隧道極限位移U0之間建立判別準則，即：U＜U0時，隧道圍巖穩定；U＞U0時，隧道圍巖不穩定．近年來，根據位移－時間曲線變化趨勢預報邊坡滑動時間是常用的方法．

2．1．3 邊坡變形速率 邊坡滑坡的發生屬圍巖物質以一定的速度沿特定滑移面向下移動所致．因此以物質變形速率的大小作為滑坡發生的預報判據更直觀、更可靠．目前，業界都直接或間接使用邊坡變形速率作為判據對邊坡作出臨滑預報．但邊坡變形速率受邊坡圍巖物質組成、變形破壞方式以及外界誘發因素等諸多因素影響，失穩前的變形速率存在很大差異，要確定統一的邊坡變形速率判據是不現實的．用變形速率作為邊坡臨滑判據時，必須對所預報邊坡進行深入的工程地質調查分析．

2．1．4 變形加速度 大量滑坡實例的監測數據表明：在重力作用下，邊坡巖土體的變形演化曲線具有如圖1所示的演化特征［10］．

研究結果表明，邊坡巖體進入加速變形階段是滑坡發生的基礎和前提，加速變形階段對于滑坡的預測預報具有重要意義．加速度a＞0可以作為邊坡預警的一項指標．

圖1 邊坡變形演變過程Fig．1 Evolution process of slope deformation

2．1．5 降雨強度 降雨量判據是指一定地區突降大暴雨或持續降大雨，降雨量達到一定量使潛在危險的邊坡圍巖發生失穩和快速滑動；屬于外施的臨界誘發判據，不同地區的邊坡結構和地質環境條件差異較大，誘發滑坡的臨界降雨量存在較大差異，仍然難以形成統一的通用判據．但是，由于降雨量易于監測，特別易于連續實時監測和數據傳輸，是目前使用較為成功的滑坡預警判據．

因此，選取上述5種判據作為評價因子，建立評價因子模糊集合：

U ＝ ｛u1，u2，u3，u4，u5｝

邊坡預警等級分為穩定、一級、二級、三級和四級，建立模糊集合：

V ＝ ｛v1，v2，v3，v4，v5｝

2．2 隸屬度的確定

對于上述離散型變量的隸屬度的取值，目前還沒有精確的確定方法，只能根據專家經驗，結合現場情況評定，其值可參考表1［10－11］．

2．3 各因子權重的確定

確定評價邊坡穩定性因子的權重有多種方法．因邊坡環境的復雜性、模糊性和不可逆性，用精確的數學模型難以求得評價因子的權重．往往由于對邊坡的地質、力學條件和環境條件分析不夠，而過分地相信數學模型，反而使權重不盡合理；相反，根據專家的經驗綜合判斷，其結論相對較為可靠．本文采用層次分析法，結合專家經驗判斷建立適當的數學模型，經運算確定權重，是一種較為合理、可行、新穎的系統分析方法［12－13］．層次分析法確定權重的矩陣T．

然后分別按下列步驟進行和積法運算：

第一步，將判斷矩陣每一列歸一化：

第二步，每一列歸一化的判斷矩陣按行相加：

依次求得A＝（a1，a2，…，am）T，即為所求權重向量．

A ＝ ｛0．16，0．20，0．17，0．24，0．23｝

4.2.6 觀察到的物像不見了 雖然使用顯微鏡能觀察到所要的物像，但一段時間后，卻找不到剛才的物像。此時有兩種情況：（1）顯微鏡的焦距仍正確，即視野內其他物像仍清晰；（2）顯微鏡的焦距發生了改變，視野中不再有任何清晰的物像。解決方法：出現第一種情況的原因是臨時標本中的水較多，或顯微鏡鏡身傾斜角度過大，或者兩者兼而有之，使得標本中的物體在重力作用下向下移動，離開了視野范圍。此時可以稍微向上調節載物臺的高度，并將鏡身直立。出現第二種情況的原因可能是由于粗準焦螺旋軸上的齒輪與鏡筒上的齒條磨損松動，造成鏡筒自動下滑，需要實驗室技術人員修理。

2．4 邊坡綜合預警

依據模糊綜合評判理論，結合專家經驗，按如下步驟確定預警等級：

a．預警級別＝｛正常，一級，二級，三級，四級｝；

表1 邊坡穩定性相關因素隸屬度取值（離散型變量）Table 1 The value of membership degree of evaluation factor with slope stability

b．判據因子集 ＝｛累計位移，變形速率，變形加速度，一次累計降雨量，安全系數｝；

c．權重集合A＝｛0．16，0．20，0．17，0．24，0．23｝；

d．根據隸屬度函數，確定因素的模糊隸屬度，從而建立監控點單因素評判矩陣R；

e．計算模糊評判集B＝A?R；

f．根據最大隸屬度準則確定邊坡各監控點的預警等級．

3 工程應用

3．1 工程概況

宜巴高速第3標段，K23＋353～K23＋373有一長200 m，高60 m邊坡，出露基巖為白堊系下統五龍組強～中風化粉砂巖，節理裂隙發育，巖體破碎，屬軟質巖類，力學強度較不均勻；表層零星分布第四系殘坡積粘性土等松散土層．地下水為基巖裂隙水，水量受降雨控制，設計按五級開挖．由于其地質環境條件，施工方法具有典型代表性，因此選擇該邊坡作為背景工程．設計降雨量監測儀1臺，地表位移GPS監測點5個，自2011年4月安裝，至今已積累大量數據．運用上述多判據綜合模型，研究宜巴高速公路邊坡破壞的安全預警模式．

3．2 綜合預警

運用上述綜合預警模型，對背景邊坡5個監控點兩年來的監測結果進行預警判斷．兩次典型的預警數據及結果見表2．

由表2可以看出，兩次預警最危險結果均達到Ⅲ級．上述各監控點具有一定的代表性，其穩定性狀態直接決定研究邊坡整體的穩定性，由此可以進一步推定研究邊坡處于穩定狀態；事實上，研究邊坡自加固竣工兩年來一直處于穩定狀態，與模型預測結果基本吻合．

表2 背景邊坡工程兩次典型預警信息Table 2 Studied slope samples used for model testing

4 結 語

a．邊坡穩定性是一個模糊性非線性問題．模糊理論能恰當地處理類似邊坡工程穩定性等影響因素眾多，定量與半定量化混合的問題，能將專家經驗有效結合，邏輯推理明確，用于邊坡穩定性安全預警可較好地彌補傳統單一判據的不足；

b．工程實例應用表明，本文提出的公路邊坡模糊預警模型，數據獲取便捷，意義明確，效果良好．綜合預警結果表明：目前研究邊坡處于穩定狀態．

致謝

本文的研究工作是在宜巴高速指揮部的支持幫助下完成的，在此表示誠摯的謝意！

［1］吳樹仁，金逸民，石菊松，等．滑坡預警判據初步研究［J］．吉 林 大 學 學 報：地 球 科 學 版，2004，34 （4）：596－600．WU Shu－ren，JIN Yi－min，SHI Ju－song，et al．A primary study on landslide warning criterion［J］．Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2004，34（4）：596－600．（in Chinese）

［2］陳洪凱，魏來，譚玲．降雨型滑坡經驗性降雨閾值研究綜述［J］．重慶交通大學學報：自然科學版，2012，31（5）：990－996．CHEN Hong－kai，WEI Lai，TAN Ling．Review of research on empirical rainfall threshold of rainfall－Induced landslide［J］．Journal of Chongqing Jiaotong U－niversity：Natural Science，2012，31（5）：990－996．（in Chinese）

［3］易順民．滑坡活動時間預測預報研究現狀與展望［J］．工程地球物理學報，2007，4（2）：157－163．YI Shun－min．Status and prospect of the temporal prediction of landslide activity［J］．Chinese Journal of Engineering Geophysics，2007，4（2）：157－163．（in Chinese）

［4］李秀珍，許強，黃潤秋．滑坡預報判據研究［J］．中國地質災害與防治學報，2003，14（4）：5－11．LI Xiu－zhen，XU Qiang，HUANG Run－qiu．Research on prediction criterion for temporary prediction of landslide［J］．The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2003，14（4）：5－11．（in Chinese）

［5］徐衛亞，蔣中明，石安池．基于模糊集理論的邊坡穩定性 分 析 ［J］．巖 土 工 程 學 報，2003，25 （4） ：409－413．XU Wei－ya，JIANG Zhong－ming，SHI An－chi．Slope stability analysis using fuzzy sets theory［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25（4）：409－413．（in Chinese）

［6］李彰明．模糊分析在邊坡穩定性評價中的應用［J］．巖石力學與工程學報，1999，16（5）：90－95．LI Zhang－ming．Application of fuzzy analysis in slope stability evaluation［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1999，16（5）：90－95．（in Chinese）

［7］劉端伶，譚國煥，李啟光，等．巖石邊坡穩定性和Fuzzy綜合評判法［J］．巖石力學與工程學報，1999，18（2）：170－175．LIU Duan－ling，THAM L G，LEE P K K，et，al．The stability of rock slope and fuzzy comprehensive evaluation method［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1999，18（2）：170－175．（in Chinese）

［8］李建華．巖坡穩定的層次模糊綜合評價法［J］．貴州工學院學報，1992，21（4）：27－35．LI Jian－hua．The method of synthetical evaluation of hierarchy and fuzzy of rock slope stability［J］．Journal of Guizhou Institute of Technology 1992，21（4）：27－35．（in Chinese）

［9］李元松，陳文峰，李新平．基于模糊神經網絡的邊坡穩定性評價方法［J］．武漢理工大學學報，2013，35（1）：113－118．LI Yuan－song，CHEN Wen－feng，LI Xin－ping．Stability assessment of rock slope based on fuzzy neural network［J］．Journal of Wuhan University of Technology，2013，35（1）：113－118．（in Chinese）

［10］許強，曾裕平．具有蠕變特點滑坡的加速度變化特征及臨滑預警指標研究［J］．巖石力學與工程學報，2009，28（6）：1099－1106．XU Qiang，ZENG Yu－ping．Research on acceleration variation characteristics of creep landslide and earlywarning prediction indicator of critical sliding［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（6）：1099－1106．（in Chinese）

［11］劉合寨，孫世國，闞生雷，等．模糊綜合評判在高陡邊坡穩定性評價中的應用［J］．北方工業大學學報，2011，22（3）：82－86．LIU He－zhai，SUN Shi－guo，KAN Sheng－lei，et al．Application of fuzzy comprehensive evaluation to high steep slope stability［J］．J North China Univ of Tech，2011，22（3）：82－86．（in Chinese）

［12］董永康，鄧媛媛，張叢林．巫奉高速公路邊坡穩定性的模糊綜合評價［J］．公路交通科技，2010（9）：169－171．DONG Yong－kang，DENG Yuan－yuan，ZHANG Cong－lin．Fuzzy comprehensive evaluation on slope stability of Wufeng highway［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development，2010（9）：169－171．（in Chinese）

［13］任玉林，路勛，谷天峰．西藏妥昌公路某土質邊坡穩定性的模糊綜合評判研究［J］．公路交通科技，2011（8）：138－140．REN Yu－lin，LU Xun，GU Tian－feng．Fuzzy comprehensive evaluation on soil－slope stability of tuochong highway in Tibet［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development，2011（8）：138－140．（in Chinese）

［14］張鴻，劉優平，黎劍華，等．基于模糊理論的隧道施工安全預警模型研究及應用［J］．中國安全科學學報，2009，19（4）：5－9．ZHANG Hong，LIU You－ping，LI Jian－hua，et al．Application and study of fore warning model for tunnel construction safety based on fuzzy theory［J］．China Safety Science Journal，2009，19（4）：5－9．（in Chinese）