巖質邊坡可靠性的研究方法發展現狀

蔣博聞

摘 要：文章針對求解難題和工程實際、引入新思想、地震荷載作用對巖質邊坡可靠性分析的方法進行了綜述。總結出，結合蒙特卡羅法和一次二階矩法的的方法的優點是求解方便、精度高；引入新思路可避開對滑坡過程機制的完全認識與顯式極限方程式的剪力，最后對巖質邊坡可靠性研究方法提出展望。

關鍵詞：巖質邊坡；穩定性；可靠度

1 概述

邊坡是人類工程活動最基本的的地質環境之一，也是工程建設中最常見的工程形式。由于巖質邊坡巖體結構復雜，斷面、節理、裂隙互相切割，塊體極不規則，因此巖坡穩定具有其獨特的性質[1]。在巖土工程領域，很多專家學者都對巖質邊坡的穩定性進行了研究。

由于巖土的復雜性，在邊坡穩定性分析中所涉及的因素都是隨機的，即使采用了大于一的穩定系數也不能認為邊坡的穩定性是十分可靠的，還需進行概率分析。而巖質邊坡一般較土質邊坡高陡，失穩后產生的破壞力也更大。劉漢東結合國內外邊坡和壩工方面的研究，通過工程類比法，給出巖質高邊坡安全度（可靠度指標）標準建議值。祝玉學[2]出版了關于邊坡工程可靠度研究的專著，為邊坡可靠性研究提供了參考。將結構可靠度的概念引入邊坡的穩定性研究，以概率統計理論為基礎，從極限狀態的角度，對邊坡穩定性進行分析研究，是一種更為精確的研究方法。文章基于結構可靠度理論的一些概念，對巖質邊坡的穩定研究方法進行總結。

2 可靠性研究方法

2.1 針對求解難題和工程實際可靠性研究方法

實際工程中，邊坡的破壞具有漸進性[3]，同一時間滑動面上各點往往不是一起達到極限狀態的。譚曉慧[4]分析了極限狀態函數非線性和非連續性對邊坡可靠度計算的影響，采用二階可靠性方法對其進行分析，通過在驗算點處用一個二次曲面來代替原極限狀態曲面來求解，這在計算精度上比一次二階矩法用一次曲面代替原極限狀態曲面有很大提高。但這種方法在誤差上還需要用蒙特卡羅法進行驗證。

此外，傳統的最危險滑移路徑的搜索方法僅僅基于幾何最短距離或以總抗滑儲備（總抗滑力與總下滑力之差）最小為判據，幾何距離最短或滑移路徑總抗滑儲備最小并不一定意味著該路徑邊坡安全系數最小，因此有必要對危險滑移路徑的搜索算法進行改進。[5]李鋒，孟廣偉，周立明等[6]利用一次二階矩法和隨機有限元法計算出隨機動載和靜載單獨作用下結構的可靠度，并求出其共同作用時的可靠度，為工程中復雜荷載作用的情況提出了估算方法。宋新龍，王宇，汪燦[7]就巖質邊坡隨機楔體滑動，運用蒙特卡羅法進行了可靠性分析，從巖質邊坡的失效模式角度出發，為巖質邊坡隨機楔體穩定提供了一條新的思路。

2.2 引入新思想的可靠性研究方法

下面介紹兩種為解決對巖體受力變形的認知不夠完善這一缺點而引入巖質邊坡可靠度研究的樣本學習方法。

神經網絡是20世紀80年代發展起來的人工智能的一個分支，現在應用最廣泛的多層前饋神經網絡模型（BP網），其輸入輸出成高度非線性映射。虎旭林，魏星，任克亮[8]采用BP網絡，對巖質邊坡可靠性進行了預測。在取得較高預測精度的同時避開了巖體變形破壞機制和最為重要的參數與滑坡過程的關系。賀子光，張玉嬌，孟強[9]引入支持向量機和基因表達式編程，解決了由于巖體本身的節理，裂隙和不連續面導致的無法建立顯式的極限狀態方程的問題。和神經網絡相比，支持向量機是基于統計學習理論的小樣本學習方法，神經網絡是基于大樣本的學習方法，采用經驗風險最小化原則。

在建立巖質邊坡概率模型時，由于隨機變量服從的分布方式與實際存在誤差，計算結果在一定程度上存在精度不夠的問題。從這一方面入手，研究者們引入了一些新的思想。曾晟，孫冰，楊仕教[10]利用ANFIS分析得到的參數，基于自適應神經模糊推理系統建立了巖體力學參數與邊坡抗滑力和下滑力的映射模型，最終依靠MATLAB程序得出了精確的求解。于生飛，陳征宙，蔣鑫[11]等引入區間分析方法和非概率可靠性思想，建立了巖質邊坡穩定的非概率可靠性模型，克服了概率模型在缺乏數據的情況下結果偏差較大的缺點。王宇，魏忠獻，黎明[12]等運用統計矩估計法和模糊隨機理論，利用模糊點估計法對可靠度指標進行求解，算例分析的結果更為精確可靠。

3 結論與展望

目前，可靠性理論在巖質邊坡穩定性研究中已經得到了廣泛應用。蒙特卡羅法與一次二階矩法（包括中心點法和驗算點法）可以通過分步分析，計算后驗證等方法有機地結合起來，在避開復雜邊界條件求解的基礎上保重運算的精度和收斂性。在失效模式方面，使危險滑移路徑的搜索和滑動面極限狀態滿足實際巖質邊坡的破壞機制使可靠度的計算結果更有參考意義。引入新思想是可靠性研究的一大趨勢。神經網絡和支持向量機成功地將生物遺傳學等領域的知識運用到了可靠性研究領域，在求解中避開了對滑坡過程機制的完全認知和顯式極限狀態方程的建立等難點，采用的樣本學習方法為相關研究提供了新的思路。

引入新方法時，可以考慮不同思路的結合，和與傳統方法相結合；其中動荷載作用下的可靠性研究一直是難點，有待數學上對這一問題的更精確刻畫和物理學上對之破壞過程機理的更精確解釋。研究方法應將理論推導、模型試驗、數值模擬、工程實測相結合，其中工程實測有待更進一步的發展。

參考文獻

[1]趙明階.巖石力學[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]劉漢東.水電工程巖質高邊坡安全度標準研究[J].華北水利水電學院學報，1999，19（1）：40-44.

[3]譚文輝，蔡美峰.邊坡工程廣義可靠性理論與實踐[M].北京：科學出版社，2010.

[4]譚曉慧.巖質邊坡穩定的可靠性分析[J].巖石力學與工程學報，2001，20（增1）：1042-1045.

[5]段建.巖質邊坡穩定性分析及其危險滑移路徑搜索研究[D].湖南：中南林學院，2005.

[6]李鋒，孟廣偉，周立明，等.復雜荷載作用下的結構可靠性研究[J].哈爾濱工業大學學報，2011，43（增1）：295-298.

[7]宋新龍，王宇，汪燦.巖質邊坡隨機楔體穩定性分析的Monte-Carlo模擬[J].安全與環境工程，2012，19（1）：112-116.

[8]虎旭林，魏星，任克亮.巖質邊坡可靠性的神經網絡估計[J].寧夏大學學報，2001，23（3）：290-292.

[9]賀子光，張玉嬌，孟強.基于SVM-GEP巖質邊坡可靠性分析[J].洛陽理工學院學報，2013，23（2）：24-29.

[10]曾晟，孫冰，楊仕教.基于ABAQUS-ANFIS-MCS的巖質邊坡可靠性分析[J].巖土力學，2007，28（12）：2661-2665.

[11]于生飛，陳征宙，蔣鑫.基于區間方法的巖質邊坡穩定性非概率可靠性分析[J].防震減災工程學報，2012，32（2）：170-175.

[12]王宇，魏忠獻，黎明.巖質邊坡楔形體穩定模糊隨機可靠性研究[J].地質科技情報，2012，31（4）：111-116.