邊坡穩(wěn)定性評價模型及其應(yīng)用研究

任素琴

摘 要：為了對邊坡穩(wěn)定性做出客觀合理的判斷，將理想點法應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評價中，選取巖石質(zhì)量指標(biāo)、巖石結(jié)構(gòu)特征、地應(yīng)力等7個具有代表性的影響因子作為邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系；采用改進的熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，建立了邊坡滑移失穩(wěn)的熵權(quán)-理想點法預(yù)警模型。結(jié)果表明：改進的熵權(quán)法與邊坡實際穩(wěn)定級別基本一致，驗證了該方法的可行性和可靠性，證明此方法具有良好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：邊坡；穩(wěn)定性；熵權(quán)法；理想點

中圖分類號：U417.2 文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1000-033X（2017）03-0118-05

Abstract： In order to make objective and reasonable judgment on slope stability， the ideal point method was applied to slope stability evaluation， and seven representative influencing factors such as rock quality index， rock structure characteristic and ground stress were selected to build the index system. The weight coefficient of each index was determined by the improved entropy weight method， and the early warning model of slope slip instability was established based on the entropy weight and ideal point method. The results show that the improved entropy weight method is consistent with the actual stability level of the slope， and the feasibility and reliability of the method are verified. It is proved that this method has a good prospect of engineering application.

Key words： slope； stability； entropy weight method； ideal point

0 引 言

中國華北地區(qū)修建的公路隧道越來越多，工程建設(shè)多處于高山峽谷地帶，其邊坡穩(wěn)定性備受關(guān)注，合理評價邊坡穩(wěn)定性對工程建設(shè)的順利推進具有重要意義[1]。

目前，國內(nèi)學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性的評價方法眾多，陳昌富等[2]引入遺傳算法優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建T-S型推理系統(tǒng)，基于此構(gòu)建了一種新的智能邊坡穩(wěn)定性評價模型；李聰?shù)萚3]通過收集歷史上31個典型滑坡樣本建立了基于實例推理的滑坡數(shù)據(jù)庫，將待評價邊坡與數(shù)據(jù)庫樣本進行比較給出評價結(jié)果；羅戰(zhàn)友等[4]采用支持向量機模型對歷史樣本進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，建立了影響因子和邊坡穩(wěn)定性之間的非線性函數(shù)關(guān)系，通過模型輸出得到邊坡穩(wěn)定性等級；薛錦春等[5]將聚類與未確知測度方法引入到邊坡穩(wěn)定性評價中，在大量歷史樣本訓(xùn)練的基礎(chǔ)上進行動態(tài)聚類分析，據(jù)此解決邊坡穩(wěn)定性評價這類不確定性問題；李克鋼等[6]針對傳統(tǒng)方法中評價指標(biāo)權(quán)重計算方法的不足，分析了評價指標(biāo)權(quán)重的動態(tài)變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，采用可拓理論的簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)對層次分析法進行了改進，并結(jié)合工程實例進行了驗證；此外邊坡穩(wěn)定性評價方法還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]、灰色系統(tǒng)理論[8]、專家系統(tǒng)[9]、可拓理論[10]等。上述方法對邊坡穩(wěn)定性評價的研究進展起到了重要的推進作用，但在實際工程應(yīng)用中皆有不足。如采用專家系統(tǒng)時，需要根據(jù)專家經(jīng)驗建立復(fù)雜的案例推理庫，主觀性太強；而采用支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，由于客觀條件的限制難以建立龐大的訓(xùn)練樣本集，同時確定模型參數(shù)也較困難。因此，有必要尋找新的邊坡穩(wěn)定性評價方法。

理想點法屬于多因子綜合評價方法，能同時進行多個對象的綜合考核，并確定待評價對象所屬類別，該方法簡單、直觀，無須建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。從理想狀態(tài)出發(fā)，尋求邊坡穩(wěn)定的所屬類別，使得邊坡穩(wěn)定性等級的確定更為客觀、合理。目前該方法已被廣泛應(yīng)用于瀝青路面性能評價[11]、梯級水電站優(yōu)化調(diào)度[12]、泥石流危險度研究[13]、專家水平判斷研究[14]、魚類費效評估[15]、土地利用規(guī)劃方案評價[16]等相關(guān)領(lǐng)域，此外文獻[17-20]分別建立了基于理想點的隧道圍巖分類模型和基于理想點法的巖爆烈度分級預(yù)測模型，模型可以較好地給出圍巖分類結(jié)果和巖爆烈度預(yù)測等級。基于此，本文將理想點法引入到邊坡穩(wěn)定性評價中，選取7個影響因子作為本次邊坡穩(wěn)定性評價的指標(biāo)體系，將邊坡滑移失穩(wěn)險情預(yù)警等級劃分為5級，構(gòu)建了基于理想點法的邊坡穩(wěn)定性評價模型，并以4個高陡邊坡為例建模驗證。

2 基本理論

2.1 理想點法

理想點法作為一種多指標(biāo)綜合評判方法，其首要目標(biāo)是通過建立邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，確定各評價指標(biāo)的相對權(quán)重；在此基礎(chǔ)上定義一種模，也就是m維歐式空間（Euclidean space）中的一個點，在此定義下，確定一個盡可能靠近理想點的點，使得該點與反理想點評估函數(shù)之間的距離最遠(yuǎn)，與正理想點評估函數(shù)之間的距離最近；之后采用理想點貼近度對邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)進行評估，給出評價結(jié)果。該方法的具體流程分為4個步驟。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法作為一種客觀賦權(quán)法，其原理較為簡單，已被廣泛應(yīng)用于權(quán)重求解中。通過建立評價指標(biāo)的矩陣來計算各指標(biāo)的熵值，熵值越大表明該指標(biāo)提供的有效信息越少；熵值越小，表明提供的有效信息越多。因此，熵權(quán)法可以根據(jù)評價指標(biāo)的熵值大小對其進行賦權(quán)，熵值越大，權(quán)重越小，反之亦然。熵權(quán)法得出的結(jié)果客觀公正，人為干涉少，能較為準(zhǔn)確地反映各指標(biāo)的實際情況。因此，本文采用熵權(quán)法計算邊坡穩(wěn)定評價指標(biāo)的權(quán)重。

2.3 基于熵權(quán)-理想點法耦合的綜合評估模型

邊坡穩(wěn)定評價指標(biāo)的權(quán)重計算時，收集歷史觀測數(shù)據(jù)，獲得邊坡的完整資料以盡可能真實地反映邊坡的工作狀態(tài)，指標(biāo)權(quán)重確定后，根據(jù)本文建立的綜合評價模型得到理想點貼近度值，從而給出邊坡穩(wěn)定評價結(jié)果，具體步驟如圖1所示。

3 工程實例

為了檢驗所建立的基于理想點法的邊坡穩(wěn)定性評價模型的合理性和有效性，結(jié)合某高速公路旁的4個高陡邊坡的相關(guān)數(shù)據(jù)（包括巖石質(zhì)量指標(biāo)、巖體結(jié)構(gòu)特征、地應(yīng)力、黏聚力等）進行分析，對模型進行檢驗。案例1，某高陡邊坡位于某高速旁，邊坡巖土類型組成從下往上依次為泥巖、軟弱夾層及砂巖，其中軟弱夾層的傾向處于不利情形，與邊坡傾向一致，該邊坡坡角為64°，高為46 m，通過水文資料可知該地降雨豐沛，當(dāng)雨季來臨時日降雨量超過120 mm，將該邊坡命名為P1；案例2，華北地區(qū)的某礦山地層以變質(zhì)巖為主，礦山下部存在較大斷層，使得礦床為形態(tài)不夠完整的向斜構(gòu)造，具體選擇該地3個有代表性的高陡邊坡，命名為P2、P3、P4。在實地調(diào)查分析及參考研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮山坡巖石類別、相對高差、植被覆蓋率、沿溝松散物儲量、降雨量、結(jié)構(gòu)面等因素，選取巖石質(zhì)量指標(biāo)等7個地質(zhì)環(huán)境條件與氣象因素相耦合的評價指標(biāo)，具體見圖2。

根據(jù)圖2中擬定的邊坡穩(wěn)定評價指標(biāo)體系，采用上述4個高陡邊坡的相關(guān)數(shù)據(jù)信息建模計算，具體見表1。

根據(jù)本文擬定的邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，結(jié)合已有研究成果及所選工程的實際情況，擬定了相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)，具體見表2。

3.1 理想點和反理想點的計算

本文建立的邊坡穩(wěn)定評價分級標(biāo)準(zhǔn)中，地應(yīng)力、坡高、日最大降雨量為正指標(biāo)，量值越大，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)風(fēng)險越高；巖石質(zhì)量指標(biāo)、巖體結(jié)構(gòu)特征、黏聚力、內(nèi)摩擦角為逆指標(biāo)，量值越大，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)風(fēng)險越低。將表2中邊坡穩(wěn)定評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的上、下分界值選取為正理想點和反理想點，由式（1）、（2）計算邊坡穩(wěn)定評價指標(biāo)的理想點矩陣F*（+）和F*（-）

3.2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)本文提出的改進熵權(quán)法，對本次擬定的邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系進行賦權(quán)，具體見表3。

3.3 穩(wěn)定級別判定

在各評價指標(biāo)的理想點距離值及相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)確定后即可得到待評價對象的理想點貼近度。因此，根據(jù)本文所建模型，在既定的邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，由邊坡實測數(shù)據(jù)計算待評價對象的理想點貼近度，最后根據(jù)最大隸屬度原則給出最終評價結(jié)果，如表4所示。

從表4可以看出：本文方法給出的判別結(jié)果分別為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、較穩(wěn)定、較穩(wěn)定，與實際情況是相符的，且與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和可拓方法給出的判別結(jié)果差別不大。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和可拓理論在樣本P3發(fā)生了誤判，原因可能是：把介于兩個邊坡穩(wěn)定等級之間的邊坡確定為某一級，因此得到誤判。理想點法給出的評價結(jié)果中，邊坡樣本P3的穩(wěn)定、較穩(wěn)定等級對應(yīng)的貼近度值TⅠ、TⅡ分別為0.691和0.712，也是相近的，可知邊坡樣本P3的實際級別也是介于穩(wěn)定和較穩(wěn)定之間的。由此可見，理想點法用于邊坡穩(wěn)定性評價是可行的，且基于改進的熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，能彌補傳統(tǒng)方法的不足。另外，本文所建模型原理簡單，采用理想點貼近度給出邊坡穩(wěn)定性等級，簡單直觀，易于理解，因此具有良好的工程應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語

（1）根據(jù)工程特征建立了地質(zhì)環(huán)境條件與氣象因素相耦合的綜合評價指標(biāo)體系，將理想點法引入到邊坡穩(wěn)定性評價中，為邊坡穩(wěn)定性評價提供了新的思路和方法。

（2）邊坡具有不確定性、模糊性和時變性，將理想點法應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評價，可綜合考慮多種影響因素的共同作用，簡單、直觀，無須建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，使得邊坡穩(wěn)定性等級的確定更為客觀、合理。

（3）結(jié)合工程實例的相關(guān)數(shù)據(jù)對所建模型進行檢驗，結(jié)果證明模型準(zhǔn)確率高，說明基于理想點法的邊坡穩(wěn)定性評價具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，有良好的工程應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]