基于監(jiān)測數(shù)據(jù)云模型的滑坡安全穩(wěn)定性評價

陳泉余 李紅明

廣西交科集團有限公司 廣西 南寧 530007

引言

由于廣西的地理位置、氣候、地形地貌等特征，使得廣西成為我國地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重、受威脅人口最多的省份之一。滑坡作為公路地質(zhì)災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式之一，其造成的災(zāi)毀損失是相當(dāng)巨大的。

目前，在滑坡安全評價方法主要有模糊綜合評價法[1]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[2]、灰色系統(tǒng)評價法[3]、物元可拓評價法[4]、云模型評價法[5]；在滑坡監(jiān)測預(yù)警方面主要是通過預(yù)警判據(jù)（閾值）作為預(yù)警的手段，預(yù)警判據(jù)主要有位移速率、位移及速度、切線角、降雨等[6]。本文提出將云模型評價方法和監(jiān)測預(yù)警進行有機結(jié)合對滑坡進行穩(wěn)定性評價。

1 監(jiān)測云模型及安全評價

1.1 云模型的定義

云模型是根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)算法實現(xiàn)轉(zhuǎn)換定性概念與定量數(shù)值的模型，云模型的基本定義為：給定定量論域U，設(shè)定G是U上的定性概念，若定量值xeU，且x是G上一次隨機實現(xiàn)，設(shè)μ(x)∈[0,1]是x對G的確定度且滿足：

則x在論域U上的分布稱之為云，每一個x代表一個云滴，云滴是定性概念的定量描述。

云模型用3個數(shù)字特征表示：期望值Ex，熵En和超熵He，即（Ex，En，He）。Ex是對定性概念基本信息的度量，也是論域的中心值；En是反映定性概念的不確定性，體現(xiàn)了概念的隨機性和模糊性；He為熵En的熵，是En的不確定性的度量，是云滴厚度的間接反映。

1.2 無確定度逆向云發(fā)生器

無確定度的逆向云發(fā)生器的具體算法如下[7]。

輸出：數(shù)據(jù)樣本的期望Ex，熵En和超熵He。

在無確定度情況下，計算云滴的樣本超熵時，數(shù)據(jù)樣本應(yīng)滿足方差絕對值大于熵的絕對值，即S2-En2≥0。若差值為零，得到的超熵為虛數(shù)，沒有任何實際意義，這時需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本進行采樣分組，分別求出En與He的估計值。

1.3 邊坡安全等級劃分

參考規(guī)范及相關(guān)文獻，將滑坡安全等級劃分為非常安全、安全、基本安全、危險、非常危險五級[8]。為均衡各安全等級之間的評語值區(qū)間，采用黃金分割法生成s朵云表示語言評價值。計算公式如表1所示。

表1 黃金分割法的云模型參數(shù)計算

定義有效論域為U=[0,1]和He0=0.010，利用表1的計算公式得標(biāo)準(zhǔn)云模型的數(shù)字特征結(jié)果如表2所示。滑坡安全狀態(tài)對應(yīng)的云模型數(shù)字特征利用正向云發(fā)生器生成云滴，將定性知識轉(zhuǎn)化為定量表示。繪制滑坡安全評價云圖如圖1所示。

圖1 滑坡安全狀態(tài)級別云圖

表2 滑坡安全狀態(tài)定義及云模型數(shù)字特征

1.4 監(jiān)測云模型及安全評價

通常在滑坡體上會布設(shè)多個監(jiān)測點，這就需要結(jié)合多個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)來計算云模型的特征參數(shù)，實現(xiàn)對滑坡進行安全評價，由此提出綜合云。對于最高層的監(jiān)測云模型參數(shù)采用綜合云，綜合云是將兩個及兩個以上的監(jiān)測基云進行綜合生成新云。將每個監(jiān)測基云根據(jù)對應(yīng)監(jiān)測點的監(jiān)測權(quán)重構(gòu)建綜合云模型，監(jiān)測云模型計算如下：

式3、式4中，Ex，En，He分別表示監(jiān)測云的數(shù)字特征（期望、熵以及超熵）；Exi，Eni，Hei分別表示第i個監(jiān)測點評價云數(shù)字特征；iω為第i個評價指標(biāo)的權(quán)重。

云模型的最終評價結(jié)果是一個以云參數(shù)形式的數(shù)學(xué)模型，為了使構(gòu)建的評價指標(biāo)結(jié)果更直觀表達，采用貼近度[9]來判別滑坡安全等級。通過計算綜合云等級與標(biāo)準(zhǔn)云的貼近度來確定：

式5中，T為綜合云等級的貼近度，Ex為綜合云期望，為標(biāo)準(zhǔn)云期望。貼近度越大，滑坡綜合云等級越接近對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)云等級。

2 應(yīng)用案例分析

2.1 項目概況

S301線K95+100～K95+400段為原公路建設(shè)分級開挖形成路塹邊坡，坡比約1∶1.0，邊坡高差達120m，坡腳設(shè)計2.5～3m高現(xiàn)澆砼擋墻支擋。該邊坡土質(zhì)疏松，左側(cè)存在潛在滑坡體，平均厚度9m，潛在滑坡土石方量大于100000m3，為中型滑坡。為保障道路的通行安全，在主滑體上布設(shè)一個監(jiān)測斷面，在監(jiān)測斷面上布設(shè)兩個GNSS監(jiān)測點，監(jiān)測點布設(shè)見圖2。

圖2 某處滑坡現(xiàn)狀及監(jiān)測點分布

2.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

2022年1月22日監(jiān)測設(shè)備開始正常的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作，6月8日加速下滑后，6月11日通過現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)擋墻開裂、路面出現(xiàn)隆起，滑坡后緣裂縫貫通，6月12日封閉交通，2022年7月11日因坡體施工整治拆除設(shè)備。監(jiān)測結(jié)果見表3和圖3。

圖3 變形-降雨-時間監(jiān)測曲線圖

表3 平面位移監(jiān)測統(tǒng)計表

監(jiān)測結(jié)果分析。

2.2.1 從監(jiān)測曲線圖可以看出，監(jiān)測總體可以分為3個階段：1月22日-4月28日，這個階段坡體變形較小（平均變形速率為0.06mm/d），整體處于蠕變階段；4月29日-6月7日，這個階段坡體因為降雨原因，變形增大（平均變形速率2.85mm/d），處于勻速變形階段；6月8日以后，坡體加速下滑（平均速率為25.23mm/d），處于加速變形階段，坡體有較大的滑塌風(fēng)險。

2.2.2 隨著雨季的到來，變形也隨著土壤含水率的增加也逐漸變大，直至坡體加速下滑，說明變形量的大小與降雨量具有較強的相關(guān)性且有一定的滯后性。

2.3 復(fù)合監(jiān)測云模型的構(gòu)建與分析

根據(jù)監(jiān)測點的分布以及觀測點周圍環(huán)境，G1和G2監(jiān)測點的主觀權(quán)重分別為0.6和0.4，平面和垂直位移的主觀權(quán)重均為0.5，通過監(jiān)測點監(jiān)測時間序列先分別計算出G1和G2的平面和垂直位移的模型特征，再根據(jù)主觀權(quán)重計算出平面和垂直位移的云模型特征，最后計算出監(jiān)測的復(fù)合云模型特征，計算結(jié)果表4所示。

表4 變形監(jiān)測評價指標(biāo)的云模型參數(shù)

根據(jù)變形監(jiān)測指標(biāo)的云模型數(shù)字特征，利用正向云發(fā)生器進行5000次正態(tài)隨機模型產(chǎn)生云滴，得到變形監(jiān)測指標(biāo)安全等級云滴分布圖如圖4所示。

圖4 變形監(jiān)測綜合評價結(jié)果云滴分布圖

根據(jù)最大隸屬度原則可知變形監(jiān)測評價云位于Ⅳ級和Ⅵ級兩個標(biāo)準(zhǔn)等級之間，利用貼近度公式計算變形監(jiān)測評價云中心值Ex與Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)云中心值的貼近度（T-）為5.065，與Ⅵ級標(biāo)準(zhǔn)云中心值的貼近度（T+）為8.964，貼近度越大，變形監(jiān)測評價云越靠近此標(biāo)準(zhǔn)云，此刻判斷該滑坡體的安全等級可評定為Ⅵ級，處于非常危險。

3 結(jié)束語

本文利用GNSS監(jiān)測手段對滑坡體進行監(jiān)測，利用云模型構(gòu)造監(jiān)測云模型，實現(xiàn)對滑坡體的安全評價。通過S301線K95+100～K95+400段滑坡監(jiān)測結(jié)果進行分析并構(gòu)造監(jiān)測云模型，結(jié)合巡現(xiàn)場的實際情況，計算結(jié)果表明可以通過監(jiān)測云模型可實現(xiàn)實時在線對滑坡監(jiān)測的安全評價。