基于模糊數(shù)學(xué)法的工程類比法在邊坡治理中的研究與應(yīng)用

汝 佧，易發(fā)成，張 洪

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.都江堰市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，四川 都江堰 611800）

0 引言

工程類比法作為巖土工程設(shè)計中的一個應(yīng)用廣泛的設(shè)計方法，在開展一些新的項目設(shè)計建設(shè)時會起到引導(dǎo)的作用，設(shè)計人員往往會不由自主地參考到以前的工程實例的經(jīng)驗，促進(jìn)新工程的設(shè)計進(jìn)度以及施工進(jìn)度。在多種巖土設(shè)計規(guī)范的條文中指出，在巖土工程的設(shè)計過程中應(yīng)采用類比法，但類比法的定義是什么，類比法使用的范圍和使用關(guān)鍵是什么，類比法的具體操作步驟是什么卻未明確提出，這些問題都給現(xiàn)今從事工程設(shè)計的人員在使用這種方法時帶來一些困難。

工程類比法不只應(yīng)用于巖土工程的實踐中，在科學(xué)研究的過程中也起著十分重要的作用，由于其使用方法的局限性，需要結(jié)合多方法謹(jǐn)慎使用，最終達(dá)到想要的完美結(jié)果。在巖土工程中，設(shè)計人員總會把這種方法同理論計算、監(jiān)控結(jié)合在一起進(jìn)行對比，從而使工程質(zhì)量更進(jìn)一步的優(yōu)化。

1 工程類比法

1.1 工程類比法的定義及可比度的定義

工程類比法，它主要是應(yīng)用自然歷史分析法認(rèn)識和了解已有斜坡的工程地質(zhì)條件，并與將要研究的斜坡工程地質(zhì)條件相對比，把已有斜坡的研究或設(shè)計經(jīng)驗，用到條件相似的新斜坡的研究或設(shè)計中去，這些研究或設(shè)計經(jīng)驗包括：斜坡變形與破壞形式和發(fā)展變化規(guī)律的經(jīng)驗、斜坡設(shè)計的經(jīng)驗、取用滑面抗剪指標(biāo)的經(jīng)驗，以及斜坡整治的經(jīng)驗等［1］。而可比度是指能夠反映兩個工程綜合相似的程度，能不能進(jìn)行對比，是一個評價可比性的半定量的經(jīng)驗性指標(biāo)，由于人為因素，所以其值不是一個完全確定的值，而只是一個近似的數(shù)值。

1.2 工程類比法在邊坡工程應(yīng)用中可比度的影響因素

在邊坡工程中，影響可比度數(shù)值的因素有很多，原則上講，只要與邊坡治理及分析工程有關(guān)的一切因素，都是要考慮的對象。

在大部分邊坡工程的可比度研究中，主要考慮的兩個方面是邊坡工程條件和邊坡工程地質(zhì)條件。邊坡工程條件包括邊坡工程類型（A1）、邊坡工程總體的規(guī)模（A2）、坡體的高度（A3）、邊坡破壞的類型（A4）、邊坡坡角大?。ˋ5）、邊坡破壞的推力（A6）、邊坡滑動深度（A7）和滑動類型（A8），而工程地質(zhì)條件卻包含很多的方面，如地質(zhì)條件的復(fù)雜性（B1）、邊坡巖土的結(jié)構(gòu)（B2）、邊坡巖土的堅硬程度（B3）、地下水的發(fā)育程度（B4）、地應(yīng)力條件（B5）。人類工程活動（C1）對可比度的確定也有一定的影響（如表1）。

表1 工程類比法影響因素表

工程類型（A1）即進(jìn)行對比的兩個工程是否屬于同一類型的工程，大方面分為地上工程和地下工程兩類。

工程規(guī)模（A2）對于不同的邊坡工程有不同的規(guī)模，對于邊坡以分為小型滑落破壞、中型滑落破壞、大型滑落破壞和特大型滑落破壞。

坡體高度（A3）根據(jù)坡體的高度將邊坡可分為低、中、高3種邊坡。

滑動面深度（A7）根據(jù)滑動面的深度，可將邊坡破壞分為淺層破壞、中層破壞和深層破壞。

邊坡破壞滑動類型（A8），根據(jù)邊坡的受力，可以分為前端牽引式滑動和后緣推動式滑動。

地質(zhì)條件的復(fù)雜性（B1），根據(jù)不同地區(qū)的地形地貌條件、巖土類型及其工程性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理地質(zhì)現(xiàn)象以及天然建筑材料等各種因素綜合起來將地質(zhì)條件的復(fù)雜性劃分為簡單、復(fù)雜、特復(fù)雜工程區(qū)3類［2］。

邊坡巖土體結(jié)構(gòu)（B2）可分為整體結(jié)構(gòu)、水平層狀結(jié)構(gòu)、順傾結(jié)構(gòu)、反傾結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)等7類［3］。

巖土體的堅硬程度（B3），根據(jù)巖土體的質(zhì)量分級，可將巖土體的堅硬程度分為較弱、中等和堅硬3種類型［4］。

地下水條件（B4），本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［5］，將地下水出水狀態(tài)分為3種情況：潮濕或滴水、小出水量，即淋雨狀或涌流狀出水、大出水量，即淋雨狀或涌流狀出水。

人類活動（C），對于一個工程來說，其所處的工程位置和人們生活是息息相關(guān)的，有人的地方才會有工程，人類活動勢必對工程產(chǎn)生影響，根據(jù)調(diào)查當(dāng)?shù)厝祟惢顒拥那闆r，可分為少、適中、多3類情況。

1.3 可比度的確定

可比度，它是一個模糊性的量，受一定的人為因素的影響，在處理時模糊數(shù)學(xué)的方法是最恰當(dāng)不過的。

可比度確定前的假設(shè)：

（1）如果最終獲得的可比度K＝1，則表明，兩個工程的可比性十分強，兩個工程在各個方面上全都一致。

（2）可比度是一個綜合的表征可比性的值，它要綜合考慮表1中所涉及的各種因素，采用式（1）進(jìn)行計算：

其中對最終結(jié)果影響因素最大的為B1、B2、B3、B4、B5，可將這幾項作為本公式中的主體對象，其他幾個因素對計算結(jié)果也有一定的影響。wi表示的是各個影響因素的系數(shù)，即影響因素在兩個工程綜合可比性的權(quán)重，滿足公式（2）：

充分考慮工程類型、工程規(guī)模、坡體高度、邊坡破壞類型、邊坡角、邊坡滑動面深度、邊坡破壞滑動類型、地質(zhì)條件的復(fù)雜性、邊坡巖土體結(jié)構(gòu)、巖土體的堅硬程度、地下水的發(fā)育程度、地應(yīng)力條件、人類活動等影響因素在實際工程中的影響作用，通過模糊數(shù)學(xué)中的專家打分法確定各個影響因子w的取值如下：w1＝0.05；w2＝0.05；w3＝0.05；w4＝0.05；w5＝0.05；w6＝0.1；w7＝0.05；w8＝0.1；w9＝0.1；w10＝0.1；w11＝0.15；w12＝0.1；w13＝0.05。

對于滑坡規(guī)模、坡體高度、邊坡角、邊坡滑動面深度、滑坡推力等可用數(shù)量表示的影響因素，采用模糊數(shù)學(xué)的正態(tài)分布隸屬度函數(shù)計算兩個滑坡治理工程在這些影響因素方面的相似度。其核心計算公式如式（3）［6］：

式中：Ai——兩個對比工程在同一影響因素方面的相似度；

ki——影響因素的敏感度參數(shù)，計算公式為li——某因素的相似性界限是指兩個工程在

此因素方面相似與不相似的臨界點；ri——兩個對比工程在此影響因素方面的比

值，且ri為＞1的數(shù)值。

1.4 可比性分級的可比度劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 工程類比法可比性分級及可比度標(biāo)準(zhǔn)

2 工程類比法的實際應(yīng)用

四川省清仁鄉(xiāng)南街上滑坡的設(shè)計過程類比了汶川縣草坡鄉(xiāng)二臺子滑坡的設(shè)計過程。均屬于河谷斜坡地貌，且有次級滑坡。兩者之間的可比度為0.972，屬于強可比性。

表3 南街上滑坡與二臺子滑坡的類比

3 結(jié)語

（1）采用模糊數(shù)學(xué)的方法在滑坡的防護(hù)與治理過程中提供了一個可靠的思維方式和有依據(jù)的數(shù)字計算公式，比單純地依靠人們的經(jīng)驗所確定的兩個工程是否相似更為合理且科學(xué)。

（2）模糊數(shù)學(xué)的方法雖一定程度上與人們的主觀判別經(jīng)驗有關(guān)系，但最主要的計算步驟還要有一定的數(shù)學(xué)知識支撐。

（3）滑坡治理的過程中，類比法的使用可以更好地輔助治理工程的進(jìn)展。

（4）根據(jù)實際的工作過程確定影響類比的關(guān)鍵性的量，可以定量進(jìn)行計算工程之間的可比度，進(jìn)而劃分工程之間的可比性。

［1］胡廣韜，楊文遠(yuǎn).工程地質(zhì)學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1984.

［2］張咸恭.專門工程地質(zhì)學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1988.

［3］谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，1979.

［4］胡卸文，黃潤秋.水利水電工程中巖體質(zhì)量分類探討［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報，1996，23（3）：64－68.

［5］GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［6］周海清，劉東升，陳正漢.工程類比法及其在滑坡治理工程中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報，2008，4（6）：1056－1060.

［7］劉丹，謝鋒.工程類比法確定重慶朝天門兩江隧道最小覆蓋層厚度［J］.公路交通技術(shù)，2010（4）：92－95.

［8］張衛(wèi)民，陳蘭云，凌道盛.邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響因素的探討［J］.鐵道建筑，2005（2）：52－54.

［9］王林，楊海朋，聶慶科.利用工程類比法預(yù)測建筑物沉降及其分布特征［J］.巖土力學(xué)，2009，30（z2）：485－488.