基于范例推理的邊坡失穩(wěn)風險評估

黃國林， 韋秉旭

(1.新疆北新路橋集團股份有限公司， 新疆 烏魯木齊　830011；　2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙　410114)

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基于范例推理的邊坡失穩(wěn)風險評估

黃國林1， 韋秉旭2

(1.新疆北新路橋集團股份有限公司， 新疆 烏魯木齊830011；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙410114)

摘要：利用已經(jīng)成熟的范例推理理論對14個邊坡失穩(wěn)案例進行分析，并用其結果對某國道K1694+830～K1694+960段邊坡的穩(wěn)定性進行評估。研究結果表明：圓弧形滑坡的主要誘因是邊坡過陡、巖體的不利產(chǎn)狀、軟弱夾層的力學性能差和降雨入滲導致孔隙水壓力增大和巖土體的強度參數(shù)劣化，從而使巖土體更易屈服失穩(wěn)；某國道K1694+830～K1694+960段邊坡范例推理的滑坍風險大，建議采取必要的措施進行加固和防護。

關鍵詞：邊坡失穩(wěn)； 范例推理； 風險評估； 相似度

0引言

我國國土面積大約70%為山區(qū)，是世界上滑坡比較嚴重的國家之一，每年因滑坡等地質(zhì)災害造成的經(jīng)濟損失達100～200億元人民幣。因此，滑坡的預防和治理是我國巖土工程地質(zhì)領域中重大課題之一。有效地治理和預防滑坡就必須對邊坡的穩(wěn)定性進行科學的評價和預測。目前，對于邊坡穩(wěn)定性的研究主要集中在采用剛性極限平衡法和數(shù)值模擬的方法，但是這些方法一般都是針對個別案進行分析處理，并且要求建立合適的物理模型和大量的數(shù)學推導，使用者需要具有一定的力學和數(shù)值計算的基礎。邊坡失穩(wěn)的不確定性太多、機理復雜，難以求得適合的模型，應用起來不太方便[1]。對于邊坡失穩(wěn)這樣頻繁發(fā)生的突發(fā)性事故，如何采用簡單有效的方法進行科學的預測是值得研究的課題。

為此，本文利用已經(jīng)成熟的范例推理理論對已有的邊坡失穩(wěn)案例進行統(tǒng)計分析，并用其結果對某國道K1694+830～K1694+960浙江開化段邊坡的穩(wěn)定性進行評估。

1范例推理(CBR)理論

1.1范例推理理論介紹

基于范例推理是人類推理的一種重要形式。1982年Roger Shonk在《Dynamic Memorg》中提出范例推理(Case based reasoning，CBR)的理論。此后，CBR技術廣泛應用于各個領域。

在范例推理中，把需要解決的問題作為目標范例(Target case)，把已知的相似問題作為源范例(Base Case)。范例推理的基本原理就是從源范例庫中挑出與目標范例最相似的范例，對源范例進行對比修正，然后對目標范例進行評估，從而得到適合的解決方案。范例推理常包括四個過程[1]： ①檢索(Retrieve)，根據(jù)目標范例的信息，從源范例庫中檢索相似的范例集； ②重用(Reuse)，從檢索到的一組相似范例中找到與目標范例相符的范例，重用該方案； ③修改(Revise)，根據(jù)修正規(guī)則對相似源范例進行修正，使之符合目標范例的條件； ④存儲(Retain)，將新范例存儲到范例庫中，進一步完善源范例。

1.2范例推理的檢索方法

范例推理的成功與否取決于目標范例與源范例的相似程度，因之相似度是檢索過程的關鍵。

1.2.1相似度的確定

范例一般是由許多屬性組成，范例間的相似度是根據(jù)屬性之間的相似度定義的。通常用距離來計算相似性度，典型的有絕對值距離、歐氏距離、海明距離、切比雪夫距離和麥考斯基距離等。在此采用海明距離對邊坡穩(wěn)定性范例檢索中的相似度進行計算，其計算公式如下：

(1)

式中：diT為目標范例T與源范例庫中第i個范例之間的相似度。diT的計算結果有正有負，距離絕對值最小，則目標范例與此源范例最相似。正值表示表示目標范例比源范例邊坡穩(wěn)定性好；反之，負值則表示目標范例比源范例邊坡穩(wěn)定性差。n為范例屬性總數(shù)；wh為范例屬性權重值；vi(h)為范例庫中第i個范例的第h個屬性值；vT(h)為目標范例T的第h個屬性值。

1.2.2數(shù)據(jù)歸一化處理

在進行相似度計算時，不同指標因素有不同的量綱，不同參數(shù)間存在不可共度性，為防止具有較大初始值域的屬性與具有較小初始值域的屬性相比，權重過大，同時為了體現(xiàn)“獎優(yōu)罰劣”[2]的原則，引入歸一化效應函數(shù)，對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理[3]。

X=X11X12…X1nX21X22…X2n…Xm1Xm2…Xmné?êêêêêù?úúúúú

(2)

對效益型指標，記中間變量Mij：

(3)

(4)

1.2.3權重值確定

因為目標范例由多個屬性構成，每個屬性對范例的影響程度不盡相同，常需要用權重來衡量各屬性的相對影響程度。權重的評估方法較多，主要包括專家咨詢法(Delphi)、主成分分析法(PCA)、特征向量法、AHP層次分析法、熵值法(Entropy)、因子分析法(Factor Analysis)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡法等[4]。

本文用特征向量法評估權重值。具體計算方法如下：假設有n個目標范例，各有m個指標，得矩陣M：

M=X11X12…X1nX21X22…X2n…Xm1Xm2…Xmné?êêêêêù?úúúúú

M×MT可以得到一個m階的方正A：

A=a11a12…a1ma21a22…a2m…am1am2…ammé?êêêêêù?úúúúú

則第i個指標的特征向量li為：

由歸一化處理得：

2邊坡穩(wěn)定性分析

以往邊坡穩(wěn)定性研究結果表明，影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括內(nèi)因與外因兩個方面。內(nèi)在因素主要包括：邊坡的巖土特性、巖土結構、地形地貌、地質(zhì)構造、地應力場、植被條件等；外在因素主要包括：地表水與地下水相互作用、氣候條件、地震情況、施工方法(爆破等)。

2.1巖土特性及結構

邊坡的巖土特性及結構是影響邊坡穩(wěn)定的主要內(nèi)因之一，不同巖土間的節(jié)理發(fā)育程度不同，所表現(xiàn)的力學性質(zhì)及破壞機理也不相同，軟硬相間，并有軟化、泥化或易風化的夾層時，最易造成邊坡失穩(wěn)。

2.2地形地貌

深河谷地區(qū)邊坡易發(fā)生松動破裂、蠕動、崩塌、滑坡等情況，前緣開闊的山坡、鐵路、公路和工程建筑物的邊坡等也易發(fā)生滑坡。一般來說，坡度越陡，坡高越大，對邊坡穩(wěn)定越不利。

2.3地質(zhì)構造

地質(zhì)構造關系到巖體結構面的發(fā)育程度、規(guī)模、連通性、充填程度和充填物成分，以及結構面的產(chǎn)狀。組成斜坡的巖土體被各種構造面切割分離成不連續(xù)狀態(tài)時，易導致邊坡失穩(wěn)。

2.4外在誘發(fā)因素

在發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水方面，晉城市引入了“利用就是保護”煤礦排水利用新理念，市政府出臺了《關于利用煤礦廢水發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的實施辦法》，要求煤礦企業(yè)要支持興建蓄水工程，收集煤礦排水，就近發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水園區(qū)，簡稱“一礦一池一園區(qū)”工程。為促進項目的落實，各級水利部門編制了采煤排水利用規(guī)劃，實行以工補農(nóng)、以煤補水的優(yōu)惠政策，采取各類農(nóng)水、農(nóng)業(yè)資金捆綁運作，分級配套實施。該項目的實施，遏制了地下水無序排放，提高了資金使用效率和水資源利用率。

2.4.1自然因素

地震可以引起巖土體結構和強度的變化。

水使巖土軟化或溶蝕，降水一方面惡化邊坡圍巖的力學性能，另一方面降低圍巖的有效應力，從而更易屈服失穩(wěn)。

2.4.2人為活動

施工中的爆破行為、刷破、開挖等，都會引起巖土力學性質(zhì)的相應改變，誘發(fā)邊坡失穩(wěn)。

3邊坡失穩(wěn)突發(fā)事件統(tǒng)計及范例推理評估

影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，但對某一區(qū)域或某一類型的邊坡穩(wěn)定性，并非上述所有影響因素都對其起重要作用，為便于范例推理的應用，需對影響因素作一定取舍和細化。根據(jù)英國專家Stead1984年對露天礦失穩(wěn)邊坡統(tǒng)計結果，影響巖石邊坡穩(wěn)定性的主要因素一般不超過5個[5]。

3.1邊坡失穩(wěn)突發(fā)事件統(tǒng)計

采用文獻[6]中14個圓弧形滑坡的實例進行，對目標范例進行范例推理，以巖土容重、邊坡高度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、邊坡角、孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素。邊坡穩(wěn)定性范例統(tǒng)計如表1。

表1 邊坡實例和穩(wěn)定狀況序號范例位置容重/(kN·m-3)內(nèi)聚力c/kPa內(nèi)摩擦角/(°)坡角/(°)坡高h/m孔隙水壓比α穩(wěn)定系數(shù)Fs邊坡穩(wěn)定狀態(tài)1加拿大阿爾伯塔露天煤礦222.4010.0035.0045.0010.000.400.90破壞2意大利阿隆里露天煤礦23.000.0020.0020.00100.000.301.20破壞3加拿大阿爾伯塔露天煤礦122.40100.0045.0045.0015.000.251.80穩(wěn)定4英國諾索爾特滑坡19.6311.9720.0022.0012.190.401.35破壞5澳大利亞紐卡斯特碼頭邊坡418.005.0030.0020.008.000.302.05穩(wěn)定6印度果阿露天鐵礦214.0011.9726.0030.0088.000.450.63破壞7加拿大阿爾伯塔河岸滑坡19.0611.7128.0035.0021.000.111.09破壞8英國約克郡賽爾賽特滑坡20.828.6232.0028.0012.800.491.03破壞9澳大利亞紐卡斯特碼頭邊坡122.000.0040.0033.008.000.351.45穩(wěn)定10澳大利亞紐卡斯特露天煤礦20.0020.0036.0045.0050.000.250.96破壞11英國肯特富科斯通沃倫滑坡21.430.0020.0020.0061.000.501.03破壞12加拿大薩斯咯徹溫大壩20.4133.5211.0016.0045.720.201.82破壞13英國諾索爾特滑坡218.8415.3230.0025.0010.670.381.63穩(wěn)定14澳大利亞紐卡斯特碼頭邊坡320.000.0025.0020.008.000.301.37穩(wěn)定T開化馬金邊坡20.3012.0022.0045.00100.000.461.25—

3.2基于范例推理的邊坡失穩(wěn)突發(fā)事件風險評估

某國道K1694+830～K1694+960段邊坡，位于浙江省開化縣馬金鎮(zhèn)西北方向約15km處，嶺里-毛凹一帶，邊坡高100m，區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復雜多變，土層比較雜亂，碎石含量不均。地層主要為第四系殘坡積含碎石粘性土、含粘性土碎石，最大厚度23.6m，下部地層為花崗巖，邊坡的坡角為45°，根據(jù)地質(zhì)部門提供的邊坡潛在滑動面巖土體的物理力學參數(shù)，容重20.3kN/m3，內(nèi)聚力12kPa，內(nèi)摩擦角為22°，孔隙水壓比為0.46，穩(wěn)定性系數(shù)為1.25。2008年公路改擴建，路塹邊坡受到擾動，產(chǎn)生了蠕動變形，需要判斷該段邊坡是否穩(wěn)定。

將范例庫中前14組數(shù)據(jù)作為源范例，開化馬金邊坡數(shù)據(jù)作為目標范例，根據(jù)公式(2)、(3)、(4)對邊坡穩(wěn)定性范例統(tǒng)計表進行歸一化處理得表2，對于邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)(評價結果的屬性值)進行量化處理，當邊坡破壞時為0，穩(wěn)定時為1。

表2 邊坡實例歸一化處理序號容重/(kN·m-3)內(nèi)聚力c/kPa內(nèi)摩擦角/(°)坡角/(°)坡高h/m孔隙水壓比α穩(wěn)定系數(shù)Fs10.133-0.21370.454450.64881-0.214-0.453-0.44192-0.0106-0.4621-0.0743-0.07430.9257-0.457-0.44183-0.1570.772050.184290.18429-0.265-0.459-0.440340.27738-0.02140.290980.36236-0.013-0.449-0.418650.25041-0.28220.640930.32733-0.163-0.452-0.39186-0.2103-0.24970.0320.113370.8619-0.455-0.451970.07509-0.14550.331970.505230.133-0.46-0.435980.19958-0.20620.522240.41736-0.068-0.449-0.434490.23051-0.46210.683620.53854-0.229-0.453-0.423210-0.0932-0.09320.227610.392360.4748-0.458-0.4466110.10469-0.46210.064610.064610.8403-0.451-0.4389120.055120.38999-0.1981-0.06470.6313-0.458-0.4223130.146430.026510.486170.3445-0.133-0.452-0.4169140.41154-0.46210.586180.41154-0.124-0.451-0.4101T-0.1455-0.2831-0.11640.276180.8458-0.456-0.4448

根據(jù)權值公式計算各屬性的權重值wi，得w1=0.055 5；w2=0.104 3；w3=0.149 0；w4=0.144 2；w5=0.167 4；w6=0.194 8；w7=0.184 8。

最后利用相似度公式(1)計算diT，得表3。從表3可以看出該邊坡與范例庫中第6個源范例的相似度絕對值最小，且為負值，所以開化馬金邊坡比最相似的源范例邊坡穩(wěn)定性差。因為第6個源范邊坡破壞，開化馬金邊坡有可能出現(xiàn)較大坍方，建議采取必要的措施進行加固和防護，避免滑坡。

表3 相似度評價結果d1T～d7T相似度值d8T～d14T相似度值10.0147580.00720.0417990.0160230.0446610-0.027840.01367110.0072150.016 120.01216-8E-05130.00967-0.0081140.01856

4結論

1) 范例推理不需要明確的模型，可以應用于沒有明確模型的領域，使用方便簡單。

2) 邊坡過陡、地下水入滲導致空隙水壓力增大以及巖土體強度劣化使開化馬金邊坡存在失穩(wěn)的風險。建議采用有效支擋結構、削坡減載及封閉坡面對邊坡進行處治。

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中圖分類號：U 416.1+4

文獻標識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0028-04