山區(qū)公路巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性評定方法粗探

王華俊，徐洪科，董理金

(1.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012；2.浙江寧波甬臺溫高速公路有限公司，浙江 寧波 315040)

山區(qū)公路巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性評定方法粗探

王華俊1，徐洪科2，董理金1

(1.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012；2.浙江寧波甬臺溫高速公路有限公司，浙江 寧波 315040)

隨著山區(qū)公路運(yùn)營時(shí)間延長，路塹邊坡運(yùn)營安全問題日益突出，探索公路邊坡技術(shù)狀況評定方法，判斷其風(fēng)險(xiǎn)狀況，可以為邊坡養(yǎng)護(hù)分類管理及科學(xué)治理提供決策依據(jù)。目前公路邊坡技術(shù)狀況評定方法在國內(nèi)研究較少，本文以寧波市國省道公路邊坡為例，梳理出影響公路巖質(zhì)路塹邊坡技術(shù)狀況評定的各類因素，引用模糊數(shù)學(xué)的理論與方法，確定主要影響評價(jià)指標(biāo)，包括4類因素及14項(xiàng)因子，提出二級模糊綜合評判模型，并應(yīng)用該方法對寧波市國省道公路巖質(zhì)邊坡進(jìn)行技術(shù)狀況評定，結(jié)果表明該方法可靠實(shí)用，可供類似工程參考。

山區(qū)公路；路塹邊坡；技術(shù)狀況評定；二級模糊綜合評判

0 引言

對山區(qū)公路路塹邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評定，可以對可能造成災(zāi)害和重大損失的病害情況予以預(yù)警和報(bào)警，并為邊坡的治理、監(jiān)測及養(yǎng)護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)對公路邊坡技術(shù)狀況評定研究甚少，如何建立一套合理有效的評定方法已成為公路運(yùn)營中亟待解決的難題。

評價(jià)一個(gè)公路邊坡的技術(shù)狀況及其對公路的影響程度，不是用一個(gè)簡單的指標(biāo)可以評定的，而是由多個(gè)影響因素下的多個(gè)評價(jià)指標(biāo)決定的。本文引用模糊數(shù)學(xué)的理論與方法[1]，把許多資料判斷及各種定性描述轉(zhuǎn)化為模糊語言，對邊坡的技術(shù)狀況進(jìn)行綜合識別和判斷，將會得到更為合理的解決[2-10]。

考慮到影響公路邊坡技術(shù)狀況評定的因素較多，而模糊綜合評判的數(shù)學(xué)模型有一級模型和多級模型，為了提高其評價(jià)分析的準(zhǔn)確性，本文采用了二級綜合評價(jià)模型，并選取合理的評價(jià)指標(biāo)對寧波市十條國省道公路邊坡進(jìn)行技術(shù)狀況評定。

1 公路邊坡穩(wěn)定性評定方法

1.1 因素、因子的確定

根據(jù)對寧波市運(yùn)營公路的邊坡技術(shù)狀況評定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，影響山區(qū)公路巖質(zhì)路塹邊坡技術(shù)狀況評定的主要因素有以下四方面：(1)邊坡形態(tài)特征(包括坡度、坡高、縱剖面特征、橫剖面特征)；(2)工程地質(zhì)特征(包括巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、主要結(jié)構(gòu)面傾向和坡向夾角、主要結(jié)構(gòu)面傾角和坡角夾角、巖體風(fēng)化程度)；(3)氣象、水文特征(包括年最大降雨量、年暴雨天數(shù)、地下水作用)；(4)其他特征(包括現(xiàn)有防護(hù)措施、邊坡與公路空間關(guān)系)，因此本次評價(jià)將以上述4類因素14項(xiàng)因子作為評價(jià)指標(biāo)，其關(guān)系結(jié)構(gòu)圖見圖1。

1.2 分級標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)邊坡的技術(shù)狀況，將其劃分為四個(gè)等級：技術(shù)狀況良好(Ⅰ類)、技術(shù)狀況較好(Ⅱ類)、技術(shù)狀況較差(Ⅲ類)及技術(shù)狀況差(Ⅳ類)。

因?yàn)橛绊戇吰录夹g(shù)狀況評定的各因子之間物理意義不同，數(shù)據(jù)量綱也不一致，需要在建立模型時(shí)，對上述因素的因子現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，保證各因子具有等效性和同序性。通過對寧波市各國省道公路邊坡的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出針對每類邊坡所對應(yīng)的各項(xiàng)因子的各級界限值(表1)。

圖1 影響因素及因子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Influence factors

因素及因子分級及取值因素層代號因子層代號良好(Ⅰ)較好(Ⅱ)較差(Ⅲ)差(Ⅳ)實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)邊坡地形特征U1坡度/(°)U1-1300．43450．64600．86701．00坡高/mU1-280．27150．5200．67301．00縱向剖面特征U1-3線狀緩坡形(A)陡坡-緩坡形(B)線性陡坡形(C)緩坡-陡坡形(D)橫向剖面特征U1-4凹形坡(A)平直坡(B)復(fù)合坡(C)凸形坡(D)工程地質(zhì)特征U2巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度/MpaU2-1601450．75300．5150．25巖體結(jié)構(gòu)U2-2堅(jiān)硬巖塊狀結(jié)構(gòu)(A)較硬巖較破碎結(jié)構(gòu)(B)軟、硬巖互層結(jié)構(gòu)破碎(C)軟巖、極軟巖結(jié)構(gòu)極破碎(D)主要結(jié)構(gòu)面傾向與坡向夾角/(°)U2-3601450．75300．5150．25主要結(jié)構(gòu)面傾角與坡角夾角/(°)U2-410150．500-10-1巖體風(fēng)化程度U2-5微風(fēng)化(A)微-中風(fēng)化(B)中-強(qiáng)風(fēng)化(C)強(qiáng)-全風(fēng)化(D)氣象水文特征U3年最大降雨量/mmU3-114000．716000．818000．920001年暴雨天數(shù)/dU3-220．2540．560．7581地下水作用U3-3無滲水(A)潮濕到濕潤(B)滴水(C)流水(D)其他特征U4防護(hù)措施U4-1防護(hù)作用好(A)防護(hù)作用較好(B)防護(hù)作用較差(C)防護(hù)作用差或未設(shè)防護(hù)(D)邊坡與公路空間距離/mU4-1301200．67100．3350．17

1.3 隸屬函數(shù)的建立

模糊數(shù)學(xué)中, 是以隸屬度來刻劃事物中的模糊界線的。邊坡技術(shù)狀況評定確定的因子中有兩類指標(biāo)：定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，分別屬離散型變量及連續(xù)型變量。離散型變量采用的是專家經(jīng)驗(yàn)評價(jià)法，所以主觀性較強(qiáng)；而連續(xù)型變量因?yàn)橛玫氖请`屬函數(shù)確定隸屬度，客觀性較強(qiáng)。表2為離散型指標(biāo)的隸屬度取值表。

表2 離散型指標(biāo)隸屬度取值表

連續(xù)型變量是建立了代表隸屬度和指標(biāo)數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系，即隸屬函數(shù)，可通過代入實(shí)測值得到其隸屬度。本文綜合各因子數(shù)據(jù)的分布特征，采用“降半梯形”分布建立了隸屬函數(shù)，其公式見式(1)～(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

在上式中，x為因子的變量，S1、S2、S3、S4分別為各個(gè)因子的界限值，并有S1

1.4 因素及因子權(quán)重的確定

本次評價(jià)中影響公路邊坡技術(shù)狀況評定的因素有4種，因子有14種，且影響程度及重要性各不相同，綜合評判時(shí)應(yīng)根據(jù)影響程度及重要性對各因素及因子賦予一定的權(quán)重，權(quán)重越大表示該因素或因子對公路邊坡技術(shù)狀況評定所起的作用越大。

目前，權(quán)重的確定方法主要有專家打分法和美國匹茲堡大學(xué)教授T.L.saaty提出的1-9標(biāo)度法。專家打分法主觀性很強(qiáng)且實(shí)施起來工作量比較大，對于針對性很強(qiáng)的公路邊坡并不適用。而1-9標(biāo)度法不僅可以對各因素、因子的重要程度及重要性大小進(jìn)行明確地評價(jià)與判斷，而且還可以檢驗(yàn)并保持評價(jià)，針對性較強(qiáng)，可靠性程度較大，可將值代入建立的模糊綜合評判模型中評價(jià)公路邊坡的技術(shù)狀況評定。所以我們采用1-9標(biāo)度法，得到各因素、因子權(quán)重(表3)。

表3 權(quán)重表

1.5 評價(jià)矩陣的確定及解綜合評價(jià)向量

將各影響因素中因子的指標(biāo)代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中，求的各因子對各類邊坡的隸屬度，由此可得到各單因素分別對各類邊坡的評價(jià)矩陣Rn，即(5)式：

(5)

式中，n、i=1，2，3，4

接著，將Rn及各因子權(quán)重An,按加權(quán)平均型合成運(yùn)算得到單因素評價(jià)向量Bn，即(6)式：

Bn=An·—⊕Rn

(6)

根據(jù)各單因素評價(jià)結(jié)果可得二級模糊評價(jià)矩陣R，即(7)式：

R=[B1B2…… Bn]

(7)

再結(jié)合因素權(quán)重A，得到綜合評價(jià)向量B，即(8)式：

B=A·—⊕R

(8)

最后根據(jù)B中向量按隸屬度最大原則，得出該邊坡技術(shù)狀況評定等級屬于幾類邊坡的結(jié)論。

1.6 邊坡管養(yǎng)建議

根據(jù)不同技術(shù)狀況評定等級的邊坡，建議管養(yǎng)措施如下：

①Ⅰ類邊坡應(yīng)進(jìn)行正常清理保養(yǎng)；

②Ⅱ類邊坡應(yīng)進(jìn)行小修保養(yǎng)，并加強(qiáng)日常巡查工作，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理；

③Ⅲ類邊坡應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)檢查，確定處治對策；

④Ⅳ類邊坡應(yīng)立即采取防治措施，建議邀請有資質(zhì)的單位進(jìn)行測量、勘察、設(shè)計(jì)與施工。

2 工程實(shí)例

寧波市國省道杭沈線等十條公路是寧波市內(nèi)重要的交通干線，也是溝通寧波市與周邊地區(qū)的重要通道，沿線跨越低山丘陵地貌，由于公路的建設(shè)而開挖形成較多人工巖質(zhì)路塹邊坡。在公路施工期間部分邊坡進(jìn)行了治理，取得了一定的效果，但公路沿線仍有許多邊坡存在安全隱患。

為了能夠了解邊坡的現(xiàn)狀特征和病害發(fā)育情況，采用本文提出的評定方法對坡高大于5 m的邊坡進(jìn)行技術(shù)狀況評定，共檢測邊坡917座，其中Ⅰ類邊坡144座，約占15.7%；Ⅱ類邊坡575座，約占62.7%；Ⅲ類邊坡194座，約占21.2%；Ⅳ類邊坡4座，約占0.4%。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，發(fā)現(xiàn)邊坡發(fā)生崩塌滑坡等災(zāi)害絕大部分集中在Ⅲ類和Ⅳ類邊坡中，潛在的不穩(wěn)定邊坡也在Ⅲ類邊坡和Ⅳ類邊坡中。由此可見使用該方法的評定結(jié)果與實(shí)際邊坡技術(shù)狀況較為吻合，表明本文建立的技術(shù)狀況評定方法較為合理可靠。

3 結(jié)論

(1)山區(qū)公路邊坡技術(shù)狀況評定的影響因素較多，可以采用二級模糊綜合評價(jià)方法，關(guān)鍵是評價(jià)指標(biāo)的選取、因素因子的權(quán)重、分級標(biāo)準(zhǔn)的確定是否科學(xué)合理、切合實(shí)際。

(2)用本文提出的評定方法在寧波市國省道公路邊坡上取得了不錯的效果，能夠較合理的評價(jià)公路巖質(zhì)路塹邊坡的技術(shù)狀況，可以為邊坡養(yǎng)護(hù)分類管理及科學(xué)治理提供決策依據(jù)。

(3)由于邊坡工程具有很強(qiáng)的地區(qū)性特點(diǎn)，不同的山區(qū)公路往往形成各種各樣的特殊性邊坡，本文提出的巖質(zhì)路塹邊坡技術(shù)狀況評定方法提供了較好的思路，可供類似工程參考。

[1] 李安貴，張志宏，孟艷.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005. LI Angui,ZHANG Zhihong,MENG Yan.Fuzzy mathematics and applications[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2005.

[2] 陶振宇，彭祖贈.模糊數(shù)學(xué)在巖石工程中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1981，3(1)：36-45. TAO Zhenyu，PENG Zuzeng.Application of fuzzy mathematics to the engineering classification of rocks[J].Chinese Journal of Geotechnial Engineering,1981,3(1):36-45.

[3] 靳澤先,李坤.模糊數(shù)學(xué)方法在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1987,14(6)：3l-33. JIN Zexian,LI Kun.Application of fuzzy mathematics method in slope stability evaluation[J].Hydrogeology and Engineering Geology,1987,14(6)：3l-33.

[4] 張駿.劉家峽水庫庫岸穩(wěn)定性兩級模糊綜合評判[J].巖土工程學(xué)報(bào),1992,14(1):67-73. ZHANG Jun.Liujiaxia reservoir bank stability of two-level fuzzy judging[J].Chinese Journal of Geotechnial Engineering,1992,14(1):67-73.

[5] 李彰明.模糊分析在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1997，16(5)：490-495 LI Zhangming.Application of fuzzy analysis in slope stability evaluation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1997，16(5)：490-495.

[6] 劉端伶，譚國煥，李啟光，等.巖石邊坡穩(wěn)定性和Fuzzy綜合評判法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(2)：170-175. LIU Duanling,TAN Guohuan,LI Qiguang,et al.The stability of rock slope and fuzzy comprehensive Evaluation method[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and engineering,1999,l8(2)：170-175.

[7] 張永波,時(shí)紅.斜坡穩(wěn)定性兩級模糊綜合評判[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000，8(1)：31-34. ZHANG Yongbo,SHI Hong.Fuzzy mathematics method for analysis of slope stability[J].Journal of Engineering Geology,2000,8(1):31-34.

[8] 俞敏，胡杰剛，全洪波，等.桂柳高速公路邊坡穩(wěn)定性二級模糊綜合評價(jià)[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14(3)：130-135. YU Min,HU Jiegang,QUAN Hongbo, et al.Two magnitude fuzzy comprehensive evaluation model of slope stability along Guilin-Liuzhou Expressway[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2003,14(3):130-135.

[9] 張春宇,高燕希,蔣明鋒,等.二級模糊綜合評判在公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].公路工程，2008，33(5):109-113. ZHANG Chunyu, GAO Yanxi, JIANG Mingfeng,etal.Application of two-level fuzzy judging on highway-slop stability analysis[J].Highway Engineering,2008,33(5):109-113.

[10] 孟衡.模糊數(shù)學(xué)在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].巖土工程技術(shù)，2008，22(4)：178-181. MENG Heng.Application of fuzzy mathematics on rock-slop stability analysis[J].Geotechnical Engineering Technique,2008,22(4):178-181.

[11] 尹超，田偉平，李家春.永藍(lán)高速公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與危險(xiǎn)性評價(jià)[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2015，26(3):127-132. YIN Chao,TIAN Weiping,LI Jiachun.Geological hazard investigation and risk assessment along the catslope of Yonglan expressway[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2015，26(3):127-132.

[12] 梁 濤，王 浩，泮 俊，等. 公路邊坡風(fēng)險(xiǎn)評估軟件 RASlope 的研發(fā)與應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2016，27(1):62-70. LIANG Tao,WANG HAO,PAN Jun,et al. Development and application of software RASlope for highway slope risk assessment[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2016, 27(1):62-70.

Assessment methods of highway rock slope stability research

WANG Huajun1，XU Hongke2，DONG Lijin1

(1.ZhejiangEngineeringProspectingInstitute，Ningbo,Zhejiang315012，China； 2.Ningbo,Zhejiang,Ningbo-Taizhou-WenzhouExpresswayCompanyLimited,Ningbo,Zhejiang315040,China)

With extended hours of operation Mountain Highway, Cutting Slope operational security issues have become increasingly prominent, explore highway slope technical condition assessment methods to determine their risk status, can provide basis for decision making of slope conservation and scientific management category management. Highway Slope current state of technology assessment methods in the domestic few studies, this paper Ningbo national and provincial road slope, for example, came out with all kinds of factors that affect road rock slope technical condition assessment, citing fuzzy mathematics theory and method, determine the main impact assessment indicators, including four types of factors and 14 factors proposed secondary fuzzy comprehensive evaluation model, and apply the method of Ningbo national and provincial highway rock slope technical condition evaluation results show that the method is reliable and practical, reference for similar projects.

mountain highway; cutting slope; stability condition;two-level fuzzy comprehensive judge

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.10

2016-05-29;

2016-06-07

王華俊(1979-)，男，浙江寧波人，碩士研究生，注冊巖土工程師，從事巖土工程工作。E-mail：24220133@qq.com

TU45

A

1003-8035(2017)01-0062-05