邊坡穩(wěn)定性評價方法的最新進展研究*

曾 勇

（中國地質(zhì)大學（北京）工程技術學院，北京 100083）

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖、土體在一定坡角和坡高條件下的穩(wěn)定程度。不穩(wěn)定的天然斜坡和“設計坡角”過大的人工邊坡，在巖、土體的重力、水壓力、振動力和其他外力作用下，常發(fā)生滑動或崩塌破壞。較為嚴重的滑坡和崩塌能引起江河堵塞、交通運輸中斷、水庫淤積等，給人民生命和財產(chǎn)安全帶來巨大損失。根據(jù)中國國土資源部網(wǎng)站發(fā)布的全國共發(fā)生地質(zhì)災害的相關消息，可以發(fā)現(xiàn)滑坡明顯占據(jù)較大比例。由滑坡為主的地質(zhì)災害歷年來導致的直接經(jīng)濟損失是十分巨大的，其所造成的間接經(jīng)濟損失更是難以估量。怎樣針對邊坡進行災害預測并做好提前防治，如何掌握好并有效地評價邊坡穩(wěn)定性，如何運用新技術和新進展來評價邊坡穩(wěn)定性，更好地減少這些災害顯得尤為重要。2012年全國主流地質(zhì)災害發(fā)生的數(shù)量對比圖如圖1所示。

1 傳統(tǒng)通用的評價方法

傳統(tǒng)通用的評價方法計算簡單、思路清晰，且能夠較好地解決一般的工程問題，因此在工程中得到了廣泛應用。目前發(fā)展比較完善、較為傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性評價方法，主要通過勘察前期的工程地質(zhì)或巖土后，再對已變形地質(zhì)體的成因及其演化史進行定性分析，了解其可能的變形破壞方式和力學機制，從而通過定性分析或定量計算對邊坡進行綜合評價。常用方法主要包括工程地質(zhì)類比法、邊坡穩(wěn)定性圖解法、極限平衡分析法、塊體單元法和數(shù)值分析法等。傳統(tǒng)通用的邊坡穩(wěn)定性評價方法的具體內(nèi)容和優(yōu)缺點如表1所示。

圖1 2012年全國主流地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量的對比圖

2 新型交叉實用的評價方法

傳統(tǒng)的工程地質(zhì)學主要研究地質(zhì)對比情況，隨著科學技術的進步和滑坡、邊坡理論研究的深入，人們已普遍認識到傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析中還存在許多不確定性因素。因此，最新科學研究開始考慮這些不確定性因素在邊坡穩(wěn)定性評價的影響，推出了一系列的新型交叉實用評價方法，具體包括以下六種方法。

表1 傳統(tǒng)通用的邊坡穩(wěn)定性評價方法匯總表

（1）模糊綜合評判法。模糊綜合評判法是運用模糊變換原理和最大隸屬度原則，對邊坡工程進行綜合性評價的模糊方法。通過建立一個具有隸屬度和評價因子的系統(tǒng)模型來評判，其最關鍵的步驟是確定隸屬度和各個影響因子的權重，進而得到邊坡穩(wěn)定性的分級。如陳云超[1]等將該方法有效地應用在河百高速邊坡穩(wěn)定性評價中，可以發(fā)現(xiàn)多因素、多變量影響的邊坡穩(wěn)定性分析非常適合此方法，但是具有主觀因素影響的權重會使得結果有部分偏差。

（2）聚類分析法。數(shù)學中常將最佳事物組合稱為類，是否歸為一類的標準可以通過衡量兩者之間的距離來確定，采用歐式距離的概念，按照最近原則，逐步將事物分類并擴大范圍，直至將所有事物歸類。以此為基礎便衍生出了聚類分析的方法，可依據(jù)此方法判斷實際不同邊坡的相似程度。

（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法是利用計算機等一類的輔助工具模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡的組織結構，以此實現(xiàn)某些功能并處理非線性映射的實用仿生方法。該方法可以建立非線性的映射網(wǎng)絡，處理邊坡工程中的非線性數(shù)據(jù)。如李元松等[2-3]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡巧妙地運用在邊坡穩(wěn)定性評價中。

（4）遺傳算法。遺傳算法是模擬自然界生物進化過程而提出的一種自適應隨機性優(yōu)化搜索算法。在邊坡穩(wěn)定性評價中，往往需要尋找最危險的潛在滑動面，這時可以選擇遺傳算法，通過遺傳學的傳遞變異配對，最終收斂于全局的最優(yōu)點，進而找到最優(yōu)選擇的滑動面。

（5）可靠度法。邊坡穩(wěn)定性評價方法中，經(jīng)常用“安全系數(shù)”（在滑弧上的抗滑力矩與滑動力矩的比值）來表征所研究邊坡的穩(wěn)定性。因此，參數(shù)的不確定性也是現(xiàn)代科學研究的重點，如巖土參數(shù)的變異性、荷載及分布不確定性、計算模型不確定性等?？煽慷确椒ㄒ詰脭?shù)理統(tǒng)計作為基礎，充分考慮影響邊坡安全系數(shù)的各種隨機因素的不確定性來描述邊坡工程的質(zhì)量。如唐慧群[4]研究了如何將可靠度分析方法應用到實際邊坡穩(wěn)定性評價中。

（6）灰色統(tǒng)計判別法。灰色統(tǒng)計判別法是基于灰色分析理論提出的一種全新的系統(tǒng)分析理論。在實際邊坡中，反映巖土性質(zhì)的一些參數(shù)只有一部分是已知的，另一部分未知的就是所謂的灰數(shù)。將灰色關聯(lián)作為基礎，通過加工并擴展一部分已知條件，進而能夠處理分析更多的灰數(shù)，最終實現(xiàn)處理整個灰色系統(tǒng)，即實現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性更全面評價的方式。

3 研究方向展望

3.1 多學科交叉的復合評價方法的研究趨勢

單一的分析方法既有其優(yōu)勢，也有其缺點。在研究方法不斷完善的同時，將多種方法結合在一起，取長補短可以獲得意想不到的效果。在新型交叉學科研究發(fā)展中，人們普遍認識到學科交叉可以解決更難處理的問題。如在巖質(zhì)邊坡的研究中，便巧妙地將遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡結合在一起，進行和位移相關的反分析，效果非常顯著[5]。如張明明等[6]基于概率統(tǒng)計方法，討論在考慮土層邊界不確定分析中的邊坡穩(wěn)定性評價，通過計算機程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)值模擬仿真實驗，這便是多學科交叉實現(xiàn)方法復合的典型案例。開放性地運用全方位思維，從多學科交叉滲透來研究問題，如不斷運用新的方法模擬問題間潛在的相關性，借用計算機等職能手段模擬人腦思維，利用專家經(jīng)驗幫助判斷，利用發(fā)達的網(wǎng)上資源來獲得信息和幫助等方式都是在研究邊坡的切入點和擴散方式。

3.2 系統(tǒng)的概念可更多運用于邊坡穩(wěn)定性評價

從自然災害的衍生到形成，再到人工治理等一系列的過程，實際上都不能脫離自然環(huán)境，也不可避免地需要多去研究更為“自然”、更符合實際生活要求的邊坡。為此，應將邊坡和自然環(huán)境放在一起形成開放的系統(tǒng)，并考慮其物質(zhì)及熱量交換、能量守恒的自然規(guī)律，進行更為和諧的穩(wěn)定性評價，這對系統(tǒng)的研究至關重要。

4 結論

目前發(fā)展較為完備的邊坡穩(wěn)定性評價方法有許多，各方法都具有其考慮的方向和優(yōu)勢，因此應針對參數(shù)及環(huán)境等一系列因素不一致的邊坡選擇不同的評價方法。在考慮到工程經(jīng)濟性的同時，應選擇最優(yōu)的邊坡穩(wěn)定性分析的評價方法。分析現(xiàn)今巖土工程學科發(fā)展趨勢，可以得出以下結論：（1）以計算機為代表的全新科技是引領邊坡穩(wěn)定性評價的主流方向，如ABAQUS、FLAC、GEO-slope等一系列分析軟件的應用讓評價復雜邊坡變得簡便而準確。

（2）多學科交叉、新舊評價方法的綜合及系統(tǒng)概念的引入，都是利用將零散歸整的思想，這也是邊坡穩(wěn)定性評價的全新嘗試方向，將取長補短的思想融匯其中，可以在相同的邊坡評價中收獲不同的效果。