基于模糊数学方法的巴东斜坡稳定性研究.pdf

第 42卷 第 5期 2 0 1 1年 3月 人 民 长 江 Y angtze River Vo l 42 No 5 M ar 2011 收稿日期 2010 05 02 修回日期 2010 08 14 基金项目 三峡库区三期地质灾害防治高切坡防护工程科研项目 2008SXG01 3 湖北省教育厅科学研究计划 Q20091301 作者简介 王乐华 男 副教授 博士 主要从事岩土工程方面的教学与研究工作 E mai l lehuatg 126 co m 文章编号 1001 4179 2011 05 0018 04 基于模糊数学方法的巴东斜坡稳定性研究 王 乐 华 王 家 成 邓 华 锋 三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室 湖北 宜昌 443002 摘要 针对三峡库区移民新城巴东环境地质问题 斜坡稳定性进行了研究 采用模糊数学方法对巴东斜坡区 域进行工程地质环境质量综合评价 根据详细的斜坡工程地质资料和已有的研究成果 针对前人在斜坡稳定 性模糊评判方面的不足 从松散堆积体的厚度 岩土体抗剪强度 库水位浸泡带埋深 库水变幅带岩土体性质 开挖卸荷影响程度等评价因子进行了补充 总结了 4类 16项进行模糊综合评判的评价因子 建立了斜坡稳定 性分析的多级模糊综合评判模型 评判结果较真实地反映了该斜坡目前所处的稳定状态 关 键 词 巴东移民新城 斜坡稳定性分析 模糊数学 多级模糊综合评判 中图法分类号 P64 文献标志码 A 巴东是三峡工程移民工程重点县之一 随着移民 工程建设 城市化进程步伐的加快 由挖填不当而产生 的新的地质灾害隐患 给巴东县城城区安全和人民生 命财产带来巨大的威胁 以巴东新城为例 利用巴东 扇形大斜坡区的区域地质 工程边坡和地质灾害调查 勘察与研究资料 对巴东新城的环境地质问题 斜 坡稳定性做了研究 采用模糊数学中的多级模糊综合 评判法对巴东斜坡稳定性作了定量分析评估 同时针 对斜坡区地质灾害提出了防灾减灾措施规划和建议 巴东复杂斜坡稳定性研究对于巴东移民迁建和地质灾 害防治具有重大意义 1 地质灾害分布 巴东县城城区位于长江三峡巫峡与西陵峡过渡地 带 地貌上属构造侵蚀中低山峡谷区 长江在此段顺轴 向近东西的官渡口复向斜核部地带发育 为长江三峡 地质条件最复杂的地区之一 巴东城区位于长江南 岸 新城区长约 8 km 宽不足 1 km 呈带状沿江展布 自西向东依次为西壤坡 云沱 白土坡 大坪 黄土坡组 团 经过 20多年的地质勘查 已查明城区沿江地带发 育有童家坪 西壤坡西 赵树岭 榨坊坪 谭家坪 红石 包 凉水溪 黄土坡等多处滑坡 区内出露地层主要有 三叠系下统嘉陵江组 中统巴东组及第四系 巴东组 广泛分布于研究区斜坡地带 为滨海相碎屑岩与碳酸 盐岩建造 地层总厚度约 1 000 m 共分 5个岩性段 研 究区出露有 4个岩性段 巴东组第三段是巴东县城区 的主要问题地层 1 已有研究表明巴东组为典型的 易滑岩组 2 红石包滑坡存在深层潜在滑移软弱带 早期可能有过深层蠕滑现象 3 2 斜坡稳定性评价 工程地质环境质量评价的目的就是为城镇区域三 维空间地质环境的开发利用规划 山地人居的可持续 性生存发展和避免或减轻地质灾害提供科学依据 工 程地质环境质量评价是界定地质环境对人类工程经济 活动的满足程度 具体表现为适宜性 比较强调地质环 境自身在工程方面的客观属性 4 工程地质环境评价方法主要包括地理信息系统 BP人工神经网络 灰色系统理论和模糊数学 刘传正 基于 M apGIS技术 对巴东复杂斜坡区工程地质环境 质量进行了分区评价 陈彪通过建立危险性综合指数 计算模型获得了巴东滑坡地质灾害危险性评价量化指 第 5期 王乐华 等 基于模糊数学方法的巴东斜坡稳定性研究 标 5 6 很少有学者采用模糊数学的方法对三峡库区 巴东复杂斜坡稳定进行评价 本文针对巴东新城斜坡 复杂的工程地质环境问题采用多级模糊综合评判进行 了研究 2 1 评价因子和分级标准 巴东环境地质问题主要包括两个方面 坡体失稳 和地震 其中斜坡稳定性制约着巴东新城的可持续发 展 影响边坡稳定性的因素多且复杂 而各因素的影 响程度也不相同 划分边坡稳定性级别的各因素的标 志和界限又相当模糊 很难用经典数学模型加以度量 如果把许多的地质资料 专家判断及各种定性描述转 化为模糊语言 对边坡的稳定性进行综合识别和评判 将会得到更为合理的解决 7 在正确认识地质灾害分布 发育特征 形成条件的 基础上 进行地质灾害危险性评价是地质灾害灾情评 估的重要内容与基础 在通过对巴东扇形斜坡区的工 程地质调查研究及借鉴大量已有研究成果的基础上 总结了 4类 16项主要影响该斜坡稳定性的因素 可作 为进行模糊综合评判的评价因子 考虑到影响因素较 多 拟采用二级模糊评判 将上述因素归为 4类 工程 地质特征因素 地形地貌特征因素 气象水文地质因素 和其他因素 根据边坡的稳定程度 将其稳定性划分 为 4个级别 稳定 基本稳定 次不稳定和不稳定 如表 1所示 随着模糊数学方法引入边坡的稳定性分析 众多 学者对该问题进行了卓有成效的研究 但是现阶段的 研究中 评价专家主观意识对评价结果的可靠性有 一定的影响 存在评价因素覆盖面不全等问题 另外 模糊评价系统针对单一的岩质边坡研究较多 对于 三 峡库区的复杂斜坡稳定性进行模糊评价几乎没 有报道 针对前人在斜坡稳定性评价系统的不足 本文将 从下面几个方面的评价因子进行了补充 1 综合考虑了基岩埋深大小对建筑物基础的影 响及巴东斜坡区松散堆积体的厚度分布 分别以 5 15 30m 基岩埋深为分级临界值 2 考虑了巴东斜坡松散堆积体碎石土的抗剪强 度参数的取值 对巴东斜坡碎石土在不同含水率下做 了大量的室内大型直剪试验 通过直剪试验 研究了 水对碎石土的抗剪强度参数的分级标准值 弥补了经 验法在碎石土抗剪强度参数取值上的误差 3 水文地质的分析因素中 三峡库区 175 m 以 下库水浸泡带埋深 三峡库区 145 175 m库水变幅带 岩土体的性质弱化作用对斜坡体稳定性的影响分析 在现阶段的模糊评判系统中还未出现 表 1中列入了 这些因素 增加了模糊评判系统的评判范围 4 巴东新城的基础设施建设主要在斜坡体上进 行 形成大区域的卸荷体 结合卸荷岩体力学理论的 研究成果 对边坡开挖卸荷而言 考虑了开挖卸荷影响 程度因素 2 2 隶属函数和权重的确定 在模糊数学中 是以隶属度来描述事物权重的模 糊界限的 对离散型变量的隶属度 采用专家评定法 来确定 其值见表 2所示 考虑实际情况 并结合已有 成果 本文对连续型变量的隶属度采用 降半梯形 公 式 8 建立隶属度与指标之间的函数关系 函数关系式 如下 U x 1 x S1 S2 x S2 S1 S1 S2 1 表 1 评价因子及分级标准 级 别 因 素 1234567 稳定坚硬岩石 A 低 37 强 40 凸形坡 A 低 30 顺向坡 D 弱 12 弱 500 级 别 因 素 8910111213141516 稳定平缓 10 弱 5 弱 0 1 浅 30 好 A 小 A 大 A 30 强 45 强 0 5 深 80 差 D 大 D 小 D 8大 D 注 1为工程地质岩组 2为基岩埋深 m 3为斜坡类型 4为岩土体粘聚力 kPa 5为岩土体内摩擦角 6为坡面形态 7为巴东斜坡区高程 m 8为地形坡度 9为冲沟发育 10为降雨的冲刷作用 m 11为库水位浸泡带埋深 m 12为库水变幅带岩土体性质 13为开挖 卸荷影响程度 14为加固影响程度 15为地震烈度 16为库水压力影响程度 19 人 民 长 江2011年 U x 0 x S3 S1 x S2 S1 S1 x S2 S3 x S3 S2 S2 x S3 2 U x为实测值 通过代入实测值计算得出隶属度 表 2 离散型指标隶属度取值 级 别 指标编号稳定 A 0 750 650 700 050 800 650 70 0 250 200 200 100 150 200 20 0 000 100 100 200 050 100 10 0 000 050 000 650 000 050 00 基本稳定 B0 300 250 250 100 150 150 25 0 600 500 650 150 550 500 65 0 100 200 100 500 200 250 10 0 000 050 000 250 100 100 00 次不稳定 C0 000 050 000 250 100 100 00 0 100 200 100 500 200 250 10 0 600 500 650 150 550 500 65 0 300 250 250 100 150 150 25 不稳定 D 0 000 050 000 650 000 050 00 0 000 100 100 200 050 100 10 0 250 200 200 100 150 200 20 0 750 650 700 050 800 650 70 2 3 一级模糊评判 根据巴东复杂斜坡的实际情况 对离散型变量按 表 2取值 对于连续变量按函数关系式 1 2 3 4 计算 则可得工程地质特征 地形地貌 气象水文 地质特征 及其它因素特征的模糊关系矩阵 R1 R2 R3 和 R4 1 对于工程地质特征因素 其模糊关系矩阵为 R1 0 300 000 050 860 00 0 600 200 100 140 68 0 100 800 200 000 32 0 000 000 650 000 00 5 2 对于地形地貌特征因素 其模糊关系矩阵为 R2 0 250 000 000 00 0 650 170 500 00 0 100 830 501 00 0 000 000 000 00 6 3 对于气象水文地质特征因素 其模糊关系矩 阵为 R3 0 000 000 10 1 000 000 15 0 000 000 58 0 001 000 25 7 4 对于其他特征因素 其模糊关系矩阵为 R4 0 000 150 000 25 0 050 500 670 65 0 150 250 330 10 0 800 100 000 00 8 由于各项因素在对边坡稳定性的影响中所起作用 大小及重要性不同 综合评判时应对各因素赋予一定 的权重 权重的确定多采用专家评分法进行 本文通过 专家打分法对一级权重值做了评判 二级权重针对多 个工程的实际情况进行多次试算得到 由表 3可以得到相应的一级权重矩阵 A1 A2 A3 A4 其中 A1 0 25 0 20 0 15 0 20 0 20 T A2 0 25 0 30 0 30 0 15 T A3 0 20 0 40 0 40 T A4 0 35 0 25 0 25 0 15 T 利用上述一级模糊关系矩阵 R 和一级权重矩阵 A 进行一级评判求出影响斜坡稳定性的四大因素的分级 模糊向量 B 即 B R A B R1A1 R2A2 R3A3 R4A4 表 3 各影响因素二级权重分配 影响 因素 指标 编号 一级 评判 权重 二级 评判 权重 影响 因素 指标 编号 一级 评判 权重 二级 评判 权重 工程地质 10 250 35水文地质 100 20 0 20 20 20110 40 30 15120 40 40 20其它因素 130 35 0 25 50 20140 25 地形地貌 60 250 20150 25 70 30160 15 80 30 90 15 2 4 二级模糊评判 根据表 3获取二级权重矩阵 C 0 35 0 20 0 20 0 25 T 20 第 5期 王乐华 等 基于模糊数学方法的巴东斜坡稳定性研究 根据二级模糊关系矩阵 B和二级权重矩阵 C进行 二级评判求出影响斜坡稳定性的四大因素的隶属度矩 阵 D 即有 D BC 0 128 3 0 355 7 0 312 0 0 320 4 T 计算结果表明 巴东复杂斜坡处于稳定状态的概 率为 12 83 处于基本稳定状态的概率为 35 57 处于较不稳定状态的概率为 31 20 处于不稳定状 态的概率为 32 04 根据最大隶属原则确定属类 该斜坡处于基本稳定状态 但由于不稳定的概率也较 大 出于安全考虑 应该采取相应的防灾减灾措施 确 保巴东城区基础设施不受重大地质灾害的威胁 避免 发生人员伤亡和各类建筑物破坏 3 结 论 1 影响斜坡稳定性分析评价的因素众多且十分 复杂 各因素的影响程度也不尽相同 而划分斜坡稳 定性级别的各因素标准值和临界值是非常模糊的 很 难对各种复杂的影响因素用经典数学模型进行评价 对于工程地质环境质量评价这种复杂的系统工程 模 糊数学的理论和方法使其得到了更合理的解决 2 巴东城区地质灾害防治近期目标是对调查发 现或已查明的 蓄水至 156m 和 175 m 水位时有重大 影响的崩滑体 预测塌岸和泥石流 有计划地进行防 治 总体目标是确保巴东城区居民小区点 厂区 道 路 桥梁 电站 码头及其他基础设施不受重大地质灾 害的威胁 避免发生人员伤亡和各类建筑物破坏 建立 起城区地质安全保障系统 促进城区社会经济繁荣发 展 3 随着三峡水库蓄水 水位将上升到 175 m 并 在 175 145m 区间波动 斜坡岩土体在库水变幅带的 物理作用 动水压的冲刷作用和化学溶解作用下 其水 文地质条件开始出现变化 在库岸再造作用下 斜坡变 形将会加剧 直接影响到巴东斜坡的稳定性 因此对 可能引发的地质灾害要进行充分估计预测和监测预 警 使新产生的地质灾害得到及时的防治 参考文献 1 肖拥军 柴波 应赣 三峡库区巴东县新城区斜坡构造体系特征研 究 J 湖南科技大学学报 自然科学版 2008 23 1 19 22 2 晏同珍 水文工程地质与环境保护 M 武汉 中国地质大学出版 社 1994 3 刘特洪 吴玉华 袁登维 等 长江三峡库区巴东红石包滑坡深层 潜在滑移软弱带的研究 J 湖北地矿 2002 16 4 105 111 4 刘传正 环境工程地质学导论 M 北京 地质出版社 1995 5 陈彪 张锦高 三峡库区巴东新城区滑坡地质灾害危险性分区评 价 J 科技管理研究 2009 1 256 259 6 刘传正 刘艳辉 连建发 等 三峡库区巴东复杂斜坡区工程地质 环境质量研究 J 水文地质工程地质 2006 5 1 8 7 李建林 王乐华 刘杰 等 岩石边坡工程 M 北京 中国水利水 电出版社 2006 8 李建林 卸荷岩体力学 M 北京 中国水利水电出版社 2003 编辑 赵凤超 Study on stability of Badong slope based on fuzzymathematics WANG Lehua WANG Jiacheng DENG Huafeng K ey Laboratory of GeologicalHazards on Three Gorges Reservoir Area M inistry of Education China Three Gorges University Yichang 443002 China Abstract The slope stability one of the environmental geological proble ms of Badong new town of i mm igrants in the Three GorgesReservoir area is studied Themethod of fuzzy mathe matics is applied to make a comprehensive evaluation on the engi neering geological environment quality ofBadong slope region According to the detailed engineering geologicaldata and existing research res