基于模糊信息优化处理的黄土滑坡稳定性分析

2013-09-05王新忠

地下水 2013年5期

关键词：前缘斜坡黄土

王新忠

(中国民航机场建设集团公司西北分公司，陕西西安 710075)

基于模糊信息优化处理的黄土滑坡稳定性分析

王新忠

(中国民航机场建设集团公司西北分公司，陕西西安 710075)

基于吕梁机场H2黄土滑坡现场工程地质勘察，对该滑坡特征进行分析。结合室内土工试验资料，综合考虑影响黄土边坡稳定性的五个主要因素粘聚力、内摩擦角、滑坡坡度、滑坡高度和地震动参数，运用模糊信息优化处理方法中的信息分配、信息集中等方法对黄土滑坡稳定性进行评价。同时还利用极限平衡法计算该滑坡稳定性，结果表明:两种评价结果均与实际情况符合，模糊信息优化处理法适用于黄土地区滑(边)坡稳定性评价，与极限平衡法相比更利于提高工程经济效益。

黄土滑坡;稳定性;模糊信息优化处理

黄土滑坡是一类十分严重的地质灾害，随着黄土地区工程建设的增多，尤其是机场建设这样重大工程，更应该提高对山体滑坡灾害的重视。在黄土边坡稳定性分析中涉及到的影响因素很多，有很大的不确定性(随机性、模糊性及知识不完备性)。为此许多学者采用现代数学原理和方法建立了一系列的边坡稳定性评价方法［1－6］。而模糊数学分析方法的特点就是考虑客观模糊因素的影响和事物发生本质变化的中介过渡过程，能更好地体现出客观事物的固有特征和模糊属性［7］。王家鼎［8］早在1990年就应用模糊信息分析法评价了兰州市斜坡稳定性;后来又逐步提出信息分配概念，初步建立了模糊信息优化处理推理体系，并在实际中大量应用，取得了良好的效果［8，9，10］。本文结合吕梁民用机场黄土滑坡，运用模糊信息优化处理理论体系进行黄土边坡的稳定性评价。

1 模糊信息优化处理理论［10］

1.1 模糊近似推论

模糊近似推论，是进行大系统和不确定性系统分析的主要环节。其数学公式表达为:

为了避免专家打分的主观影响，王家鼎［1］曾提出以下公式:

式(4)中的Δ为步距，即Δ = αi+1－αi。式(2)和(3)表明当原始信息元素α超出Ai的范围时(α∉Ai)，应突出Ai两头元素(αmin，αmax) 的信息。

1.2 信息分配

以元素ui、uj作为行列构成信息矩阵Q(n×n)，记录了U在V轴上的可能性分布。每个原始信息数据提供一个单位信息，并按一定形式分配给相邻的控制点。公式如下:

式中:Δ为基础变量各档次的步距，即Δ=ui+1;Qij是构成信息矩阵的元素，信息矩阵正规化后为模糊关系R。

1.3 信息集中

信息扩散是一种将非模糊的数据变成了模糊信息的变换。一个非模糊数据经过信息扩散后带有了模糊的色彩。为了消除这种影响，同时也为了求取最佳预测值，需要进行信息集中:

式中:u为要求得变量的最终结果;bi为模糊近似推论求出的第i个元素的可能性分布;ui为i等级变量的大小;k为常数，视情况而定。本文中取k=2。

2 黄土滑坡稳定性分析

2.1 滑坡特征

该滑坡(如图1)位于山西吕梁境内，经过现场实际调查及询问当地群众，该滑坡至少在100年前已经发生过明显滑动。主滑坡后缘位于马群踏上坡半山腰，其后缘高程为1 139 m，滑坡前缘直抵马群沟，前缘高程为1 055 m，前后缘相对高差84 m，滑坡北西侧界位于前黄草洼，南东侧界位于后黄草洼(见图2)。

图1 滑坡全貌

图2 黄土滑坡剖面图

滑坡整体平均坡度为20°，前缘坡度较陡，约27°。总体上，滑坡体近似叠瓦形或圈椅形，主滑体长193 m，平均宽186 m，地表面积约35 898 m2。西沟滑坡后缘位于主滑坡西侧半山腰陡坎处，与主滑坡Ⅱ级滑坡西侧界相邻，其后缘高程为1 094 m，滑坡前缘直抵后黄草洼，前缘高程为1 056 m，前后缘相对高差38 m，西沟滑坡长46 m，平均宽92 m，地表面积约4 232 m2。滑体平均坡度为32°，前缘较陡，多在52°左右，滑坡后壁近似圈椅形。

该滑坡从地貌上呈现三级台阶，可据此将该滑坡划分为三级坡，Ⅱ级滑坡的发育，导致Ⅲ级滑坡的变形，Ⅱ级滑坡上又发育了Ⅰ级滑坡。

2.1.1 Ⅰ级滑坡

该滑坡曾在早些年发生过明显滑动，因此，滑动面及滑体边界比较明确。滑体上由于雨水的冲刷作用形成多条“V”字型黄土冲沟，其滑坡前缘直抵马群沟，由于马群沟的下蚀和侧蚀作用，使滑坡前缘临空面不断抬升，从而降低了滑坡的阻力，加之滑坡体后缘可见部分裂缝，降雨时有大量地表汇水灌入滑体，侵蚀软化滑动带岩土，降低其抗剪强度，连降大雨时，水体还将通过各种作用形式直接增加下滑力，导致滑坡失稳。目前，该滑坡尚处于基本稳定状态。

2.1.2 Ⅱ级滑坡

调查表明，该滑坡发生明显滑动的时间至少可推至100年以前，滑坡体上极其发育的冲沟也可作为老滑坡的证据。从该滑坡本身观察，滑坡后壁十分清晰，高约20 m，倾角60°左右，后壁上发育3～8 m深的冲沟，但后壁整体稳定;滑坡平台宽缓，平均宽度30～40 m，倾角约10°，局部反坡，且有落水洞分布，平台未见明显变形迹象;滑坡前缘因受马群沟季节性洪水侧蚀、下蚀影响，出现了次生滑坡，这些次生滑坡的继续活动对上级滑坡稳定不利。总体来看，该滑坡边界清晰，岩土结构整体性较好，滑体坡度较缓，稳定性相对较好，但是，从后缘灌入的地表水，对滑坡的稳定性极为不利，而且，马群沟的强烈切割侵蚀，使滑坡前缘长期保持高陡临空面，为滑坡的主滑动面向深层发展创造了条件。

2.1.3 Ⅲ级滑坡

双沟同源的向源侵蚀限定了老滑坡的周界，目前向源侵蚀尚差约40 m即可闭合，说明向源侵蚀正在沿老滑坡侧壁作用。

就Ⅲ级滑坡本身而言，除了不断深化的向源侵蚀，滑坡后壁下错不明显，滑坡体中后部岩土体基本完整，滑坡平台宽缓，宽约60～80 m，倾角约10°。从斜坡上游方向来的汇水面积不大，因此，大气降水对Ⅲ级滑坡的影响将降低。但高陡的Ⅱ级滑坡后壁，马群沟洪水对滑坡前缘的侧蚀、下蚀，滑坡区内的降雨汇水沿落水洞下渗等均对滑坡稳定不利。

根据钻孔、探坑及探槽揭示出的滑带位置及特征，得知西沟滑坡和主滑坡滑动面均在黄土层内，且均在离石黄土古土壤层内。离石黄土呈块状，孔隙较发育，硬塑，可见古土壤与姜石互层、混杂，工程性能一般。根据野外勘察和室内土工试验得到相关参数见表1。

表1 黄土边坡基本参数

2.2 滑坡产生的诱发因素

滑坡区地处于Ⅵ度地震区，但特殊类工程应提高一度设防(甲类构筑物)，故设防烈度为Ⅶ度，由于黄土的孔隙和垂直节理发育，透水性好，该滑坡下部含多层姜石层，在岩层分界面容易形成流塑性软弱结构面，抗剪强度大大降低，在地震力影响作用下，滑坡很可能失稳下滑。

2.3 滑坡稳定性计算的极限平衡法

式中:Fs为稳定性系数;θi为第i块段滑体所受重力(KN/m);Ri为作用于第i块段的抗滑力(KN/m);Ni为第i块段滑动面的法向分力(KN/m);φi为第i块段土的内摩擦角(°);ci为第i块段土的粘聚力(KPa);Li为第i块段滑动面的长度(m);ψi为第i块段的剩余下滑力传递至块的传递系数(j=i);Ti为作用于第i块滑动面上的滑动分力(kN/m)。

通过计算可以得到在地震作用下三级滑坡的稳定性系数分别是 SⅢ=0.99，SⅡ=0.80，SⅠ=0.80。

2.4 模糊信息优化处理法评价滑坡稳定性

在滑坡发育过程中如滑坡的形成和运动机理目前还没有一个统一的认识，其过程存在有大量的不确定性，其中模糊性是其最主要的特征。模糊信息优化处理技术是解决模糊现象的一种有效的工具。黄崇福和王家鼎教授多年来做了大量研究工作［12］，建立了模糊信息优化处理的理论体系，其中，在黄土滑坡稳定性的模型计算中效果良好，并已应用于黄土地区多个防灾规划中。

通过综合考虑，本文拟采用黄土滑坡稳定性中的模糊信息处理方法来研究该机场的滑坡稳定性以资对比。此处选取粘聚力，内摩擦角，滑坡坡度，滑坡高度，地震动参数等五个因素进行对斜坡稳定性的评价。

文献［10］中收集了黄土高原150组黄土斜坡稳定性资料，采用信息扩散法建立了粘聚力C，内摩擦角φ，斜坡坡度，斜坡高度H，地震动参数Amax(g)与斜坡稳定性论域S的模糊关系 Rc，s(表2至表6)。

先以粘聚力C推论斜坡稳定性各级的可能性分布，以Ⅲ级滑坡为例，从表2可知C＜C1，按式(2)得到C=［1，0，…，0］(7)

表2 模糊关系

表3 模糊关系

表4 模糊关系

表5 模糊关系

表6 模糊关系

同理，可以得到Ⅲ级滑坡其他指标对斜坡稳定性的可能性分布如下所示:Sφ= ［0.553，0.083，0.047，0.001］;Sα= ［0.020，0.028，0.091，2.324］;SH= ［0.991，0.938，0.642，0.315］;

因为滑坡区设防烈度为Ⅶ度，对应的地面运动最大加速度为 0.125，根据表 6 和式(2):Sα= ［0.479，0.641，1.000，0.855］同理，Ⅱ级滑坡各指标对斜坡稳定性的可能性分布为:Sc= ［0.002，0.403，0.804，1.000］;Sφ=［1.330，0.173，0.098，0.005］;Sα= ［0.021，0.030，0.097，2.485］;SH= ［0.994，0.959，0.759，0.360］;SQ= ［0.479，0.641，1.000，0.855］。Ⅰ 级滑坡各指标对斜坡稳定性的可能性分布如下:Sc= ［0.002，0.403，0.804，1.000］;Sφ=［1.330，0.173，0.098，0.005］;Sα= ［0.024，0.036，0.139，2.746］;SH= ［0.999，0.996，0.976，0.443］;SQ= ［0.479，0.641，1.000，0.855］。

以上是分别利用单因素评价斜坡稳定性，为了综合考虑这些因素的影响，就必须进行二级模糊近似推论［12］:B［2］=A［2］·R［2］(7)

式中:A［2］为每个单因素的权重。本文中 A［2］= ［0.15，0.15，0.30，0.25，0.15］

对于Ⅲ级滑坡的R［2］为:

按式(6)中的信息集中原理得:

由此计算可知，Ⅲ级滑坡、Ⅱ级滑坡和Ⅰ级滑坡均属于极不稳定滑坡。极限平衡法计算该滑坡也属极不稳定滑坡。而从实际现场勘察结果发现，各种滑动迹象明显，已处于微动阶段，两种稳定性计算法的结果均与实际情况相符。相对于常规力学计算方法，模糊信息优化处理的优点是不需要确定滑动面，只要考虑影响斜坡稳定性的影响因素，减少了大量的野外工作量，节省了大量的人力和物力。提高了工程经济效益。