基于概率統計的可拓學分析方法在邊坡巖體質量分級中的應用研究

◆周全華

(四川科技職工大學)

一、引言

可拓學是用形式化模型研究事物拓展的可能性和開拓創新的規律與方法，并用于解決矛盾問題的科學。通俗地說，可拓學研究產生創意的理論和方法，成為生產創意的理論依據和方法來源。可拓學的研究對象是矛盾問題，基本理論是可拓論，方法體系是可拓方法，邏輯基礎是可拓邏輯，與各領域的交叉融合形成可拓工程。可拓論、可拓創新方法和可拓工程構成了可拓學。目前，已形成初步的理論框架，并建立了在人工智能、計算機、管理、控制、檢測等領域的應用方法，廣泛的運用到科學實踐分析中。

在自然界和現實生活中，事物是可以分成截然不同的兩大類:一類是確定性的現象;另一類是不確定性的現象。研究自然界中隨機現象統計規律的數學方法，叫做概率統計，又稱數理統計方法。概率論——就是根據大量同類隨機現象的統計規律，對隨機現象出現某一結果的可能性作出一種客觀的科學判斷，對這種出現的可能性大小做出數量上的描述;比較這些可能性的大小、研究它們之間的聯系，從而形成一整套數學理論和方法。

近幾十年來，隨著科技的蓬勃發展，概率論大量應用到國民經濟、工農業生產及各學科領域。許多興起的應用數學，如信息論、對策論、排隊論、控制論等，都是以概率論作為基礎的。概率論和數理統計是一門隨機數學分支，它們是密切聯系的同類學科。但是應該指出，概率論、數理統計、統計方法又都各有它們自己所包含的不同內容。目前，隨著概率統計研究的發展，在工程建設和巖體測定中也得到了一定的運用，本文從概率統計的視角著眼，就是對之前應用研究的一個回顧。

二、邊坡巖體質量分級的研究

1.邊坡巖體概述

根據巖體工程不同種類，可以對巖體進行分類，其分類標準主要是根據地質條件的不同以及巖體本身所具備的物理力學特性對巖體穩定性的影響來進行劃分的，可以根據其穩定程度，劃分為幾個不同類別，同時，將其作為標準來初步評價巖體穩定性。工程巖體的性質一般由巖體的完整程度以及堅硬的程度來決定，并將其作為巖體基本質量，其是巖體分級分類主要標準，是在對工程巖體受影響因素充分考慮的基礎上，進一步修正巖體基本質量而提出的。在巖石力學的角度來看，對巖體的分類一般不僅僅局限在定量描述巖體質量和結構上，還需要對巖體穩定性進行有效的評價，比如，在目前，國內外廣泛應用南非體系以及Q體系作為地下圍巖分類標準，并且可以直接將其分類評分成果作為評價穩定性的資料，并提出相應的加固對策。

從整個國內外的巖體質量的分類上來看，可以清楚地看出巖體的分類隨著時間的推移不論在廣度上還是在其深度上都有了很大的進展。以下是巖石的質量分類的特點以及是其發展的趨勢

第一，在早期的分級階段，只會從某一個單一的影響因素去分析作出評價，雖然影響巖體質量有著眾多的因素，但是早期的分類只會注重單一的指標的定性分類或者是單一指標的定量分類。這樣的分類方法存在著很大的不足，其評價的標準并不能滿足實際工程的需要，而且在有了巖體以及巖體結構的觀念以來，人們已經開始慢慢地意識到了單一評價的分級并不能全面地對巖體的整體性質進行反映，由于其分級存在著不科學性，因此巖體分級從單一因數逐漸地想多因素的綜合評價發展。

第二，巖體質量分級因素開始逐漸向定性以及定量兩者相結合的方向發展。

第三，在對壩基巖體質量分級的過程中，合理的做法是不應該太過追求其精確，所謂物極必反。太過的精確，反而會令分級變得模糊。相反，適當的模糊能夠展示其精確。在實際的應用上，借鑒加拿大康拜爾主張的巖體三分概念是具有一定意義的。

在工程建設中，巖體質量分級意義重大，其是工程從設計到開工等過程的參考依據，因此，需要將巖體質量分級作為一項重大工程對待。在分級中，應先篩選對工程穩定性造成影響的各類因素，并將其歸入作為巖體質量分級標準的地質指標中，但是需要把握好一點，要牢記所謂的指標，應該是影響巖體穩定性最為基本和準確的因素，指標不能太多，要不然可能會造成分級方法的無效性和非科學性。同時，還應確保不同分級因素不會相互影響，防止其任意搭接或者重復。例如，在評價巖體質量時，不能將點荷載強度以及單軸抗壓強度這兩個指標同時作為其跟卸荷及風化之間關系的評價標準。因為卸荷及風化較為嚴重的地方，其巖體質量也不高。所以，巖體質量的分部會呈現帶形。另外，除了一些裂隙和斷層較為密集的地帶，從岸坡的表面到內部，巖體質量一般都會逐漸改善，這種規律同樣適用于河床壩基中。只要把握這種規律，那么巖體質量分級便有了更清晰的思路。

2.邊坡巖體質量分級的方法研究

巖體質量分級在工程建設中占有重要的地位，它是工程設計、開挖的直接依據，因此，做好巖體質量的分級工作是一項需要慎重對待的問題。在當前的各類工程建設過程中，巖體穩定性是決定工程基礎是否牢固的關鍵，我們必須深入理解巖體質量分級的含義，經過科學的測定和研究，設計合理有效的分級方案。當前，學界對于邊坡巖體質量分級的研究主要包括三個方面:

(1)RMR體系

RMR是巖體力學中的巖石分類方法，該分類體系由比尼衛斯基于1973年提出，包擴了巖塊強度、巖石質量指標、節理間距、節理條件、地下水這5個參數。分類時，根據各類參數的實測資料，按照標準分別評分;然后將各類參數的評分值相加得巖體質量總分RMR值;再按節理分類對其進行修正;最后，用修正后的RMR值將巖體分級。

RMR體系是巖體分類方法中的一個很詳盡的方法體系，它對巖體本身質量的評定給出了一個較為全面的標準。但RMR體系在現實操作中存在著不夠專業化的問題，沒有考慮到不同地區不同地質的影響。處于這樣的考慮，學者諾曼那后來據此提出的SMR體系可以視為對其的一個補充。SMR體系充分考慮了不同的巖體結構對于巖體分類和穩定性的影響，在具體的巖體分級標準中加入了結構數據，使得巖體質量分級更為科學，也更具有可操作性。

(2)CSMR體系

CSMR是我國自主研發的巖體質量分級體系，可以視為SMR體系的本土化。如前所述，我國的地形極為復雜，而工程建設在很多時候都是在地形惡劣的情況下展開，所以CSMR體系的發展可以說是解決我國業內人員在具體建筑施工過程中的問題。該體系的最大特色是對當前邊坡巖體分級評價指標進行了多種修正，考慮到了特殊地形的影響，同時還將巖石性質、結構面等指標加入了進去。

(3)Q體系

Q體系最早發展于隧道工程，是早期多指標分類的代表。該系統綜合考慮了RQD、節理狀況、涌水量、應力條件等因素，指標提取簡便易行。適用于隧道、硐室等地下工程，在工程建設中也有一定使用價值。但是，由于Q體系使用范圍有著比較強的限制性，所以尚未在諸多領域全面展開。

三、可拓學視角下邊坡巖體質量分級的應用分析

可拓學自從上個世紀70年代被提出以后，經過10多年的發展，在理論上已初步形成了其特有的理論框架;目前，可拓學正向應用方向發展，可拓工程作為可拓學特有的方法，在產品設計，企業策劃，過程控制，識別與評價，技術科學與人工智能領域有著廣泛的應用前景。在地質工程和巖石工程中，可拓學也進一步得到了發展，在與概率論結合之后，在巖體質量分級方面有著明顯的優勢。

1.邊坡巖體分級影響因素的可拓學分析

邊坡巖體分級的目的在于對邊坡巖體的穩定性進行判斷，從而為工程的展開奠定基礎。而要對邊坡巖體進行有效的分級，很重要的一個方面，就是要對巖體分級的影響因素進行分析，力求在科學測量和論證的基礎上有一個準確的認識。一般來說，巖體分級及其穩定性的影響因素包括了氣象水文;地形地貌;地層巖性;地質構造;水文地質;植被和氣候等因素。在不同的地區，這些條件的表現方式各不相同，要準確的對其進行測量和預測，在現有的技術條件無法達到完全的實現。這就使得可變量和模糊因素大量存在著，從而為工程的后續進程造成阻礙。而可拓學的核心，就是對隨機和模糊現象進行分析歸納，它以不相容問題為研究中心，去尋求事物矛盾的內在機制。建立物元模型，通過各種變換去尋求事物的解是物元分析解決不相容問題的一般方法。但是可拓學的視角缺乏數據支撐，為此，概率論的引入能為其模型的建立提供具體的指標和數據，使得可拓學模型的建立成為可能。

2.邊坡巖體穩定性評價標準的可拓學分析

如前所述，影響邊坡巖體穩定的因素包括了地質、水文等，然而這并不是說所有的標準都處于同等重要的位置，不同的標準必須有著不同的輕重之分。

我們要根據具體巖土的實際情況，設定一個能反映穩定程度的定量值。建立邊坡巖體穩定性評價標準的過程一般可以分為以下幾個階段:

首先，確定邊坡巖土體穩定性經典域，即通過對邊坡穩定性的分級，結合物元概念，得到經典域。

其次，是確定節域，節域需要通過參考各評估指標歷史資料的最小值及最大值來確定。

再次，確定待評邊坡物元以及簡單關聯函數和初等關聯函數，其中，關聯函數的計算結果對可拓權系數的確定有著重要意義。

最后，利用層次分析法確定權系數，在前面計算的基礎之上根據各評價指標的重要性排序，并建立相關的評價指標體系。

［1］葛華，吉鋒等.巖體質量分級方法—CSMR法的修正及其應用［J］.地質災害與環境保護，2006，(17).

［2］周漢民.巖體質量的可拓學評價方法在邊坡工程中的應用［J］.礦業快報，2009，(12).

［3］Bieniaw 著.吳立新，王建鋒，劉殿書譯.工程巖體分類［M］.北京:中國礦業大學出版社，2005.

［4］康志強，周輝.大型巖質邊坡巖體質量的可拓學理論評價［J］.東北大學學報(自然科學版)，2007，(12).