邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法的最新進(jìn)展研究*

曾 勇

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)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(shè)計(jì)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(yán)重的滑坡和崩塌能引起江河堵塞、交通運(yùn)輸中斷、水庫淤積等，給人民生命和財(cái)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(zāi)害的相關(guān)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(zāi)害歷年來導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的，其所造成的間接經(jīng)濟(jì)損失更是難以估量。怎樣針對邊坡進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測并做好提前防治，如何掌握好并有效地評價(jià)邊坡穩(wěn)定性，如何運(yùn)用新技術(shù)和新進(jìn)展來評價(jià)邊坡穩(wěn)定性，更好地減少這些災(zāi)害顯得尤為重要。2012年全國主流地質(zhì)災(zāi)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(jià)方法

傳統(tǒng)通用的評價(jià)方法計(jì)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(yīng)用。目前發(fā)展比較完善、較為傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)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(jìn)行定性分析，了解其可能的變形破壞方式和力學(xué)機(jī)制，從而通過定性分析或定量計(jì)算對邊坡進(jìn)行綜合評價(jià)。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(jià)方法的具體內(nèi)容和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

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

2 新型交叉實(shí)用的評價(jià)方法

傳統(tǒng)的工程地質(zhì)學(xué)主要研究地質(zhì)對比情況，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和滑坡、邊坡理論研究的深入，人們已普遍認(rèn)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(xué)研究開始考慮這些不確定性因素在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的影響，推出了一系列的新型交叉實(shí)用評價(jià)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(jià)方法匯總表

（1）模糊綜合評判法。模糊綜合評判法是運(yùn)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，對邊坡工程進(jìn)行綜合性評價(jià)的模糊方法。通過建立一個(gè)具有隸屬度和評價(jià)因子的系統(tǒng)模型來評判，其最關(guān)鍵的步驟是確定隸屬度和各個(gè)影響因子的權(quán)重，進(jìn)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(yīng)用在河百高速邊坡穩(wěn)定性評價(jià)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(quán)重會使得結(jié)果有部分偏差。

（2）聚類分析法。數(shù)學(xué)中常將最佳事物組合稱為類，是否歸為一類的標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)大范圍，直至將所有事物歸類。以此為基礎(chǔ)便衍生出了聚類分析的方法，可依據(jù)此方法判斷實(shí)際不同邊坡的相似程度。

（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是利用計(jì)算機(jī)等一類的輔助工具模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)某些功能并處理非線性映射的實(shí)用仿生方法。該方法可以建立非線性的映射網(wǎng)絡(luò)，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(luò)巧妙地運(yùn)用在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中。

（4）遺傳算法。遺傳算法是模擬自然界生物進(jìn)化過程而提出的一種自適應(yīng)隨機(jī)性優(yōu)化搜索算法。在邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中，往往需要尋找最危險(xiǎn)的潛在滑動面，這時(shí)可以選擇遺傳算法，通過遺傳學(xué)的傳遞變異配對，最終收斂于全局的最優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)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(jià)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(xué)研究的重點(diǎn)，如巖土參數(shù)的變異性、荷載及分布不確定性、計(jì)算模型不確定性等。可靠度方法以應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)作為基礎(chǔ)，充分考慮影響邊坡安全系數(shù)的各種隨機(jī)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(yīng)用到實(shí)際邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中。

（6）灰色統(tǒng)計(jì)判別法。灰色統(tǒng)計(jì)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(shí)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(guān)聯(lián)作為基礎(chǔ)，通過加工并擴(kuò)展一部分已知條件，進(jìn)而能夠處理分析更多的灰數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)處理整個(gè)灰色系統(tǒng)，即實(shí)現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性更全面評價(jià)的方式。

3 研究方向展望

3.1 多學(xué)科交叉的復(fù)合評價(jià)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(diǎn)。在研究方法不斷完善的同時(shí)，將多種方法結(jié)合在一起，取長補(bǔ)短可以獲得意想不到的效果。在新型交叉學(xué)科研究發(fā)展中，人們普遍認(rèn)識到學(xué)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(luò)結(jié)合在一起，進(jìn)行和位移相關(guān)的反分析，效果非常顯著[5]。如張明明等[6]基于概率統(tǒng)計(jì)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(jià)，通過計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)值模擬仿真實(shí)驗(yàn)，這便是多學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)方法復(fù)合的典型案例。開放性地運(yùn)用全方位思維，從多學(xué)科交叉滲透來研究問題，如不斷運(yùn)用新的方法模擬問題間潛在的相關(guān)性，借用計(jì)算機(jī)等職能手段模擬人腦思維，利用專家經(jīng)驗(yàn)幫助判斷，利用發(fā)達(dá)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(diǎn)和擴(kuò)散方式。

3.2 系統(tǒng)的概念可更多運(yùn)用于邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

從自然災(zāi)害的衍生到形成，再到人工治理等一系列的過程，實(shí)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(shí)際生活要求的邊坡。為此，應(yīng)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(jìn)行更為和諧的穩(wěn)定性評價(jià)，這對系統(tǒng)的研究至關(guān)重要。

4 結(jié)論

目前發(fā)展較為完備的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法有許多，各方法都具有其考慮的方向和優(yōu)勢，因此應(yīng)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(jià)方法。在考慮到工程經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，應(yīng)選擇最優(yōu)的邊坡穩(wěn)定性分析的評價(jià)方法。分析現(xiàn)今巖土工程學(xué)科發(fā)展趨勢，可以得出以下結(jié)論：（1）以計(jì)算機(jī)為代表的全新科技是引領(lǐng)邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的主流方向，如ABAQUS、FLAC、GEO-slope等一系列分析軟件的應(yīng)用讓評價(jià)復(fù)雜邊坡變得簡便而準(zhǔn)確。

（2）多學(xué)科交叉、新舊評價(jià)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(jià)的全新嘗試方向，將取長補(bǔ)短的思想融匯其中，可以在相同的邊坡評價(jià)中收獲不同的效果。