基于滑坡案例庫的鐵路選線輔助決策方法研究

楊文騰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

我國西南地區多為山區，地勢復雜，地質條件惡劣，受到強降雨等氣候條件的影響或地震等強烈的地質構造作用的沖擊，坡體極易失穩引起滑坡，進而引發其他災害，如泥石流、水毀等，形成災害鏈，造成鐵路設施的嚴重損壞，對人民生命及財產安全構成極大威脅[1]。在西南地區鐵路選線過程中，不可避免要通過可能存在滑坡的區域。因此，需要綜合考慮滑坡的影響因素指標，以及選擇合適的通過方式及相應治理措施。

我國自20世紀50年代便開始針對不良地質制定相應選線措施，在此后幾十年里，積累了大量的針對滑坡選線的工程案例[2]，許多學者開展了相關研究，楊宗佶等通過貢獻權重法對設計的4種選線方案危險性進行評價，從中推選出最優方案[3]；張喆深入分析天水北山滑坡群的特性，采用隧道內穿的方式通過，既避繞滑坡群，又避免外繞造成過大投資[4]。

以往工程案例包含大量的經驗和教訓，但多數研究僅集中于目標滑坡案例，未能充分利用歷史案例，若能將歷史案例利用到鐵路選線決策中，并參考其處理措施，將大幅提高鐵路選線決策的合理性。隨著計算機技術的發展，運用現代網絡技術，可將過往工程累積的，針對土質邊坡滑坡進行選線設計的案例搭建成相應的案例庫[5]。

以下針對西南地區常見的滑坡災害，考慮可能引發土質邊坡滑坡的影響因素指標，利用已有滑坡工程案例資料建立案例庫，運用灰色關聯分析法匹配相似案例，借鑒過去成功的案例進行滑坡區域選線設計的輔助決策，以期有效提高決策效率與可靠度。

1 滑坡案例庫及其因素指標

1.1 案例庫建立流程

案例庫是指將已有的工程案例收集并添加至數據庫中，在進行設計工作時調用數據庫，即得到可供參考的具有極大相似性的歷史案例，再結合新工程實際情況及專家意見，對相應解決辦法進行優化，得到可靠的決策方案。同時，將新案例資料信息存儲至數據庫，不斷更新案例庫，從而達到增量式學習的效果。案例庫的建立和使用主要包含4個步驟：案例匹配、案例重用、案例修正和案例保存。相較于以往的規則推理模式，案例庫充分利用了歷史知識與經驗，獲取知識較為容易，知識表達能力較高，求解效率高、質量好[6]。案例庫建立流程見圖1。

圖1 案例庫建立流程

1.2 影響因素指標

滑坡是指邊坡在重力作用下，受其他因素誘發，失去自身結構的穩定性，沿內部破裂面發生剪切運動，整體產生向下或向外位移?；鲁梢驒C制復雜、暴發規模大、危害性嚴重，已造成大量經濟損失和人員傷亡。因此，在滑坡區域進行鐵路選線設計時，應綜合考慮各項影響因素后進行決策。

滑坡是邊坡演化的產物，受到控制因素和誘發因素共同作用而導致，控制因素主要是指邊坡自身因素，包括地形地貌、地質水文、植被覆蓋率等；而誘發因素一般是指外部活動因素，如強降雨、地質板塊活動、人類工程活動等?？刂埔蛩睾驼T發因素之間產生各種直接或間接的影響，正是這種長期而復雜的相互作用，最終啟動了滑坡[7-8]。以下選取8個與滑坡相關的影響因素指標進行分析，見圖2。

圖2 滑坡影響因素指標

1.3 因素指標標準化

根據前文所述，引起土質邊坡滑坡的因素指標大部分都難以定量分析。因此，決定采用定性和定量分析相結合的方式，在充分分析相應的滑坡資料，挖掘語義關鍵詞，消除量綱影響的基礎上，將上述所有因素指標的初始值進行規范化和標準化處理。

根據其他學者的研究成果和過往滑坡工程案例，將滑坡風險性分為5個等級：①無風險，②低風險，③中風險，④高風險，⑤極高風險，各個因素指標標準化范圍見表1。

1.4 因素指標權重確定

由表1可知，上述因素均有可能誘發滑坡災害，但是其重要程度不同，為了提高案例匹配的精確性，需要對各個因素指標按其對滑坡產生影響進行定量分析，給予不同的權重。以下選用熵權法，信息和熵分別表示系統的有序程度和混亂程度，并以此計算每個因素指標的權重，當指標的熵越小，指標的離散程度越大，則其所蘊含的信息量越大，影響力和權重也應當越大；反之，當指標的熵較大時，其離散程度相對較小，所蘊含的信息量也相對較少，影響力小，該指標分配的權重也應減小。選用熵權法分配權重能避免主觀上的隨意性，保證計算客觀和準確[8-9]。熵權法的計算步驟如下。

表1 滑坡影響因素指標標準化結果

(1)數據歸一化處理

假設目前共有m個案例即評價對象，每個案例有n個影響因素即評價指標，則構成了判斷矩陣A，有

(1)

式中，aij為第i個案例的第j個影響因素，將其按下式進行歸一化處理，有

(2)

歸一化處理后，有

(3)

(2)計算確定第j個影響因素下、第i個案例所占比例

(4)

(3)計算第j個因素指標的熵

(5)

式中，K=1/lnm；當rij=0時，定義rijlnrij=0。

(4)計算各個因素指標的權重

(6)

1.5 基于灰色關聯分析的案例匹配

確定各個因素指標的權重后，應當進行最關鍵的環節—案例匹配。其主要工作原理是將目標案例與案例庫中各個既有案例的相似度進行比較，從而得到與目標案例最為匹配的既有案例，獲得可輔助決策的設計經驗和教訓。案例匹配的效率和準確率決定了案例庫的可靠度，故選用合適的方法建立相應的匹配機制尤為重要。以下選用灰色關聯分析法相關理論進行案例匹配。

灰色關聯分析法是在決策行為中常用的關聯分析方法，其優勢在于對樣本數量和出現規律要求不高，可根據少量的既有數據，深度挖掘數據內部信息，經過一定規范化的計算處理后，匹配目標案例與案例庫既有案例之間的共性，繼而確定兩者的相似度。

(1)確定比較對象

依據上文假設，案例庫目前共有m個案例，每個案例有n個影響因素指標，則案例庫中案例的因素指標序列為：pi={pi1，pi2，…，pin}，目標案例的因素指標序列為：p0={p01，p02，…，p0n}。

(2)確定案例的因素指標權重

根據上文所述，采用熵權法確定各個因素指標的權重為：w={w1，w2，…，wn}。其中，wj表示第j個因素指標的權重。

(3)計算關聯系數

目標案例與數據庫中第i個案例第j個因素指標的鄧氏關聯計算式[10]為

(7)

(4)考慮權重后的相似度

目標案例與案例庫中第i個案例的相似度為

(8)

2 工程實例

選用某山區鐵路滑坡工點作為目標案例，將其與前文建立的案例庫中的案例進行匹配，從而得出可行的選線策略，并與現行方案進行比對，以驗證案例庫的適用性[11]。

2.1 工程概況

Ⅰ區位于四川甘孜州，雅礱江的支流自其東側流過，水系發達，屬于鐵路沿線的一處潛在滑坡群工點。

(1)地形條件

河谷海拔為3 600 m，頂部最高海拔超過4 000 m，可見由冰川發育形成的寬谷和侵蝕形成的陡坡。該滑坡有過多次滑動變形歷史，前緣滑體厚重，后緣滑體相對較薄，呈現出上緩下陡的形態，平均坡度約30°，前后緣相對高程差約480 m，主滑方向為70°，斜坡長度約900 m，寬度約820 m，平均厚度約40 m，土方總體積為3 248萬m3，屬于特大型滑坡，滑坡體情況見圖3。

圖3 滑坡體情況

(2)地質條件

滑坡基巖為中風化的炭質板巖，節理較發育。上部滑體土主要為碎石土。滑帶土主要為灰色或灰黑色的粉質黏土夾角礫土，粉質黏土為軟塑狀態，角礫土主要成分為砂質板巖，呈棱角狀和次棱角狀，滑帶厚度為1.5～3.3 m，含水率較高。由于滑動歷史的影響，滑坡表面呈現階梯狀，存在多個緩坡平臺?；麦w地質情況見圖4。

圖4 滑坡體工程地質剖面

(3)氣象水文

Ⅰ區所在區域屬于典型的高原氣候，常年高寒缺氧，年平均降雨量為705 mm，旱雨季分明，每年的5～9月為雨季。

滑坡下緣為雅礱江支流，坡腳常年受到水流侵蝕，坡體表面有水系徑流，由于高寒山區晝夜溫差極大，該滑坡受到嚴重的凍融循環影響。

(4)地震

Ⅰ區處于青藏高原的東南部，夾于兩大斷裂帶之間，其周邊地區曾發生多次大規模地震?？ㄗ永降貐^地震烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.1g。

2.2 基于案例庫選線決策推理

運用上文熵權法算式，可計算出滑坡災害案例中各項影響因素指標的權重，見表2。

表2 滑坡影響因素指標權重

按照上文對目標案例影響因素指標標準化后，其結果見表3。

表3 滑坡因素指標標準化結果

根據目標案例相應情況，廣泛收集西部地區土質邊坡滑坡災害案例，組建案例庫，對其影響因素指標進行標準化處理[12-18]，結果見表4。

表4 西部地區滑坡災害案例庫標準化處理結果

運用灰色關聯法將目標案例與案例庫中既有案例進行分析，結果見表5。

表5 案例庫匹配結果

由表5可知，內江至六盤水鐵路K285滑坡與目標案例匹配的相似度最高，達到0.910 0。查閱內江至六盤水鐵路K285滑坡資料，分析其成因，可知該案例與目標案例滑體組成相似，滑體土均為碎石土，結構松散，滑動帶均位于土石分界處。兩個滑坡地形陡峻，均具有較大的前后緣高程差，較高的臨空面，坡體易沿臨空方向發生滑動。兩滑坡所處位置均位于河谷附近，河流下切坡腳，且干濕季節分明，雨季均集中在5～9月份，滑坡區域地震活動頻繁。

針對內江至六盤水鐵路K285滑坡，綜合各項調研資料可知，滑坡體處于極限平衡狀態，穩定性不高，一旦受到強降雨、地震等因素影響，極易誘發滑坡災害，威脅鐵路安全。因此，鐵路選線過程中應盡量繞避，且應減少鐵路施工產生的擾動。

專家選線建議是繞避，選擇滑坡旁的山脊處作為隧道進口，盡管目前滑坡處于穩定狀態，但施工行為可能誘發滑坡災害的發生，因此需要規范施工行為，盡量減少施工擾動。

對比可知，兩個案例的建議方案有一定相似度，因此，可認為基于匹配案例得到的選線措施具有一定合理性。

3 結語

(1)建立鐵路沿線土質邊坡歷史滑坡災害案例庫，滑坡災害的發生受控制因素和誘發因素的影響，選取6個控制因素和2個誘發因素為指標。上述指標在滑坡案例中多有描述，易獲取，可靠度高，具有代表性，便于案例庫的標準化。

(2)選用熵權法求取各個指標的權重，可有效避免主觀隨意性；選用加權后的灰色關聯分析法，可根據少量規律不明顯的數據，獲得兩者之間的關聯性，保障了匹配的效率和準確率。

(3)匹配案例和目標案例相似度達到0.910 0。兩案例的地形地貌、土體性質、氣候條件、地震烈度等均有一定的相似性，最終建議的處理方案也具有一定相似性。因此，在項目前期選線時，可使用案例庫匹配既有案例，參考其選線措施。

(4)本研究僅考慮造成土質邊坡滑坡災害的8種影響因素，之后可增加其他影響滑坡的因素指標，以增強滑坡案例庫的豐富性和準確性。