一种基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法

技术领域

本发明涉及边坡工程稳定性评判技术领域，具体涉及一种基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法。

背景技术

我国幅员辽阔，地形地貌复杂，具有众多人工挖掘和天然形成的边坡体，是发生滑坡灾害较为严重的国家之一；因此，如何对边坡信息进行科学管理，合理有效的判别岩石边坡的稳定性成了亟待解决的问题；

对于一条上千公里的山区高速公路或铁路来说，岩石边坡数量庞大，施工条件及地质环境复杂，对边坡信息的管理和稳定性评价较为困难；另外边坡岩体的性质及稳定性的界限不清晰，影响动力稳定性的因素众多而复杂，各种因素的影响程度难以定量分析；因此传统的动力稳定性评价方法，如极限平衡法与折减强度法，难以在实际工程中对具体边坡的稳定性进行迅速有效的判定；

模糊数学的诞生，为解决动力稳定性这样一种受多因素控制的模式判别问题提供了有力的工具；随着模糊数学的发展，模糊集合的概念逐步被人们所接受；模糊集合主要是用来定量描述模糊性概念，它是联系事物确定性与模糊性的桥梁，是普通集合在概念与范围上的推广；模糊集合可以实现定量地描述事物的模糊性，这为客观评价动力稳定性提供了可能。

因此，如何有效的将模糊数学理论应用于动力稳定性分析与评价中，用隶属度函数代替确定论中非此即彼的特征函数来描述具有模糊性的影响因素，用模糊变换原理实现多因素、多层次的动力稳定性分析与评价，成为了本领域急需解决的主要问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法，本方法通过将模糊数学理论应用于动力稳定性分析与评价中，用隶属度函数代替确定论中非此即彼的特征函数来描述具有模糊性的影响因素，用模糊变换原理实现多因素、多层次的动力稳定性分析与评价，能够有效且快速的对岩石动力稳定性进行迅速有效的判定，实现边坡工程的安全施工。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法，包括步骤

S1.根据边坡工程实际和项目经验，对边坡进行分类；

S2.确定边坡动力稳定性的影响因素，将其定量化并计算；

S3.根据量化后的边坡动力稳定性影响因素，构建隶属度函数；

S4.确定各影响因素权重A

S5.对所有因素按隶属度函数进行评定，得出模糊向量，进一步组成模糊评价矩阵R

优选的，步骤S2所述的影响因素包括回弹值、岩体完整性系数、结构面综合相对贯通度、岩石边坡综合稳定性系数和岩石边坡上出露的不稳定块类型数。

优选的，步骤S3所述的隶属度函数构建过程包括

采用模糊统计法，通过对岩石边坡样本进行统计研究，同时用多项式进行拟合，构建隶属度函数。

优选的，步骤S5所述的模糊矩阵R

S501.对所有因素按上述的隶属度函数进行评定，得出模糊向量，r

S502.将步骤S501的r

优选的，所述的边坡动力稳定性评价方法还包括步骤

S6.根据模糊综合评价模型B

S7.根据模糊综合评价模型B＝A·R对各个影响因素进行总的二级综合评判；

S8.根据模糊评价结果所属的评价值区间对边坡稳定性进行分类。

优选的，步骤S2所述的边坡动力稳定性因素包括地形地貌、地质结构及地质作用、气候因素和其他因素。

优选的，步骤S3所述的隶属度函数构建过程包括

(1)采用岭形隶属度函数来构建影响动力稳定性的定量因素的隶属度函数；

(2)采用梯形隶属度函数来构建影响动力稳定性的定性因素的隶属度函数。

优选的，步骤S5所述的模糊矩阵R

S501.对所有因素按上述的隶属度函数进行评定，得出模糊向量，r

S502.将步骤S501的r

优选的，步骤S6所述的根据模糊综合评价模型B

根据子集U

B

优选的，步骤S7所述的根据模糊综合评价模型B＝A·R对各个因素进行总的二级综合评判的过程包括

S701.根据各个边坡动力稳定性因素的权重分配A＝[a

其中，i为边坡动力稳定性因素，i＝1,2,3,4；

S702.根据B＝A·R计算边坡的模糊评价结果B。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

本发明针对极限平衡法以及强度折减法难以对实际工程中具体的动力稳定性进行有效迅速的评定等问题，设计了一种基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法，本方法通过将模糊集理论应用于动力稳定性分析，综合考虑了影响动力稳定性的诸多因素并确定了各个影响因素的权重，提高了动力稳定性评价的客观性和准确度；同时本方法用模糊变换原理实现多因素、多层次的动力稳定性分析与评价，能够有效且快速的对岩石动力稳定性进行迅速有效的判定，实现边坡工程的安全施工。

附图说明

图1为本发明基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法的算法流程图。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例1：参照附图1所示的一种基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法，包括步骤

S1.根据边坡工程实际和项目经验，对边坡进行分类；

S2.确定边坡动力稳定性的影响因素，将其定量化并计算；

S3.根据量化后的边坡动力稳定性影响因素，构建隶属度函数；

S4.确定权重分配A

S5.对所有因素按隶属度函数进行评定，得出模糊向量，进一步组成模糊评价矩阵R

S6.根据模糊综合评价模型B

S7.根据模糊综合评价模型B＝A·R对各个影响因素进行总的二级综合评判；

S8.根据模糊评价结果所属的评价值区间对边坡稳定性进行分类。

优选的，在本实施例步骤S1中，将岩石边坡稳定等级分为五类，即：稳定，基本稳定，潜在不稳定，不稳定和极不稳定，分别用符号表示为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ表示；具体地，边坡稳定等级划分详细如下：

(1)稳定(Ⅰ级)指下列形式边坡：不具备统一的、规则的主滑控制界面(带)：主滑带不规则，难以构成整体性失稳的控制界面(带)；主滑带产状水平甚至前缘一带内倾、主滑带的饱和抗滑阻力足以抗衡后部岩体的推力经分析和实地调查找不出可导致整体性失稳的主诱发因素或主诱发因素不明显崩滑体周边没有新的堆积物来源，崩滑体内部地表排水沟己经形成且布局合理，前缘一带己经形成河流侵蚀稳态坡形，不存在向崩滑体内部的溯源侵蚀过程条件；

(2)基本稳定级(Ⅱ级)：同Ⅰ级的主要区别在于具有大体统一的、规则的主滑带且主滑带的总体倾斜度不小或接近崩滑体地表稳态坡度，沿主滑带的饱和抗滑阻力有一定的余度；

(3)潜在不稳定级(Ⅲ)：同Ⅱ级的主要区别是具备主滑带且主滑倾斜度大于崩滑体地表稳态坡度沿主滑带的饱和抗滑阻力余度不大或接近临界稳态经分析和实地调查显示存在导致整体性失稳的主诱发因素且诱发因素的临界值阂值不大崩滑体表层改造明显，局部性浅层、冲沟两侧多处变形失稳，前缘一带河流侵蚀后伴随局部性崩滑；

(4)不稳定级(Ⅳ)：崩滑体形成后曾经出现过几次新的变形或解体性失稳而且表面改造明显、失稳边界展布崩滑体形成时间晚而且尚处于形变场与渗流场调整过程中崩滑体表层改造过程仍在进行，前缘一带溯源侵蚀加剧降雨量与地震等可导致崩滑体整体性失稳的诱发临界值很小低崩滑体内部已经出现变形域而且变形域有逐年扩大之势；

(5)极不稳定级(Ⅴ)：沿着崩滑体的后缘出现新的变形裂缝或塌陷崩滑体内变形裂缝广布，伴随鼓胀、塌陷崩滑体基本上解体且各解体单元变形加剧甚至有的单元己经失稳一场暴雨之后出现的裂缝可能是浅层变形迹象也可能是深层变形迹象，而变形体域指的是深层变形地质体；

S2.确定边坡动力稳定性的影响因素，将其定量化并计算

在本实施例步骤S2中，根据国内外研究成果和国家规范标准，遵循重要性、独立性和易测性的原则，同时考虑到实际工程经验，选取了十四个因素作为影响岩质动力稳定性的主要作用因素；具体地，影响因素及参数详见表1所示；

表1：动力稳定性因素表(分五类)

优选的，在本实施例步骤S3中，首先考虑到边坡等级间的边界模糊性、等级间的过渡状态，采用岭形隶属度函数来构建影响动力稳定性的定量因素的隶属度函数，具体函数如下式：

(1)边坡总坡度

(2)边坡总高度

(3)岩体的内摩擦角

(4)边坡岩体粘聚力

(5)初始地应力

(6)过程降雨量

(7)最大地震烈度

其次，对定性因素做数量化处理，具体地，根据正态分布将作用因素对动力稳定性影响分成五个等级：很有利(100分)；有利(85分)；一般(65分)；不利(30分)；很不利(10分)；或作用因素影响：无(100)分；微(85分)；弱(65分)；较强(30分)；很强(10分)；采用梯形隶属度函数来构建影响动力稳定性的定性因素的隶属度函数具体如下式：

优选的，在本实施例步骤S4中，采取专家评分和相关文献提出的公式相结合来确定各影响因素权重A

表2：各影响因素权重表(分五类)

优选的，步骤S5所述的模糊矩阵R

S501.对所有因素按上述的隶属度函数进行评定，得出模糊向量，r

S502.将步骤S501的r

优选的，步骤S6所述的根据模糊综合评价模型B

分别按每一个因素与子集进行综合评判，具体地，根据子集U

B

优选的，步骤S7所述的根据模糊综合评价模型B＝A·R对四个因素进行总的二级综合评判的过程包括：

S701.根据各个边坡动力稳定性因素的权重分配A＝[a

其中，i为边坡动力稳定性因素，i＝1,2,3,4；在本实施例中边坡动力稳定性因素分别为地形地貌，地质结构及地质作用，气候因素和其他因素；

S702.根据B＝A·R计算边坡的模糊评价结果B。

优选的，步骤S8所述的根据模糊评价结果所属的评价值区间对边坡稳定性进行分类的具体过程包括：

根据模糊评价结果所属的评价值区间对边坡稳定性进行分类的具体原理为：模糊评价结果即为边坡的百分评分，其中最大百分比对应的类别表明边坡属于该类的可能性最大；按百分比的有级排列，可表明边坡的稳定性趋向。

实施例2：与上述实施例1不同的是，本实施例对边坡稳定性分类为三类，其具体步骤包括

S1.根据边坡工程实际和项目经验，对边坡进行分类；

S2.确定边坡动力稳定性的影响因素，将其定量化并计算；

S3.根据量化后的边坡动力稳定性影响因素，构建隶属度函数；

S4.经步骤S3确定隶属度函数后，确定权重分配A

S5.对所有因素按隶属度函数进行评定，得出模糊向量，进一步组成模糊评价矩阵R

优选的，在步骤S1中，对于边坡进行分类的过程包括：以岩石边坡在设计、施工和运营各阶段其边坡的稳定程度及工程处理为依据，将岩石边坡划分为三类，即Ⅰ类稳定边坡，Ⅱ类基本稳定边坡和Ⅲ类不稳定边坡，分类详见表3：

表3：岩质动力稳定性分类表(分三类)

优选的，步骤S2所述的确定边坡动力稳定性的影响因素，将其定量化并计算的具体过程包括：

S201.对国内外现有的岩石边坡设计标准进行分析研究，选定评价岩石动力稳定性的入选因素如下：

岩性、岩石单轴抗压强度、风化程度；

节理组数、密度、延长、张开、充填、结合程度；

节理面粗糙度系数(JRC)；

节理的产状(包括层理、片理等结构面)：

地下水的影响：

边坡的坡度、高度；

S202.将步骤S201选定的上述各因素化为定量指标(参数)如下：

第项归并为岩石回弹值R；

第项归并为岩体完整性系数I

第、及第项中的坡度归并到稳定性系数K的计算中；

第项中的坡高和第项中的延长归并为相对贯通度P的计算；

第项地下水对动力稳定性有着重要的影响，但本方法将地下水对边坡的作用放在坡度设计中考虑，采用对岩体质量修正的办法处理，使地下水问题不因人为地确定其判别指标而带来较大的误差；

将上述入选参数以下列形式作为评判时的五项计算参数：

岩石回弹值为R；

岩体完整性系数为I

结构面综合相对贯通度为GP；

岩石边坡综合稳定性系数为GK；

岩石边坡上出露的不稳定块类型数为N；同时动力稳定性计算参数及其判别因素详见表4：

表4：动力稳定性计算参数及其判别因素表(分三类)

S203.计算上述五项参数

(1)回弹值R由回弹仪测得；

(2)岩体完整性系数

其中，在式中，a

且对于层状岩体有：

I

对于非层状岩体有：

I

其中，在上式中，n，f，l，D，C，t分别为节理组数、密度、延伸长度、块度、结合情况、层厚；除n外，其他因素的取值，皆取整个边坡岩体的综合值或平均值，即能代表边坡岩体结构特征的值；

在实际计算中，各因素的贡献值可近似的按照表5中的值进行求解：

表5：各因素贡献值

(3)综合相对贯通度GP

设坡高为H，某节理J

否则P

将所有的P

其中，若某节理J

(4)综合稳定性系数GK

设坡向为

按极限平衡理论，对平面破坏有：

当|φ

对楔形破坏有：

当|φ

上式中，

由于在大多数岩体稳定问题中，有

对求得的岩坡上所有出露的K

(5)出露的不稳定块类型数N

出露的不稳定块类型数N为岩石边坡上所有K<1的滑动块类型总数。

优选的，步骤S3所述的采用模糊统计法，对样本进行统计研究，用多项式进行拟合，构建影响动力稳定性的定量因素的隶属度函数的具体过程包括：

S301.采用模糊统计法，通过对全国147个岩石边坡样本进行统计研究，用多项式进行拟合，构建隶属度函数如下列各式所示：

Ⅰ类：

Ⅱ类：

Ⅲ类：

优选的，步骤S4所述的在步骤S3中经研究和试算确定隶属度函数后，确定权重分配的权重分配如表6所示：

表6：各影响因素权重表(分三类)

优选的，步骤S5所述的模糊矩阵R

S501.对所有因素按上述的隶属度函数进行评定，得出模糊向量，r

S502.将步骤S501的r

利用上述实施例2所述方法对原分类样本进行回判，得到结果如表7所示：

表7：回判结果表(分三类)

通过表7可以看出，本实施例所述的基于模糊集理论的边坡动力稳定性评价方法对于边坡的稳定性分类的满足边坡分类的要求。

本说明书中等效实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，等效实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。