基于概率统计的可拓学分析方法在边坡岩体质量分级中的应用研究

◆周全华

(四川科技职工大学)

一、引言

可拓学是用形式化模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法，并用于解决矛盾问题的科学。通俗地说，可拓学研究产生创意的理论和方法，成为生产创意的理论依据和方法来源。可拓学的研究对象是矛盾问题，基本理论是可拓论，方法体系是可拓方法，逻辑基础是可拓逻辑，与各领域的交叉融合形成可拓工程。可拓论、可拓创新方法和可拓工程构成了可拓学。目前，已形成初步的理论框架，并建立了在人工智能、计算机、管理、控制、检测等领域的应用方法，广泛的运用到科学实践分析中。

在自然界和现实生活中，事物是可以分成截然不同的两大类:一类是确定性的现象;另一类是不确定性的现象。研究自然界中随机现象统计规律的数学方法，叫做概率统计，又称数理统计方法。概率论——就是根据大量同类随机现象的统计规律，对随机现象出现某一结果的可能性作出一种客观的科学判断，对这种出现的可能性大小做出数量上的描述;比较这些可能性的大小、研究它们之间的联系，从而形成一整套数学理论和方法。

近几十年来，随着科技的蓬勃发展，概率论大量应用到国民经济、工农业生产及各学科领域。许多兴起的应用数学，如信息论、对策论、排队论、控制论等，都是以概率论作为基础的。概率论和数理统计是一门随机数学分支，它们是密切联系的同类学科。但是应该指出，概率论、数理统计、统计方法又都各有它们自己所包含的不同内容。目前，随着概率统计研究的发展，在工程建设和岩体测定中也得到了一定的运用，本文从概率统计的视角着眼，就是对之前应用研究的一个回顾。

二、边坡岩体质量分级的研究

1.边坡岩体概述

根据岩体工程不同种类，可以对岩体进行分类，其分类标准主要是根据地质条件的不同以及岩体本身所具备的物理力学特性对岩体稳定性的影响来进行划分的，可以根据其稳定程度，划分为几个不同类别，同时，将其作为标准来初步评价岩体稳定性。工程岩体的性质一般由岩体的完整程度以及坚硬的程度来决定，并将其作为岩体基本质量，其是岩体分级分类主要标准，是在对工程岩体受影响因素充分考虑的基础上，进一步修正岩体基本质量而提出的。在岩石力学的角度来看，对岩体的分类一般不仅仅局限在定量描述岩体质量和结构上，还需要对岩体稳定性进行有效的评价，比如，在目前，国内外广泛应用南非体系以及Q体系作为地下围岩分类标准，并且可以直接将其分类评分成果作为评价稳定性的资料，并提出相应的加固对策。

从整个国内外的岩体质量的分类上来看，可以清楚地看出岩体的分类随着时间的推移不论在广度上还是在其深度上都有了很大的进展。以下是岩石的质量分类的特点以及是其发展的趋势

第一，在早期的分级阶段，只会从某一个单一的影响因素去分析作出评价，虽然影响岩体质量有着众多的因素，但是早期的分类只会注重单一的指标的定性分类或者是单一指标的定量分类。这样的分类方法存在着很大的不足，其评价的标准并不能满足实际工程的需要，而且在有了岩体以及岩体结构的观念以来，人们已经开始慢慢地意识到了单一评价的分级并不能全面地对岩体的整体性质进行反映，由于其分级存在着不科学性，因此岩体分级从单一因数逐渐地想多因素的综合评价发展。

第二，岩体质量分级因素开始逐渐向定性以及定量两者相结合的方向发展。

第三，在对坝基岩体质量分级的过程中，合理的做法是不应该太过追求其精确，所谓物极必反。太过的精确，反而会令分级变得模糊。相反，适当的模糊能够展示其精确。在实际的应用上，借鉴加拿大康拜尔主张的岩体三分概念是具有一定意义的。

在工程建设中，岩体质量分级意义重大，其是工程从设计到开工等过程的参考依据，因此，需要将岩体质量分级作为一项重大工程对待。在分级中，应先筛选对工程稳定性造成影响的各类因素，并将其归入作为岩体质量分级标准的地质指标中，但是需要把握好一点，要牢记所谓的指标，应该是影响岩体稳定性最为基本和准确的因素，指标不能太多，要不然可能会造成分级方法的无效性和非科学性。同时，还应确保不同分级因素不会相互影响，防止其任意搭接或者重复。例如，在评价岩体质量时，不能将点荷载强度以及单轴抗压强度这两个指标同时作为其跟卸荷及风化之间关系的评价标准。因为卸荷及风化较为严重的地方，其岩体质量也不高。所以，岩体质量的分部会呈现带形。另外，除了一些裂隙和断层较为密集的地带，从岸坡的表面到内部，岩体质量一般都会逐渐改善，这种规律同样适用于河床坝基中。只要把握这种规律，那么岩体质量分级便有了更清晰的思路。

2.边坡岩体质量分级的方法研究

岩体质量分级在工程建设中占有重要的地位，它是工程设计、开挖的直接依据，因此，做好岩体质量的分级工作是一项需要慎重对待的问题。在当前的各类工程建设过程中，岩体稳定性是决定工程基础是否牢固的关键，我们必须深入理解岩体质量分级的含义，经过科学的测定和研究，设计合理有效的分级方案。当前，学界对于边坡岩体质量分级的研究主要包括三个方面:

(1)RMR体系

RMR是岩体力学中的岩石分类方法，该分类体系由比尼卫斯基于1973年提出，包扩了岩块强度、岩石质量指标、节理间距、节理条件、地下水这5个参数。分类时，根据各类参数的实测资料，按照标准分别评分;然后将各类参数的评分值相加得岩体质量总分RMR值;再按节理分类对其进行修正;最后，用修正后的RMR值将岩体分级。

RMR体系是岩体分类方法中的一个很详尽的方法体系，它对岩体本身质量的评定给出了一个较为全面的标准。但RMR体系在现实操作中存在着不够专业化的问题，没有考虑到不同地区不同地质的影响。处于这样的考虑，学者诺曼那后来据此提出的SMR体系可以视为对其的一个补充。SMR体系充分考虑了不同的岩体结构对于岩体分类和稳定性的影响，在具体的岩体分级标准中加入了结构数据，使得岩体质量分级更为科学，也更具有可操作性。

(2)CSMR体系

CSMR是我国自主研发的岩体质量分级体系，可以视为SMR体系的本土化。如前所述，我国的地形极为复杂，而工程建设在很多时候都是在地形恶劣的情况下展开，所以CSMR体系的发展可以说是解决我国业内人员在具体建筑施工过程中的问题。该体系的最大特色是对当前边坡岩体分级评价指标进行了多种修正，考虑到了特殊地形的影响，同时还将岩石性质、结构面等指标加入了进去。

(3)Q体系

Q体系最早发展于隧道工程，是早期多指标分类的代表。该系统综合考虑了RQD、节理状况、涌水量、应力条件等因素，指标提取简便易行。适用于隧道、硐室等地下工程，在工程建设中也有一定使用价值。但是，由于Q体系使用范围有着比较强的限制性，所以尚未在诸多领域全面展开。

三、可拓学视角下边坡岩体质量分级的应用分析

可拓学自从上个世纪70年代被提出以后，经过10多年的发展，在理论上已初步形成了其特有的理论框架;目前，可拓学正向应用方向发展，可拓工程作为可拓学特有的方法，在产品设计，企业策划，过程控制，识别与评价，技术科学与人工智能领域有着广泛的应用前景。在地质工程和岩石工程中，可拓学也进一步得到了发展，在与概率论结合之后，在岩体质量分级方面有着明显的优势。

1.边坡岩体分级影响因素的可拓学分析

边坡岩体分级的目的在于对边坡岩体的稳定性进行判断，从而为工程的展开奠定基础。而要对边坡岩体进行有效的分级，很重要的一个方面，就是要对岩体分级的影响因素进行分析，力求在科学测量和论证的基础上有一个准确的认识。一般来说，岩体分级及其稳定性的影响因素包括了气象水文;地形地貌;地层岩性;地质构造;水文地质;植被和气候等因素。在不同的地区，这些条件的表现方式各不相同，要准确的对其进行测量和预测，在现有的技术条件无法达到完全的实现。这就使得可变量和模糊因素大量存在着，从而为工程的后续进程造成阻碍。而可拓学的核心，就是对随机和模糊现象进行分析归纳，它以不相容问题为研究中心，去寻求事物矛盾的内在机制。建立物元模型，通过各种变换去寻求事物的解是物元分析解决不相容问题的一般方法。但是可拓学的视角缺乏数据支撑，为此，概率论的引入能为其模型的建立提供具体的指标和数据，使得可拓学模型的建立成为可能。

2.边坡岩体稳定性评价标准的可拓学分析

如前所述，影响边坡岩体稳定的因素包括了地质、水文等，然而这并不是说所有的标准都处于同等重要的位置，不同的标准必须有着不同的轻重之分。

我们要根据具体岩土的实际情况，设定一个能反映稳定程度的定量值。建立边坡岩体稳定性评价标准的过程一般可以分为以下几个阶段:

首先，确定边坡岩土体稳定性经典域，即通过对边坡稳定性的分级，结合物元概念，得到经典域。

其次，是确定节域，节域需要通过参考各评估指标历史资料的最小值及最大值来确定。

再次，确定待评边坡物元以及简单关联函数和初等关联函数，其中，关联函数的计算结果对可拓权系数的确定有着重要意义。

最后，利用层次分析法确定权系数，在前面计算的基础之上根据各评价指标的重要性排序，并建立相关的评价指标体系。

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