基于多尺度监测的高陡边坡安全性综合评判

吾小鹏

（浙江浙能水电管理有限公司，浙江杭州，311322）

0 引言

岩土体边坡是一种天然地质体，其自身的工程地质条件和工程开挖条件往往会造成边坡工程性质的复杂性。模糊数学可充分考虑事物差异中间过渡中的不分明性和不确定性，充分合理地考虑各因素对边坡安全性不同程度的影响，对边坡安全性做出合理准确的评价[1-3]。以往的模糊综合评判一般都建立在边坡的有关力学参数或简单的监测数据之上，忽略了一些重要的影响因素，得到的结果很难保证真实性和准确性。笔者针对工程实际构建了多尺度、广角度监测系统，从而取得了更加全面的高陡边坡各方面的安全性影响因素，通过二级安全性综合评判，得出了真实性更强的评判结果。

1 多尺度监测系统的构建

1.1 工程简介

华光潭一级厂房后边坡为一古变形体，发育在两条与河流近正交的深切冲沟之间，平面上呈北东向狭长型展布，山体三面临空。变形体位移方向为NE40°，后缘拉裂面走向为NW310°。变形体前缘在一级厂房，前缘底界面为河床面，上、下游两侧的边界为冲沟。变形体前缘底高程232 m，变形体具有三级后缘面，高程分别为310 m、392 m和470 m。变形体前缘地形较陡，坡度35°～45°，中后部地形坡度15°～25°。变形体底界面埋深较大，坡脚为古变形体堆积层，变形体中部崩坡积层厚度达30 m，中后部蠕动变形带深度达60 m，平均厚度约45 m。变形体具有多级破坏特征，后部较窄，前部较宽。与厂房关系密切的变形体平均宽约125 m，纵向主轴长约410 m，面积约5.1×104m2，体积约2.3×106m3。

1.2 多尺度广角度安全监测系统

华光潭梯级水电站一级厂房后边坡的高陡边坡呈现出安全影响因素众多、破坏方式多样的特点，这些复杂的因素使边坡的安全问题存在隐蔽性和突发性。常规的安全监测中，单一的传感器容易受到各种干扰，同时不同传感器之间的联系也会被削弱，这样会导致监测数据微观尺度上的不准确性，也必然会影响最终的安全性综合评判结果。

鉴于此，考虑采用基于多传感器系统的多尺度广角度安全监测技术，即在分析高陡边坡工程地质条件和特点的基础上，对边坡相同部位的控稳因素进行几何尺度和时间尺度监测，同时对边坡不同部位的控稳因素进行广角度监测。对本工程，采用精密大地测量、内部传感器观测等宏观尺度和微观尺度，利用外部变形、内部测点位移和坡内渗透压力等综合监测手段，综合运用坡面沉降的微压传感器自动监测技术、边坡内部多点位移计和水平位移测斜技术、地下水渗透压力测试技术、锚杆应力计和防护网拉力计等，构建高陡边坡多尺度、广角度监测系统，为高陡边坡的安全性综合评判提供全面准确的监测资料，并为其因素集的合理提取奠定基础。

2 高陡边坡安全性的模糊综合评判

2.1 模糊综合评判二级模型的数学原理[3，4]

模糊综合评判法是在综合考虑被评价事物的相关因素的基础上，基于模糊变换原理和最大隶属度原则，对事物进行等级评判。

要进行模糊综合评判，首先要确定2个模糊子集：评判对象的影响因素集U和评判集V：

式中：n为因素集个数；m为评判集个数；k为分组数，k＜n；Ui为第二级因素集，U={U1i,U2i,…,Uni}。

接着，先对第二级因素集的n个因素进行单因素评判，即建立模糊映射：

得Ui单因素评判矩阵Ri：

由于各相关因素对被评判事物的影响程度不同，这里可用权向量Ai表示：

式中：是单因素在总评判中影响程度的度量，作为权系数，需要满足=1=1。

这样，就可以利用式（4）和式（5）进行模糊综合评判，得到一级综合评判集Bi：

式中：∘为广义模糊运算。

二级模糊综合评判，即以单因素模糊评判结果作为评判因子，同时给U={U1,U2，…，UK}的权向量AD，从而得到二级综合评判集BD，其计算公式为：

式中：A为权向量，AD=（a1，a2，…，ak）。

RD为多因素评判矩阵

将式（7）与式（6）联立，二级模糊综合评判的计算模型可以表示为：

对得到的评判集BD进行归一化处理所得向量BD，其最大分量所对应的评判等级即为边坡安全等级。

2.2 评判集和因素集的选取

评判集是用来对边坡安全性进行定性描述的模糊集合，是在经过定性分析及定量计算的条件下，对评判对象得出的评判结果的描述集合。根据国家规范，模型中将边坡稳定性划分为五个等级：稳定边坡、潜在不稳定边坡、变形边坡、不稳定边坡和失稳后边坡，即评判集Vi={Ⅰ-稳定边坡，Ⅱ-潜在不稳定边坡，Ⅲ-变形边坡，Ⅳ-不稳定边坡，Ⅴ-失稳后边坡}。

通过多尺度监测系统的建立，经过长期的监测和资料整理，根据边坡安全性影响程度的不同，综合得到影响华光潭梯级水电站一级厂房后边坡高陡边坡安全性的六方面主要因素作为其因素集。

（1）边坡结构类型（U1）。其中包括优势结构面产状与边坡走向的关系（U1-1）、岩体完整性（U1-2）、岩体风化程度（U1-3）、坡度（U1-4）。

（2）水平位移与潜在滑向的相关性（U2）。包括水平位移方向累进性（U2-1）、水平位移大小累进性（U2-2）、水平位移与潜在滑向的夹角（U2-3）。

（3）地下水作用（U3）。包括本次降雨中的上升值（U3-1）、地下水当前埋深（U3-2）、地下水消散速度（U3-3）。

（4）加固效果与加固体的应力响应（U4）。包括应力异常率（U4-1）、异常应力与水平位移相关性（U4-2）、异常应力与开裂的相关性（U4-3）。

（5）岩体卸荷和蠕变（U5）。包括锚杆轴力收敛性（U5-1）、防护网拉力收敛性（U5-2）、水平位移收敛性（U5-3）、坡面以下23 m厚度内总位移的收敛性（U5-4）。

（6）坡面开裂（U6）。包括拉裂缝与裂隙走向相关性（U6-1）、拉裂缝水平开度累进性（U6-2）、拉裂缝垂向错动累进性（U6-3）。

2.3 边坡安全性综合评判

由于岩质高陡边坡的复杂性和不均匀性，边坡各个区域的安全性也不同，为了充分准确地反映出边坡各区域的安全性以及边坡整体的安全性，综合考虑边坡地质条件、稳定性特点以及传感器布置方案，将边坡分为A～D四个区。四个区域中，D区边坡更加陡峭，相应的安全性问题也更加突出，该区域的安全性综合评判结果直接影响着整个边坡的安全性评判，所以首先对D区边坡安全性进行变权重二级模糊综合评判，步骤如下：

（1）取得模糊矩阵。根据因素集中各个因子在多尺度监测系统中的监测资料确定其隶属度[5]，从而得到式（4）中的一级模糊评判矩阵Ri（1≤i≤6）和二级模糊评判矩阵RD。其中：

（2）权向量的确定。依据AHP法确定各因素的常权向量并对其进行变权处理[5，6]，适当加大相对重要因子的权重，得到式（5）中的一级变权重向量A'i（1≤i≤6）和二级权重向量AD。其中：

（3）二级综合评判。根据上述两个步骤得到的结果，由式（6）可得到一级评判集，进而根据式（8）进行二级模糊综合评判。经过归一化处理，得到边坡D区域最终的安全性评判结果为：

（4）评判结果的处理。根据最大隶属度原则，在B矩阵中选择最大者，相对应的等级就是该边坡区域内的安全性综合评判结果。由于这里最大和次大分别为b4=0.246，b3=0.234，说明该边坡的D区域为变形的不稳定边坡；但同时考虑到b2=0.202，而b5=0.143，这也说明边坡D区相对更接近稳定边坡而非失稳边坡，因此考虑其为较稳定的边坡，但开始发生变形而变得较不稳定。因此，其安全性问题应该引起足够的重视，并且给予相应的处理措施，同时继续保持对该区域的安全性监测。

其余A、B和C区的评判按同样的计算步骤进行，结果分别为：

由四个区域的安全性综合评判结果可以明显看出，该高陡边坡的各区域内，D区为安全性等级最差的区域，A、B、C区域安全性等级较好，综合考虑四个区域的安全性等级，最终评判该高陡边坡为潜在不稳定边坡。

3 结语

（1）高陡边坡本身是一种天然地质体，其稳定性是一个不确定的问题，目前无法采用精确的方法来具体量化其安全性，但运用模糊数学的方法对高陡边坡的安全性进行模糊综合评判是行之有效的。

（2）相对于一般边坡工程而言，高陡边坡的安全性影响因素更为复杂，因此针对工程实例建立了多尺度、广角度的安全监测系统，为合理全面地提取模糊综合评判的因素集创造了条件，并以此为基础进行了二级模糊综合评判分析，最终得出该高陡边坡安全性处于潜在不稳定等级，这一结果也与实际情况十分吻合，为该边坡工程的后续安全性处理及监测提供了依据。

[1]肖位枢.模糊数学基础及应用[M].北京:航空工业出版社,1992.

[2]张跃,邹寿平,宿芬.模糊数学方法及应用[M].北京:煤炭工业出版社,1992.

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