多级模糊综合评价某水电站边坡稳定性

　　0、引言

　　某水电站位于四川省黑水县境内，随着该电站压力钢管、调压井的建成，由坡体开挖和引水隧洞排水不当而引发的地质灾害隐患，给水电站未来工程的正常运行带来了很大的影响。因此，查明上述变形边坡稳定性、可能失稳的规模，提出合理的边坡治理措施，势在必行。综合评价方法在地质灾害和边坡稳定性评价的研究领域中是一大热点。

　　在众多稳定性综合评价方法中，模糊数学方法具有模型简单，多层次，定量化和易掌握的特点，已应用于滑坡稳定性评价等相关领域。很少有学者采用模糊数学的方法对变形边坡稳定性进行评价。本文以该变形边坡为例，基于模糊数学方法评价，针对变形边坡复杂的工程地质环境问题，采用多级模糊综合评判进行了研究。利用变形边坡区的基本地质条件和勘查与研究资料，对变形边坡稳定性进行评价。同时，针对变形边坡区地质灾害提出了治理措施建议，变形边坡稳定性研究对未来水电站工程的正常运营具有现实意义。评判结果，该变形边坡目前处于欠稳定状态，必须采取防治措施，确保水电站正常运转。

　　1、变形边坡的影响因素分析

　　根据边坡变形特征及深部钻孔资料表明，影响因素较为复杂，主要有:

　　(1)特殊的坡体结构及较陡的边坡条件。边坡区浅表层为较松散的崩坡积块碎石土、其下为古滑坡堆积物，且堆积物中黏粒含量较高，坡体前缘部位黏质土呈软塑状态。同时，边坡坡度较陡，在压力钢管所在的边坡范围，平均坡度达34°。

　　(2)边坡自身稳定性较差。压力钢管所处部位坡体，早期曾发生过一定规模的浅层滑动变形，上游侧前缘一带坡体最大错动高度可达3m左右，伴随这种错动，不仅使早期较密实的古滑坡体结构进一步松散，而且坡体内形成的剪切滑动面，为后期的变形提供了潜在弱面。同时，整个坡体上“马刀树”较发育，这说明浅表层坡体的稳定性较低，一直处于极缓慢的蠕滑变形状态，在一定的暴雨或震动条件下，浅表层存在失稳的可能。

　　(3)地震的影响。由于2008年5.12汶川地震的影响，使坡体结构进一步受到扰动，自身稳定性较差的坡体在震动条件下，稳定性变得更差，在外界条件改变时易发生稳定性突变。

　　(4)不合理排水的影响。该电站引水洞施工过程中，隧洞的流水未进行系统排水处理，造成多年流水对压力管道部位坡体从上至下的长期浸泡、软化坡体，导致坡体抗剪强度降低，易发生滑移。

　　(5)坡体开挖的影响。在压力钢管、引水洞的施工过程中，场内公路的修建，坡表植被的破坏，使坡体临空面变坏，对坡体浅表层稳定性不利。

　　(6)降雨的影响。2012年7月，因异常气候，工程区降雨量大，使压力管道边坡大土体面积饱和，土体抗剪强度降低，诱发了范围较大的拉裂变形与塌滑破坏。

　　变形边坡平面示意及地质剖面，如图1、图2。

　　2、模糊数学方法对变形边坡稳定性评价

　　对变形边坡进行稳定性分析和评价，是治理该变形边坡的基本依据，也是研究边坡变形演化的重要内容。由于影响边坡发生变形的因素众多，因素之间又有着错综复杂的联系，因此，变形边坡稳定性评价需要根据具体的情况，选用模糊数学方法对其进行评价。

　　2.1评价因子和分级标准

　　工程区的环境地质问题主要为边坡的坡体失稳变形，其中变形边坡的稳定性制约着水电站的正常运行。对变形边坡影响因素分析可以看出，影响因素不仅众多，而且其对应的影响程度也各不相同，所以很难用数学模型对边坡影响因素的标志和界限度量出来。但是，如果把边坡的基本地质条件、勘查与研究资料、专家打分和定性描述用模糊语言来代替，然后再对变形边坡的稳定性进行评价，那将会得到更为合理的解决。

　　在正确认识地质灾害分布、发育特征和形成条件的基础上，进行地质灾害危险性评价，是地质灾害灾情评估的重要内容与基础。在变形边坡区的工程地质调查研究的基础上，总结了4类14项主要影响该变形边坡稳定性的因素，作为评价因子，对变形边坡稳定性进行模糊数学方法的综合评判。由于影响因素众多，本文采用二级模糊数学模型进行评判，将上述影响因素归为4类:基本地质因素、地形地貌因素、水的作用因素和其它因素。依据《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353－2006)，将该变形边坡的稳定性划分为4个级别:稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定(如表1)。

　　近年来，运用模糊数学评判方法对边坡的稳定性分析已进行了较多的研究，众多学者在针对这种问题已有卓越的成就。但是，现阶段的综合评价中，专家的主观意识对评价结果的可靠性有一定影响，且在评价过程中评价因子并不齐全。另外，模糊评价主要是对一些岩质边坡或者地质灾害群进行研究，对于堆积体变形边坡稳定性进行模糊评价很少。

　　因此，针对之前对变形边坡稳定性评价中存在的不足，本文对评价因子的选取，从以下几个方面进行了补充:

　　(1)考虑了变形边坡基覆界限的位置，从而得到变形边坡区第四系堆积体的厚度以及基岩的深度对坡体上部建筑物建设的影响，分别以5，10，25m基岩埋深为分级临界值。

　　(2)考虑了变形边坡潜在滑动面抗剪强度的取值，对钻孔揭露的滑带碎石土进行取样，在室内作了该试样在不同含水率下的剪切强度试验。通过直剪试验，研究了水对滑带土的抗剪强度参数的影响，弥补了经验法在碎石土抗剪强度参数取值上的误差。

　　(3)水对边坡变形的影响，主要包括:暴雨对坡体变形的影响，引水隧洞排水对坡体影响和地下水对边坡变形的影响三个方面。其中，暴雨对坡体变形的影响主要依据边坡区域的最大降雨量，最大降雨量分别为大于80，80～75和74～65，小于65mm/d时，其影响程度分别为较大、大、较小和小。地下水对边坡变形的影响依据坡体内泉眼的数量，分为大规模泉水涌出、泉眼较多、1～4个泉眼和无泉眼4类，其对应的影响程度为较大、大、较小和小。

　　(4)文中开挖卸荷对坡体的影响程度主要是指边坡区压力管道和公路的开挖，坡体的开挖使边坡区形成了多处小型塌滑体。小型塌滑体的数量为大面积多处塌滑、8～12处塌滑体、4～7处塌滑体和小于4处塌滑体，其对应的影响程度为较大、大、较小和小。

　　2.2隶属度和权重的确定。

　　在模糊数学中，对隶属度的确定，目前尚无一套完整的且具有普遍意义的确定办法。本文在确定变形边坡影响因素的隶属度时，对离散型变量的隶属度采用专家打分的方法来确定，见表2;对连续型变量的隶属度建立函数关系式进行求解，函数关系式为

　　式中:L1，L2，L3，L4为评价指标对应变形边坡稳定性等级的分级阀值，x为实测值。通过把实测值代入到上述公式中计算，从而得到连续变量的隶属度。

　　2.3一级模糊综合评判

　　根据变形边坡的实际情况，对于连续变量的因素按式(1)～式(4)进行计算，对于离散型因素的隶属度则按表2取值，得到基本地质因素，地形地貌，水的作用，及其它因素特征的模糊关系矩阵P1，P2，P3和P4。

 

　　在对变形边坡进行稳定性评价时，因评价因素较多，并且各因素在评价中起的作用大小不同，因此，评价时需要对各因素赋予一定的权重。本文模糊数学综合评判的一级权重，是几位专家在滑坡赋存环境调查了解的基础上，采用专家评分的方法进行确定，二级权重从多个工程实例试算中得到。

　　由表3可得相应的一级权重矩阵B1，B2，B3和B4。其中:B1=(0.250.200.150.100.150.15)T，B2=(0.350.400.25)T，B3=(0.300.600.10)T，B4=(0.500.50)T。根据上述得到的两个一级矩阵P和B，对变形边坡进行一级评判，得到影响变形边坡稳定性的四大因素的分级模糊向量N，即N=P·B:N=(P1B1P2B2P3B3P4B4)。

　　2.4二级模糊综合评判

　　根据表3得到的二级权重矩阵:C=(0.250.200.400.15)T。根据二级模糊关系矩阵B和二级权重矩阵C进行二级评判，求出影响斜坡稳定性的四大因素的隶属度矩阵D为D=N·C=(0.09030.14230.41290.3545)T。计算结果对应的变形边坡稳定状态的概率，如表4。

　　如表6计算结果所示，读边坡稳定性状态，对应的概率最高为41.29%，根据最大隶属原则，该变形边坡处于欠稳定状态。由于变形边坡不稳定状态的概率也较大，但由于变形边坡处于不稳定状态的概率也较大，达到35.45%，所以应及时对变形边坡采取合理的防治措施，确保水电站未来工作的正常运行。

　　3、结论和建议

　　(1)通过黑水县某水电站变形边坡的稳定性综合评价发现，影响边坡稳定性的因素众多，而且这些因素对边坡的影响程度也各不相同。目前，对影响变形边坡稳定性各因素标准值和临界值的确定非常模糊，很难针对各种影响因素建立起经典数学模型进行评价。而用模糊数学的方法来评价工程地质环境质量这类系统工程，模糊数学的理论很好地解决了这一难题。本文采用模糊数学评判方法对变形边坡稳定性进行评价，使评价过程不仅具有层次性，而且还能定量化分析，结果表明该变形边坡处于欠稳定状态。

　　(2)根据变形边坡的变形破坏特征、形成机制分析及稳定性评价结果，提出两种治理措施建议:

　　综合治理方案:针对变形边坡的变形破坏特征，采用分区治理的思路进行加固，即采用预应力框架锚索或者抗滑桩分区加固坡体，结合排水措施，最后加固压力钢管管墩基础，达到治理目的。“绕避+局部治理”方案:考虑到压力钢管边坡变形较严重，治理难度大，结合现有厂房的位置，可设置埋藏式压力钢管于变形边坡体基岩内或将压力钢管布置于变形边坡上游侧基岩斜坡体上，以避让变形边坡，保证压力钢管的安全，同时，采用框架锚索或者抗滑桩加固拉裂变形区坡体，保证调压井的安全;加强边坡变形的系统监测，作好预测预报及灾害的应急处理工作。

　　参考文献:
　　［1］全佺，王玲珍，黄成敏．基于信息扩散理论的云南省地震风险评估及管理研究［J］．西北地震学报，2006，28(2):180－183．
　　［2］武安绪，吴培稚，张丽芳．基于模糊Modular神经网络的官厅水库及邻区的地震危险性评估［J］．西北地震学报，2005，27(增):65－71．
　　［3］谢礼立．城市防震减灾能力的定义及评估方法［J］．西北地震学报，2005，27(4):26－30．
　　［4］陈情来．模糊综合评判地质灾害的危险性［J］．油气储运，2000，19(5):38－43．
　　［5］王新民，段瑜，彭欣．采空区灾害危险度的模糊综合评价［J］．矿业研究与开发，2005，25(2):83－85．
　　［6］于远祥，杨梅忠，孙学阳．黄陵矿区滑坡的稳定性评价与防治［J］．矿业安全与开发，2004，31(4):4－7．
　　［7］李建林，王乐华，刘杰，等．岩石边坡工程［M］．北京:中国水利水电出版社，2006．
　　［8］霍张丽，梁收运．模糊数学方法在滑坡稳定性评价中的应用［J］．西北地震学报．2007，29(1):35－39．
　　［9］王乐华，王家成，邓华锋．基于模糊数学方法的巴东斜坡稳定性研究［J］．人民长江，2011，42(5):18－21．